Фильтрование культуральной жидкости

Процесс промывки можно представить аналогичным процессу фильтрования при постоянной толщине осадка, образовавшегося на фильтре. Если промывная жидкость подается на фильтр тем же путем, которым поступила суспензия, и при том же самом давлении, то скорость промывки обычно принимается равной скорости фильтрования в последний момент. Это, справедливо, если физические свойства промывной жидкости незначительно отличаются от свойств фильтрата. Когда вязкость промывной жидкости меньше вязкости фильтрата, скорость промывки может быть увеличена.

Если скорость промывки можно принять постоянной в течение всего периода, т.е. (dV/ dτ)п = (dV/ dτ)Ф, то при отличающейся вязкости промывной жидкости μп получим:

 

где μф – вязкость фильтрата.

Промывка представляет собой сложный процесс взаимодействия двух различных фаз – промывной жидкости и фильтрата с пористой средой, структура которой подвергается изменению. Механизм процесса промывки осадка определяется формой связи жидкости с твердыми частицами. По этому признаку различают свободную жидкость, заполняющую относительно большие по объему промежутки между наружной поверхностью частиц, и связанную жидкость, удерживаемую силами поверхностного натяжения или адсорбционными силами на поверхности частиц и во в внутренних капиллярах. Соотношение между количеством свободной и связанной жидкостями определяется структурой осадка и частиц.

Наиболее простая модель фильтрационной промывки основана на представлении, что осадок несжимаем, структура его в процессе промывки не меняется, вся отмываемая жидкость находится между частицами и свободное пространство образует систему одинаковых пор. В этом случае процесс промывки заключается в вытеснении жидкости, заполняющей свободное пространство осадка, промывной жидкостью и протекает по механизму идеального вытеснения. Связь количества промывной жидкости Vп с продолжительностью τп/ и основными параметрами процесса может быть найдена из основного уравнения фильтрования:

        (17)

Значение Vп равно свободному объему осадка, т.е. Vп = εFh0.

Следовательно:

      (18)

Зависимость состава вытекающий из осадка жидкости от времени промывки при этом изображается прямой линией (рис.5). в реальном процессе только часть жидкости удаляется из осадка по механизму идеального вытеснения. Продолжительность этой стадии τп значительно меньше продолжительности основной второй стадии, протекающий при постепенном уменьшении содержания отмываемого вещества в выходящем растворе. В течение второй стадии одновременно протекают процессы вытеснения раствора и диффузионного переноса изнутри частиц в промывную жидкость, причем с увеличением продолжительности процесса относительной вклад процесса вытеснения быстро убывает. Поэтому вторую стадию процесса промывки считают диффузионной. Концентрация отмываемого вещества cп  в уходящей промывной жидкости при этом непрерывно падает и пропорциональна концентрации отмываемого вещества в жидкости, заполняющей пространство между твердыми частицами осадка c, т.е. cп = ψc.

 

Рис.5.Изменение состава вытекающей жидкости c во времени τ:

1-идеальное вытеснение; 2 – реальный процесс

 

Если объемный расход промывной жидкости за время dτ составил dVп , а объем осадка с постоянной порозностью ε равен V0 , то количество ушедшего с промывной жидкостью вещества будет ε∙V0dc, тогда:

 

Учитывая, что dV0/dτ = wпF, dcп = ψdc и V0 = F∙h (h- конечная высота слоя осадка на фильтровальной перегородке), получим:

 

Общая продолжительность промывки осадка τп = τ/п  + τ//п .

Эффективность промывки осадка η определяется степенью извлечения отмываемого вещества:

     (19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 3. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ

Процесс фильтрования в промышленных условиях проводится на фильтрах:

• периодического действия;
• непрерывного действия.

Фильтры периодического действия позволяют выполнять фильтрование в любом режиме. Непрерывно действующие фильтры работают только при постоянной разности давлений, обеспечивая непрерывное удаление осадка, что является их существенным преимуществом.

По способу создания разности давления, различают фильтры, работающие под вакуумом и работающие под давлением. В вакуум-фильтрах со стороны фильтрата создается разрежение. Разность давлений в таких фильтрах не может превышать атмосферное. В фильтрах, работающих под давлением, движущая сила создается за счет  подачи разделяемой смеси под давлением, поэтому она не ограничена атмосферным давлением и может значительно превышать его. Вакуум-фильтры используют для разделения сравнительно легко фильтруемых суспензий. Для разделения разбавленных трудно фильтруемых суспензий вакуум-фильтры применяют обычно с намывным слоем вспомогательных веществ. Другое ограничение использования вакуум-фильтров обусловлено тем, что за счет разрежения в  аппарат через неплотности проникает воздух, который насыщается парами сплошной фазы, и это вызывает ее потери. Поэтому вакуум-фильтры используются преимущественно для фильтрования суспензий, сплошной фазой которых является вода. При фильтровании под вакуумом суспензий с органической сплошной фазой, помимо ее потерь, следует опасаться образования взрывоопасной смеси паров органического вещества и воздуха.

