Інтенсивний розвиток мікробіологічної та фармацевтичної промисловості потребує удосконалення апаратурного оформлення технологічних процесів. Глибоке знання закономірностей процесів, що здійснюються під час вироблення продуктів, дає змогу інтенсифікувати процеси, створити апарати нових типів, розробляти методи оптимального керування процесами.

Дисципліна «Процеси і апарати фармацевтичної та мікробіологічної промисловості» – наукова база технологічних процесів, тобто база, на якій тільки і можуть створюватися нові технології та апаратура.

Вивчення наукових основ процесів і апаратів відіграє знану роль у формуванні професійних знань майбутніх фахівців мікробіологічних та фармацевтичних виробництв.

Наука про процеси та обладнання фармацевтичної та мікробіологічної промисловості дозволяє вирішувати наступні завдання:

1. при експлуатації виробництв вибирати найкращі (раціональні) технологічні режими, досягати високої продуктивності обладнання, підвищувати якість продукції, успішно вирішувати екологічні проблеми;

2. проектуючи нові підприємства, розробляти високоефективні й мало- та безвідходні технологічні схеми, а також вибирати оптимальні типи обладнання;

3. робити технічно грамотні та науково-обгрунтовані розрахунки обладнання, використовуючи сучасну обчислювальну техніку й засоби проектування, а також розробляти принципово нові методи розрахування процесів та обладнання хімічної технології.

Для набуття навичок проведення експериментальних досліджень та обробки отриманих результатів в рамках курсу “Процеси та апарати фармацевтичної та мікробіологічної промисловості” проводяться студентами лабораторні роботи з розділу «Гідромеханічні процеси».

1. Лабораторна робота Дослідження процесу центрифугування

Мета: Дослідити процес центрифугування, ознайомитися з конструкцією центрифуги та принципом її роботи.

1.1. Теоретична частина

Центрифугування – це процес розділення неоднорідних систем (емульсій та суспензій) у полі відцентрових сил з використанням суцільних або проникних для рідини перегородок. Процеси центрифугування проводяться у апаратах, що називаються центрифугами.

Центрифуга являє собою вертикальний циліндричний ротор із суцільними або перфорованими боковими стінками. Ротор закріплюють на вертикальному валу, який обертається за допомогою електродвигуна, та розміщується у співвісному нерухомому циліндричному кожусі. Кожух закривається з’ємною кришкою. На внутрішній поверхні ротора з перфорованими стінками знаходиться фільтрувальна тканина або тонка металева сітка.

Під дією відцентрових сил суспензія розділяється на осад та рідку фазу, що називається фугатом. Осад залишається у роторі, а рідка фаза видаляється з нього.

У відстійних центрифугах із суцільними стінками проводять розділення емульсій та суспензій за принципом відстоювання, при якому дія сили тяжіння заміняється діючою відцентровою силою.

У фільтруючих центрифугах проводиться процес розділення за принципом фільтрування, при цьому замість різниці тисків діє відцентрова сила.

У відстійній центрифузі розділювана суспензія або емульсія відкидається відцентровою силою до стінок ротора, тверда або рідка фаза з більшою густиною розташовується блище до стінок ротора, а інша фаза з меншою густиною розміщається блище до вісі. Осад утворює шар коло стінок ротора, а фугат переливається через верхній край ротора.

У фільтруючій центрифузі розділювана суспензія також відкидається до стінок ротора і фази розділяються. Рідка фаза проходить крізь фільтруючу перегородку у кожух і відводиться з нього, тверда фаза у вигляді осаду затримується на внутрішній стороні перегородки, а потім видаляється з ротора.

Таким чином закономірності центрифугування близькі до закономірностей відстоювання та фільтрування. Але процеси у відстійних та фільтруючих центрифугах складніші відповідних процесів у відстійниках та фільтрах. Це обумовлено тим, що у центрифугах замість сил тяжіння та різниці тисків діє відцентрова сила, яка досягає значної величини, а замість пласких шарів рідини та осаду утворюються шари з циліндричними граничними поверхнями, що ускладнюють залежність процесу від геометричних факторів.

Розділення емульсій у відстійних центрифугах зазвичай називають сепарацією, а апарати у яких відбувається цей процес, - сепараторами. Прикладом такого розділення є відділення вершків від молока.

При розділенні суспензій у відстійних центрифугах розрізняють процеси відцентрового освітлення та відцентрового відстоювання. У першому випадку з рідини віддаляють тверді домішки, що містяться у суспензії у незначній кількості, наприклад при освітленні лаків та змащувальних мастил. У другому випадку розділяється суспензія, що має тверду фазу у великій кількості, наприклад, суспензія вугілля у воді.

Розділення суспензій у фільтруючих центрифугах називається відцентровим фільтруванням. Аналогічно процесам розділення суспензій у фільтрах, на фільтруючих центрифугах можуть послідовно виконуватися операції фільтрування з утворенням осаду, промивки та віджиму осаду з метою зменшення його вогкості. Процес центрифугування відбувається періодично або неперервно.

