Введение

Завершающей стадией любого микробиологического производства является выделение целевого продукта из культуральной среды и его очистка. Таким целевым продуктом может быть либо биомасса клеток, либо какой-то продукт клеточного метаболизма.

Выделение с помощью центрифугирования или сепарирования является одним из наиболее эффективных методов, так как они имеют ряд существенных преимуществ. Процессы центрифугирования относятся к наиболее сложным процессам технологии, а центрифуги - к сложнейшим технологическим аппаратам.

Центрифугирования используют не только в микробиологической и биотехнологической промышленности. Его активно применяют в пищевой промышленности, химической, в нефтеперерабатывающей.

Раздел 1. Характеристика процесса центрифугирования

1.1. Определение процесса

Центрифугирование  – это разделение неоднородных систем на фракции по плотности при помощи центробежных сил. Центрифугирование осуществляется в аппаратах, называемых центрифугами. Центрифугирование применяется для отделения осадка от раствора, для отделения загрязненных жидкостей. Центрифугирование бетона применяется для увеличения его прочности. Для исследования высокомолекулярных веществ, биологических систем применяют ультрацентрифуги. Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазы, называемую фугатом.

Центрифугирование в МБП применяется в основном для выделения биомассы из культуральной жидкости (дрожжей, бактерий, грибов), отделения БАВ (антибиотиков, витаминов, ферментов и тп.) переведенных предварительно в твердую фазу, а также для разделения эмульсий, образующихся при экстракции. Так, например, при производстве пенициллина удается сконцентрировать его в 100 раз с помощью сепараторов из культуральной жидкости. Центрифугирование имеет и существенные недостатки: сложность конструкции, высокая энергоемкость, вибрация, шум, воздействие на клетку центробежных сил, нагрев, трудность герметизации и обеспечение асептики. Но высокая производительность позволяет этому методу успешно конкурировать с другими способами выделения и концентрирования продукта. Основное преимущество центрифугирования по сравнению с методами отстаивания и фильтрования заключается в увеличении производительности и эффективности.

1.2. Основы процесса

Центрифугирование характеризуется рядом технологических параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения , отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирование – производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос – содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в том числе влажность осадка) после центрифугирование; крупность разделения – минимальный размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении. Количественно сила осаждения в центрифугировании характеризируется фактором разделения ( критерий Фруда).

F_r = ψ² R / g (1)

Где, ψ – угловая скорость вращения;

R – радиус вращения ;

g - ускорение свободного падения.

Кинетика центрифугирование зависит от многих факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физико-химическими свойствами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрический состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, удельное сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамический режим зависит от производительности машины.

Центрифугирование проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Основной рабочий орган этих машин - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой , благодаря чему создается поле центробежных сил. Центрифуги, имеющие высокий фактор разделения и оснащенные тарельчатым барабаном называют сепараторами. В микробиологиче­ской промышленности сепараторы являются одним из самых распро­страненных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентриро­вать осадок до влажности 60-90%. По принципу разделения центрифуги делят на фильтровальные, осадительные и комбинированные.

Центробежное осаждение включает осветление и осадительное центрифугирование. Осветительные центрифуги применяют при выделении высокодисперсной твердой фазы с малоконцентрированных суспензий. Осадителные центрифуги применяют для разделения как суспензий, что хорошо фильтруются, так и суспензий, что фильтруются плохо. При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы. В зависимости от метода центрифугирование осуществляется в сплошных или осадительных (рис. 1, а) или перфорированных , т.е. покрытых фильтрующим материалом (рис. 1,б) роторах. Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиболее эффективно для получения осадков с минимальной влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмолекулярными силами (механическая сушка осадка).

Рис. 1. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О – осадок , r_ж -радиус свободной поверхности жидкости. r_рт - максимальный внутренний радиус ротора.

Обезвоживолные осадительные центрифуги применяют для разделения высоконцентрированных суспензий средней дисперсности.

Универсальные центрифуги предназначены для средне - и малоконцентрированных суспензий при умеренных требованиях к чистоте фугата и влажности осадка.

Центрифугирования используют когда:

1) процесс фильтрации исходной суспензии осуществляется с низкой скоростью

2 ) необходимо реализовать непрерывный процесс разделения

Производительность процесса седиментации (Ф) во время центрифугирования можно оценить по уравнению

Ф = d² (ρ_ϭ - ρ_λ) g/18η-(ω²rV/Sg) (2)

Где, d – диаметр частицы (клетки);

ρ_ϭ и ρ_λ - плотность частички и жидкости соответственно;

S – толщина слоя жидкости в центрифуге;

Ω – угловая скорость;

R – радиус вращения;

V -объем жидкости в центрифуге;

G – ускорение свободного падения.

Как следует из уравнения (2) , эффективность центрифугирования повышается с увеличением диаметра частиц (клеток ), разницы между плотностью частиц и жидкости , уменьшением вязкости жидкости , повышением угловой скорости вращения ротора , радиуса центрифугирования , увеличением объема жидкости и уменьшением толщины слоя жидкости , подверженной центрифугированию.

Центрифуги можно разбить по фактору разделения на два класса:

- нормальные ( F_r <3500)

- суперценрифуги ( F_r >3500).

Классификацию центрифуг по способу выгрузки осадка приведено на рис. 2.

Типы выгрузки

ручная

гравитационная

инерционная

гидравлическая

контейнерная

с выталкивающим поршнем

ножная

С пульсирующим поршнем

Механико-пневматическая

Рис. 2. Классификация центрифуг по способу выгрузки осадка

В зависимости от конечной цели выбирают различные сочетания способов. При выборе схемы концентрирования и извлечения биомассы проводят предварительную экономическую оценку выбран­ного способа с учетом товарной формы биопрепаратов, концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости и др. Большинство целевых продуктов микробиологического синтеза не­стабильны и подвержены влиянию различных факторов. Белки, напри­мер, исключительно чувствительны к нагреванию, изменению рН сре­ды, к многим физическим и химическим воздействиям. Очень часто выделить целевой продукт с помощью одного метода практически невозможно. Поэтому применяют комбинацию несколь­ких методов.