71119

Отделение клеток для получения конечного продукта

Лекция

Физика

Наиболее желательно фильтрование с образованием слоя осадка. В производственных условиях при эксплуатации установок систематически проводят промывку продувку и сушку осадка на фильтрах. В процессе фильтрования движущая сила и сопротивление осадка меняются поэтому скорость м с – величина...

Русский

2014-11-02

87 KB

1 чел.

Лекция 11

Отделение клеток для получения конечного продукта

Способ переработки культуральной жидкости зависит от свойств целевых компонентов и требований к продуктам.

При невысоком содержании целевых компонентов концентрирование биологических суспензий осуществляют без отделения биомассы путем сепарирования (2-3 ступени), выпаривания и сушки среды. Для получения высокоочищенных и кристаллических метаболитов на первой стадии переработки биомассу и твердые примеси отделяют на фильтрах. Для дальнейшего осветления культуральной жидкости применяют ультрафильтрацию, вакуум-выпарные и сушильные установки.

1. Механическое отделение

1.1. Фильтрование

Фильтрование – это разделение суспензий с использованием пористых перегородок. Устройство называется фильтром. Это сосуд разделенный фильтровальной перегородкой. Дисперсия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок. Процесс осложняется забиванием пор.

Движущей силой фильтрации является разность давлений по обе стороны перегородки.

Процесс можно осуществлять при постоянной разности давлений Δр (гидростатическое давление слоя суспензии) или при постоянной скорости (с насосом). Встречается и комбинированный вариант.

Наиболее желательно фильтрование с образованием слоя осадка. Он формируется так, что закупоривание слоя не происходит. Для этого целесообразно предварительно сгустить суспензию в отстойнике.

Регенерация фильтровальных перегородок затруднена.

При небольшой концентрации тонкодисперсной твердой фазы разделение суспензии проводят с применением вспомогательных веществ (дистолит, перлит, асбест, целлюлоза, активированный уголь, древесная мука). Эти вещества предварительно подготавливают особым образом.

На процесс фильтрования оказывает влияние сила тяжести, которая может совпадать с направлением фильтрации либо быть перпендикулярной к ней.

Осадки подразделяют на сжимаемые и несжимаемые.

В производственных условиях при эксплуатации установок систематически проводят промывку, продувку и сушку осадка на фильтрах.

В процессе фильтрования движущая сила и сопротивление осадка меняются, поэтому скорость (м/с) – величина переменная и рассчитывается по уравнению:

а также

,

где V – объем фильтрата, м3,

S – поверхность фильтрования, м2,

τ – продолжительность фильтрования, с,

Δр – разность давлений, н/м2,

μ – вязкость жидкой фазы н·с/м2,

Rос – сопротивление осадка,

Rфп – сопротивление фильтровальной перегородки.

Уравнение фильтрования при постоянной разности давления:

,

где r0 – удельное объемное сопротивление слоя осадка, м-2,

х0 – отношение объема осадка к объему фильтрата.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса

Видно, что при постоянной W разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности фильтрования.

Анализ полученных уравнений показывает, что при прочих равных условиях W тем больше чем меньше толщина слоя осадка на фильтровальной перегородке.

Поэтому осадок с фильтра необходимо удалять. Для этого фильтры снабжаются специальными устройствами. Но частые разгрузки осадка требуют затраты труда, энергии.

Для фильтров периодического действия ориентировочно можно принять, что экономически оптимальная продолжительность цикла:

Фильтрующие аппараты

Различают фильтры периодического и непрерывного действия. Второй вариант возможен при отсутствии закупоривания пор.

Фильтры также могут работать под вакуумом и под давлением.

В микробиологической промышленности для работы под давлением в непрерывном режиме применяют рамные фильтрпрессы. Они выполняются с ручным, электромеханическим и гидравлическим зажимом. Осадок счищают лопатами. Их выпускает Бердичевский завод химического машиностроения «Прогресс».

Для предварительного осветления и стерилизации биологических растворов перед их концентрированием в ультрафильтрационных установках применяют многорамные фильтры. Они состоят из двухсеточных и трехсеточных рам со стерилизующими и осветляющими пластинами. Нефильтрованная жидкость из бака под давлением вначале проходит через пластины двухсеточных рам, затем - трехсеточных. Перед эксплуатацией фильтр стерилизуют. После разового использования пластины стерилизуют.

Рамные фильтрпрессы трудоемки, их применение ограничено. В последние годы они вытесняются фильтрами пластинчатого типа. Стерилизуемая в них жидкость поступает в полости крышек и четных рам, проходит через стерилизующие пластины, заполняет полости нечетных рам и собирается в приемнике. Выпускаются с тремя и пятью рамами. Диаметр стерилизующей пластины 300 мм.

Немецкая фирма «Зейц» для осветления и тонкой очистки культуральной жидкости выпускает пластинчатые асбестовые фильтры для работы под давлением. Для разных целей (тонкодисперсные растворы, коллоидные, кристаллы) делаются пластины разных типов, в том числе, с добавкой крупнопористых адсорбирующих веществ. Пластины можно промывать, стерилизовать и использовать повторно.

Шнековые прессы применяют в производстве ферментов для отжима свекловичной мезги, биошрота, солодовых ростков и др. Шнек-вал (прессующий) перемещает и снимает массу через разгрузочное отверстие. Жидкость удаляется через щели корпуса. Отжатая масса имеет влажность 60-65%.

Трудноразделимые суспензии фильтруют в камерных фильтрпрессах, где размер камер для осадка уменьшен и давление повышено.

В автоматических камерных фильтрпрессах ФПАКМ фильтровальная ткань бесконечной лентой протянута специальным натяжным устройством между фильтрующими плитами. При разгрузке ткань передвигается, проходя через камеру регенерации, где она очищается и промывается. Твердая фаза задерживается на поверхности ткани, затем промывается, отжимается и просушивается.

После окончания цикла обработки биомассы опускается нажимная плита, включается механизм передвижения ткани, биомасса выходит и разгружается, а ткань промывается. Плиты сжимают и цикл повторяется.

Барабанные вакуум-фильтры непрерывного действия имеют вращающийся барабан, обтянутый фильтрующей тканью. Формирование осадка на внешней поверхности происходит под вакуумом, после чего, после промывки, подается (изнутри) сжатый воздух, осадок отдувается. Ткань регенерируется сжатым воздухом или паром.

Широко применяются в производстве дрожжей.

Ленточные вакуум-фильтры применяют для отделения экстракта бактериальных клеток и конидиальной массы от культуральной жидкости и для разделения быстроосаждающихся суспензии с неоднородной твердой фазой. Накапливается осадок до 120 мм. Процесс легко регулируется, а лента регенерируется.

Мембранные фильтры с полупроницаемыми мембранами из различных полимерных материалов (ацетилцеллюлоза 0,1<0,05 мкм) на пористой подложке.

В процессе ультрафильтрации вследствие концентрационных затруднений при накоплении у поверхности растворенных веществ скорость процесса снижается.

При этом термолабильные ферменты фильтруются при пониженной температуре.

Аппарат с плоскопараллельными элементами делают разборным по принципу фильтр-пресса.

Эти фильтры применяют для концентрирования растворов ферментов.

Фильтрующие элементы могут быть плоскими, трубчатыми и рулонными, до 100 фильтрующих элементов в аппарате, удельная производительность мембран до 20 л/м2·ч, общая производительность до 1280 л/час.

Производители ультрафильтрационных установок: «Рон-Пулен» (Франция), «Альфа-Лаваль» (Швеция), «Миллинор» (США), «Дорр-Оливер» (США), режим работы установок – периодический, с заменой мембран.

1.2. Центрифугование

Предназначено для разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил. Центрифуга имеет ротор со сплошными или перфорированными стенками. Если стенка перфорирована, она закрыта фильтровальной тканью.

Под действием центробежных сил дисперсия делится на две фазы: одна у ротора – другая у корпуса. Если разделяется суспензия (дрожжи), то осадок остается в пустотелом роторе, а жидкость удаляется. Жидкость называется фугатом.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками происходит разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежных сил.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками разделение происходит по принципу фильтрования. Вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называется сепарацией (отделение сливок от молока).

Разделение суспензий в фильтрующих центрифугах называется центробежным фильтрованием.

Все эти процессы осуществляются периодически и непрерывно.

В основе расчета этих аппаратов лежит представление о центробежной силе:

                                           (1)

m – масса,

V – окружная скорость, м/с.

ω – угловая скорость,

n – число оборотов в минуту.

Из (1) видно, что ускорение в поле центробежных сил равно .

Отношение этой величины к ускорению силы тяжести называется коэффициентом разделения:

Так, при диаметре ротора 1000 мм (r=0,5 м) и скорости вращения n=1200 об/мин, фактор разделения:

(где )

Это и есть характеристика центрифуги.

