Центрифуги и сепараторы в микробиологической промышленности

04 Января в 15:45 5750 0


В микробиологической промышленности используют различные типы рассматриваемых машин с целью отделения балластных частиц из растворов биологически активных веществ, биомассы от культуральной жидкости, выделения биологически активного комплекса при его выделении из растворов, а также для разделения смесей жидкости или суспензий. В промышленных установках центробежное разделение применяют для отделения частиц размером от 25 мм до 0,5 мкм. При разделении биологических жидкостей к центрифугам и сепараторам предъявляются особые требования по разделяющей способности и обеспечению стерильности процесса для предотвращения попадания аэрозолей в окружающую среду.

Под центрифугированием понимают процесс разделения неоднородных систем, суспензий и эмульсий, в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. В аппаратах со сплошными стенками производят разделение суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. В аппаратах с проницаемыми стенками осуществляется процесс разделения суспензий по принципу фильтрования, причем вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение неоднородных систем центрифугированием, с физической точки зрения, можно рассматривать как процесс свободного или стесненного осаждения взвешенных частиц в жидкости под действием центробежного силового поля. Центробежная сила возникает при вращении центрифуги и находящейся в ней суспензии. Она возникает, как сила инерции при вращательном движении тел и направлена всегда по радиусу от оси вращения к периферии.

В практике центрифугирования, как уже было сказано выше, используются два основных способа разделения суспензий: центробежное фильтрование и центробежное осаждение. Соответственно, по физической сущности реализуемого процесса центрифуги подразделяют на фильтрующие и осадительные (отстойные). Рабочим органом центрифуги является ротор (барабан), закрепленный на вращающемся валу, во внутреннюю полость которого подается суспензия.

Ротор состоит из кольцевой крышки, цилиндрической или конической обечайки, плоского или выпуклого днища.

По расположению его вала центрифуги делятся на вертикальные и горизонтальные. Обечайки роторов осадительных центрифуг сплошные, а фильтрующих - перфорированные (рис. 7.25, а и рис. 7.26, а). Под действием центробежных сил частицы твердой фазы скапливаются у стенки обечайки ротора, а жидкость либо располагается ближе к его оси, либо продавливается через слой осадка, фильтрующую перегородку и отверстия в обечайке. Рабочий цикл фильтрующих центрифуг включает операции загрузки суспензии, фильтрования, промывки, осушки и выгрузки осадка. В осадительных центрифугах фильтрование заменяется осаждением, промывка осадка отсутствует, но появляется операция удаления жидкости, собравшейся над осадком.

Схема фильтрующей маятниковой центрифуги (а, б) и ее сборочный чертеж (в)
Рис. 7.25. Схема фильтрующей маятниковой центрифуги (а, б) и ее сборочный чертеж (в): 1, 2 - станина; 3 - подвеска; 4 - кожух; 5 - крышка; 6 - ротор; 7- подшипниковый узел; 8 - электродвигатель; 9, 10, 11 - клиноременная передача; 12 - основание; 13 - сетка; 14 - фильтрующая ткань; 15 - осадок; 16 - суспензия (рис. Н.А. Войнова)

Схема осадительной центрифуги (а, б) и фотография ротора (в)
Рис. 7.26. Схема осадительной центрифуги (а, б) и фотография ротора (в): 1 - кожух; 2 - ротор (барабан); 3 - привод; 4 - стенка ротора; 5 - слой осадка (рис. Н.А. Войнова)

Центрифуги предназначены для разделения эмульсий и плохо фильтрующихся суспензий, а также разделения суспензий по крупности частиц твердой фазы.

По режиму работы выделяют центрифуги периодического и непрерывного действия. Для первых характерно последовательное осуществление операций рабочего цикла во всем объеме ротора, для вторых - одновременное выполнение операций на разных участках ротора при перемещении осадка вдоль его образующей. Центрифуги классифицируют также по способу выгрузки осадка. Для машин периодического действия характерны выгрузка вручную, гравитационная, с помощью ножа; для центрифуг непрерывного действия - пульсирующая, шнековая, вибрационная. Расчет производительности центрифуг в доступном виде представлен в работе.

Наиболее используемые типы центрифуг периодического действия -маятниковые и горизонтальные с ножевой выгрузкой осадка. Маятниковые центрифуги (рис. 7.25, в) получили название из-за колебательного движения корпуса во время работы. Конструктивная особенность этих машин - вертикальное расположение вала ротора и наличие трех колонок, в которых размещены тяги упругой подвески с шаровыми шарнирами и пружинами. Такая подвеска позволяет уменьшить динамическую нагрузку на подшипники.

