Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 391

нисходящим прямотоком и конденсацией вторичного пара на поверхности

центральных труб (рис. 7.21

В рассматриваемых аппаратах вследствие конденсации вторичного па-

ра на поверхности центральных труб или змеевиков увеличивается движущая

сила процесса, снижается скорость вторичного пара по длине трубы. Это по-

зволяет увеличить удельную тепловую нагрузку и расход рабочей жидкости,

снизить гидравлическое сопротивление и тем самым обеспечить глубокий

вакуум, высокую производительность по испаряемой влаге и низкую темпе-

ратурную депрессию.

Для концентрирования культуральной жидкости перед стадией выпа-

ривания или сепарации используется флотация, которая существенно снижа-

ет затраты на производство продукта.

Флотацией называют процесс всплывания в жидкой среде частиц дис-

персной фазы с прилипшими к ним пузырьками газа. Различают пенную,

пленочную, масляную и другие виды флотации. Наибольшее распростране-

ние в микробиологической промышленности получила пенная и электрофло-

тация. Необходимыми условиями флотации являются способность частицы

прилипать к пузырьку газа в воде и способность суспензии образовывать ус-

тойчивую пену. Стабильность и продолжительность существования пены

снижается с увеличением размера пузырьков и с ростом температуры жидко-

сти. В свою очередь, размеры пузырьков зависят от поверхностного натяже-

ния жидкости на границе с газообразной фазой.

Процесс флотации осуществляется в специальных аппаратах – флота-

торах. Флотационные аппараты, применяемые в микробиологической про-

мышленности, выполняются в нескольких вариантах: горизонтальные, кони-

ческие, вертикальные, цилиндрические, одноступенчатые с внутренним ста-

каном, двухступенчатые.

На рис. 7.22, б

представлен общий вид наиболее простого одноступен-

чатого флотатора. Флотатор состоит из цилиндрического корпуса с плоским

днищем и внутреннего стакана, являющегося пеносборником. Кольцевое

пространство между корпусом и сборником разделено вертикальными пере-

городками на секции. Перегородки не доходят до дна, кроме перегородки

между первой и последней секциями. В секциях установлены аэраторы. Сус-

пензия из ферментера поступает в первую, самую большую по длине секцию

флотатора, где осуществляется флотирование основной массы дрожжей за

счет содержащего в суспензии газа. Образующая пена стекает через верхний

борт внутреннего стакана и попадает в сборник. В остальных секциях флоти-

рование оставшихся в культуральной жидкости дрожжей осуществляется за

счет воздуха, подаваемого через аэраторы. Образовавшаяся пена также по-

ступает в сборник. Пена гасится в сборнике пеногасителем. Концентрат

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 392

дрожжей из сборника подается на первую ступень сепарации. Отработанная

жидкость выводится из последней секции через карман, служащий гидроза-

твором. Производительность флотатора по исходной дрожжевой суспензии

составляет 40–70 м

/ч, концентрация 40–50 кг/м

а б

Рис. 7.22. Схемы пенных (пневматических) флотаторов: 1 – корпус; 2, 5 – аэраторы;

3 – штуцер для отвода отработанной жидкости; 4 – штуцер для отвода концентрата

(рис. Н.А. Войнова)

Рис. 7.23. Схемы электрофлотаторов: 1– камера; 2, 3 – электроды; 4 – ввод культуральной

жидкости; 5 – вывод отработанной жидкости; 6 – отвод концентрата; 7 – пеносъемник

(рис. Н.А. Войнова)

Конструкции электрофлотаторов, которые являются в настоящее время

наиболее перспективными для концентрирования микроорганизмов, показа-

ны на рис. 7.23

. Перспективность электрофлотаторов связана с образованием

при электролизе воды высокодисперсных пузырьков газа, что позволяет из-

влекать гидрофильные частицы без применения реагентов-собирателей, при

этом величина пузырьков составляет 0,015–0,2 мм. Существенными преиму-

ществами этого способа флотации являются также возможность неограни-

ченного насыщения суспензии пузырьками и простота осуществления про-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 393

цесса газонасыщения. Наиболее экономичными аппаратами (с позиции сни-

жения энергозатрат) являются струйные флотаторы (рис. 7.24

а б в

Рис. 7.24. Схемы струйных флотаторов [5]: 1– корпус; 2 – трубы; 3 – газовый патру-

бок; 4 – штуцер входа газа; 5 – штуцер вывода отработанной жидкости; 6 – штуцер

вывода концентрата; 7 – штуцер ввода суспензии; 8,1 0 – аэраторы (рис. Н.А. Войнова)

Из струйных флотаторов наиболее эффективным является пленочный

флотатор с винтовой шероховатостью, установленной на внутренней поверх-

ности труб. Вследствие, образования в суспензии, стекающей по винтовой

шероховатости, высокого газосодержания и развитой межфазной поверхно-

сти, пленочный флотатор обеспечивает сгущение дрожжей до концентрации

350–500 кг/м

прессованной биомассы [5].

