Сепараторы в производстве антибиотиков и пищевой промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет

Имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Химико-технологический институт

Кафедра технологии органического синтеза

Реферат

по дисциплине "Основы биотехнологии"

На тему

"Сепараторы в производстве антибиотиков и пищевой промышленности

Студент

Мартюшова Г.П.

Екатеринбург

2015



Оглавление

Введение

Сепарирование

Принцип работы сепаратора

Классификация сепараторов

Сепараторы-осветлители

Сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка

Камерные сепараторы

Бактофуги

Преимущества и недостатки сепараторов

Заключение

Библиографический список



Введение

В любом биотехнологическом процессе присутствует стадии подготовки, ферментации, выделения и очистки целевого продукта. На последней стадии, в случаях, когда нужно разделить твердую и жидкую фазы, например, отделить биомассу от нативного раствора, или разделить вещества по их плотности, применяют центрифугирование и сепарирование (сепарацию). Благодаря этим процессам происходит концентрирование суспензии, что очень важно, так как в биотехнологических процессах концентрация целевого продукта в растворе обычно мала, т.е. вырабатываемые объемы раствора велики.

Сепарирование (лат. separatio -- отделение) - процессы разделения смесей разнородных частиц твёрдых материалов, смесей жидкостей разной плотности, эмульсий; взвесей твёрдых частиц или капелек в газе или паре. [1]

Аппараты, в которых осуществляется разделение неоднородных систем в центробежном поле, называются центрифугами и сепараторами. Последние отличаются высоким фактором разделения, развитой поверхностью осаждения, высокой степенью разделения высокодисперсных систем при производительности до 300 м³/ч.

В микробиологической промышленности применяют различные типы центрифуг и сепараторов для разделения гетерогенных систем.

Целью данной работы является изучение сепараторов, применяемых в пищевой промышленности и в производстве антибиотиков.

Данная цель реализуется путем решения следующих задач:

· рассмотреть процесс сепарирования;

· изучить сепараторы, их конструкции и особенности;

· определить спектр действия сепараторов;

· описать их преимущества и недостатки.



Сепарирование

Разделение систем на фракции, обладающие различной плотностью, наиболее эффективно осуществляется при сепарировании. 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.

В производстве антибиотиков часто отделение нативного раствора от биомассы (мицелия) и взвешенных частиц проводят методом центрифугирования или сепарирования. [2]

Сепарирование применяется для осветления пива. Герметичные конструкции сепараторов позволяют изолировать пиво от кислорода воздуха и предотвратить улетучивание диоксида углерода. [3]

Применение сепараторов позволяет обрабатывать большие объемы труднофильтруемых суспензий, интенсифицировать выделение и концентрирование микроорганизмов и твердых частиц размером более 0,5 мкм.

Движущей силой процесса является центробежная сила. Скорость осаждения частиц в сепараторе, м/c:

Разные типы центрифуг (сепараторов) оценивают по фактору разделения, показывающему во сколько раз ускорение центробежного поля больше ускорения свободного падения g:

Эффективность сепарирования пропорциональна частоте вращения барабана, его диаметру, размеру частиц, разности плотностей твердой и жидкой фаз. При увеличении вязкости среды снижается эффективность сепарирования. [4,5]

Принцип работы сепаратора

Наиболее распространенным в биотехнологии является тарельчатый сепаратор. Его изобрел в 1896 г. шведский ученый Густав де Лаваль. Сепараторы выпускает известная в биотехнологической промышленности фирма "Альфа Лаваль".

Сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем пакето вращающихся 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 к вращения и сползают по коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в конечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.

Рис.1. Принципиальная схема центробежного сепаратора

Существуют различные модификации подобных сепараторов, в том числе с ручной, а также с механизированной циклической и непрерывной выгрузкой осадка. сепаратор фармацевтический осветлитель центробежный

В целом такая конструкция увеличивает время пребывания частиц в сепараторе и тем самым его производительность. [5]

Сепараторам свойственен комплекс обязательных признаков, которые составляют отличительную особенность этого вида оборудования: непрерывность потока, его тонкослойность, ламинарность, максимальное использование внутренней полости ротора для создания развитой поверхности осаждения частиц, вращение ротора с частотой вращения выше критической. При отсутствии хотя бы одного из этих признаков, машину относят к центрифугам, а не к сепараторам. [6]



Классификация сепараторов

По технологическому назначению жидкостные центробежные сепараторы делят на пять типов:

1. разделители для разделения двух взаимно нерастворимых жидкостей (например, вода и парафин) с одновременным выделением взвешенного компонента из жидкости;

2. очистители для выделения взвешенного компонента (клеток микробиологических суспензий) из жидкости.