В фильтрах давления указанные недостатки отсутствуют. Такие аппараты легче герметизировать. В результате фильтры давления используют для разделения относительно более трудно фильтруемых смесей.

Важным преимуществом вакуум-фильтров перед фильтрами давления является то, что осадок, получающийся при фильтровании, находится при атмосферном давлении, что облегчает его выгрузку из аппарата.

3.1. Фильтровальные перегородки

Фильтровальные перегородки – основной элемент фильтра. От выбора фильтровальной перегородки зависят производительность фильтра и чистота фильтрата. Подбор фильтровальной перегородки выполняется эмпирически. Правильно выбранная перегородка имеет поры по возможности большего размера для уменьшения ее  гидравлического сопротивления. В то же время размер пор должен обеспечить высокую чистоту фильтрата. В общем случае фильтровальная перегородка должна обладать следующими свойствами:

1. способность хорошо задерживать твердые частицы;
2. небольшим гидравлическим сопротивлением;
3. стойкостью к химическому воздействию разделяемой смеси;
4. достаточной механической прочностью;
5. теплостойкостью при температуре фильтрования;
6. невысокой стоимостью.

В качестве фильтровальных перегородок применяют самые разнообразные материалы, обладающие проницаемостью для потока фильтрата и способные задерживать твердую фазу: несвязные или зернистые; тканевые; жесткие, неподвижные.

Наибольшее распространение получили перегородки, изготавливаемые из тканей. Используются асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные и шерстяные ткани, а также из синтетических волокон. Хлопчатобумажные ткани благодаря низкой стоимости и разнообразию используют наиболее часто. Однако следует учитывать, что они разрушаются всеми минеральными и многими органическими кислотами, крепкими щелочами, кислыми солями. Температура процесса фильтрования при их использовании не должна превышать 900С. При высокой плотности ткани оказывают повышенное гидравлическое сопротивление потоку фильтрата и быстро закупориваются твердыми частицами. Шерстяные ткани иногда применяют для фильтрования разбавленных кислых растворов и разделения густых суспензий. Они склонны к закупориванию и быстро разрушаются щелочами. Фильтровальные перегородки из синтетических тканей (поливинилхлоридные, перхлорвиниловые, лавсановые, полиамидные, полипропиленовые и др.) по своим свойствам во многих отношениях превосходят хлопчатобумажные и шерстяные фильтровальные перегородки. Они сочетают высокую механическую прочность с химической и термической, а также устойчивы к действию микроорганизмов.

Слои зернистых материалов (песок, древесный и каменный уголь и др.) широко применяются для фильтрования воды и химических растворов (для очистки и разрыхления слоя таких материалов используется обратная промывка). Хлопчатобумажная вата используется для фильтрования смесей с высокой вязкостью фильтрата (краски, прядильные растворы), для извлечения загрязнений из молока и др. фильтровальную бумагу и целлюлозу применяют для отделения очень мелких взвешенных частиц и для очистки смесей с небольшим содержанием дисперсной фазы. Эти материалы имеют различную проницаемость, толщину и прочность, иногда стойки к воздействию сильных кислот и щелочей.

В качестве жестких фильтровальных перегородок чаще всего используют перфорированные листы и сетки, изготовленные из стали, никеля, меди, латуни, бронзы алюминия. Их применяют в основном для разделения суспензий, содержащих крупные кристаллические частицы. Но чаще такие перегородки служат опорными для фильтровальных тканей и бумаги. Жесткие перегородки выполняют также в виде дисков, плиток, патронов из пористых твердых материалов. Пористые твердые материалы получают из порошкообразных металлов, стекла, угля, диатомита путем их спекания в присутствии связующего вещества. Пластины и трубы из спекшихся частиц нержавеющей стали или других металлов используются в осветлительных фильтрах (в двигателях самолетов), а также в качестве основы в фильтрах с предварительно нанесенным слоем вспомогательного фильтровального вещества.