В горизонтальных центрифугах с ножевой выгрузкой осадка (рис. 7.27) все операции рабочего цикла выполняются при одинаковой частоте вращения ротора, как правило, в автоматическом режиме.

Схема горизонтальной центрифуги с ножевой выгрузкой осадка
Рис. 7.27. Схема горизонтальной центрифуги с ножевой выгрузкой осадка: 1, 2 -выход и вход продуктов; 3 - пневмоцилиндр; 4 - кожух; 5 - ротор; 6, 7, 8 - подшипниковый узел: 9 - электродвигатель; 10 - нож для съема осадка (рис. Н.А. Войнова)

Фильтрующие центрифуги применяют для обработки волокнистых материалов и суспензий, содержащих более 10 % мелкозернистой, преимущественно растворимой твердой фазы, когда допускается дробление частиц осадка. Осадительные центрифуги используют для разделения мало концентрированных суспензий с нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5-40 мкм). Наиболее восстребованными машинами непрерывного действия являются: с пульсирующей и вибрационной выгрузкой осадка, шнековые.

Горизонтальные центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 7.28) применяют для разделения суспензий, содержащих более 25 % кристаллической твердой фазы с размером частиц более 100 мкм, когда необходима качественная промывка осадка. Вал ротора этой центрифуги полый, внутри него расположен шток толкателя, который получает возвратно-поступательное движение от поршня гидроцилиндра (до ста двойных ходов в минуту амплитудой 0,1 длины ротора). Суспензия подается на освобождающийся участок сита ротора через приемный конус, соединенный с толкателем.

Схема центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка
Рис. 7.28. Схема центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка: 1 - кожух; 2 - ротор; 3 - шток; 4 - подшипниковые узлы; 5 - толкатель; 6 - поршень; 7 - выгрузка осадка; 8 - приемный конус; 9 - ввод суспензии (рис. Н.А. Войнова)

Осадок постепенно смещается к открытому концу ротора, по пути промывается и отжимается. Экспериментально установлена толщина слоя осадка, обеспечивающая его перемещение по поверхности ротора без вспучивания. Толщина осадка регулируется сменным кольцом, закрепляемым на приемном конусе.

В случаях, когда необходима тщательная промывка и осушка осадка, применяют двух-, четырех- и шестикаскадные центрифуги, где внутренние сита ротора, вращаясь, совершают возвратно-поступательное движение, проталкивая слой осадка своими бортами по внешним ситам. При этом операции фильтрования, промывки и осушки осадка осуществляются на разных ситах.

Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка (рис. 7.29) выпускаются в модификациях, как фильтрующая, так и осадительная. Для выгрузки осадка в них используются расположенные соосно внутри ротора четырех-, шести- и восьмизаходные шнеки, вращающиеся с иной, чем у ротора, скоростью, что позволяет регулировать время обработки материала.

Фильтрующие центрифуги применяют для обработки суспензий, содержащих более 20 % кристаллических твердых частиц размером более 100 мкм. Ротор фильтрующей центрифуги представляет собой усеченный конус, внешняя поверхность которого имеет щелевидные отверстия для прохода фугата, а внутренняя покрыта металлическими листами с круглыми отверстиями диаметром 0,3-0,5 мм. Уменьшение скорости вращения шнека, по сравнению с ротором, на 0,65-2,0 % обеспечивает планетарный редуктор.

Схемы шнековых центрифуг
Рис. 7.29. Схемы шнековых центрифуг: 1 - ротор; 2 - кожух; 3 - вход суспензии; 4 -вывод осветленной жидкости; 5 - вывод осадка; 6 - шнек; 7, 8 - подшипниковые узлы; 9 - планетарный редуктор (рис. Н.А. Войнова)

Центрифуги с вибрирующей выгрузкой осадка (рис. 7.30) применяют для обработки суспензий при размере частиц до 10 мм, главным образом для обезвоживания шлама и осушки гранул полимера. Их ротор имеют форму усеченного конуса, обечайка которого собирается из проволочных сит с размером щелей 0,2-0,3 мм.