3. очистители-разделители для работы в качестве очистителей и разделителей в зависимости от сборки ротора;

4. сгустители для повышения концентрации взвешенных или коллоидных компонентов микробиологических суспензий с одновременным разделением продукта в случае эмульсии.

5. Классификаторы для классификации взвешенных компонентов суспензии по размеру или плотности частиц.

Также существуют комбинированные (универсальные) сепараторы, в которых процесс разделения совмещается с каким-либо другим процессом:

· сепараторы-экстракторы;

· сепараторы-реакторы.

По конструкции сепараторы разделяют на:

· тарельчатые;

· камерные.

Ротор тарельчатых сепараторов укомплектован пакетом конических тарелок, которые делят поток суспензии на параллельные ламинарные слои. [4,7]

По способу удаления осадка из ротора сепараторы делятся на сепараторы с центробежной пульсирующей выгрузкой (саморазгружающиеся), сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка (сопловые) и сепараторы с ручной выгрузкой осадка при остановке ротора.[4]

Средний ресурс работы до первого капитального ремонта сепараторов производительностью свыше 100 дм³/ч, как правило, должен соответствовать указанному в таблице 1. [8]

Таблица 1

Срок службы сепараторов до первого капитального ремонта

Производительность сепаратора по перерабатываемому продукту, дм3/ч	Способ разгрузки барабана	Средний ресурс до первого капитального ремонта, ч, не менее
Св. 100 до 1000 включ.	Периодический (ручной)	8000
Св. 1000		8500
200 и более	Центробежный периодический (саморазгружающийся)	8500
Св. 5000 до 10000 включ.	Центробежный непрерывный (сопловой)	8500
Св. 10000		15000

Производительность сепаратора зависит от физико-химических свойств обрабатываемого продукта, а также от требуемой степени сгущения.

Фактор разделения сепаратора зависит от конструктивных показателей и вычисляется по формуле [4]:



Сепараторы-осветлители

Сепараторы-осветлители тарелочного типа применяются в микробиологической промышленности для осветления жидкостей и разделения смесей жидкостей или суспензий.

К ним относятся герметичные сепараторы типов АСЭ-Б, ОДЛ-637 с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка, которые изготовляются полузакрытыми.

Сепаратор типа АСЭ-Б (рис.2) состоит из станины с приводным механизмом, барабана с клапаном для слива межтарелочной жидкости, приемно-выводного устройства 18, гидроузла 7 и тормоза. Внутри корпуса сепаратора размещены приводной механизм, тахометр 5, тормоз и гидроузел. В верхней чаше корпуса расположена чаша 8, внутри которой установлен приемник 9 для межтарелочной жидкости. Чаша снабжена двумя штуцерами для ввода и вывода охлаждающей жидкости в процессе сепарирования. Барабан является основным рабочим органом, в котором под действием центробежной силы в межтарелочном пространстве происходит выделение взвешенных частиц из культуральной жидкости. В корпусе 11 барабана расположены тарелкодержатель 14, комплект тарелок 15, поршень 13 и клапаны 10. Гидроузел для управления закрытием, разгрузкой барабана и открытием клапанов расположен на чаше.

Во вращение барабан приводится от индивидуального электродвигателя. Электродвигатель соединен с горизонтальным валом 4 через муфту, вследствие чего сглаживаются резкие изменения крутящего момента. Постоянная и плавная передача вращения достигается с помощью фрикционно-центробежной муфты.

Культуральная жидкость по центральной питающей трубе 19 поступает во внутреннюю полость тарелкодержателя, а затем - в шламовое пространство 23 барабана. Под действием центробежной силы наиболее крупные и тяжелые частицы биомассы отбрасываются к периферии барабана, а жидкость с более мелкими частицами биомассы направляется в пакет конических тарелок. Тонкослойность и ламинарность потока обеспечивает выделение мельчайших частиц биомассы в межтарелочном пространстве на внутренних поверхностях тарелок.

Осветленная жидкость - фугат - поднимается по наружным каналам тарелкодержателя в камеру напорного диска 17 и выводится из барабана, а выделенные частицы биомассы соскальзывают по поверхности тарелок в шламовое пространство барабана.

Рис.2. Сепаратор типа АСЭ-Б

При полном заполнении шламового пространства биомассой подачу культуральной жидкости прекращают и с помощью двух клапанных механизмов сливают фугат из межтарелочного пространства в приемник. Биомассу с помощью механизма разгрузки выбрасывают в приемник шлама 22. После прекращения подачи буферной воды в полость над поршнем барабан закрывают и технологический цикл повторяется.

Для герметизации шламового пространства в центробежных сепараторах с пульсирующей выгрузкой осадка необходимо создать перепад давления между жидкостью внутри барабана и давлением подведенного элемента на уплотняющую поверхность. Для этого можно использовать вспомогательную буферную жидкость, фугат, воздух, а также пружины или другие упругие элементы.

