Anwendung von Dekanterzentrifugen zur Trennung von Milchsäurebakterien

I. Technische Grundlagen

Eine Dekanterzentrifuge besteht im Wesentlichen aus einer rotierenden Trommel und einer Förderschnecke, die sich mit geringer Drehzahldifferenz in dieselbe Richtung drehen. Nachdem die Fermentationsbrühe der Milchsäurebakterien in die Zentrifuge gelangt ist, werden die Milchsäurebakterienzellen aufgrund ihrer höheren Dichte durch die Zentrifugalkraft der schnellen Rotation an die Innenwand der Trommel geschleudert und bilden dort Feststoffpartikel (Bakterienschlamm). Die Flüssigkeit (Fermentationsüberstand) verbleibt in der Mitte der Trommel und wird über einen Überlauf abgelassen. Die Förderschnecke befördert den Bakterienschlamm vom schmalen Ende der Trommel zum Schlammauslauf am breiten Ende und schließt damit die Fest-Flüssig-Trennung ab.

Zu den Schlüsselparametern des Trennprozesses gehören die Trommeldrehzahl, die Differenzdrehzahl, der Zulauf und der Trennfaktor. Die Trommeldrehzahl liegt üblicherweise zwischen 3000 und 6000 U/min, und der Trennfaktor kann 1500 bis 4000 g erreichen. Dadurch lassen sich Milchsäurebakterienzellen mit einem Durchmesser von nur 1–5 Mikrometern effektiv abtrennen. Die Differenzdrehzahl wird über ein Planetengetriebe eingestellt und beträgt in der Regel 0,2–2 % der Trommeldrehzahl. Sie steuert die Austragsgeschwindigkeit des Bakterienschlamms und gewährleistet so eine hohe Trenneffizienz und Prozesswirksamkeit.

II. Anwendungsszenarien

1. Vorbehandlung der Fermentationsbrühe

Nach der Fermentation von Milchsäurebakterien enthält die Fermentationsbrühe eine große Anzahl an Milchsäurebakterienzellen, nicht fermentierte Substrate, Stoffwechselprodukte und geringe Mengen an Verunreinigungen. Dekanterzentrifugen eignen sich als Vorbehandlungsanlagen, um die meisten Milchsäurebakterienzellen schnell abzutrennen und den Feststoffgehalt der Fermentationsbrühe von 1–5 % auf unter 0,1 % zu senken. Dadurch wird die Belastung für nachfolgende Prozesse wie Filtration und Reinigung reduziert. Beispielsweise kann bei der Joghurtherstellung die mit einer Dekanterzentrifuge behandelte fermentierte Joghurtbrühe einen Teil der Molke und Verunreinigungen entfernen, wodurch die Konsistenz und Stabilität des Joghurts verbessert werden.

2. Bakterienkonzentration

Bei der Herstellung von Milchsäurebakterienpräparaten (wie z. B. Probiotikapulvern und Milchsäurebakterienkapseln) ist es notwendig, die Milchsäurebakterienzellen in der Fermentationsbrühe zu konzentrieren, um die Bakterienkonzentration zu erhöhen. Dekanterzentrifugen können die Milchsäurebakterien-Fermentationsbrühe um das 10- bis 50-Fache konzentrieren, wodurch der Milchsäurebakteriengehalt im Bakterienschlamm 10¹⁰–10¹² KBE/g erreicht. Der konzentrierte Bakterienschlamm kann direkt gefriergetrocknet oder durch Waschen, Raffinieren und andere Verfahren weiterverarbeitet werden, um die Reinheit zu verbessern.

3. Raffination und Waschen

Um Verunreinigungen, Stoffwechselprodukte und Mediumbestandteile von der Oberfläche der Milchsäurebakterienzellen zu entfernen, muss der konzentrierte Bakterienschlamm gewaschen werden. Dekanterzentrifugen können während des Trennprozesses Waschlösungen (wie steriles Wasser und physiologische Kochsalzlösung) zugeben. Durch Gegenstromwäsche werden Verunreinigungen im Bakterienschlamm entfernt und die Reinheit der Milchsäurebakterien verbessert. Beispielsweise kann bei der Herstellung von hochreinem Milchsäurebakterienpulver durch mehrfaches Waschen mit einer Dekanterzentrifuge eine Reinheit von über 95 % erreicht werden.

