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).

Fr = 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 , rж -радиус свободной поверхности жидкости. rрт - 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 = d2ϭ — ρλ) g/18η-(ω2rV/Sg) (2)

Где, d – диаметр частицы (клетки);

ρϭ и ρλ — 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 ( Fr <3500)

— суперценрифуги ( Fr >3500).

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

Типы выгрузки

гравитационная

ручная

гидравлическая

инерционная

с выталкивающим поршнем

контейнерная

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.

1.3. Принцип действия и устройство центрифуги

Центрифуга представляет собой в простейшем виде вертикальный цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор крепится на вертикальном валу, который приводится в действие электродвигателем, и помещается в неподвижный кожух, закрывается съемной крышкой; на внутренней поверхности ротора с перфорированными стенками находится фильтровальная ткань или тонкая металлическая стенка. Под действием центробежной силы суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок остается в роторе, а жидкость удаляется из него. Процесс центрифугирования осуществляется периодически или непрерывно.

Ротор центрифуги – основной технологический блок. Роторы делятся на:

— карусельные

— вертикальные подвесные

— горизонтальные с ножевой выгрузкой осадка

— горизонтальные пульсирующие

— горизонтальные цилиндрично — конические со шнековой разгрузкой

Карусельные роторы используются в центрифугах периодического действия с вертикальной осью вращения. Выгрузка осадка – через верх ротора или через отверстия в днище. Применяются в малотоннажных производствах для суспензий с малой и средней зернистостью и для отделения ткани, пряжи и т.п. от растворов.

Вертикальные подвесные роторы используются в фильтрующих центрифугах периодического действия. У них ось вращения расположена вертикально и подвеска выполнена на шарнирной опоре, размещённой выше центра тяжести вращающейся системы.

Горизонтальные с ножевой разгрузкой осадка роторы используются в центрифугах периодического действия для разделения суспензий с размерами зёрен 20—150 мк. Они выполняются консольными и их диаметр достигает 1200 мм. При большем диаметре ротор устанавливается между опорами приводного вала. Горизонтальные пульсирующие роторы используются в центрифугах непрерывного действия. Ротор состоит из двух и более кольцевых сит, вращающихся синхронно, причём внутреннее сито совершает также и пульсирующее или возвратно-поступательное движение для непрерывной разгрузки осадка.

Горизонтальные цилиндро — конические роторы со шнековой разгрузкой осадка применяются в осадительных центрифугах разделяющих суспензии с нерастворимой твёрдой фазой — угольные суспензии, угольно-графитовые шламы, полихлорвиниловые смолы и т.п. смеси. Два ротора вращаются один в другом, причём наружный ротор имеет цилиндро — коническую форму, на внутренней поверхности которой осаждаются твёрдые частицы. Внутренний ротор выполнен в виде шнека с профилем по внутренней поверхности наружного ротора и вращается с числом оборотов немного большим, чем у наружного ротора, что обеспечивает съём и разгрузку осадка. Все эти виды центрифуг работают по принципу разделения частиц в центробежном поле, возникающем при вращении ротора.

При равномерном движении тела по окружности возникает ускорение, направленное к центру вращения. Но ускорение появляется тогда, когда есть сила, которая действует в направлении ускорения. Для равномерного движения тела по окружности на него должна действовать сила постоянно направленная к центру. Это центростремительная сила. Её можно обнаружить при вращении шарика на нити — это сила натяжения, действующая со стороны нити на шарик. При приведении во вращение ротора центрифуги, вещество, помещённое в нём, увлекается стенками ротора и вращается практически со скоростью внутренней стенки ротора. При этом возникают силы, описанные выше, причём центростремительная сила приложена к ротору—аналог шарика , а центробежная приложена к веществу вращающемуся внутри ротора—аналог нити. Ротор – это жёсткая связь, а вещество внутри ротора таковой не является и она начинает перемещаться под действием центробежной силы от центра вращения.

Неоднородная жидкость, помещённая в центрифугу, состоит из двух или более компонентов с разной плотностью и при вращении в поле центробежной силы, компонент с большей плотностью, занимает место дальше от центра вращения, чем с меньшей. Так происходит разделение вещества в центрифуге, тем большее, чем ускорение центробежного поля , больше ускорения силы тяжести.