Диаметр барабана 600 мм, межтарелочный зазор 0,5 мм, частота вращения барабана 5000 мин -¹. [4]

Таблица 2

Техническая характеристика сепараторов с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка [4]

Показатель/сепаратор	АСЭБ	ВСЛ	ФЕВ
Производительность, л/ч	2000	2000	1600
Число тарелок	135 - 155	100	91
Объем шламового пространства, л	16	9	-
Мощность электродвигателя, кВт	13	14	14
Габаритные размеры, мм	1450Ч1070Ч1560	1560Ч1160Ч1870	1245Ч1090Ч1520
Масса, кг	1440	1412	1122

Сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка

Для разделения дрожжевых суспензий в микробиологической промышленности применяют сепараторы типа СОС-501 К-3. Это негерметизированный тарельчатый сепаратор-сгуститель с центробежной непрерывной сопловой выгрузкой осадка и свободным сливом жидкого компонента.

Сепаратор (рис.3) состоит из станины 1 с приводным механизмом, барабана 2 с тарелками и валом, сборника дрожжевого концентрата 4 и патрубка для отработанной культуральной жидкости 3. Привод сепаратора осуществляется от индивидуального электродвигателя через фрикционную центробежную муфту и быстроходную винтовую пару. Барабан свободно насажен на вал-веретено и закреплен в прорези вала поводком, благодаря чему обеспечивается самоцентрирование барабана. Внутри барабана расположены конические тарелки с ребрами на внешней поверхности, растояние между ними составляет 0,8 мм. Крепление пакета тарелок в барабане производится на тарелкодержателе с помощью крестовины и дискодержателя запорной кольцевой гайкой. В нижней части корпуса по окружности расположены сквозные каналы, к которым подведены трубки для отвода дрожжевого концентрата.

Дрожжевая суспензия поступает через распределительную трубу во внутреннюю полость тарелкодержателя, где с помощью ребер ей сообщается вращательное движение. Суспензия проходит между тарелкодержателем и основанием барабана. Под действием центробежной силы наиболее крупные дрожжевые клетки и случайные механические примеси отбрасываются к периферии барабана. Из дрожжевой камеры суспензия попадает в пакет конических тарелок и в ламинарном режиме растекается однородным слоем. Под действием центробежной силы дрожжевые клетки, имея большую плотность по сравнению с жидкой фазой, оседают на внутреннюю поверхность тарелок и перемещаются по ней в шламовое пространство барабана. Через наружные мундштуки дрожжевой концентрат поступает в сборник.

Концентрацию дрожжей в сгущенной суспензии можно регулировать изменением диаметра отверстий в мундштуках. При уменьшении количества рабочих мундштуков степень сгущения дрожжевой суспензии увеличивается, при этом уменьшается производительность сепаратора.

Отсепарированная жидкость, пройдя через пакет тарелок, поднимается вдоль наружной поверхности тарелкодержателя и попадает в камеру, из которой выводится напорным диском.

Степень сгущения суспензии зависит от концентрации дрожжей в исходной суспензии. Осадок должен быть достаточно пластичным, чтобы он мог вытекать из сопел, не забивая их. В связи с этим на работу сепараторов положительно влияет предварительная фильтрация через сетчатые фильтры, при которой суспензия освобождается также от механических примесей, засоряющих межтарелочное пространство и отверстия в мундштуках. Использование сепараторов данного типа для получения осадка с минимальной влажностью нецелесообразно.

Промывка сепаратора производится без его разборки, для чего на периферии барабана устанавливается три пружинных клапана, которые открываются, когда скорость падает ниже определенного уровня, и содержимое выгружается прежде, чем барабан начнет промываться очищенной водой, а камера с напорной трубкой в центре барабана очищается при обратном токе промывной воды. [4]

Рис.3. Сепаратор СОС-501 К-3



Камерные сепараторы

Рис.4. Камерный сепаратор [7]

В роторе камерного сепаратора (рис.4) размещен набор концентрически расположенных цилиндров с отбортовками, между которыми последовательно (реже - параллельно) протекает обрабатываемая жидкость. Эти сепараторы предназначены для выделения из суспензий осадка. Известны конструкции, позволяющие одновременно отделять и легкие компоненты, которые собираются на наружных поверхностях цилиндрических вставок. Роторы камерных сепараторов разгружаются вручную. [6]



Бактофуги

Бактофуга представляет собой герметичный высокоскоростной сопловой сепаратор, выполненный в виде осветлителя и снабженный рубашкой для охлаждения и циклоном для деаэрации концентрата, улавливания и приема бактерий.