Отстойная центрифуга

Разделяющая способность отстойных центрифуг определяется индексом производительности:

где F – площадь цилиндрической поверхности осаждения.

Кроме того, коэффициент эффективности отстойной центрифуги:

Qд и Qт – действительная и рассчитанная производительность. Отклонения связанные с отставанием вращения жидкости, взмучиванием, завихрениями. Приводится для разных конструкций в справочниках.

Фильтрующая центрифуга

Разделение суспензий здесь складывается из образования, уплотнения и механической сушки осадка. Возможна промывка осадка.

Закономерности обычного фильтрования к фильтрующим центрифугам неприменимы. Это связано в первую очередь с влиянием центробежной силы и площади поперечного сечения кольцевого слоя. Оба эти величины возрастают по радиусу ротора.

Приходится также учитывать значительные снижающие усилия на осадок в поле центробежных сил. Они достигают 15 ат вместо 1 ат в обычных фильтрах. Поэтому пористость осадков уменьшается, а гидравлическое сопротивление растет. Все это ограничивает применение фильтрующих центрифуг. По значению фактора разделения центрифуги делятся на нормальные (Кр<3500) и сверхцентрифуги (Кр>3500). Нормальные могут быть отстойными и фильтрующими. Сверхцентрифуги являются отстойными аппаратами и подразделяются на трубчатые (для тонкодисперсных суспензий) и жидкостные сепараторы для разделения эмульсий.

Существенным признаком является способ выгрузки осадка (вручную, ножами, скребками, под действием силы тяжести и центробежной силы) шнеками, поршнями с возвратно-поступательным движением.

По расположению оси вращения различают центрифуги вертикальные, наклонные и горизонтальные.

Современные центрифуги

Осадительные центрифуги непрерывного действия применяются для обезвреживания сточных вод на крупных очистных сооружениях. Режим регулируется изменением подачи суспензии, частоты вращения ротора, диаметром сливного порога и положения питающей трубы.

Могут разделять очень тонкие дисперсии, но степень обезвоживания осадка небольшая и промывать его нельзя.

Фильтрующие центрифуги позволяют эти операции осуществлять.

В двухкаскадной центрифуге непрерывного действия слой осадка сбрасывается с одного сита на другое. Есть и многокаскадные центрифуги.

Для разделения хорошо фильтруемых концентрированных суспензий организуют пульсирующую выгрузку осадка. Эти аппараты позволяют промывать и сушить осадок.

В фильтрующих центрифугах периодического действия после достижения определенной толщины осадка подачу суспензии прекращают, осадок промывают, отжимают и срезают ножами специального устройства. При этом осадок сползает к выводному бункеру.

Эти центрифуги – различной конструкции с горизонтально вращающимся ротором и подвесного типа. Они могут иметь ручную выгрузку осадка, быть саморазгружающимися (силой тяжести) или иметь нож-скребок.

Максимальный фактор разделения – до 1480. Загрузка до 500 кг.

Для разделения небольших количеств суспензий (до 10 кг) применяют малогабаритные вертикальные центрифуги с верхней ручной выгрузкой маятникового типа n~1500 мин-1. Станина подвешивается на тягах с шаровыми шарнирами в колоннах, установленных на фундаментной плите.

Для осветления высокодисперсных суспензий и стойких эмульсий применяют суперцентрифуги с вертикальным ротором, нижний конец которого свободно перемещается при изменении положения центра тяжести. На ротор насажена крыльчатка. Разделяемая жидкость подается сверху. Скорость вращения до 45000 мин-1 (обычно, не более 3000).

Разделение в сепараторах

Имеют частоту вращения от 4000 до 7000. Используются для разделения, концентрирования, очистку, осветления взвесей и эмульсий и для постадийной обработки жидкостей.

Делятся на пять типов по назначению:

1) разделители – для разделения взаимно нерастворимых жидкостей, для разделения и сгущения суспензий и эмульсий;

2) очистители – для выделения взвешенного компонента (клетки);

3) очистители-разделители – для очистки и разделения;

4) сгустители – для концентрирования коллоидов и эмульсий;

5) классификаторы – для классификации по размеру (плотности).

В микробиологических производствах применяютоткрытые, полузакрытые и герметичные сепараторы. В полузакрытых жидкость поступает в барабан открытым потоком, а отводится под давлением по закрытым трубопроводам. Процесс разделения при этом не изолирован от доступа воздуха.

Некоторые типы снабжаются устройствами для безразборной мойки.