В микробиологической промышленности используют различные типы

рассматриваемых машин с целью отделения балластных частиц из растворов

биологически активных веществ, биомассы от культуральной жидкости, вы-

деления биологически активного комплекса при его выделении из растворов,

а также для разделения смесей жидкости или суспензий. В промышленных

установках центробежное разделение применяют для отделения частиц раз-

мером от 25 мм до 0,5 мкм. При разделении биологических жидкостей к цен-

трифугам и сепараторам предъявляются особые требования по разделяющей

способности и обеспечению стерильности процесса для предотвращения по-

падания аэрозолей в окружающую среду.

Под центрифугированием понимают процесс разделения неоднород-

ных систем, суспензий и эмульсий, в поле центробежных сил с использова-

нием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. В аппаратах со

сплошными стенками производят разделение суспензий и эмульсий по прин-

ципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием цен-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 394

тробежной силы. В аппаратах с проницаемыми стенками осуществляется

процесс разделения суспензий по принципу фильтрования, причем вместо

разности давлений используется действие центробежной силы. Разделение

неоднородных систем центрифугированием, с физической точки зрения,

можно рассматривать как процесс свободного или стесненного осаждения

взвешенных частиц в жидкости под действием центробежного силового поля.

Центробежная сила возникает при вращении центрифуги и находящейся в

ней суспензии. Она возникает, как сила инерции при вращательном движе-

нии тел и направлена всегда по радиусу от оси вращения к периферии.

В практике центрифугирования, как уже было сказано выше, исполь-

зуются два основных способа разделения суспензий: центробежное фильтро-

вание и центробежное осаждение. Соответственно, по физической сущности

реализуемого процесса центрифуги подразделяют на фильтрующие и осади-

тельные (отстойные). Рабочим органом центрифуги является ротор (бара-

бан), закрепленный на вращающемся валу, во внутреннюю полость которого

подается суспензия. Ротор состоит из кольцевой крышки, цилиндрической

или конической обечайки, плоского или выпуклого днища.

По расположению его вала центрифуги делятся на вертикальные и

горизонтальные. Обечайки роторов осадительных центрифуг сплошные, а

фильтрующих – перфорированные (рис. 7.25, а

и рис. 7.26, а). Под действи-

ем центробежных сил частицы твердой фазы скапливаются у стенки обе-

чайки ротора, а жидкость либо располагается ближе к его оси, либо продавли-

вается через слой осадка, фильтрующую перегородку и отверстия в обечайке.

Рабочий цикл фильтрующих центрифуг включает операции загрузки суспензии,

фильтрования, промывки, осушки и выгрузки осадка. В осадительных центри-

фугах фильтрование заменяется осаждением, промывка осадка отсутствует, но

появляется операция удаления жидкости, собравшейся над осадком.

Центрифуги предназначены для разделения эмульсий и плохо фильт-

рующихся суспензий, а также разделения суспензий по крупности частиц

твердой фазы.

По режиму работы выделяют центрифуги периодического и непрерыв-

ного действия. Для первых характерно последовательное осуществление опе-

раций рабочего цикла во всем объеме ротора, для вторых – одновременное

выполнение операций на разных участках ротора при перемещении осадка

вдоль его образующей. Центрифуги классифицируют также по способу вы-

грузки осадка. Для машин периодического действия характерны выгрузка

вручную, гравитационная, с помощью ножа; для центрифуг непрерывного

действия – пульсирующая, шнековая, вибрационная. Расчет производитель-

ности центрифуг в доступном виде представлен в работе [7

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 395

а б в

Рис. 7.25. Схема фильтрующей маятниковой центрифуги (а, б) и ее сборочный чер-

теж (в): 1, 2 – станина; 3 – подвеска; 4 – кожух; 5 – крышка; 6 – ротор; 7– подшипни-

ковый узел; 8 – электродвигатель; 9, 10, 11 – клиноременная передача; 12 – основание;