Схема центрифуги с вибрирующей выгрузкой осадка
Рис. 7.30. Схема центрифуги с вибрирующей выгрузкой осадка: 1, 2 - кожухи; 3 - загрузочное устройство; 4, 5, 6 - узлы опоры; 7 - вал; 8 - штуцер вывода; 9 - шкив; 10 - кривошипный вал; 11 - шатун; 12 - ремень; 13 - ротор (рис. Н.А. Войнова)

Осадок движется от узкого края ротора к широкому под действием составляющей центробежной силы и силы инерции, создаваемой колебаниями ротора в направлении его оси. Частота вибраций 23-37 Гц, амплитуда 3-8 мм. Время пребывания осадка в роторе регулируется путем изменения амплитуды и частоты вибраций.

Трубчатые центрифуги. Основным элементом трубчатой центрифуги является полый цилиндр (ротор), вращающийся с частотой 13 000-15 000 об/мин. В настоящее время в производстве белковых препаратов применяются трубчатые сверхцентрифуги, у которых фактор разделения превышает 100 000 (рис. 7.31).

Трубчатая сверхцентрифуга РТР
Рис. 7.31. Трубчатая сверхцентрифуга РТР: 1 - шкив веретена центрифуги; 2 -веретено; 3 - приемник легкой фазы; 4 - приемник тяжелой фазы; 5 - ротор; 6 -тормоз; 7 - ввод эмульсии; 8 - станина; 9 - электродвигатель; 10 - шкив электродвигателя (рис. Н.А. Войнова)

С помощью полой цапфы трубчатый ротор опирается на нижнюю упругую опору. Шпиндель ротора в верхней части соединен с приводом. Головка ротора расположена в приемнике, служащем для улавливания фугата. Трубчатая сверхцентрифуга может быть осветляющей или разделяющей. В первом случае в верхней узкой части ротора имеются отверстия для выпуска осветленной жидкости.

Во втором - верхняя часть ротора имеет более сложное устройство, помимо отверстий в верхней части барабана еще имеются для отвода тяжелого компонента. Суспензия, введенная в центре нижней части ротора, вовлекается во вращение и одновременно течет вдоль его стенок в осевом направлении. Микроорганизмы осаждаются на стенке ротора, образуя осадок, а фугат выбрасывается через выпускные отверстия. Осадок удаляется вручную после остановки центрифуги.

Сепараторы. Сепарирование нашло широкое применение при концентрировании кормовых и хлебопекарных дрожжей, при разделении эмульсий и осветлении растворов биологически активных веществ перед концентрированием в выпарных аппаратах и ультрафильтрационных установках. Использование сепараторов позволяет обрабатывать большие объемы трудно фильтрующих суспензий, интенсифицировать выделение и концентрирование микроорганизмов размером более 0,5 мкм. По конструкции сепараторы разделяют на тарельчатые (рис. 7.32) и камерные (рис. 7.33).

Тарельчатый сепаратор
Рис. 7.32. Тарельчатый сепаратор - а: 7 - вал; 10 - барабан; 16 - сопла: 18 - тарелкодержатель; б: 1, 6 - пробки; 2 - станина; 3 - указатель уровня масла; 4 - вал горизонтальный; 5 - тахометр; 7 - гидроузел; 8 - чаша; 9 - приемник; 10 - клапаны; 11 - корпус барабана; 12 - основание барабана; 13- поршень; 14 - тарелкодержатель; 15 - тарелки; 16 - крышка барабана; 17- напорный диск; 18 - выводное устройство; 19 - труба центральная; 20, 21 - кольца затяжные; 22 - приемник шлама; 23 - шламовое пространство; 43 - подшипник верхней опоры; 25 - пружина верхней опоры; 26 - вал вертикальный; 27 - опоры (рис. Н.А. Войнова)

Схемы сепараторов: камерный (а-б) и бесприводной основе (в)
Рис. 7.33. Схемы сепараторов: камерный (а-б) и бесприводной основе (в): (а) и (б): 1 - корпус; 2 - червячная пара; 3 - тахометр; 4 - бобышка; 5 - вал; 6, 7, 8 - ротор в сборе; 9 - напорный диск; 10 - крышка; 11 - гайка; 12 - уплотнение; 13 - штуцер; 14 - кран; 15 - манометр; 16 - шток; 17 - подача суспензии; 18 - сгон; 19 - корпус барабана; 20 - барабан; 21 - опора; 22 - нижняя опора; 23 - приемник осадка; (в): 1 - статор; 20 - барабан (рис. Н.А. Войнова)

По технологическому назначению сепараторы делятся на три основных класса: сепараторы-разделители для разделения смеси жидкостей, не растворимых одна в другой, и для концентрирования суспензий и эмульсий; сепараторы-осветлители для выделения твердых частиц из жидкости; комбинированные сепараторы для выполнения двух или более операций переработки жидких смесей. Комбинированные сепараторы называют универсальными. К ним относятся сепараторы, в которых процесс разделения совмещается с каким-либо другим процессом (сепараторы-экстракторы, сепараторы-реакторы). Ротор тарельчатых сепараторов укомплектован пакетом конических тарелок, которые делят поток суспензии на параллельные ламинарные слои.

