Фильтрование культуральной жидкости
ВВЕДЕНИЕ
Процесс выделения твердой фазы из культурных жидкостей может осуществляться фильтрованием, под которым понимается разделение твердой и жидкой фаз суспензии при пропускании ее через пористую перегородку. Конечная цель фильтрования - получение твердой или жидкой фазы (когда одна из них является отходом), а также одновременное получение твердой и жидкой фаз. При необходимости высокой степени осветления значительных объемов полидисперсных суспензий (средний диаметр частиц порядка 80 мкм), содержащих большое количество твердой фазы (10-15% по массе и более), фильтрование обычно является наиболее эффективным методом.
Фильтры, применяемые в микробиологических производствах, подразделяются на фильтры периодического и непрерывного действия.
При фильтровании культуральных жидкостей используются барабанные вакуум-фильтры с намывным слоем и постоянно обновляемой поверхностью.
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ
Фильтрование (фильтрация) — это отделение жидкости или газа от взвешенных в них твердых частиц в процессе пропускания их через пористые материалы, называемые фильтрами. При этом твердые частицы задерживаются на фильтре (размеры пор фильтра меньше размеров частиц). Жидкость, прошедшую через фильтр, называют фильтратом.
Процесс фильтрования основан на задержании твердых взвешенных частиц фильтрующими перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. При прохождении суспензии через пористую перегородку за счет разности давлений до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых примесей фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой осадка (рис.1).
Рисунок 1. Схема процесса фильтрования.
1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – суспензия; 4 – фильтрат; 5 – осадок.
Различают процесс фильтрования:
- при постоянной разности давлений
- при постоянной скорости
Процесс фильтрования при постоянной разности давлений происходит, если пространство над суспензией сообщается с источником сжатого газа или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума так, что давление поддерживается постоянным. В этом случае скорость процесса фильтрования уменьшается в связи с увеличением сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.
Процесс фильтрования при постоянной скорости осуществляется при подаче суспензии на фильтр поршневым насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя постоянна. В этом случае разность давлений увеличивается за счет повышения сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.
Различают также процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости, когда суспензию транспортируют на фильтр центробежным насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя уменьшается при возрастании сопротивления осадка, что обуславливает повышение разности давлений.
В процессе фильтрования твердые частицы могут отлагаться на фильтровальной перегородки в виде осадка – этот процесс разделения суспензии называют фильтрованием с образованием осадка.
Процесс, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не образуя осадка, называют фильтрованием с закупориванием пор.
Возможен также промежуточный вид фильтрования, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют на ней слой осадка. Застрявшие частицы будут уменьшать эффективное сечение поры, и вероятность задержания в ней последующих твердых частиц увеличится. Возможен случай, когда отдельная частица полностью закупоривает пору и делает ее непроходимой для других частиц. Наконец, небольшая по сравнению с порами твердая частица может, несмотря на это, не войти в пору и остаться на поверхности фильтровальной перегородки.
Наиболее предпочтительно фильтрование с образованием осадка, когда не происходит закупоривание пор фильтровальной перегородки, т.к. регенерация ее в данном случае сильно осложняется, а иногда становится невозможной вследствие трудности извлечения твердых частиц из пор. Для уменьшения гидравлического сопротивления осадка необходимо периодически удалять его с фильтрующей перегородки, являются важными параметрами, определяющими эффективность фильтрации.
Осадки, получаемые на фильтровальной перегородки при разделении суспензий, подразделяют на:
- несжимаемые – получаемые из недеформируемых (кристаллических) частиц; в них пористость, т.е. отношение объема пор к объему осадка, не уменьшается при увеличении разности давлений. Скорость фильтрования суспензий, образующихся несжимаемые осадки, растет с увеличением давления на жидкость, а при одном и том же давлении зависит только от толщины слоя осадка.
- Сжимаемые – получаемые из деформируемых (аморфных) части, пористость сжимаемых осадков уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкой фазы возрастает с увеличением разности давлений.
