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

2 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

45442. Расчет системы «Интеллектуальное здание» на базе технологии EIB 315 KB
  Узлы системы Контроллер CONT Система управления светом LIGHT Система управления теплом HET Система управления вентиляцией VENT Система управления дверью DOOR Охранная система SECUR Пожарная система FIRE Сеть оперирует 30 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы. Номер сигнала Описания сигнала Размер в битах Задержка в мсек J Период выполнения T мсек Тип сообщения Крайний срок выполнения Dмсек Источник Приемник 1 Сигнал датчика двери 8 01 50 S 20 DOOR CONT 2 Проверка...
45443. Расчет системы «Управление коммунальной системой (вода, газ, электрическая энергия, отключение функций, формирование квитанций и устранение аварий)» на базе технологии LonWorks 267 KB
  Узлы системы Система управления холодной водой CW Система управления горячей водой HW Система управления газом G Система управления электричеством EL Система экономических расчетов EC Ремонтная служба RS Пользователь USER Сеть оперирует 30 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы. Номер сигнала Описания сигнала Размер в битах Задержка в мсек J Период выполнения T мсек Тип сообщения Крайний срок выполнения Dмсек Источник Приемник 1 Включение отключение холодной воды 1 01 50...
45444. Классификация систем реального времени. Средства разработки систем РВ. Понятие систем реального времени. Организация систем РВ. Требования к системам реального времени. Общие характеристики систем РВ 148.5 KB
  Классификация реализации систем реального времени СРВ распределенные системы управления с большим количеством контролируемых параметров. Система ориентирована на автоматизированные системы в которых требуется своевременная адекватная реакция на события. Языки СРВ предназначены для создания СРВ ssembler C d спутниковые системы наблюдения. Предназначены для визуализации работы автоматизированной системы или автоматизированного объекта.
45445. Классификация приложений систем РВ. Надежность в СРВ. Проектирование жестких систем реального времени. Архитектуры жестких систем реального времени 118.5 KB
  Проектирование жестких систем реального времени. Архитектуры жестких систем реального времени. Главной особенностью систем реального времени является обеспечение предсказуемости которая позволяет реализовать приложения. В один из моментов времени задача перейдет в состояние не описанного в системе.
45446. Задачи в СРВ. Планирование задач. Общие принципы планирования задач. Алгоритмы планирования периодических задач. Алгоритмы планирования спорадических и апериодических задач Планировщик заданий 156.5 KB
  Планирование задач. Общие принципы планирования задач. Алгоритмы планирования периодических задач. Алгоритмы планирования спорадических и апериодических задач Планировщик заданий.
45447. Моделирование систем РВ Проблема моделирования сетей при случайном доступе. Применение модели реального времени. Модель реального Мира 123.5 KB
  Моделирование СРВ необходимо для того чтобы оценить разрабатываемую систему по времени функционирования и передачи данных. Σt=tреакции человека tнажатия на педаль тормоза tпередачи для обработки сигнала уз. 1 tпередачи сигнала от уз. механизма t1 время передачи информации от основного контроллера к сетевому t2 время передачи данных сетевым контроллером на шину t3 разброс передачи сообщения в сети возникает в следствии того что используется один сетевой канал t4 время приема данных с шины на сетевой контроллер t5 время...
45448. Алгоритм оценки систем реального времени. Оптимизация системы реального времени 92 KB
  Оптимизация системы реального времени. Алгоритм оценки позволяет определить работоспособность системы в условиях модельного объекта. Работоспособность определяется по характеристикам устойчивости системы в заданных режимах функционирования. Основные характеристики для распределенной системы: скорость передачи информации и дополнительные данные включая накладные расходы рассматриваемого протокола.
45449. Операционные системы реального времени. Применение. Особенности. Архитектуры операционных систем реального времени. Особенности функционирования ОС РВ. Достоинства и недостатки операционных систем реального времени 399.5 KB
  Каждая из архитектур позволяет обеспечивать функционирование задач в режиме реального времени.23: задачи интерфейс прикладных программ И. Достоинства: простота создания простота управления задачами. Недостатки: отсутствие гибкости в системе и возможности управления задачами в процессе функционирования систем; при зацикливании одного из блоков система блокируется и перестает функционировать.
45450. Синхронизация в системах реального времени. Принципы разделения ресурсов в СРВ. «Смертельный захват» «Гонки» «Инверсия приоритетов». Технология разработки собственной ОС РВ 69.5 KB
  Логическая последовательность исполнения Обеспечение доступа к общим ресурсам Обеспечение синхронизации с внешними событиями Обеспечение синхронизации по времени Связность задач. Обеспечение доступа к общим ресурсам. Реализация синхронизации необходима для обеспечения доступа к тем ресурсам которые являются разделяемыми ресурсами в системе т. Возникают коллизии связанные с получением доступа.