13 – сетка; 14 – фильтрующая ткань; 15 – осадок; 16 – суспензия (рис. Н.А. Войнова)

а б в

Рис. 7.26. Схема осадительной центрифуги (а, б) и фотография ротора (в): 1 – кожух;

2 – ротор (барабан); 3 – привод; 4 – стенка ротора; 5 – слой осадка (рис. Н.А. Войнова)

Наиболее используемые типы центрифуг периодического действия –

маятниковые и горизонтальные с ножевой выгрузкой осадка. Маятниковые

центрифуги (рис. 7.25, в

) получили название из-за колебательного движения

корпуса во время работы. Конструктивная особенность этих машин – верти-

кальное расположение вала ротора и наличие трех колонок, в которых раз-

мещены тяги упругой подвески с шаровыми шарнирами и пружинами. Такая

подвеска позволяет уменьшить динамическую нагрузку на подшипники.

В горизонтальных центрифугах с ножевой выгрузкой осадка (рис. 7.27

)

все операции рабочего цикла выполняются при одинаковой частоте враще-

ния ротора, как правило, в автоматическом режиме.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 396

Рис. 7.27. Схема горизонтальной центрифуги с ножевой выгрузкой осадка: 1, 2 –

выход и вход продуктов; 3 – пневмоцилиндр; 4 – кожух; 5 – ротор; 6, 7, 8 – подшип-

никовый узел: 9 – электродвигатель; 10 – нож для съема осадка (рис. Н.А. Войнова)

Фильтрующие центрифуги применяют для обработки волокнистых ма-

териалов и суспензий, содержащих более 10 % мелкозернистой, преимущест-

венно растворимой твердой фазы, когда допускается дробление частиц осад-

ка. Осадительные центрифуги используют для разделения мало концентриро-

ванных суспензий с нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5–40 мкм).

Наиболее восстребованными машинами непрерывного действия являются: с

пульсирующей и вибрационной выгрузкой осадка, шнековые.

Горизонтальные центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 7.28

)

применяют для разделения суспензий, содержащих более 25 % кристалличе-

ской твердой фазы с размером частиц более 100 мкм, когда необходима каче-

ственная промывка осадка. Вал ротора этой центрифуги полый, внутри него

расположен шток толкателя, который получает возвратно-поступательное

движение от поршня гидроцилиндра (до ста двойных ходов в минуту ампли-

тудой 0,1 длины ротора). Суспензия подается на освобождающийся участок

сита ротора через приемный конус, соединенный с толкателем.

Осадок постепенно смещается к открытому концу ротора, по пути про-

мывается и отжимается. Экспериментально установлена толщина слоя осад-

ка, обеспечивающая его перемещение по поверхности ротора без вспучива-

ния. Толщина осадка регулируется сменным кольцом, закрепляемым на при-

емном конусе.

В случаях, когда необходима тщательная промывка и осушка осадка,

применяют двух-, четырех- и шестикаскадные центрифуги, где внутренние

сита ротора, вращаясь, совершают возвратно-поступательное движение,

проталкивая слой осадка своими бортами по внешним ситам. При этом

операции фильтрования, промывки и осушки осадка осуществляются на

разных ситах.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 397

Рис. 7.28. Схема центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка: 1 – кожух; 2 – ро-

тор; 3 – шток; 4 – подшипниковые узлы; 5 – толкатель; 6 – поршень; 7 – выгрузка

осадка; 8 – приемный конус; 9 – ввод суспензии (рис. Н.А. Войнова)

Рис. 7.29. Схемы шнековых центрифуг: 1 – ротор; 2 – кожух; 3 – вход суспензии; 4 –

вывод осветленной жидкости; 5 – вывод осадка; 6 – шнек; 7, 8 – подшипниковые узлы;

9 – планетарный редуктор (рис. Н.А. Войнова)

Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка (рис. 7.29) выпускаются в

модификациях, как фильтрующая, так и осадительная. Для выгрузки осадка в

них используются расположенные соосно внутри ротора четырех-, шести- и

восьмизаходные шнеки, вращающиеся с иной, чем у ротора, скоростью, что

позволяет регулировать время обработки материала. Фильтрующие центри-

фуги применяют для обработки суспензий, содержащих более 20 % кристал-

лических твердых частиц размером более 100 мкм. Ротор фильтрующей цен-

трифуги представляет собой усеченный конус, внешняя поверхность которо-

го имеет щелевидные отверстия для прохода фугата, а внутренняя покрыта ме-

таллическими листами с круглыми отверстиями диаметром 0,3–0,5 мм. Умень-

шение скорости вращения шнека, по сравнению с ротором, на 0,65–2,0 % обес-

печивает планетарный редуктор.