Выбор фильтровальной перегородки определяется также типом фильтровального оборудования. Например, при ножевом съеме осадка необходимо выбирать ткань со способностью легко освобождаться от осадка.

Для вакуумных барабанных фильтров необходимы прочные ткани, способные оказывать сопротивление разрывным и деформирующим усилиям во время подсушки и др.

Непрерывнодействующие ленточные вакуумные фильтр нуждаются в фильтрующих материалах, имеющих высокую объемную устойчивость, а также достаточное сопротивление разрыву и жесткость, так как лента должна поддерживать значительные количества твердой фазы.

Вакуумные дисковые фильтры с отдувкой осадка или скребками требуют применения тканей с хорошей объемной устойчивостью и высоким сопротивлением истиранию.

 

 

3.2.Фильтры непрерывного  действия

Барабанный вакуум-фильтр (рис.6) получил наибольшие распространение из фильтров непрерывного действия. Он представляет собой барабан (1), вращающийся в цапфах. Внутренняя часть барабана разделена на отдельные секции (6), соединенные каналами с распределительной головкой (7), соединяющая каждую секцию последовательно с вакуумной линией и линией сжатого воздуха. Барабан приводится во вращение электродвигателем. Поверхность барабана перфорирована и покрыта фильтрующей тканью (3), закрепленной на барабане проволокой. Нижняя часть барабана погружена в корыто (4) с мешалкой (5), заполненное суспензией. В верхней части барабана имеется подвод воды (8) для промывки осадка. Съем осадка осуществляется ножом (2). Одной из основных деталей барабанного вакуум-фильтра является распределительная головка. В головке подвижный диск (1), прикрепленный к барабану, и неподвижный диск (2). Отверстия в подвижном диске сообщаются секциями барабана, а отверстия в неподвижном диске – с соответствующими трубопроводами, по которым отводится фильтрат и промывная жидкость и подводится сжатый воздух. Каждое отверстие подвижного диска при вращении последовательно сообщается с отверстия неподвижного диска, и в каждой секции за один оборот барабана осуществляются все стадии процесса.

3.2.1. Принцип действия баранного вакуум-фильтра

 При вращении барабана  часть его секций постоянно  погружена в суспензию, заполняющую  корыто, и сообщается через распределительную  головку с вакуумом. При этом  фильтрат отсасывается через  фильтрующую перегородку, а осадок  остается на поверхности фильтровальной  ткани. Далее эти ячейки выходят  из корыта, продолжая сообщаться  с вакуумом,  и слой осадка  частично обезвоживается потоком  всасываемого воздуха. Затем осадок  промывается. Благодаря сообщению  ячеек с вакуумом, промывная вода  удаляется через каналы в распределительной  головке. В дальнейшем через слой  осадка снова просасывается воздух  с целью его подсушки, после  чего ячейки сообщаются с линией  сжатого воздуха для отдувки  осадка от фильтровальной ткани  и его разрыхление. На некоторое  время ячейка отключается от сжатого воздуха для съема осадка вновь подключается к нему для продувки с целью регенерации фильтровальной ткани. Совершив полный оборот, ячейка снова погружается в суспензию, и рабочий цикл продолжается.

Таким образом, процесс фильтрования включает семь стадий:

1. отсасывание фильтрата и образование осадка;
2. частичное удаление фильтрата из осадка путем его продувки воздухом;
3. промывка осадка;
4. частичная осушка осадка после промывки продувкой воздуха;
5. разрыхление осадка;
6. съем осадка с фильтрующей ткани;
7. регенерации ткани.

В первых четырех стадиях ячейки барабана соединены с вакуумной линией, в 5 и 7 стадиях – с линией сжатого воздуха.

Барабанные вакуум – фильтры имеют диаметр барабана до 3м, длину – до 5 и больше, фильтрующая поверхность достигает 40м2. Вращение барабана осуществляется электромотором мощностью 0,1 – 4,5 кВт со скоростью      0,1-3 об/мин.

Применяются также видоизмененные конструкции барабанных фильтров с внутренними поверхностями фильтрации (суспензия подается внутрь барабана). Однако такие фильтры имеют более сложную конструкцию и при одинаковых размерах меньшую поверхность фильтрации, чем фильтры с внешней фильтрующей поверхностью. Помимо этого, они неудобны для промывки осадка. Поэтому барабанные вакуум-фильтры закрытого типа с внутренней поверхностью фильтрации используют для фильтрования суспензий, выделяющих ядовитые и огнеопасные пары и газы.