22 Пенообразование и пеногашение

Явление пенообразования встречается в различных технологических процессах. Иногда может быть полезным, как, например, в процессе флотации, а в других случаях, как, например, при аэробном культивировании микроорганизмов, относится к нежелательным явлениям и приходится бороться с ним.

Образование пены при ферментации ведет к уменьшению коэффициента заполнения аппарата, приводит к потерям КЖ, уходящей с пеной из аппарата, может быть причиной выхода из строя фильтров очистки воздуха. Кроме того, некоторые применяемые на практике способы пеногашения ухудшают условия снабжения микроорганизмов кислородом и питательными веществами и отвода продуктов метаболизма.

Заметим, что чистые жидкости не пенятся. В чистой жидкости пузырь, всплывший на поверхность, разрушается за доли секунды ввиду энергетической неустойчивости и малой прочности его жидкостной пленки. Наличие в жидкости ПАВ уменьшает ее поверхностное натяжение, а их сосредоточение на поверхности раздела, т.е. на стенках пузырей, приводит к увеличению эластичности и устойчивости оболочек.

В микробных КЖ пенообразователями являются вещества исходной среды (белки соевой и кукурузной муки, кукурузного экстракта), продукты жизнедеятельности микроорганизмов, а также мыла - продукты распада жиров - пеногасителей).

Зависимость устойчивости пены от концентрации ПАВ определяется размером молекул ПАВ. Для низкомолекулярных ПАВ (низшие спирты, кислоты) средняя продолжительность жизни пузыря  составляет 10-20 секунд. Причем существует определенная концентрация ПАВ, дающая наиболее стойкую пену. На графике она выражена экстремумом.

Эта max концентрация уменьшается с увеличением молекулярной массы ПАВ. Время жизни "" зависит от диаметра пузыря, физических свойств и т.д.

Высокомолекулярные ПАВ (белки, мыла) ведут себя несколько иначе. Средняя продолжительность жизни 100-1000 с. Стойкость их пены возрастает с концентрацией ПАВ. Экстремума не наблюдается.

Считается, что высокомолекулярные ПАВы, помимо того, что понижают поверхностное натяжение жидкости, образуют в поверхностном слое двумерную кристаллоидную структуру и адсорбируют мелкие твердые частицы, содержащиеся в КЖ, чем увеличивают прочность пленок пены.

Пенобразующая способность жидкостей характеризуется высотой пенного слоя, скоростью его образования и прочностью. Эти параметры зависят в основном от физико-химических свойств жидкости, а также от Ø пузырей.

Методы определения пенообразующей способности основаны на измерении высоты столба пены, времени его образования и разрушения. При этом должны учитываться условия получения пены, скорость подачи газа, диаметр пузырей и т.д.

В качестве показателя вспениваемости КЖ используется произведение средней скорости роста пены (Н/_п) на длительность разрушения образовавшегося слоя пены _р:

q=(H_п/_п)*_р,

где q - коэффициент вспениваемости; Н_п - высота подъема пены; _п - время подъема пены до данного уровня с момента начала барботажа; _р - время разрушения пенного столба после прекращения аэрации (рис.17).

Показатель вспениваемости измеряют на специальном приборе, основу которого составляет мерный цилиндр, через пористое дно которого подается воздух, параметры которого (р, t, Q) строго стабилизированы.

Величины Н_п и _п берутся из графика Н=f() для точки, соответствующей концу участка интенсивного вспенивания, на котором соблюдается пропорциональная зависимость Н от .

Для сильно пенящихся КЖ величина q достигает 200-500 см.

Значение q в процессе культивирования изменяется за время цикла. Поэтому чтобы учесть суммарный эффект пенообразования в течение всего цикла культивирования пользуются интегральным показателем вспениваемости q_s.

Эффект химических пеногасителей измеряется величиной f:

f= (q - q_д )/C ,

где С - концентрация пеногасителя, снижающая пенообразование от исходной величины q до допустимой величины q_д. При f <1000 вещество считается малоэффективным, при 1000<f<10000 - эффективным, и при f>1000 - высокоэффективным.