Центрифуги с вибрирующей выгрузкой осадка (рис. 7.30

) применяют

для обработки суспензий при размере частиц до 10 мм, главным образом для

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 398

обезвоживания шлама и осушки гранул полимера. Их ротор имеют форму

усеченного конуса, обечайка которого собирается из проволочных сит с раз-

мером щелей 0,2–0,3 мм.

Рис. 7.30. Схема центрифуги с вибрирующей выгрузкой осадка: 1, 2 – кожухи; 3 – за-

грузочное устройство; 4, 5, 6 – узлы опоры; 7 – вал; 8 – штуцер вывода; 9 – шкив;

10 – кривошипный вал; 11 – шатун; 12 – ремень; 13 – ротор (рис. Н.А. Войнова)

Осадок движется от узкого края ротора к широкому под действием со-

ставляющей центробежной силы и силы инерции, создаваемой колебаниями

ротора в направлении его оси. Частота вибраций 23–37 Гц, амплитуда 3–8 мм.

Время пребывания осадка в роторе регулируется путем изменения амплиту-

ды и частоты вибраций.

Трубчатые центрифуги. Основным элементом трубчатой центрифуги яв-

ляется полый цилиндр (ротор), вращающийся с частотой 13 000–15 000 об/мин.

В настоящее время в производстве белковых препаратов применяются труб-

чатые сверхцентрифуги, у которых фактор разделения превышает 100 000

(рис. 7.31

С помощью полой цапфы трубчатый ротор опирается на нижнюю уп-

ругую опору. Шпиндель ротора в верхней части соединен с приводом. Го-

ловка ротора расположена в приемнике, служащем для улавливания фугата.

Трубчатая сверхцентрифуга может быть осветляющей или разделяющей.

В первом случае в верхней узкой части ротора имеются отверстия для вы-

пуска осветленной жидкости. Во втором – верхняя часть ротора имеет более

сложное устройство, помимо отверстий в верхней части барабана еще име-

ются для отвода тяжелого компонента. Суспензия, введенная в центре ниж-

ней части ротора, вовлекается во вращение и одновременно течет вдоль его

стенок в осевом направлении. Микроорганизмы осаждаются на стенке рото-

ра, образуя осадок, а фугат выбрасывается через выпускные отверстия. Оса-

док удаляется вручную после остановки центрифуги.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 399

Рис. 7.31. Трубчатая сверхцентрифуга РТР: 1 – шкив веретена центрифуги; 2 –

веретено; 3 – приемник легкой фазы; 4 – приемник тяжелой фазы; 5 – ротор; 6 –

тормоз; 7 – ввод эмульсии; 8 – станина; 9 – электродвигатель; 10 – шкив электро-

двигателя (рис. Н.А. Войнова)

Сепараторы. Сепарирование нашло широкое применение при концен-

трировании кормовых и хлебопекарных дрожжей, при разделении эмульсий

и осветлении растворов биологически активных веществ перед концентриро-

ванием в выпарных аппаратах и ультрафильтрационных установках. Исполь-

зование сепараторов позволяет обрабатывать большие объемы трудно фильт-

рующих суспензий, интенсифицировать выделение и концентрирование мик-

роорганизмов размером более 0,5 мкм. По конструкции сепараторы разделя-

ют на тарельчатые (рис. 7.32

) и камерные (рис. 7.33).

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.6. Оборудование для концентрирования биомассы

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 400

а б

Рис. 7.32. Тарельчатый сепаратор – а: 7 – вал; 10 – барабан; 16 – сопла: 18 – та-

релкодержатель; б: 1, 6 – пробки; 2 – станина; 3 – указатель уровня масла; 4 – вал

горизонтальный; 5 – тахометр; 7 – гидроузел; 8 – чаша; 9 – приемник; 10 – клапа-

ны; 11 – корпус барабана; 12 – основание барабана; 13– поршень; 14 – тарелко-

держатель; 15 – тарелки; 16 – крышка барабана; 17– напорный диск; 18 – вывод-

ное устройство; 19 – труба центральная; 20, 21 – кольца затяжные; 22 – приемник

шлама; 23 – шламовое пространство; 43 – подшипник верхней опоры; 25 – пружина

верхней опоры; 26 – вал вертикальный; 27 – опоры (рис. Н.А. Войнова)