Бактофуга состоит из станины, на которой расположены горизонтальный вал с фрикционной муфтой и тормозом, червячная передача, а также вертикальный полый шпиндель ротора с питающим насосом. На полом валу насажен барабан с набором конических тарелок. Верхняя часть станины вместе с колпаком и устройством для отвода удаляемой жидкости заключена в охлаждающую рубашку.

Рис.5. Бактофуга

Для непрерывной выгрузки отсепарированного концентрата бактофуга снабжена двумя соплами 2, расположенными на периферии. Исходная жидкость герметично подается снизу через полый вал 1 и под действием центробежной силы распределяется по поверхностям тарелок. Твердые частицы направляются к стенкам ротора и непрерывно выгружаются через сопла с небольшим количеством жидкости.

Основная часть отсепарированной жидкости удаляется под давлением через верхний параксиальный выпуск 5. Выгрузка концентрата происходит непрерывно. Бактериальные клетки собираются в крышке над ротором и поступают через нижнюю часть сборной крышки по впускной трубе в циклон, где деаэрируются. Загрязненный воздух 4 направляется в верхнюю часть крышки ротора, где вновь смешивается с бактериальными клетками, выходящими через сопла, вследствие чего образуется замкнутый цикл. Концентрат бактериальных клеток, отделенный от воздуха, удаляется через нижний патрубок циклона 3.

Преимущества бактофуг: непрерывность выгрузки не содержащего воздуха концентрата, герметичность, охлаждение суспензии, очистка воздуха в циклоне, отсутствие утечки загрязненного воздуха. Все эти достоинства позволяют использовать бактофуги для бактериальной очистки биологически активных растворов в производстве ферментных, витаминных, бактериальных препаратов, аминокислот и антибиотиков. Производительность бактофуги достигает 6 м³/ч. [4]

Преимущества и недостатки сепараторов

Центробежные сепараторы обладают рядом преимуществ:

· высокая производительность;

· хорошая степень концентрирования, достигается концентрация биомассы 5-15 % по сухой массе;

· возможность повышения скорости сепарирования предварительной обработкой жидкости флокулянтами.

При этом в использовании сепараторов есть и недостатки:

· сложность оборудования;

· энергоемкость процесса (однако, по сравнению с выпаркой это менее затратно). [5]

Таким образом, с экономической точки зрения сепарирование как метод выделения и очистки биотехнологических продуктов менее выгоден, чем, например, фильтрация и оправдывает себя, если:

· суспензия фильтруется медленно;

· необходимо максимальное освобождение культуральной жидкости от содержащихся частиц;

· необходим непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие. [9]



Заключение

Таким образом, сепараторы нашли широкое применение в биотехнологической промышленности как оборудование для разделения фаз (отделения культуральной жидкости от биомассы и других включений). Изучив процесс сепарирования и различные виды сепараторов, мы можем сделать следующие выводы:

1. Движущей силой процесса сепарирования является центробежная сила. Эффективность сепарирования пропорциональна частоте вращения барабана, его диаметру, размеру частиц, разности плотностей твердой и жидкой фаз. При увеличении вязкости среды снижается эффективность сепарирования.

2. Сепараторы различаются по типу конструкции - тарельчатые и камерные, с ручной и автоматической выгрузкой осадка и т.д. Также сепараторы различны по габаритам, мощности и другим техническим характеристикам. Характеристики сепаратора выбирают в зависимости от его назначения и экономической целесообразности.

3. Сепараторы применяются в пищевой промышленности (производство алкогольных и безалкогольных напитков, кисломолочных продуктов) и фармацевтической (производство антибиотиков, биологически активных веществ).

4. 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.

5. Сепараторы обладают рядом преимуществ (высокая производительность и степень концентрирования, возможность повышения скорости процесса), но из-за сложности конструкции и высокой энергоемкости применяются в тех случаях, когда другие виды разделения культуральной жидкости и биомассы менее эффективны.



Библиографический список

1. Большая советская энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия. 1969--1978.

2. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках / Н.С. Егоров. - М.:Наука, 2004.

3. Тихомиров В.Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производств / В.Г. Тихомиров. - М.: Колос,1999. - 448 с.

4. Калунянц К.А. Оборудование микробиологических производств / К.А. Калунянц, Л.И. Голгер, В.Е. Балашов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 398 с.

5. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В. Бирюков. - М.: Колос, 2004. - 296 с.

6. Шкоропад Д.Е. Центрифуги и сепараторы для химических производств / Д.Е. Шкоропад, О.П Новиков. - М.: Химия, 1987. - 256 с.

7. Садчикова Е.В. Конспект лекций по дисциплине "Основы биотехнологии". Екатеринбург, 2015.

8. ГОСТ 24885-91. Сепараторы центробежные жидкостные.

9. Блинов В.А. Общая биотехнология: Курс лекций / В.А. Блинов. - Саратов: ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ", 2004. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru