Оборудование для концентрирования биомассы

04 Января в 15:28 2986 0


Характерной особенностью биотехнологических сред является сравнительно низкое содержание целевых продуктов в них. Например, концентрация биомассы при производстве дрожжей составляет 5-10 %, а при производстве бактериальных препаратов не превышает 1-2 %, что требует различного оборудования для концентрирования.

Концентрирование биомассы является процессом обезвоживания - удаления воды, содержащей в веществе в свободном несвязанном состоянии. В зависимости от степени влажности, плотности вещества, размера твердых частиц, требований технологического характера в микробиологической промышленности применяют различные методы обезвоживания.

По энергетическому признаку выделяют два основных принципа обезвоживания: удаление из материала влаги без изменения агрегатного состояния в виде жидкости; удаление влаги с изменением агрегатного состояния, т.е. при фазовом превращении жидкости в пар. Первый принцип положен в основу механических способов обезвоживания (центрифугирование, сепарирование, и т.п.). Второй принцип обезвоживания (тепловая сушка) связан с затратами теплоты на фазовое превращение влаги.

Выбор методов предварительного обезвоживания биомассы основан на комплексном анализе технологических свойств объекта. Так, для концентрирования суспензии микроорганизмов применяют сепарацию или осаждение; для отделения мицелия предпочтительно использовать коагуляцию с последующей фильтрацией жидкости; концентрирование растворов антибиотиков и аминокислот производят путем выпаривания с многократным использованием теплоты в многокорпусных выпарных установках.

Выпарные пленочные аппараты

В микробиологической промышленности выпаривание применяют для концентрирования растворов, антибиотиков, ферментов, витаминов и т.п. Процесс выпаривания проводят под разряжением, при повышенном и атмосферном давлении. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. Основное преимущество выпаривания под вакуумом заключается в том, что процесс можно проводить при более низких температурах по сравнению с другими вариантами.

Это особенно важно при концентрировании термолабильных материалов микробиологической природы, склонных к термической инактивации. Выпаривание нельзя рассматривать как чисто физический процесс, так как оно сопровождается нежелательными химическими превращениями вещества. Чем ниже температура нагрева и короче время нагрева, тем меньше происходит нежелательных побочных явлений.

Первое условие обычно достигается применением вакуума и быстрым охлаждением при конденсации, второе значительно труднее, так как требует выпарных аппаратов, обеспечивающих быстрое испарение влаги из концентрируемого продукта. Этому требованию наиболее соответствует пленочные выпарные аппараты.

Аппараты, в которых испарение растворителя происходит из тонкой пленки жидкости, движущейся под действием центробежной силы по быстро вращающейся поверхности теплообмена, получили название центробежных испарителей.

Из всех известных пленочных выпарных аппаратов центробежные испарители являются наиболее скоростными. Так, например, время контакта раствора с поверхностью теплообмена, необходимое для уменьшения его первоначального объема в пять раз, у испарителей с падающей пленкой составляет 300-600 с, роторных пленочных аппаратов - 20-30 с, центробежных испарителей - 1-3 с.

Испарители с вращающейся поверхностью теплообмена применяются в основном для концентрирования термолабильных и пенящихся растворов. В микробиологической промышленности они используются при упаривании ферментных растворов, чрезвычайно чувствительных к температурным воздействиям.

Поверхность теплообмена таких аппаратов выполнена из тонкостенных элементов, к одной стороне которых подведен теплоноситель, а к другой -испаряемая жидкость. В промышленности чаще других используются центробежные испарители с поверхностью теплообмена, выполненной из усеченных тонкостенных конусов.

Такой аппарат имеет (рис. 7.17) неподвижный кожух 1 с крышкой, внутри которого размещен ротор 2. В корпусе ротора установлен пакет усеченных конусов или пластин 4, образующих камеры для упаренного раствора и для греющего пара. Греющий пар вводится в ротор 2 и обогревает наружную вращающую стенку, а конденсат отводится из ротора с помощью отводной трубки 5. Подача раствора в аппарат осуществляется через патрубок 3. С ростом угловой скорости ротора происходит интенсификация процесса испарения пленки жидкости.

Центробежный испаритель с вращающейся поверхностью теплообмена
Рис. 7.17. Центробежный испаритель с вращающейся поверхностью теплообмена: 1 - неподвижный кожух; 2 - ротор; 3 - патрубок подачи раствора; 4 - вращающаяся пластина (конус); 5 - отводная трубка. Здесь и далее Он, G,c -начальный и конечный расход суспензии; Gu, W - первичный и вторичный расход пара (рис. Н.А. Войнова)

Это достигается в роторно-пленочных аппаратах, которые практически незаменимы при переработке вязких, термолабильных, кристаллизующихся сред. Конструкции роторно-пленочных испарителей представлены на рис. 7.18. Исходный раствор подается на внутреннюю поверхность корпуса аппарата и при помощи лопастей вращающегося ротора транспортируется в виде пленки по нагреваемой поверхности. При этом происходит его кипение и испарение влаги.

Вертикальные роторно-плёночные испарители
Рис. 7.18. Вертикальные роторно-плёночные испарители: 1 - корпус; 2 - вращающийся ротор; 3 - привод; 4 - лопасти (рис. Н. А. Войнова)

Несмотря на сложность конструкции и относительно небольшую площадь поверхности теплообмена роторные пленочные аппараты по сравнению с испарителями других типов имеют ряд преимуществ. К ним относятся малое время пребывания жидкости в аппарате; пониженное пенообразование при выпаривании сильно пенящихся веществ; большое отношение начального расхода раствора к выходу конечного продукта; возможность упаривания вязких жидкостей и получения готового продукта в виде сухого порошка.

Основное преимущество роторно-пленочных испарителей заключается в возможности достижения более высоких значений степени выпаривания, которая представляет собой отношение массы испарившегося растворителя к исходной массе упариваемого раствора. Известны пленочные трубчатые испарители работающие при сравнительно низкой полезной разности температуры (3-6) °С по сравнению с традиционными аппаратами циркуляционного типа (10-2) °С. Они обеспечивают высокие коэффициенты теплоотдачи до 20 000 Вт/(м2-К), большую производительность по вторичному пару 200 кг/(ч-м2) и более, низкую температурную депрессию 1 °С, малое время обработки продукта (3-10 с).



Пленочные аппараты наиболее перспективны при работе под вакуумом, так как их низкое гидравлическое сопротивление позволяет обеспечить высокую величину вакуума по высоте аппарата. А отсутствие гидростатического напора позволяет вести процесс кипения при постоянной низкой температуре. Наибольшее распространение в промышленности получили установки с восходящей пленкой (рис. 7.19), в которых раствор транспортируется потоком вторичного пара в виде пленки по внутренней поверхности контактных труб. Они используются при выпаривании маловязких растворов, в том числе пенящихся и не чувствительных к высоким температурам.

Схемы пленочных испарителей с восходящей пленкой
Рис. 7.19. Схемы пленочных испарителей с восходящей пленкой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3, 4 - контактные трубы (рис. Н.А. Войнова)

Достоинством аппаратов с поднимающейся пленкой является сравнительно небольшое время пребывания раствора в зоне высокой температуры. Основным их недостатком является наличие большой полезной разности температур (11-17) °С, чувствительность к изменению режима работы, зарастание верхней части труб накипью и отложениями, сравнительно невысокая зона кипения, которая различна в каждой трубе и зависит от местной скорости нагревания. Для устранения накипи на поверхности труб предложена конструкция (рис. 7.19, б), в которой предусмотрены устройства для ввода дополнительного раствора во внутрь труб греющей камеры, где он распределяется потоком вторичного пара на поверхности, препятствуя тем самым оголению.

Известны выпарные аппараты комбинированного типа (рис. 7.19, в), где реализуется восходящее и нисходящее пленочное течение раствора, что позволяет получить в одном аппарате более концентрированный раствор. Однако при этом усложняется конструкция аппарата и увеличиваются его габариты. Использование выпарных аппаратов с восходящей пленкой для условий работы под вакуумом затруднено из-за их высокого гидравлического сопротивления. В связи с этим наиболее предпочтительны выпарные аппараты со стекающей пленкой, которые можно разделить на прямоточные и противоточные.

Наименьшим гидравлическим сопротивлением и наибольшей производительностью обладают аппараты с нисходящей пленкой и прямоточным движением пара, схемы конструкций, которых представлены на рис. 7.20. Работа испарителей со стекающей пленкой не зависит от местных скоростей кипения, и расходы в каждой трубке практически одинаковы, вне зависимости от скорости кипения. Указанные испарители могут работать в широком диапазоне производительности при малой разности температур.

Это идентично во многих отношениях работе испарителя с принудительной циркуляцией. Именно эта характеристика позволяет проектировать испарительные системы с большим числом ступеней, в каждой из которых используются малая разность температур между паром и раствором, что позволяет получить более высокую экономию энергии и увеличивать концентрацию раствора с дополнительной экономией вследствие большей рекуперации тепла в процессе кипения концентрированного раствора на поверхности нагрева.

Высокая рециркуляция жидкости, а также хорошее ее распределение по периметру труб препятствует образованию сухих участков вследствие пересыхания при кипении, тем самым уменьшается возможность образования осадка на пленкообразующей поверхности. Низкое термическое сопротивление стекающей пленки и высокая ее турбулентность позволяет снизить поверхность теплообмена по сравнению с восходящей пленкой. Общие эксплуатационные расходы, включающие пар, электроэнергию, охлаждающую воду и вторичный пар, у испарителей с нисходящей пленкой значительно ниже, по сравнению с испарителями с восходящей пленкой.

Увеличение потребления электроэнергии вследствие рециркуляции раствора через трубы компенсируется более низким потреблением пара и расширенными рабочими циклами. Действительные эксплуатационные расходы на единицу массы воды, выпаренной из раствора, примерно на 20 % ниже, чем у эквивалентного испарителя с поднимающей пленкой. С целью повышения производительности за счет увеличения длины цилиндрических труб греющей камеры разработаны испарители с выносным сепаратором (рис. 7.20, б). С целью снижения скорости пара в трубах разработан аппарат (рис. 7.20, в) с запасным отводом вторичного пара. Это позволяет частично снизить гидравлическое сопротивление аппарата, уменьшить температурную депрессию, увеличит производительность.

Пленочные испарители с нисходящей пленкой
Рис. 7.20. Пленочные испарители с нисходящей пленкой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - контактные трубы (рис. Н.А. Войнова)

Пленочные испарители со стекающей пленкой при конденсации вторичного пара на поверхности центральных труб
Рис. 7.21. Пленочные испарители со стекающей пленкой при конденсации вторичного пара на поверхности центральных труб: 1 - корпус; 2 - контактные трубы; 3 -центральные трубы; 4 - патрубки для отвода конденсата вторичного пара; 5 - отвод хладагента; 6 - камера для вывода раствора (рис. Н.А. Войнова)

Для достижения высокой производительности, особенно при работе под вакуумом, наиболее перспективны пленочные трубчатые аппараты с нисходящим прямотоком и конденсацией вторичного пара на поверхности центральных труб (рис. 7.21).

В рассматриваемых аппаратах вследствие конденсации вторичного пара на поверхности центральных труб или змеевиков увеличивается движущая сила процесса, снижается скорость вторичного пара по длине трубы. Это позволяет увеличить удельную тепловую нагрузку и расход рабочей жидкости, снизить гидравлическое сопротивление и тем самым обеспечить глубокий вакуум, высокую производительность по испаряемой влаге и низкую температурную депрессию.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы