Автор работы: Пользователь скрыл имя, 29 Сентября 2015 в 22:20, курсовая работа
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.
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:
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:
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:
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:
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:
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.