Процессы и оборудование для концентрирования и выделения целевых продуктов микробиологического синтеза

Концентрация содержащихся в КЖ целевых продуктов МБС (микробные клетки, аминокислоты, ферменты, антибиотики, витамины) в пересчете на сухие вещества не превышает 2%. Конечный же продукт производства в большинстве случаев получается в сухом виде.

На стадии выделения и концентрирования целевых продуктов биосинтеза приходится более 80% производственных мощностей. Эти стадии в основном определяют качество конечного продукта и несут основную нагрузку на себестоимость. Выбор способа концентрирования конкретного продукта зависит от многих факторов технологического плана и, в конечном счете, определяется экономическими соображениями.

Флотация

Флотация - процесс выделения мелких твердых частиц суспензий, основанный на их способности прилипать к пузырькам воздуха с последующей их концентрацией в слое пены.

Процесс флотации протекает в несколько стадий: 1) закрепление клеток на поверхности всплывающего пузыря; 2) вынос их с пузырем в верхний слой структурированной пены; 3) удаление пены из флотатора вместе с твердыми частицами (микроорганизмами).

Этот способ концентрирования суспензий наиболее эффективен в производстве дрожжей как первая стадия концентрирования, т.е. при небольших концентрациях твердой фазы. При флотации образуется пенный слой с концентрацией дрожжей в 4-6 раз большей, чем в исходной КЖ. Применение флотации в дрожжевом производстве позволяет сократить количество дорогостоящих сепараторов и снизить энергозатраты. Перспективно также применение флотаторов при сгущении и концентрировании активного ила при биологической очистке сточных вод.

Способность клеток сорбироваться на поверхности газового пузыря определяется многими факторами. Сюда относятся: сродство к ПАВ, электрический заряд, обуславливающий их полярную адсорбцию на поверхности пузыря, состояние поверхности клеток, наличие полисахаридов и содержание связанной воды. Ветвистые конгломераты лучше флотируются, чем одиночные клетки с гладкой поверхностью.

Флотируемые дрожжевые клетки взаимодействуют с газовыми пузырями как лиофобные (боящиеся растворения) твердые тела. Веществом, которое придает лиофобные свойства поверхности клеток, накапливаясь на них, является азотосодержащий полисахарид - хитин. Так например, хорошо флотируемые культуры Candida scotti и Candida tropicalis содержат 3,5-5 % хитина в пересчете на сухое вещество, а у плохо флотируемых Candida utilis его содержание <1%.

Влияет на процесс флотации и кислотность КЖ. Наилучшая флотируемость дрожжей при pH 4,5.

Эффективность флотации зависит от способа образования пузырей и их размера. В связи с этим различают следующие способы флотации: диспергированным воздухом, растворенными газами и электрофлотация.

Наиболее распространена флотация диспергированным воздухом, когда воздух диспергируется в жидкости до пузырьков диаметром >1мм с помощью различных диспергирующих устройств. Способ прост по аппаратурному оформлению, но требует больших расходов воздуха. Из-за относительно больших пузырей эффективность данного способа флотации невелика.

Флотация растворенным воздухом подразделяется на напорную и вакуумную флотацию. Суть напорной состоит в предварительном насыщении жидкости растворенным воздухом при избыточном давлении в 7 атм с последующей подачей ее во флотатор, работающий при атмосферном давлении. При этом воздух выделяется из пересыщенного раствора в виде мелких пузырей диаметром 0,1-0,5 мм, что обеспечивает высокую эффективность флотации.

При вакуумной флотации создается разряжение над флотируемой средой и воздух также выделяется из жидкости, но уже в меньших количествах и в виде еще меньших пузырей. Вакуумная флотация лимитируется малым P и используется при малых концентрациях суспензий С<0,03%.

Электрофлотация. При электрофлотации на электродах в жидкой среде выделяются водород и кислород в виде пузырьков d<0,05мм. Но этот метод имеет ограниченное применение из-за взрыво-пожароопасности процесса, проблем загрязнения электродов, малой единичной мощности и энергоемкости.

Основным показателем процесса является коэффициент флотации, представляющий собой отношение концентрации биомассы в суспензии, выходящей из флотатора к концентрации биомассы в исходной суспензии. Коэффициент зависит от вязкости исходной среды и длительности отстаивания пены. В производственных условиях обычно равен 4-6; при увеличении его до 8-10 резко снижается производительность флотатора.