У зв’язку із складністю закономірностей центрифугування і різноманітністю конструкцій, що використовуються на практиці, розробка теорії процесу та точних методів розрахунку ускладнена. Слід вважати, що найбільш надійні дані для розрахунку процесу центрифугування можна отримати на основі дослідів розділення даної емульсії або суспензії на невеликій центрифузі, яка конструктивно по можливості відтворює розраховану.

Відцентрова сила та фактор розділення. Метою створення центрифуг є можливість підвищення швидкості розділення неоднорідних систем у полі відцентрових сил у порівнянні із швидкістю розділення цих систем у відстійниках та фільтрах. Тому доцільно оцінити у загальному вигляді відношення величини відцентрової сили та величини сили тяжіння. Це можливо зробити порівнянням прискорень, що діють на тіло у відцентровому та гравітаційному полях, оскільки стосовно тіла визначеної маси сили пропорційні прискоренням.

Як відомо у загальному випадку величина відцентрової сили виражається рівністю:

(1.1)

де С – відцентрова сила, Н; m – маса тіла що обертається, кг; G – вага тіла що обертається, Н; w – колова швидкість обертання, м/с; r – радіус обертання, м.

Колова швидкість обертання визначається рівністю:

(1.2)

де – кутова швидкість обертання, рад/с; п – число обертів за хвилину.

Зіставляючи рівності (1) і (2) знаходимо:

(1.3)

або

(1.4)

З виразу (4) видно, що збільшення числа обертів ротора значно більше впливає на збільшення відцентрової сили, ніж збільшення діаметра ротора центрифуги.

З рівності (1) видно, що прискорення у полі відцентрових сил складає . Відношення відцентрового прискорення до прискорення сили тяжіння g називають фактором розділення:

(1.5)

Приймаючи величину G=1Н, з відношень (1), (4), (5) отримаємо:

(1.6)

Фактор розділення є важливою характеристикою центрифуги, оскільки, при інших рівних умовах, розділювана дія центрифуги збільшується пропорційно величині .

Процеси у відстійних центрифугах. У загальному випадку розділення суспензій у відстійних центрифугах складається із стадій осадження твердих часток на стінках ротора та ущільнення утвореного осаду. Перша з цих стадій протікає за законами гідродинаміки, друга – за закономірностями механіки пористих середовищ.

При малій концентрації твердих часток у вихідній суспензії (не більше 4об.%) спостерігається їх вільне осадження у роторі без утворення чіткої поверхні розділу між чистою рідиною та суспензією що ще не розшарувалася. При підвищеній концентрації утворюється чітка межа розділу внаслідок ускладненого осадження твердих часток.

Процеси розділення суспензій у відстійниках та відстійних центрифугах вагомо різняться. У відстійниках гравітаційне поле однорідне, а інтенсивність поля відцентрових сил, як слідує з виразу (4), збільшується на шляху руху часток до периферії ротора. Це призводить до того, що при обертанні ротора з визначеним числом обертів на частку діє зростаюча відцентрова сила, що обумовлює прискорення її руху. У відстійниках частинки проходять через постійні по площі поперечні перетини плаского шару рідини, а у відстійних центрифугах вони переміщуються через зростаючі по площі поперечні перетини кільцевого шару. Тому закономірності процесів у відстійниках не можна перенести на процеси у відстійних центрифугах.

Розділююча здатність відстійних центрифуг характеризується індексом продуктивності , який визначається за формулою:

(1.7)

звідки

(1.8)

Враховуючи, що фактор розділення виражає відношення швидкостей відстоювання частинок у відстійні центрифузі та відстійнику, у відповідності до рівності (8) величину слід вважати рівною площі відстійника, еквівалентного по продуктивності для даної суспензії центрифузі, що розглядається. Індекс продуктивності відображає вплив усіх конструктивних особливостей осаджувальної центрифуги, що визначають її розділювану здатність.

Рівність (8) застосовується при умові, що осадження твердих часток суспензії відбувається при ламінарному режимі. Внаслідок великого значення відцентрової сили осадження частинок в центрифугах може відбуватися в умовах перехідного або турбулентного режиму. При цьому індекс продуктивності виражається наступним чином:

у перехідному режимі

(1.9)

у турбулентному режимі

(1.10)

Як видно з двох останніх рівностей, у цих випадках площа відстійника, еквівалентного по продуктивності центрифузі, що розглядається, збільшується не пропорційно фактору розділення, а менш інтенсивно.

Продуктивність осаджувальних центрифуг у дійсності виявляється пониженою у порівнянні з продуктивність розрахованою на основі розрахованої швидкості осадження твердих часток у відцентровому полі. Зменшення продуктивності пояснюється наступними причинами: відставанням швидкості обертання у рідині від швидкості обертання ротора, що призводить зо зменшення відцентрової сили, що діє на частку; нерівномірністю протікання рідини вздовж ротора і збільшенням часток що осіли із його стінок; утворенням вихревих зон, що зкаламучують частки. У зв’язку із цим вводять коефіцієнт ефективності відстійної центрифуги:

(1.11)

де – дійсна та розрахована продуктивність центрифуги, м³/с.

Величина коефіцієнта ефективності відстійних центрифуг різних конструкцій різна і знаходиться експериментальним шляхом. Користуючись відношенням (11), знаходять дійсну продуктивність центрифуги.