С повышением давления осадок сжимается, поры его уменьшаются и скорость фильтрации снижается. Следовательно, в этом случае скорость фильтрации растет непропорционально разности давлений, а имеет некоторое отстаивание. Более того, скорость фильтрации при некоторой разности давлений не только не увеличивается, а наоборот, уменьшается вследствие сжатия осадка.
1.1.Виды фильтрации
1.1.1.Мембранные процессы
Мембранные процессы можно классифицировать по размерам задерживаемых частиц на следующие типы:
- микрофильтрационные;
- ультрафильтрационные;
- нанофильрационные;
- обратноосмотические.
Микрофильтрация – метод отделения жидкой фазы растворов от микроорганизмов, взвешенных частиц и коллоидов путем фильтрации через полупроницаемые перегородки. Для микрофильтрации применяют полимерные мембраны с размером пор от 0,2 до 0,8 мкм. Фильтрация заключается в задержании на поверхности мембран частиц размером, превышающим диаметр пор. Эти частицы образуют постоянно растущий слой, повышающий сопротивление потоку жидкости и снижающий производительность процесса.
Преимущество микрофильтрации, и мембранного метода как такового, состоит в том, что на мембране не остается осадок, т.е. фильтр не закупоривается, вследствие того, что продукт расщепляется в потоке.
В ходе микрофильтрации образуется концентрированный слой веществ, от которого очищалась жидкость: твердые частицы, различные соединения. Чтобы отфильтрованный слой не затруднял дальнейшую микрофильтрацию, удаляемые образования устраняют с поверхности мембраны при помощи ряда приемов:
- обратная промывка;
- поперечный поток;
- ультразвуковая вибрация.
Мембраны, которые применяются для микрофильтрации, работают как глубокие фильтры. Это происходит потому, что данные устройства обладают симметричной микропористой структурой. Размер пор в мембранах для микрофильтрации составляет от 0,1 до 10 мкм. Соответственно, величина разделяемых частиц лежит в том же диапазоне.
Как долго прослужит мембрана для микрофильтрации, зависит от качества и свойств материала, из которого она изготовлена. Микровключения, которые выносит жидкость, пройдя через мембрану, проходят дальнейшее расщепление в следующих циклах на технологических линиях.
Ультрафильтрация – это мембранный процесс, по своей природе занимающий промежуточное положение между обратным осмосом и микрофильтрацией. Размеры пор ультрафильтрационных мембран варьируются от 0,05 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 1 нм (граница пор максимального размера в обратноосмотических мембранах). Типичное применение ультрафильтрации – отделение макромолекулярных компонентов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенные веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч.
Нанофильтрация – отделение растворенных веществ с молекулярными массами от нескольких сотен до нескольких тысяч используется процесс, промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Как всякий баромембранный процесс разделения жидкостей, нанофильтрация характеризуется отсутствием фазовых переходов и может проводиться при пониженных температурах.
Обратный осмос применяется, когда нужно отделить от растворителя низкомолекулярные растворенные вещества, такие, как неорганические соли или органические молекулы, например глюкозу. Отличие от микрофильтрации и ультрафильтрации определяется размером растворенных частиц. Следовательно, требуется более плотные мембраны, обладающие гораздо большим гидродинамическим сопротивлением.
1.1.2. Фильтрование суспензий
В простейшем случае фильтр представляет собой сосуд, корпус которого раздел на две части фильтровальной перегородкой. Суспензию помещают в верхнюю часть сосуда таким образом, чтобы она в течение всего процесса фильтрования соприкасалась с фильтровальной перегородкой. В разделенных частях сосуда создают разность давлений.
Под действием, которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, образуя фильтрат. Твердые частицы задерживаются на поверхности перегородки, формируя осадок. Этот процесс является примером фильтрования с образованием осадка. Он предпочтительнее фильтрования с закупориваем пор, так как в последнем случае сильно осложняется или становится вообще невозможной регенерация фильтровальной перегородки.
Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают разными способами, соответственно и фильтрование проходит при различных условиях.
Если пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа или пространство над фильтровальной перегородкой присоединяют к источника вакуума, происходит фильтрование при постоянной разности давлений. При этом скорость фильтрования уменьшается вследствие повышения гидравлического сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.
Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого практически не зависит от напора, фильтрование осуществляется при постоянной скорости. Разность давлений при этом увеличивается по мере роста сопротивления осадка.
1.1.3. Центробежное фильтрование
При центробежном фильтровании разница давлений создается при помощи центробежной силы, приведением суспензии во вращательное движение в фильтровальных центрифугах.
В следствие этого редкая фаза не переливается через край ограничительного барабана, а просачивается сквозь фильтровальную перегородку, которая задерживает осадок, в пространство между барабаном и недвижимым кожухом. Отфильтрованная жидкость (фугат) с внутренней поверхности кожуха стекает вниз и отводится через патрубок.
Чтобы улучшить прохождения фильтрата сквозь фильтровальную перегородку (с ткани или металлической сетке) и внутренней стенкой барабана, устанавливают проволочную дренажную сетку (подложное сито). Осадок из центрифуги удаляют периодически или непрерывно, в зависимости от ее конструкции.
В фильтрационных центрифугах давление на частички увеличивается с увеличением радиуса вращения. Кроме того, частички испытывают вибрацию (частично даже незаметные) и смещаются, поэтому осадок интенсивно уплотняется. За изменениями, что происходят с осадками, отличаются такие периоды образования осадка:
- формирование;
- уплотнение;
- промывание;
- механическое высушивание;
- удаление.
Границы между периодами достаточно условны, осадок уплотняется одновременно с его формированием и промывкой.
Формирование осадка происходит вследствие задержания фильтрующей перегородкой твердых частиц суспензий.
Уплотнение осадка происходит вследствие изменения положения частиц осадка к компактной упаковки и через деформацию частиц. Объем пор, а, следовательно, и количество жидкости в порах несколько уменьшается, но поры осадка остаются полностью заполненными жидкостью.
Промывка осадка производится с целью удаления из него остатков жидкой фазы суспензий, которая имеет ценные компоненты (сахар, глюкозу). Иногда во время промывания, осадки дополнительно уплотняются. Как промывающую жидкость чаще всего используют горячую воду.
Осадки промываются в две стадии. Во время первой, короткой, фильтрат в поршневом режиме выталкивается промывочной водой с пор осадка. Эта стадия оканчивается при появлении на выходе осадка первой порции с промывной водой. В продолжение второй стадии одновременно с выталкиванием остатка фильтрата с пор происходит растворение – диффузионный перенос компонентов с середины твердых частичек в промывную воду.
Механическое сушение осадка начинается тогда, когда в освобожденные от фильтрата поры начинает заходить воздух, впоследствии чего система становится трехфазной. Жидкая фаза, хотя и вытесняется с пор, однако частично содержится молекулярными и капиллярными силами на поверхности частичек осадка и в щелях между ними. Под действием центробежной силы она постепенно перемещается до фильтрационной перегородки.
Удаление осадка в ручную есть малопродуктивным и длительным процессом, который выполняется после полной остановки барабана центрифуги. Поэтому конструкцией большинства центрифуг предусмотрено механизацию этого процесса.
Осадок, полученный при разделении суспензии путем фильтрования, содержит сплошную фазу, которая при необходимости обеспечения высокой степени разделения должна быть удалена.
Для улучшения фильтруемости, культуральные жидкости подвергают специальной обработке.
К способам улучшения фильтруемости культуральной жидкости относятся:
• тепловая коагуляция;
• кислотная коагуляция;
• обработка жидкости электролитами и полиэлектролитами;
• образование наполнителя-коагулянта непосредственно в жидкости
• применение фильтровальных порошков.
