Ферментатор «Фогельбуш» с механическим перемешиванием и вращающимися аэраторами.

Объем этого ферментатора 250 м³ при диаметре 7, 0 м.

Он снабжен двухлопастной пустотелой пропеллерной мешалкой 3, имеющей 10 000 отверстий.

Мешалка посажена на вертикальный вал, который получает вращение от привода 9.

Воздух под давлением поступает вверх в растущую культуру дрожжей при частоте вращения мешалки 27 – 55 об/мин.

Мешалка создает замкнутый циркуляционный контур жидкости. Особенностью этих ферментаторов является то, что воздуха расходуется на 30 – 40 % меньше, чем при обычной барботажной системе.

При аэрировании имеет место сильное пенообразование.

В связи с этим, в конструкции предусмотрена специальная система пеногашения. Она состоит:

- из лотков для сбора пены

- и установленных в верхней части механического пеногасителя 1 и газоотделителя;

Отсепарированная из пены жидкость вновь поступает в ферментатор. Для отвода отработавшего воздуха используется вентилятор.

Рис. 8.4. Ферментатор Фогельбуш.   1 – механический пеногаситель; 2 – крышка; 3 – перемешивающее устройство; 4 – корпус; 5 – рубашка; 6 – диффузор; 7 – цилиндр; 8 – барботер; 9 – привод перемешивающего устройства.

С помощью восьми ступенчатого редуктора можно выбирать оптимальный режим аэрации.

5) Ферментатор ВНИИбиотехники.

Этот ферментатор состоит:

- из вертикальной емкости 1;

- аэратора (в виде установленного на приводном валу турбинного колеса 12 со всасывающим патрубком 13);

- аэратор сообщен через воздушный коллектор 9 с трубой подачи воздуха 14;

- турбинное колесо 12 расположено в кольцевой камере 11, образованной воздушным коллектором 9 с днищем емкости 1;

- кольцевая камера имеет проток для циркуляции культуральной жидкости 10;

ферментатор укомплектован коаксильно установленным теплообменным устройством типа «тепловая труба» с коллектором-конденсатором 4;

Рис. 8.5. Ферментатор ВНИИбиотехники

- это теплообменное устройство расположено выше предполагаемого уровня культуральной жидкости и размещено в охлаждаемом кожухе 3;

- участок тепловой трубы, расположенный в культуральной жидкости, выполнен в виде двух цилиндрических обечаек 7 и 6;

- эти обечайки расположены одна в другой с образование кольцевого зазора 8 для протока хладагента и заглушены по торцам кольцевыми пластинками 5 и 15;

- в верхней пластине 5 выполнены отверстия 16 для трубок 2 соединяющих участок тепловой трубы, расположенной в культуральной жидкости с коллектором-конденсатором;

- через трубки 2 в ферментатор подводится питательная среда.

Лекция № 11. Оборудование для разделения жидких неоднородных систем в центробежном поле.

План лекции:

1) Оборудование для центрифугирования суспензий.

2) Вертикальные фильтрующие и осадительные центрифуги периодического действия.

3) Осадительные центрифуги с ручной и непрерывной выгрузкой осадка.

4) Классификация сепараторов.

5) Сепараторы для выделения бактерий.

1) К оборудованию для центрифугирования суспензий относятся:

- центрифуги; - и тарельчатые сепараторы.

Центрифуги применяются в биотехнологии для отделения:

· балластных частиц из растворов биологически активных веществ;

· биомассы от культуральной жидкости,

· водно-спиртовых растворов от осажденного этанолом, ацетоном или другими органическими растворителями активного препарата;

· выделения биологически активного комплекса (при его вываливании) из растворов;

· разделения смесей жидкостей, эмульсий и суспензий.

При центробежном разделении размер частиц выделившихся из жидкости может быть различными (от 25 мм до 0, 5 мкм).

Центрифугирование жидких неоднородных систем производится в принципе двумя основными способами:

· центробежным фильтрованием - (через пористую перфорированную стенку ротора);

· центробежным разделением или осаждением или (отстаиванием) на сплошную стенку ротора.

В первом случае центрифуги называются фильтрующими.

Во втором случае центрифуги называются осадительными.

В фильтрующих центрифугах происходит фильтрование жидкости:

· либо через фильтровальную ткань;

· либо через металлическую сетку с одновременным отложением частиц твердой фазы.

При этом:

· жидкая фаза проходит через сито, а затем через отверстия в роторе выбрасывается в кожух центрифуги;

· твердый осадок выгружается

- либо во время остановки ротора

- либо без остановки ротора во время вращения.

1. По принципу осаждения либо разделения;

А) фильтрующие Б) осадительные.

2. По структуре рабочего цикла

А) периодического Б) непрерывного действия.

3. По конструктивному признаку

А) горизонтальные,

Б) наклонные

В) вертикальные.

Причем, вертикальные разделяются на:

- Центрифуги подвесные. - (Для них характерен верхний привод и вал, подвешенный на упругой верхней шарнирной опоре).

- Центрифуги маятниковые I типа. – (Для них характерен вертикальный вал, опоры которого помещены в общий жесткий корпус, подвешенный на трех колоннах, а ротор закреплен на верхнем конце вала).

- Центрифуги маятниковые II типа. - (Для них характерен вертикально подвешенный трубчатый ротор).

4. По способу выгрузки осадка:

А) Центрифуги с ручной выгрузкой осадка

Б) Центрифуги с механизированной выгрузкой осадка.

Существует четыре основных способа механизированной выгрузки осадка:

- гравитационный,

- с помощью соскребающего ножа, (среза ножом);

- пульсирующий поршневой способ,

- и помощью шнеков.

5. По фактору разделения (отношение центробежного и гравитационного ускорений Fr = ω ·R/g):

А) Нормальные центрифуги с фактором разделения менее 3500.

Б) Сверхцентрифуги с фактором разделения более 3500.

2) Вертикальные фильтрующие и осадительные центрифуги периодического действия:

· с верхней выгрузкой

· и эластичными опорами относятся к одной из старейших систем центрифуг.

Они применяются для обезжиривания мелких фракций.

Ротор фильтрующей центрифуги с ручной выгрузкой осадка имеет цилиндрическую форму и состоит:

- из перфорированной обечайки;

- днища;

- и верхнего бортового кольца.

Самым рациональным расположением отверстий в стенке ротора считается – шахматное.

При таком расположением отверстий в стенке обеспечивается их наибольшее суммарное живое сечение.

При этом стенки ротора испытывают наименьшее ослабление.

При центрифугировании материалов, в состав которых входят зернистые включения ротор изнутри обкладывается:

- либо металлической сеткой, т.е. ситом;

- либо фильтровальной тканью (бельтинг или сукно).

Рис. 11.1. Схема фильтрующей центрифуги 1- кожух центрифуги; 2 – фильтрующий ротор; 3 – вертикальный вал; 4 – упругая опора; 5 – электродвигатель; 6 – станина; 7 – шаровая опора; 8 – патрубок выхода фугата; 9 – кольцевой желоб для сбора фугата.

При этом металлическая сетка изготавливается:

- либо из красномедной,

- либо латунной,

- либо никелевой проволоки

- или проволоки из нержавеющей стали.

Эти сита пришиваются к стенкам ротора проволокой через отверстия ротора.

Размеры отверстий в фильтровальной сетке:

- в медной сетке 0, 6 х 0, 6 мм;

- в нихромовой сетке 0, 23 х 0, 23 мм.

Ротор расположен

· внутри неподвижного кожуха 1,

· нижняя часть которого выполнена в виде желоба 9,

· и служит приемником для осветленной (т.е. очищенной) жидкости – фугата.

Внутренняя стенка желоба препятствует попаданию жидкости в подшипник верхней опоры.

Верхняя опора обладает упругой связью с корпусом станины.

Это обеспечивается тем, что опора опирается на корпус через:

· либо резиновые буфера,

· либо стальные спиральные пружины.

3) В отличие от фильтрующей центрифуги осадительные центрифуги с ручной выгрузкой осадка снабжаются сплошным ротором 4.

Внутри сплошного ротора установлены, как правило, радиальные перегородки 5 с продольными отверстиями.

Эти перегородки служат для устранения скольжения жидкости относительно стенок ротора.

Щелевидные отверстия в перегородках предназначены для выравнивания уровней в отдельных потоках жидкости.

Обрабатываемая суспензия подается в центрифугу через загрузочную воронку.

Очищенный фугат удаляется из ротора через отводящую трубку. (как у первого из сепараторов – сепаратора Лаваля).

Конец этой трубки с помощью штурвала постепенно вводится в слой жидкости до положения, при котором конец трубки оказывается вблизи слоя осадка откладывающегося на периферии ротора.

По такому принципу работают центрифуги ОВБ – 403К-04.

Впервые центрифуги с непрерывной шнековой выгрузкой осадка, начали применяться для отделения крахмала от соковой воды.

Позднее они начали распространяться в самых различных отраслях промышленности.

В биотехнологии используются центрифуги ОГШ (построенные по типу английской центрифуги «Динокон»).

Рис. 11.2. Схема осадительной центрифуги.

Они используются для разделения суспензий:

· с содержанием твердой фазы от 1, 0 до 40 %;

· размером частиц свыше 2 – 5 мкм;

· и разностью плотностей твердой и жидкой фаз более 200 кг/м³.

Как и все другие центрифуги, они могут быть фильтрующими и осадительными.

Для них характерны следующие свойства:

· Как правило, эти центрифуги имеют горизонтальный ротор цилиндроконической формы.

· Внутри ротора расположен трубчатый вал-барабан цилиндрической, конической или ступенчатой формы.

· На наружной поверхности этого внутреннего вала-барабана наварены витки шнека.

· Наружный ротор и внутренний вал-барабан вращаются в одном направлении, но с разными скоростями.

· Разница между частотами вращения составляет порядка 1–1, 5% максимум до 4%..

· Исходная суспензия подается в ротор со стороны узкой части.

· В начале процесса центрифугирования

- между шнеком и стенкой ротора

- образуется слой осадка (зона отстаивания).

· На оставшейся части, т.е. между витками шнека образуется спиралевидный (винтообразный) канал для протока осветленной жидкости

· Уровень слоя жидкости внутри ротора определяется степенью открытия окон для выхода осветленной жидкости – фугата.

· Степень открытия окон можно регулировать.

· При этом должен быть оставлен большой незатопленный участок – зона осушки.

· Затопленный осадком участок называется – зоной отстаивания или зоной осаждения.

Помимо этой в промышленности стран СНГ очень большое распространение получили центрифуги с одним двигателем в приводе.

Примером такой центрифуги является центрифуга НОГШ-325.

4) Сепарирование используется:

· при концентрировании кормовых и хлебопекарных дрожжей;

· при разделении эмульсий;

· при осветлении (очистке) растворов биологически активных веществ перед концентрированием в выпарных аппаратах и ультрафильтрационных установках.

По технологическому назначению сепараторы в биотехнологии подразделяются на 5 групп:

1. Разделители - для разделения эмульсий, т.е. двух взаимно нерастворимых жидкостей

· (например, воды и парафина).

2. Очистители – для выделения твердой фазы из суспензий

· (например, клеток микробиологических суспензий из жидкости).

3. Очистители-разделители – для работы в качестве очистителей или разделителей в зависимости от сборки ротора.

4. Сгустители (концентраторы) – для повышения концентрации взвешенных или коллоидных компонентов с одновременным разделением продукта в случае сепарирования эмульсий.

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

По способу удаления осадка (твердой фазы) из ротора:

1. Сепараторы с ручной выгрузкой осадка при остановке ротора.

2. Сепараторы с центробежной поршневой пульсирующей выгрузкой осадка (саморазгужающиеся).

3. Сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка (сопловые сепараторы).

По способу подачи и удаления осветленной или очищенной жидкости все сепараторы делятся на 3 группы:

1. Открытые сепараторы.

2. Полузакрытые (полугерметические) сепараторы.

3. Закрытые (герметические) сепараторы.

Основным рабочим органом открытого сепаратора с ручной выгрузкой осадка является барабан.

Барабаны разделителей предназначены для разделения эмульсий (например, жир + вода + твердый осадок в виде биомассы). Барабаны осветлителей (очистителей):

- предназначены для очистки суспензии от твердого (условно) осадка,

- и имеют в принципе такое же устройство, как и барабаны разделителей.

Таким образом, выгрузка осадка, (т.е. твердой фазы) в открытых сепараторах производится вручную после остановки и разборки барабана.

Это обстоятельство является главным недостатком всех открытых сепараторов. В связи с этим были разработаны:

· сепараторы с непрерывной выгрузкой осадка,

· и т.н. саморазгружающиеся сепараторы.

5) Сепараторы для выделения бактерий. Эти сепараторы иначе называют бактофугами.

Рис. 11.3. Бактофуга D3187M фирмы «Льфа-Лаваль»

Они предназначены для бактериальной очистки биологически активных растворов в производстве:

- ферментных, витаминных, бактериальных препаратов,

аминокислот и медицинских антибиотиков.

Бактофуга представляет собой

· герметичный, высокоскоростной, сопловой сепаратор,

· выполненный в виде осветлителя,

· снабженный рубашкой для охлаждения

· и циклоном для деаэрации концентрата, улавливания и приема бактерий.

Бактофуга состоит:

- из станины, на которой установлен горизонтальный вал с фрикционной муфтой, червяком винтовой передачи и тормозом;

- вертикального полого вала с винтовым колесом с питающим насосом;

- на верхней части полого вертикального вала, установлен барабан с тарелкодержателем и пакетом тарелок;

- барабан бактофуги оснащен двумя соплами, расположенными на периферии;

- исходная жидкость подается в барабан снизу вверх через полый вал и попадает в пакет тарелок;

- твердые частицы (бактерии) направляются к стенкам ротора и непрерывно выгружаются через отверстия сопел с небольшим количеством жидкости;

- основная часть отсепарированной жидкости удаляется из барабана бактофуги через верхний патрубок.

Лекция № 12. Оборудование для очистки и концентрирования растворов биологически активных веществ.

План лекции:

1) Классификация выпарных установок.

2) Однокорпусная выпарная установка с естественной циркуляцией раствора.

3) Многокорпусные выпарные установки

1) Процесс выпаривания относятся к тепловым процессом с изменением агрегатного состояния. Служит для сгущения (или концентрирования) каких-либо растворов (материалов) (фермент; лизин, кормовых дрожжей; витаминов и антибиотиков).

Микробиологическая промышленность диктует свои условия к процессу. В отличие от пищевой более жесткими требованиями отличается максимальная температура кипения растворов в вакууме.

Так для:

- ферментов - max t = 30-35⁰С;

- кормовых дрожжей - max t = 70-80⁰С;

- витаминов и антибиотиков - max t = 50-55⁰С.

Поэтому в микробиологическом производстве использует выпарные аппараты, обеспечивающие сгущение растворов при как наиболее низкой температуре в условиях вакуума.

В результате сгущения концентрации сухих веществ в растворах резко увеличивается (примерно с 2÷ 10% до 15÷ 40%)

Выпарные аппараты, применяемые в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях, можно классифицировать:

1. По расположению поверхности нагрева:

горизонтальные выпарные аппараты;

вертикальные выпарные аппараты;

наклонные выпарные аппараты.

2. по виду теплоносителя:

парообогреваемые выпарные аппараты;

газообогреваемые выпарные аппараты (фреон, аммиак);

высокотемпературными теплоносителями (масло, перегреваемые вода и т.д.)

электрообогреваемые.

3. По способу прохождения теплоносителя:

теплоноситель – в трубах (раствор в межтрубном пространстве);

теплоноситель – в межтрубном пространстве (раствор в трубках).

4. по виду греющих элементов:

4.1. выпарные аппараты с паровыми рубашками;

4.2. выпарные аппараты с вертикальными греющими трубками;

4.3. со змеевиками;

4.3. выпарные аппараты со смешиванием греющего пара с раствором.

5. по характеру циркуляции:

5.1. на выпарные аппараты с однократной циркуляцией;

5.2. выпарные аппараты с многократной циркуляцией.

6. по давлению внутри аппарата:

6.1. работающие под вакуумом;

6.2. работающие под избыточным давлением.

Надо сказать, что это схема имеет несколько недостатков, а именно, в полнее можно добавить еще ряд признаков классификации.

8. По принципу использование вторичных паров:

8.1. выпарные аппараты без использования вторичных паров;

8.2. выпарные аппараты с использованием вторичных паров (с термокомпрессией т.е. повторное его сжатие и нагрев)

9. По типу конденсаторов для конденсации вторичных паров:

9.1. с поверхностными конденсаторами;

9.2. с конденсаторами смещения.

10. по характеру распределения продукта (раствора) в аппарате:

10.1. выпарные аппараты с кипящем в большом объеме и толстом слое;

10.2. выпарные аппараты с тонкослойным кипением (мешалочные);

10.3. выпарные аппараты пленочные.

Существуют также выпарные аппараты с пластинчатыми греющими элементами, с естественной циркуляцией и с искусственной (принудительной) циркуляцией.

2) Однокорпусная выпарная установка с естественной циркуляцией раствора состоит из греющей камеры (калоризатор или корпуса или нагревательная камера), сепаратора-пароотделителя, кипятильных труб, внутренней, центральной циркуляционной трубы.

Камера и сепаратор могут быть объединены в одном корпусе, а иногда и вынесены в резине стороны и соединены трубами.

Греющая камера обогревателя насыщен паром, в межтрубном пространстве кипятильных трубах кипит раствор.

В результате - образуется вторичный пар, т.е. лишняя влага выкипает из продукта и с частичками упаренного раствора попадает (выбрасывается) в сепаратор.

В сепараторе освобожденный от брызг и капель продукта вторичный пар удаляется из сепаратора по двум направлениям (если аппарат с термокомпрессором) или по одному без термокомпрессора (об этом позже). Упаренный же продукт (т.е. уже в какой то степени подгустивши раствор) по центр циркуляционной трубе опускается под нижнею трубную решетку. Затем вновь попадает в кипятильный трубы, и процесс повторяется, т.е. происходят естественная циркуляция.

Вакуум создает с помощью вакуум насоса (вначале) и затем в процессе работы поддерживается с помощью конденсатора.

Упаренный (т.е. сгущенный) раствор удаляется из конического днища аппарата.

3) Расход пара на выпарива­ние можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпус­ной выпарной установке.

Принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла пара, посту­пающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последую­щего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром.

Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греюще­го во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор ки­пит при более низкой температуре, чем в первом.

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, частично сгущенный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаж­дается до температуры кипения в этом корпусе.

За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторич­ного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично сгущенный раствор из второго корпуса перетекает само­теком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из вто­рого корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе, что позво­ляет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение.

Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конден­саторе), а также через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель ва­куум-насосом.

Спомощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с коле­банием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разно­стью температур греющего пара и кипящего раствора.

Вместе с тем, дав­ление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть боль­ше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются

· либо при избыточном давлении в первом корпусе,

· либо вакууме в последнем корпусе,

· или же при том и другом одновременно.

Применяемые схемы мно­гокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе.

В соответствии с этим признаком установки делятся

· на работающие под разрежением

· и под избыточ­ным давлением.

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. По­мимо этого применяют установки, обладающие повышенной эко­номичностью за счет использования тепла пара низкого потенциала.

Лекция № 13. Оборудование для мембранного разделения растворов биологически активных веществ.

План лекции:

1) Техника мембранного разделения.

2) Ультрафильтрационные мембраны.

3) Виды мембранных аппаратов.

4) Промышленные ультрафильтрационные установки

1) К мембранным методам разделения растворов биологически активных веществ (БАВ) относятся:

- обратный осмос;

- микрофильтрация;

- ультрафильтрация;

- диализ;

- электродиализ;

- и испарение через мембрану.

Суть мембранных процессов заключается в способности мембран селективно (т.е. избирательно) разделять какие-либо растворы.

Эти процессы аналогичны тому, как в живой природе за миллионы лет эволюции в клетках живых организмов выработался универсальный и совершенный метод разделения с помощью полупроницаемых мембран.

Примером таких мембран являются оболочки животных и растительных клеток, благодаря которым осуществляется обмен веществ между клеткой и внешней средой.

Мембранные процессы происходят в т.н. мягких технологических режимах, что очень важно при работе с лабильными (стойкими) веществами. Мембранные процессы позволяют одновременно производить:

- очистку;

- и концентрирование растворов.

Кроме того, мембранные процессы происходят:

- без фазовых изменений;

- и без подвода тепла.

Это способствует значительному снижению потерь БАВ.

Мембранные методы позволяют получать очень высокие степени концентрирования (до 250 раз) и получать концентраты до 50 %.

Мембранные установки обладают следующими достоинствами:

- относительная простота конструкции;

- небольшие габариты;

- широкие возможности автоматизации;

- экономичность.

Мембраны, применяемые для ультрафильтрации, задерживают молекулы от 5 до 50 нм (нанометров), т.е. крупные органические молекулы.

Мембраны для обратного осмоса способны:

задерживать молекулы размером 2, 5 нм,

· однако давление при этом должно быть достаточно высоким (от 4 до 10 МПа).

Разделяющая способность мембран может быть представлена следующей схемой, представленной на рис. 13.1.

2) Ультрафильтрационные мембраны изготавливаются из пористых анизотропных ацетатцеллюлозных пленок двухслойной структуры состоящей:

- из тонкого поверхностного слоя, толщиной 0, 25 мкм;

- и губчатой микропористой подложки (т.е. основы) толщиной 100 мкм.

Таким образом, нижняя основная масса мембраны,

· т.е. пористая губчатая нижняя подложка –

· служит несущей основой для плотного поверхностного слоя.

Плотный активный верхний слой определяет задерживающую способность мембраны по каждому компоненту разделяемой смеси.

– В этом плотном активном слое и происходит механизм разделения растворов.

– Размер пор активного слоя определяет степень концентрации вещества.

Процесс ультрафильтрации объясняется с двух теоретических позиций:

- в первом случае – ультрафильтрация представляется как проникновение через пористые капилляры разного диаметра в зависимости от молекулярной массы вещества;

- во втором случае – ряд ученых полагает, что вещества раствора диффундирует через материал мембраны, предварительно растворившись в нем.

В качестве основы мембран используются такие материалы как пористая металлическая фольга, пористое стекло, графит и др.

Эти промышленные ультрафильтрационные мембраны изготавливают из ацетата целлюлозы типа «Владипор».

Они отличаются друг от друга

· диаметром пор (от 2, 0 до 60 – 70 нм)

· и соответственно, селективностью (т.е. избирательностью) и проницаемостью.

Существенную роль на селективность мембраны играет молекулярная масса вещества.

Ниже в таблице 13.1. представлены сведения характеризующие селективность различных типов мембран:

Таблица 13.1.

Однако при выборе мембраны следует учитывать,

· что кроме молекулярной массы

· на селективность мембраны существенное влияние оказывает т.н. стерический фактор который характеризует:

- во-первых, – пространственную структуру молекул концентрируемого вещества;

- во-вторых, - способность биологически активных веществ к агрегации (т.е. укрупнению).

В связи с этим для каждого конкретного случая мембрана выбирается опытным путем.

Перспективным селективными материалами для осуществления мембранных процессов являются полые полимерные волокна.

Они представляют собой капилляры диаметром 20 – 100 мкм и толщиной пористой стенки 10 – 50 мкм.

Формирование их происходит путем продавливания расплава полимера через специальные фильеры.

В качестве материала для их изготовления используются:

- ароматические полиамиды;

- фенилон;

- полиакрилонитрил и др.

Полые волокна из не целлюлозного материала представляют собой тонкие трубки диаметром 0, 2 мм. Волокна комплектуются в пучки по 1000 штук и герметически укладываются в прозрачные пластиковые гильзы.

3) В биотехнологии используются четыре основных типов мембранных аппаратов:

1. Аппараты с плоскими фильтрующими элементами (плоскорамные).

2. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами.

3. Аппараты с рулонными фильтрующими элементами

4. Аппараты с селективными мембранами в виде полых волокон.

Первые три типа комплектуется плоскими одинаковыми полупроницаемыми мембранами в виде пленок, и отличаются способами упаковки и закрепления мембраны.

В аппаратах рулонного типа:

- одна или несколько мембран 3,

- заключены между дренажом 4 и сеткой-сепаратором.

- Одна сторона такого фильтрующего материала герметично закрепляется на трубке для отвода фильтрата 1,

- и весь материал свертывается на эту трубку в виде рулона 2.

В аппаратах плоскорамного типа

· опорные пластины с дренажными устройствами для выхода фильтрата

· покрываются с двух сторон селективными мембранами

· и собираются в пакет.

Между опорными пластинами образуется щелевой канал для протока исходного раствора.

Рис. 13.1. Схема плоскорамного мембранного аппарата 1 – фланец; 2 – стяжка; 3 – корпус камеры; 4 – пористая подложка; 5 – селективнам мембрана.

Аппараты на основе полых волокон выпускают фирмы «Дау Ремикл» и «Дюпон». Для них характерны следующие свойства:

- Эти аппараты состоят из цилиндрического корпуса.

- В корпус на опорную трубку уложены полые волокна.

- В некоторых конструкциях полые волокна уложены в цилиндрический корпус без опоры.

- С торцов цилиндра волокна закрыты с одной или двух сторон плитами из эпоксидной смолы.

- Аппараты на основе плоских волокон обладают высокой плотностью упаковки.

4) Во ВНИИбиотехники разработаны:

· ультрафильтрационные установки для концентрирования и очистки

- ферментных

- и ряда других биологически активных растворов УКФ-40 и УКФ-180.

В этих установках процесс ультрафильтрации осуществляется в мембранных блоках.

Блок:

· представляет собой коробчатый корпус, в который укладывается пакет плоских фильтрующих элементов.

· Между ними, т.е. фильтрующими элементами укладываются прокладки специальной формы.

· В результате между пластинами образуется щелевой канал глубиной 1, 0–1, 5 мм, по которому протекает концентрированный раствор.

· Для предотвращения смещения пакета установлены фиксаторы.

· Пакет уплотняется в корпусе с помощью верхней крышки.

· С торца крепится уплотнение и передняя крышка.

· На этой крышке установлены -

а) штуцера для входа исходного раствора

б) и выхода концентрата.

Блоки входят в состав ультрафильтрационной установки УКФ-40, которая работает следующим образом.

- Стерильный исходный раствор из сборника 1 через бактериальный фильтр 2 и предфильтр 5 питающим насосом 3 подается в циркуляционный контур.

Рис. 13.2. Схема ультрафильтрационной установки УКФ-40 1 – сборник исходного раствора; 2 – фильтр бактериальный; 3 – питающий насос; 4 – демпфер; 5 – предфильтр; 6 – циркуляционный насос; 7 – теплообменник; 8 – ультрафильтрационный блок; 9 – сборник фильтрата; 10 – сборник концентрата; 11 – насос; 12 – сборник стерильной воды.

- Циркуляционный контур включает в себя насос 6, теплообменник 7 и четыре ультрафильтрационных блока 8.

- После насоса 6 раствор распределяется на два потока, каждый из которых проходит через два последовательно соединенных ультрафильтрационных блока 8, затем вновь объединяется в один поток и направляется в теплообменник 7.

- Температура раствора поддерживается с помощью теплообменника 7 в пределах 10 ⁰С.

- Пермеат, содержащий растворы низкомолекулярных веществ, поступает в сборник 9, а концентрат после многократной рециркуляции до заданной степени концентрации поступает в приемник концентрата 10.

- Для предотвращения попадания посторонней микрофлоры циркуляционный насос снабжен двойным торцевым уплотнением, в которое из сборника 12 насосом 11 подается стерильная вода.

- За насосами установлены демпферы (гидроаккумуляторы) 4 для сглаживания пульсации насоса.

- По окончании процесса установку промывают водой и определяют содержание фермента в промывной воде.

- В последующем цикле концентрирования фермент извлекается из промывных вод.

Особенностью ультрафильтрационных установок модульного типа является то, что в их конструкциях предусмотрена возможность единовременной замены собранных в модуль мембран отработавших свой ресурс.

В результате значительно облегчается работы по обслуживанию, и исключаются трудоемкие работы по установке селективных мембран.

Одной из таких установок является установка УФ-15/20 периодического действия предназначенная для концентрирования растворов.