Центрифугирование и сепарация

Для преодоления отмеченных ранее трудностей осаждения скорость осаждения клеток усиливают, помещая суспензию в поле центробежных сил. Центрифуги и сепараторы, которые это поле создают, часто называют осадительными.

На частицу в центробежном поле действует центробежная сила Fu:

Где r - радиус частиц; r_ч и r_ж - плотность частицы и жидкости соответственно; w - угловая скорость; R - радиус вращения частицы вокруг оси центрифуги.

Сила сопротивления среды Fc определяется согласно закону Стокса:

Где h - динамическая вязкость жидкости; u - скорость движения частицы относительно жидкости.

Приравнивая эти силы можно получить следующее:

Чем больше скорость вращения центрифуги и ее радиус и чем больше разность плотностей жидкости и частицы, тем быстрее происходит осаждение. Вязкость жидкости снижает скорость осаждения. Разные типы центрифуг оценивают по так называемому фактору разделения Фр, показывающему, во сколько раз ускорение центробежного поля больше ускорения свободного падения g:

У обычных центрифуг этот фактор составляет до 3500, а у суперцентрифуг выше – 5000 - 7000. Ультрацентрифуги могут иметь Фр до 20 000. Скорость вращения барабана варьируется от 3000 до 30 000 об/мин. Существенным показателем работы центрифуги является индекс производительности S:

Где F_ос – площадь цилиндрической поверхности осаждения.

Скорость свободного осаждения u_0­ связана со скоростью осаждения в центробежном поле соотношением:

Общая производительность центрифуги определяется соотношением:

B этом уравнении S характеризует свойства центрифуги (суммарную поверхность осаждения, умноженную на суммарный фактор разделения). Его следует определять экспериментально для заданной скорости вращения центрифуги. Величина u₀ характеризует приведенную скорость свободного осаждения и зависит только от свойств жидкости. Ее лучше определять экспериментально на центрифуге с известной величиной S (например, на лабораторной стаканчиковой). Рассчитывать u₀ исходя из свойств жидкости нецелесообразно, так как обычно различаются размеры и плотность частиц, да и вязкость жидкости.

В биотехнологии наиболее распространен тарельчатого сепаратора. Сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем пакетом вращающихся с валом конических тарелок, находящихся одна над другой так, что образуется коническое пространство. Жидкость входит по полому валу под нижней тарелкой и доходит до внешнего цилиндрического края корпуса. Далее она движется между коническими тарелками к центробежному коллектору, из которого осуществляется выход жидкости. В процессе этого движения частицы биомассы отбрасываются по направлению от центра вращения и сползают по коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в конечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.

В корпусе расположены сопла, из которых под большим давлением происходит выгрузка сгущенной биомассы. Существуют различные модификации подобных сепараторов, в том числе с ручной, а также механизированной циклической и непрерывной выгрузкой осадка. В целом такая конструкция увеличивает время пребывания частиц в сепараторе и тем самым его производительность. Преимущества центробежных сепараторов:

- высокая производительность;

- хорошая степень концентрирования (до 10 - 15);

- достигается концентрация биомассы 5 - 15 % по сухой массе;

- возможность повышения скорости сепарирования предварительной обработкой жидкости флокулянтами.

Недостатки:

- сложность оборудования;

- энергоемкость процесса (хотя по сравнению с вьпаркой затраты энергии все же меньше).

Фильтрация

Фильтрация - это задержание взвешенных частиц сетчатой (тканевой) или пористой перегородкой. Движущей силой является разность Давлений‚ вызывающая протекание жидкости. При обычной фильтрации задерживаются частицы, величина которых больше размеров пор. Такая фильтрация называется «ситовой», и используется она при малом количестве взвешенных частиц, для осветления жидкости. Через какое-то время вся поверхность «сита» закрывается микроорганизмами, и фильтрация прекращается. Обычно же при фильтрации микроорганизмов используют фильтры, размер пор которых больше размера микроорганизмов. В этом случае фильтрация происходит через слой осадка. Сначала клетки микроорганизмов могут «проскакивать» через поры ткани. Затем на поверхности образуется слой осадка, и фактически фильтрование идет через него. По мере фильтрации все время возрастает толщина слоя осадка. Уравнение Пуазейля определяет основные закономерности фильтрации:

Где F - поверхность фильтрации; V- объем суспензии, подаваемой на фильтрацию; DР - перепад давления на фильтровальной перегородке; h - динамическая вязкость жидкости; r_oc - коэффициент сопротивления осадка; m_ос - концентрация осадка во входящей на фильтр суспензии (для биомассы совпадает с Х); r_фп - коэффициент сопротивления фильтровальной перегородки.

В ходе фильтрования возрастает объем жидкости, прошедшей через фильтр, знаменатель уравнения Пуазейля возрастает, а скорость фильтрации падает.

Из уравнения видно, что скорость фильтрации можно увеличить путем повышения перепада давления. Однако для биологических суспензий это не так. Дело в том, что рыхлая структура слоя осадка даже при незначительном превышении оптимального перепада давления нарушается и образуется плотная «лепешка», плохо пропускающая жидкость. Такие системы называются системами со сжимаемым осадком. Важно удержаться от соблазна поднять давление: кратковременное повышение производительности фильтра, достигнутое благодаря увеличению разности давлений, обычно сопровождается последующим катастрофическим падением производительности.

Для улучшения скорости фильтрации в биотехнологии часто используют фильтровальные порошки для организации фильтрования через намывной слой порошка. Частицы порошка (кизельгур, перлит, диатомит) имеют размеры больше клеток микроорганизмов, но после «намывки» создают объемный слой с системой пор. Суспензия, проходя через этот слой, оставляет биомассу микроорганизмов на частицах порошка. Коэффициент сопротивления осадка при этом снижается в десятки раз, что позволяет фильтровать трудно фильтруемые жидкости.