III. Vorteile

1. Kontinuierlicher Betrieb und hohe Verarbeitungskapazität

Dekanterzentrifugen ermöglichen die kontinuierliche Zufuhr, Trennung und Schlackenabfuhr ohne Unterbrechung zum Entladen der Schlacke. Ihre Durchsatzleistung beträgt 1–100 m³/h, wodurch sie sich für die industrielle Großproduktion eignen. Im Gegensatz dazu erfordern herkömmliche Zentrifugaltrennverfahren (wie z. B. Rohrzentrifugen) einen diskontinuierlichen Betrieb, weisen eine geringe Durchsatzleistung auf und können die Anforderungen der Großproduktion nur schwer erfüllen.

2. Hohe Trenneffizienz und hohe Bakterienrückgewinnungsrate

Dekanterzentrifugen weisen einen hohen Trennfaktor auf und können selbst kleinste Milchsäurebakterienzellen effektiv abtrennen, mit einer Bakterienrückgewinnungsrate von 90–99 %. Gleichzeitig ist die Trennleistung des Geräts stabil und wird nicht durch Faktoren wie die Konzentration des Ausgangsmaterials oder die Temperatur beeinflusst, wodurch eine gleichbleibende Produktqualität gewährleistet wird.

3. Hoher Automatisierungsgrad und einfache Bedienung

Moderne Dekanterzentrifugen sind üblicherweise mit einer SPS-Steuerung ausgestattet, die die automatische Anpassung und Überwachung von Parametern wie Drehzahl, Differenzdrehzahl und Zulaufmenge ermöglicht. Die Bediener müssen lediglich einfache Einstellungen über den Touchscreen vornehmen, um den gesamten Trennprozess abzuschließen. Dies reduziert manuelle Eingriffe und verbessert die Produktionseffizienz sowie die Betriebssicherheit.

4. Hohe Anpassungsfähigkeit und breites Anwendungsspektrum

Dekanterzentrifugen können Parameter wie Trommeldrehzahl, Differenzdrehzahl und Zulaufmenge an die Eigenschaften verschiedener Milchsäurebakterien-Fermentationsbrühen (z. B. Viskosität, Feststoffgehalt und Bakteriengröße) anpassen, um eine optimale Trennung zu erzielen. Gleichzeitig eignet sich das Gerät auch zur Trennung anderer Mikroorganismen (z. B. Hefen und Escherichia coli) und hat somit ein breites Anwendungsgebiet.

IV. Vorsichtsmaßnahmen

1. Geräteauswahl

Wählen Sie ein geeignetes Dekanterzentrifugenmodell anhand der Eigenschaften der Milchsäurebakterien-Fermentationsbrühe und Ihrer Produktionsanforderungen. Zu den wichtigsten Faktoren zählen die Durchsatzleistung, der Trennfaktor, der Einstellbereich der Differenzdrehzahl und das Trommelmaterial. Beispielsweise empfiehlt sich für hochviskose Fermentationsbrühen eine Zentrifuge mit größerem Trommeldurchmesser und höherer Drehzahl; für stark korrosive Fermentationsbrühen ist eine Trommel aus Edelstahl vorzuziehen.

2. Optimierung der Betriebsparameter

Bei der Trennung von Milchsäurebakterien mittels Dekanterzentrifuge ist die Optimierung der Betriebsparameter unerlässlich, um eine effiziente Trennung und eine hohe Bakterienausbeute zu gewährleisten. Beispielsweise kann eine zu hohe Trommeldrehzahl zum Aufplatzen der Milchsäurebakterienzellen und damit zu einer Beeinträchtigung der Produktqualität führen; eine zu niedrige Drehzahl kann die effektive Trennung der Milchsäurebakterienzellen verhindern. Auch die Differenzdrehzahl und der Zulauf müssen den jeweiligen Bedingungen angepasst werden, um Probleme wie das Verstopfen des Schlackenauslasses durch Bakterienschlamm oder eine unzureichende Trennung zu vermeiden.