Тепловая коагуляция используется в основном для антибиотиков, которые не разрушаются при нагревании в водной среде. Основана она на денатурации белка при повышенной температуре. При этом скорость фильтрования увеличивается за счет свертывания и коагуляции белков, что приводит к образованию ими жестких структур, изменяющих характер (структуру) осадка. Осадок при этом делается менее липким, легко обезвоживается. Кроме того, при повышенной температуре (70 - 75°С) значительно уменьшается вязкость культуральной жидкости. Однако тепловая обработка обычно неблагоприятно сказывается на качестве готового продукта.
Кислотная коагуляция широко применяется в производстве антибиотиков, которые сравнительно устойчивы при низком значении рН раствора. Выбор кислоты для снижения рН определяется требованиями последующей химической очистки антибиотика. Однако кислотная коагуляция обеспечивает хорошую фильтруемость не для всех культуральных жидкостей. Хороший эффект в некоторых случаях дает совместная кислотно-тепловая коагуляция.
Широко практикуется для ускорения фильтрования культуральной жидкости применение фильтровальных порошков. Чаще всего используются силикатные порошки (перлит, диатомит и др.) или древесная мука. Порошок в виде водной суспензии подают на фильтр, нанося на его поверхность грунтовый (намывной) слой толщиной 1 - 2 мм, через который затем фильтруют культуральную жидкость. Благодаря высокой проницаемости грунтового слоя, скорость фильтрования увеличивается. Иногда порошки добавляют прямо в культуральную жидкость перед фильтрованием, однако в этом случае скорость фильтрования увеличивается всего на 15 – 20 %, в то время как с грунтовым слоем она выше в 1,5 - 2 раза.
Перечисленные выше методы все же не являются достаточно эффективными. Они не позволяют изменить структуру осадка таким образом, чтобы можно было использовать для его отделения фильтры без намывного слоя.
Наиболее эффективным методом коагуляции, улучшающим характер осадка и повышающим скорость фильтрования, является метод образования наполнителя непосредственно в культуральной жидкости при добавлении реагентов, образующих нерастворимый осадок. Такими реагентами служат соли Са, Ва, Fe, Al и др., образующие в водной среде осадки с анионами серной, фосфорной, щавелевой и других кислот. Выпадающие в культуральной жидкости осадки предотвращают слипание частиц мицелия, способствуют образованию гранул.
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
2.1. Скорость фильтрования
Общая теория фильтрования основывается на эмпирическом законе Дарси, согласно которому объем фильтрата V, проходящего через единицу поверхности F за единицу времени τ, прямо пропорционален разности давлений Δρ и обратно пропорционален общему сопротивлению осадка R0 и фильтрующей перегородки Rп. Поскольку в общем случае в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления слоя осадка с течением времени изменяются, то эта зависимость может быть представлена следующим образом:
(1)
где V- объем фильтрата, прошедшего через фильтрат с поверхностью F за время τ.
Если объем фильтрата отнести к единице поверхности фильтра, то уравнение (1) может быть записано в виде
(2)
Сопротивление слоя осадка R0 зависит от количества фильтрата V, прошедшего через фильтр, т.е.
(3)
где k – коэффициент пропорциональности, определяемой физическими свойствами осадка и фильтрата.
Сопротивление фильтрующей перегородки Rп можно выразить через эквивалентное сопротивление слоя осадка, для образования которого потребуется пропустить через 1м2 фильтра объем фильтрата, равный C, т.е.
Таким образом, величина C является константой для данного фильтра, также как и k является константой лишь для данной разделяемой смеси.
Тогда уравнение (2) примет вид
(4)
Последнее уравнение выражает общую зависимость скорости фильтрования от перепада давления и сопротивления, независимо от режима фильтрования. Путем его интегрирования определяется связь между объемом получающегося фильтрата и продолжительностью процесса. При этом может быть три случая:
- фильтрование при постоянной разности давлений (Δρ = const);
- фильтрование при постоянной скорости процесса (dV/dτ=const);
- фильтрование при постоянных разности давлений и скорости (Δρ = const; dV/dτ = const).
Фильтрование при постоянной разности давлений. При этом режиме фильтрования Δρ = const и k = const.
После интегрирования в пределах от 0 до (V+C) и (τ+τ0):
,
имеем
(5)
где τ0 – продолжительность образования слоя осадка с сопротивлением, равным сопротивлению фильтрующей перегородки.
Закон фильтрования при Δρ = const:
(7)
В начальный момент процесса при τ = 0 и V= 0 уравнение (7) примет вид
(8)
Решая совместно уравнение (7) и (8), находим выражение для расчета производительности фильтра или продолжительности фильтрования при Δρ = const:
(9)
Необходимые для расчетов константы фильтрования K и C определяют опытным путем. Для этого замеряют объемы фильтрата V и время τ в течение которого собраны эти объемы, затем уравнение, связывающее скорость фильтрования dV/dτ и время фильтрования τ, представляют в виде уравнения прямой линии и графически определяют константы.
Для графического определения констант K и C на оси ординат откладывают величину, обратную скорости фильтрования dτ/dV≈ Δτ/ΔV, а по оси абсцисс – объемы собранного фильтрата V. Экстраполируя построенную по опытным точкам прямую до пересечения с абсциссой, находят значение константы C, а по тангенсу угла наклона прямой – значение K.
Рис.2. График для определения констант фильтрования K и C при Δρ = const
Фильтрование при постоянной скорости процесса. Поскольку dV/dτ = const = wф, то:
либо . (10)
Выражение (10) показывает, что при V/τ = const разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности фильтрования.
Константы k и C по аналогии с предыдущим случаем (когда фильтрование протекало при Δρ = const) могут быть также определены графически, если уравнение (10) представить в виде прямой линии в координатах Δρ- τ (рис.3), а объем фильтрата V выразить через скорость фильтрования (V= wф* τ):
(11)
В данном случае тангенс угла наклона прямой равен k, а отрезок, отсекаемый от оси ординат, A = kC/ wф.
При заданной скорости фильтрования wф, пользуясь формулой (11), можно рассчитать давление, которое необходимо обеспечить к моменту времени τ, чтобы скорость фильтрования оставалась в заданных пределах.
Рис.3. График для определения констант фильтрования k и C при wф= const
Фильтрование при постоянных разности давлений и скорости. Такой вид фильтрования имеет место, когда чистая жидкость фильтруется через слой осадка постоянной высоты и при постоянной разности давлений (промывка осадка, например).
Если решать относительно τ при , то получим:
(12)
где τ – время, за которое чистая жидкость (промывная вода) объемом V прошла через фильтр и неизменяющийся по высоте слой осадка.
Так рассчитывают время промывки осадка либо скорость промывки:
Константы фильтрования K и C определяются так же, как и в случае фильтрования при постоянном давлении.
На большинство фильтров, работающих под давлением, суспензия на фильтрование подается центробежным насосом, вследствие чего фильтры редко работают только при постоянном давлении или при постоянной скорости процесса. В соответствии с рабочей характеристикой насоса процесс фильтрования обычно протекает при постоянной скорости в начальный период, а в дальнейшем – при постоянном давлении. Насосы с крутой характеристикой «напор – производительность» в течение любого периода цикла не поддерживают постоянную скорость или постоянное давление. Фильтрование в этом случае протекает при возрастающем давление и уменьшающейся скорости. Поэтому предпочтителен выбор насоса с нормальной характеристикой H = f(V). Уравнения (5) – (12) выражают связь между скоростью фильтрования, движущей силой и сопротивлением при различных режимах фильтрования, но они не отражают влияния физических свойств фильтруемой смеси и фильтрующей перегородки.
2.2. Фильтрование с постепенным
закупориванием пор
Теория процесса фильтрования с постепенным закупориванием пор основывается на том, что фильтровальная перегородка рассматривается как система капилляров одинакового размера и в процессе фильтрования на стенках постепенно откладывается равномерный слой осадка, уменьшающий радиус капилляров. Расход жидкости с вязкостью μ через один капилляр с радиусом сечения r и длиной l при перепаде давлений ∆ρ можно выразить уравнением Гагена – Пуазейля: Элементарный расход жидкости за время dτ при наличии n капилляров на 1м2 площади фильтра:
где F -площадь фильтра.
Отсюда скорость фильтрования выражающая объем жидкости, проходящей через поры на 1м2 поверхности фильтра в единицу времени:
(13)
При получении dV фильтрата объем осадка увеличивается на x0dx, а радиус капилляров уменьшается на величину dr, определяемую из соотношения
Выразив скорость фильтрования как w = dV/ dτ:
или
Интегрируя, последнее выражение в пределах от 0 до V приходим к равенству:
либо (14)
Уравнение (14) описывает кинетику процесса фильтрования с закупориванием пор. При ∆ρ = const это уравнение прямой, и его используют для определения k и wн.
Если процесс протекает с постоянной скоростью фильтрования wн = const, то перепад давлений будет возрастать от ∆ρн до ∆ρ. В начальный момент фильтрования
При достижении перепада давления ∆ρ
где r – радиус свободного сечения частично закупоренного капилляра.
Полному закупориванию пор соответствует и .
2.3. Фильтрование в поле центробежной силы
Этот процесс проводят в фильтрующих цилиндрах, рабочим органом которых является цилиндрический барабан с перфорированной боковой стенкой, выложенной изнутри фильтровальной перегородкой.
Разность давлений, необходимая для процесса фильтрования, создается за счет центробежной силы, развиваемой при вращении барабана. Центробежная сила, возникающая в результате вращения кольца жидкости толщиной dR на расстоянии от оси вращения R (рис.4):
,
где dm = 2πRHρdR – масса кольца; ω – угловая скорость; ρ – плотность жидкости; H – ширина (высота) барабана.
Рис.4. К выводу уравнения процесса фильтрования в центрифуге
Перепад давлений, возникающий за счет центробежной силы:
где F – площадь поверхности, на которую действует сила Pц.
При внутреннем радиусе жидкости R0 разность давлений, создаваемая центробежной силой:
(15)
Эта разность давлений расходуется на преодоление сопротивления слоя осадка и на сообщение фильтрату кинетической энергии, пропорциональной квадрату скорости фильтрования (поскольку скорость фильтрования мала, расходом энергии на создание кинетической энергией пренебрегают). Давление в слое осадка на фильтрующей перегородке центрифуги распределяется неравномерно, так как при одном и том же объемном фильтрата с увеличением расстояния от оси вращения до поверхности, через которую проходит фильтрат, возрастает R и соответственно уменьшается ∆ρ.
Зная развиваемое центробежной силой давление на фильтрующую перегородку можно найти продолжительность фильтрования:
либо (16)
где фильтрующую поверхность центрифуг F обычно рассчитывают как среднюю:
Экспериментальные исследования процессов центробежного фильтрования показывают, что скорость фильтрования изменяется во времени. По характеру изменения скорости процесс можно разделить на три стадии: 1) образование осадка (собственно фильтрование), 2) уплотнение осадка и 3) отжим осадка. Для первой стадии применимы установленные ранее закономерности кинетики фильтрования. Для второй и третьей стадий нет аналитических зависимостей, удовлетворительно выражающих скорость фильтрования. Поэтому длительность центробежного фильтрования обычно находят опытным путем.
2.4. Промывка осадка
Осадок, получаемый при разделении суспензии путем фильтрования, содержит сплошную фазу, которая при необходимости обеспечения высокой степени разделения должна быть из него удалена. Это достигается с помощью промывки осадка, для чего используется растворитель, являющийся основным компонентом сплошной фазы суспензии.