По конструктивному решению операции выгрузки осадка имеется два типа:

- сопловые сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка. Осадок в этом случае выбрасывается почти тангенциально к направлению вращения из сопел, выполненных в виде диффузора;

- сепараторы-очистители с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка. В этой конструкции на периферии барабана расположены отверстия, которые перекрываются подвижным элементом во время накопления осадка в шламовом пространстве и открываются для центробежного удаления осадка на ходу машины без остановки барабана. Подвижной элемент обычно перемещается в результате перепада гидростатического давления, действующего на элементы разгрузочного устройства.

Отечественными производителями разработано большое количество разных конструкций. Ведущими зарубежными производителями являются фирма «Альфа-Лаваль» (Швеция) и «Вестфалия сепаратор» (Германия).

PAGE  8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43482. Бухгалтерский учет. Методические указания 329.5 KB
  Золотухин Приводятся методические указания и требования к выполнению курсовой работы и подготовке к экзаменам по дисциплине Бухгалтерский финансовый учет для студентов всех форм обучения специальности 080109Бухгалтерский учет анализ и аудит . Представлен перечень теоретических вопросов по вариантам и заданий для написания курсовой работы и подготовке к экзаменам исходные данные списки рекомендуемой литературы и Интернетсайтов. Курсовая работа включает в себя исходные данные и методические указания по выполнению курсовой работы.
43484. Расчет усилителя звуковой частоты на основе микросхемы TDA 2009 350 KB
  Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует выбрать интегральную микросхему и, при необходимости, принципиальную схему предварительного усилительного каскада.
43485. Организация работы вагоносборочного участка по ремонту цистерн для перевозки спирта 466 KB
  Особое внимание уделяется оптимизации межремонтных периодов и сроков службы вагонов повышению качества ремонтных работ внедрению новых и совершенствование существующих форм организации производства созданию поточноконвейерных линий по ремонту вагонов и их отдельных частей. Большое внимание уделяется развитию технической базы для текущего ремонта вагонов. Создаются крупные механизированные пункты подготовки вагонов к перевозкам совершенствуется работа пунктов технического обслуживания расположенных на сортировочных и участковых станциях....
43486. Оптимизация портфеля ценных бумаг 609.5 KB
  Краткое описание задачи Портфель ценных бумаг. При инвестировании в ценные бумаги обычно инвестор сталкивается с различными целями инвестирования. Поэтому лицу осуществляемому инвестиции на рынке ценных бумаг сложно выбрать объект инвестирования так как вложения в отдельные активы имеют высокую доходность а соответственно и высокий риск либо относительно невысокий риск и низкую доходность. Для достижения оптимального соотношения доходности и риска инвесторы формируют портфель ценных бумаг содержащий в себе различные виды ценных...
43487. Птенцы гнезда Петрова 108.5 KB
  Содержание Введение Жизнь Петра I Оценка личности Петра Великого Оценка реформ Петра Птенцы гнезда Петрова Лефорт Франц Яковлевич Меншиков Александр Данилович Шереметев Борис Петрович Ромодановский Федор Юрьевич Брюс Роман Вилимович Заключение...
43488. АНАЛИЗ НАЛОГОВЫХ ОБЯЗАТЕЛЬСТВ ООО «ПРОФМЕДИА ФИНАНС» 293 KB
  Целью налогового учета является формирование полной и достоверной информации о порядке учета хозяйственных операций а также обеспечение информацией внутренних и внешних пользователей обеспечивающей контроль за правильностью исчисления полнотой и своевременностью уплаты в бюджет налога. В главе 25 НК РФ нашли отражение следующие принципы ведения налогового учета: принцип денежного измерения т. 271 272 НК РФ; принцип последовательности применения норм и правил налогового учета т. нормы и правила налогового учета должны применяться...
43489. Информационно-поисковая система веб-форума 402 KB
  Сортировка производится согласно выбранному алфавиту (по умолчанию используется шведский). Эту установку можно изменить при запуске сервера MySQL. Чтобы ознакомиться с примером очень грамотной сортировки, можно обратиться к коду сортировки для чешского языка. MySQL поддерживает много различных кодировок, которые можно задавать во время компиляции и в процессе работы.
43490. ГРАЖДАНСКОЕ ПРАВО. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 183 KB
  Общая характеристика договора розничной куплипродажи. Понятие договора розничной куплипродажи Элементы договора розничной куплипродажи. Виды договора розничной куплипродажи. Содержание договора розничной куплипродажи Обязанности продавца.