Ротор камерных сепараторов имеет цилиндрические вставки. В сепаратореразделителе исходная смесь по центральной трубке поступает в тарелку держатель, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается вверх через тарелки и растекается в зазорах, образованных между ними. Под действием центробежной силы легкая фракция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится по коммуникациям.

Суспензия в сепараторе-осветлителе по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, из которого направляется в шламовое пространство между кромками пакета тарелок и крышкой. Затем жидкость поступает в межтарельчатое пространство, по зазору между тарелкодержателем и верхними кромками тарелок поднимается вверх и через прорезь выходит из барабана. Процесс очистки начинается в шламовом пространстве и завершается в межтарельчатом. Процесс разделения гетерогенных систем осуществляется главным образом в межтарельчатом пространстве. При этом траектории частиц дисперсной фазы состоят из двух стадий.

Легкая фракция дисперсной фазы движется к оси вращения, а тяжелая - к периферии. На процесс разделения оказывают влияние частота вращения барабана, размеры тарелок и расстояние между ними, величина отверстий для вывода фракций.

Разработан сепаратор (рис. 7.34, в) с двойным вращением ротора, что позволяет не только осуществлять гидродинамическую выгрузку осадка, но и интенсифицировать процесс центрифугирования. При работе такого сепаратора разделяются взвеси, частицы направляются в грязевое пространство ротора, образуя слой осадка. Перед выгрузкой осадка прекращается подача жидкости в ротор и осуществляется торможение выгружающего устройства, т.е. n1 > n2, где n1 - частота вращения ротора; n2 - частота вращения выгружающего устройства. Происходит нагнетание осадка в каналы выгружающего устройства к отверстию. По окончании выгрузки осадка выгружающее устройство снова начинает вращаться с частотой вращения ротора, и цикл работы сепаратора повторяется.

Конструкция сепаратора позволяет интенсифицировать процесс центрифугирования за счет увеличения частоты вращения пакета тарелок. Одним из путей снижения уноса частиц дисперсной фазы из шламового пространства сепаратора-разделителя является уменьшение производительности сепаратора либо путем установки фильтрующей перегородки на разделительной тарелке сепаратора-разделителя (рис. 7.34, а, б).

Процесс разделения в роторе сепаратора-разделителя с фильтрующей перегородкой складывается из двух стадий: тонкослойного сепарирования и фильтрования тяжелой жидкой фазы без образования осадка на поверхности фильтрующей перегородки. Жидкая фаза, проходя через фильтрующую перегородку, дополнительно осветляется, а у ее поверхности образуется зона коагуляции частиц дисперсной фазы, которые не могут пройти через поры перегородки.

Фильтрующая перегородка является «барьером» для частиц, которые не осаждаются в рассматриваемом центробежном поле. При сепарировании высокодисперсных систем в роторе с фильтрующей перегородкой на разделительной тарелке улучшаются условия сепарирования, значительно снижается унос дисперсной фазы, устраняется неравномерность загрузки пакета тарелок.

Схемы сепараторор
Рис. 7.34. Схемы сепараторов: а и б - с фильтрующей перегородкой; в - двойного вращения с гидродинамической выгрузкой осадка: 1 - корпус; 2 - тарелки; 3 -вал вертикальный; 4 - фильтрующая перегородка; 5 - выгружающее устройство (рис. Н.А. Войнова)

Для повышения эффективности работы и увеличения числа оборотов барабана разработаны сепараторы на бесприводной основе. Схемы конструкций сепаратора на бесприводной основе представлены на рис. 7.33, в, в них установленный на двух опорном валу ротор размещен внутри статора электродвигателя. Статор сепаратора выполнен по типу асинхронного электродвигателя. Ротор сепаратора изготовлен из высоколегированной нержавеющей стали, на внешней поверхности его напрессовывается цилиндрическое роторное кольцо из ферромагнитного материала, выполняющее роль короткозамкнутого ротора электродвигателя.

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