Во время работы суперцентрифугы суспензия через сопло питательной трубы подается в нижнюю часть ротора и, вращаясь вместе с ротором, протекает вдоль его стенок в осевом направлении, по мере продвижения вдоль ротора суспензия расслаивается согласно плотности ее составляющих частиц. При этом из жидкости выделяются твердые частицы , находящихся в зависшем состоянии и оседают на стенках ротора.

Фугат через верхнее отверстие в головке ротора выводится в сливную камеру, а потом у сборник. Через отсутствие резких изменений направления движения жидкости и турбулентных завихрений исключается попадание частиц назад у суспензию. После окончания разделения центрифугу останавливают при помощи тормоза, достают ротор с осадком, устанавливают запасной ротор и цикл повторяется. С первого ротора в это время удаляют осадок.

Эмульсия, что подается по трубе в нижнюю часть ротора, в меру продвижения вверх разделяется на тяжелый и легкий компоненты. Тяжелый компонент проходит через отверстия в головке, размещенной в стенке ротора, поступает в нижнюю сливную тарелку и через патрубок выводится с центрифуги.

Рис.4. Схема фильтрующей центрифуги с инерционным способом выгрузки осадка

1 – корпус, 2 – ротор, 3 – питательное устройство, 4 –сборник фугата, 5 – сборник осадка, 6 – электродвигатель, 7 –шнек, 8 – упругие опоры, 9 – вал.

Раздел 2. Место применения центрифуги в технологической схеме производства пекарских дрожжей

2.1. Использование центрифуги в производстве пекарских дрожжей

При производстве пекарских дрожжей используется центрифуги с высоким фактором разделения и оснащенные тарельчатым барабаном — сепараторы. В микробиологической промышленности сепараторы являются одним из самых распространенных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентрировать осадок до влажности 60-90%. Выращивание дрожжей в производственных условиях проводят в две стадии: сначала выращивают засевную культуру дрожжей, а затем выращивают собственно дрожжи.

По окончании высаживания и дозревания дрожжи необходимо как можно быстрее выделить из культурной среды. Длительное время пребывания дрожжей в бражке приводит к ухудшению их ферментативной активности, что отрицательно влияет на стойкость готовых дрожжей. Дрожжи выделяют из культурной среды на сепараторах, проводят трехступенчатое сепарирование.

На первой ступени происходит отделение дрожжей от бражки: дрожжевая суспензия разделяется на дрожжевой концентрат и бражку. Дрожжевой концентрат направляют в промежуточную емкость, куда подают холодную воду для промывки. Из промежуточной емкости промытую суспензию направляют на вторую ступень сепарирования. Дрожжевой концентрат направляют во вторую промежуточную емкость, в которую тоже подают промывную воду. Дрожжевую суспензию подают на третью ступень сепарирования, где происходит сгущение дрожжей. Промытые сгущенные дрожжи охлаждают в пластинчатом теплообменнике до температуры 4 — 8 °С.

Технологическая схема производства дрожжей

Рис.4. Технологическая схема производства дрожжей

1 — осветлительный чан; 2 — приточный чан; 3 и 4 — стеклянные колбы; 5 — медная колба; 6 — малый аппарат чистых культур; 7 — большой аппарат чистых культур; 8 — 1-й промежуточный аппарат; 9 — 2-й промежуточный аппарат; 10 — дрожжерастильный маточный аппарат; 11 — дрожжерастильный задаточный аппарат; 12 — дрожжерастильный товарный аппарат; 13 — отборочный чан; 14 — центробежный насос; 15 — воздуходувка; 16, 17, 18 — приёмники сепарированных дрожжей; 19 — сепараторы; 20 — поршневой насос; 21 — фильтры пресс; 22 — месильная машина; 23 — формовочная машина; 24 — холодильник.

2.2 Применение центрифуги

Центрифуги применяются на стадии выделения целевого продукта. Полученную биомассу микроорганизмов или культуры клеток подвергают переработке, сущность которой определяется технологией получения целевого продукта. Из физических методов выделения целевого продукта чаще всего применяют на первичных стадиях сепарирование, центрифугирование. Для концентрирования и отделения биомассы грибов и дрожжей используют сепарирование (одноступенчатое или многоступенчатое) для разделения суспензий и эмульсий, а так же центрифугирование для отделения твердых осадков и клеток от культуральной жидкости.

Рис. 3. Горизонтальная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка.

1 – перфорированный ротор, 2 – труба для подачи суспензии, 3 – кожух, 4 – штуцер для удаления фугата, 5 – нож, 6 – гидравлический цилиндр для подъема ножа, 7 – наклонный желоб, 8 –канал для удаления осадка.

В связи со сложностью закономерностей центрифугирования и разнообразия конструкций применяемых на практике центрифуг разработка теории процесса и точных методов расчета его затруднительна. Следует считать, что наиболее надежных данных для расчета процесса центрифугирования можно получить на основании опытов по разделению данной эмульсии или суспензии на небольшой центрифуге, конструктивно по возможности воспроизводящей рассчитываемую.

Главными факторами, определяющими выбор центрифуги, являются: для суспензий степень дисперсности твердой фазы, эффективная плотность (разность плотностей твердой и жидкой фаз) твердых частиц и их концентрация; для эмульсий стойкость эмульсии, обусловленная степенью раздробленности капель одной жидкости в другой, вязкость дисперсионной среды и соотношение плотностей фаз.

По сравнению с фильтрами центрифуги имеют следующие преимущества, обуславливающие их большое распространение:

а) высокая интенсивность процесса за счет больших значений фактора разделения;

б) компактность (в отличие от фильтров, не требуется вспомогательное оборудование для поддержания движущей силы процесса вакуум-насосов, насосов);

в) большие возможности механизации, автоматизации процесса; г) меньшие требования к суспензии и осадку.

Крупным недостатком центрифуг является их сложность, высокие требования к точности изготовления, большая стоимость.

Основные правила центрифугирования

Установка центрифуги производится в строго горизонтальном положении.

На одном лабораторном столе не рекомендуется ставить более одной центрифуги и какого-либо оборудования, чувствительного к вибрации.

Напольная центрифуга должна быть размещена на твердом покрытии пола: бетонная стяжка, керамическая плитка.

Во избежание поражения электрическим током центрифугу необходимо заземлить.

Установка центрифуги производится таким образом, чтобы у вентиляционных отверстий оставалась свободная зона не менее 30 см.

Потоки воздуха от центрифуги не должны быть направлены на людей.

Воздух в помещении не должен содержать примесей агрессивных паров и газов.

Во избежание инфицирования, повреждений кожных покровов необходимость работать в перчатках.

При неточной загрузке центрифуги каждую пару наполненных пробирок размещать в диаметрально противоположных положениях ротора.

Перед началом работы центрифугирования необходимо убедиться, что ротор надежно закреплен и свободно вращается.

При закрывании крышки центрифуги должен быть слышен «щелчок» включения микровыключателя блокирующего устройства.

Крышку ротора центрифуги разрешается открывать только полной остановки ротора.

Должен соблюдаться правильный выбор параметров центрифугирования согласно инструкции производителя центрифуги (тип ротора, адаптера, скорость и продолжительность вращения, величины центробежного ускорения, допустимый уровень дисбаланса, соблюдение температурного режима).

Раздел 3. Расчетное задание для курсового проекта

3.1. Выбор центрифуг

При выборе центрифуг главными факторами являются их технические характеристики и физические свойства обрабатываемого материала, дисперсный состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, концентрация суспензии, а так же фактор разделения.

Для промышленного производства важной проблемой является повешение производительности и эффективности аппаратуры машин, в том числе и центрифуг. Эффективность центрифугирования характеризуется индексом производительности. Набольшего значения индекса производительности достигают при удалении ротора и увеличении частоты его вращения. Основным способом повышения эффективности осадительных центрифуг является деление потока суспензии на тонкие слои. Повышение эффективности разделения эмульсий достигается рациональным выбором частоты вращения ротора, изменением скорости подачи и отвода эмульсии, выбором оптимального расстояние между тарелками.

Технологический расчет процесса центрифугирования состоит из определения основных параметров разделения суспензий и эмульсий, фактора разделения центрифуги, времени цикла фугования, производительности центрифуги.

Согласно заданному заданию, были выданы исходные данные. Целью данного расчета является рассчитать процесс центрифугирования для трубчатой конструкции.

3.2. Расчет процесса центрифугирования трубчатой конструкции

Задание: Рассчитать процесс центрифугирования трубчатой конструкции.