3. Wartung und Reinigung der Ausrüstung

Die regelmäßige Wartung und Reinigung von Dekanterzentrifugen ist entscheidend für den reibungslosen Betrieb und die Produktqualität. Zu den wichtigsten Wartungsarbeiten gehören die Überprüfung des Verschleißes von Komponenten wie Trommel, Förderschnecke und Lagern sowie der rechtzeitige Austausch beschädigter Teile; die Entfernung von Bakterienrückständen und Verunreinigungen an der Innenwand der Trommel und den Schaufeln der Förderschnecke, um Bakterienwachstum und Korrosion zu verhindern.

4. Schutz der bakteriellen Aktivität

Milchsäurebakterien sind umweltempfindliche Mikroorganismen. Während des Trennprozesses werden sie leicht durch Faktoren wie Temperatur, Druck und Scherkräfte beeinträchtigt, was zu einer Verringerung ihrer Aktivität führt. Daher müssen bei der Trennung von Milchsäurebakterien mittels Dekanterzentrifuge geeignete Maßnahmen zum Schutz der Bakterienaktivität getroffen werden. Beispielsweise sollte die Temperatur der Fermentationsbrühe auf 4–10 °C gehalten werden, um die Schädigung der Bakterien durch Scherkräfte zu minimieren. Beim Waschen sollte eine milde Waschlösung verwendet werden, um hochkonzentrierte Salzlösungen oder organische Lösungsmittel zu vermeiden.

V. Entwicklungstrends

1. Intelligenz und Automatisierung

Mit der Entwicklung von Industrie 4.0 werden Dekanterzentrifugen intelligenter und automatisierter. Zukünftige Dekanterzentrifugen werden mit fortschrittlicheren Sensoren und Steuerungssystemen ausgestattet sein, die die Eigenschaften der Fermentationsbrühe (wie Viskosität, Feststoffgehalt und Bakterienkonzentration) in Echtzeit überwachen und die Betriebsparameter automatisch anpassen, um eine optimale Trennleistung zu erzielen. Gleichzeitig werden die Geräte mit anderen Anlagenteilen der Produktionslinie (wie Fermentationsbehältern, Filtern und Trocknern) vernetzt, um eine automatische Steuerung und Verwaltung des Produktionsprozesses zu ermöglichen.

2. Hohe Effizienz und Energieeinsparung

Um die Produktionseffizienz zu steigern und den Energieverbrauch zu senken, werden Dekanterzentrifugen in Richtung höherer Effizienz und Energieeinsparung weiterentwickelt. Beispielsweise kann die Verwendung neuer Trommelstrukturen und -materialien den Trennfaktor und die Trommeldrehzahl erhöhen und somit die Trenneffizienz verbessern; der Einsatz von frequenzgeregelten Motoren und energiesparenden Steuerungssystemen kann den Energieverbrauch der Anlagen reduzieren.

3. Multifunktionalisierung

Zukünftige Dekanterzentrifugen werden nicht nur zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt, sondern auch weitere Funktionen integrieren, wie beispielsweise Bakterienwaschung, Raffination und Trocknung. So können beispielsweise Wasch- und Trocknungszonen innerhalb der Zentrifuge eingerichtet werden, um die Trennung, Waschung und Trocknung von Milchsäurebakterien zu integrieren und dadurch Produktionsschritte und Investitionskosten zu reduzieren.

4. Grünflächen- und Umweltschutz

Mit dem wachsenden Umweltbewusstsein wird bei Dekanterzentrifugen der Umweltschutz künftig stärker berücksichtigt. So kann beispielsweise der Einsatz umweltfreundlicher Schmier- und Dichtungsmaterialien die Umweltbelastung reduzieren; die Kontrolle von Lärm und Vibrationen während des Betriebs verbessert die Arbeitsbedingungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Dekanterzentrifugen im Bereich der Milchsäurebakterientrennung einen hohen Anwendungswert besitzen und vielversprechende Entwicklungsperspektiven aufweisen. Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte und Innovationen werden Dekanterzentrifugen die Trenneffizienz stetig verbessern, den Energieverbrauch senken und den Automatisierungsgrad erhöhen. Dadurch bieten sie eine zuverlässigere und effizientere technische Unterstützung für die industrielle Produktion von Milchsäurebakterien.

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