Исходные данные:

L – 1100 мм — длинна барабана;

D – 700 мм — внутренний диаметр барабан;

d – 95 мм – диаметр сливного цилиндра;

n – 4600 об/мин – количество оборотов барабана;

Sc – 810 кг/м3 – плотность дрожжевой суспензии;

S1 – 1025 кг/м3 – плотность агломерированных клеток;

μc — 8 ˙ 10-4 Па ˙ с – вязкость суспензии при 35 ˚ С;

dk – 6 ˙ 10-6 м – диаметр клеток дрожжей.

1. Для начала рассчитывают фактор разделения:

Ƒ = d/2 ˙ n2 /900 (3)

Ƒ = 0,095 ˙ (4,6 ˙ 103)2 / 2˙ 900 =

2. Скорость осаждения частиц рассчитывают по закону Стокса:

W = dk2 (S1 — Sc) g / 18 ˙ μc (4)

W = ( 6 ˙ 10-6)2 (1025 – 810) ˙ 9,8/18 ˙ 8˙ 10-4 =

3. Центробежная скорость осаждения рассчитывается :

Wц = Wос. Ƒ (5)

Wц =

4. Рабочий объем барабана центрифуги:

Vр. = 0,785 (D2 – d2) L (6)

Vр = 0,785 ˙ (0,72 – 0,0952) ˙ 1,1 =

5. Высота слоя жидкости в барабане:

Hж = D – d / 2 (7)

Hж =

6. Производительность центрифуги:

П = Wц Vр. / Hж 3600 (8)

П =

Проверочным расчетом уточняется режим осаждения (ламинарность) и режим потока в барабане, который для удовлетворительной работы центрифуги (без уноса) должен соответствовать значению Re < 350.

W6 = П/F (9)

W6 =

dэкв. = 4π (D2 – d2) / 4(π D +6 Hж) (10)

dэкв. =

Re = W6 ˙ dэкв ˙ Sc / μc ˙ 9,8 (11)

Re =

Заключение

Центрифугирование имеет как свои достоинства, так и недостатки. Главные достоинства центрифугирования и сепарирования — высокая производительность и высокая степень концентрирования позволяют успешно конкурировать с другими способами выделения и концентрирования как в промышленных, так и в лабораторных условиях. Применяется при выделении целевого продукта из культуральной жидкости при производстве дрожжей, отделении различных целевых продуктов микробиологического синтеза, таких как, антибиотики, витамины, ферменты, предварительно переведенных в твердую фазу.

Недостатками центрифугирования являются сложная конструкция, энергоемкость и стоимость. Так же есть сложность в эксплуатации, необходимость периодической разборки и мойки, вибрации и шумы, которые могут негативно действовать на обслуживающий персонал. Нужно обеспечивать асептические условия, что достигается довольно трудно.

Несмотря на свои недостатки, центрифугирование остается одним из самых эффективных методов выделения и концентрирования конечных продуктов в микробиологической промышленности. Имеются различные виды центрифуг, различные режимы, что позволяет использовать их для множества различных веществ. Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях. Основное преимущество центрифугирования по сравнению с методами отстаивания и фильтрования заключается в увеличении производительности и эффективности разделения.

Список использованной литературы

1. М.Д. Безуглый, В.О.Головко, И. Ю. Бисюк и др. – Х.: Гимназия, 2012. – 464 с.

2. Т.П. Пирог, О.А. Ігнатова. Загальна біотехнологія. Підручник. Київ, НУХТ, 2009

3. К.П. Гапонов. Процессы и аппараты микробиологических производств. М.: «Пищепром», 1981

4. А.В. Саруханов. Оборудование микробиолгических производств. Справочник / Раруханов А.В., Быков А.М. – Минск: Выш. Школа, 1993

5. Т. Боуэн. Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М.: 1973, А.Д. Морозкин

6. Лукьяненко В.М, Таранец А.В. Промышленные центрифуги. М.: «Химия», 1974

7. В.Н. Соколов. Аппаратура микробиологической промышленности/ Соколов В.Н., Яблонова М.А. – Л.: Машстрой, 1988

8. В.М. Кантере и др. Основы проектирования предприятий микробиологической промышленности. Учебное пособие – М.: Агропромиздат, 1990