Глава 4 ФЛОТАЦИОННАЯ АППАРАТУРА

Товарная биомасса как готовый продукт микробиологических производств получается в сухом виде с содержанием влаги не более 10 %. В суспензии, выходящей из ферментатора, например, дрожжевого производства концентрация биомассы обычно не превышает 40 кг/м³. Если учесть, что эта биомасса содержит до 75% внутриклеточной влаги, то в процессе получения 1 кг товарного продукта необходимо удалить 98,9 кг влаги.

Вся эта влага в технологии получения биомассы удаляется различными способами, которые можно свести к двум основным: гидромеханическому и теплофизическому. К последнему отно­сится упаривание суспензии в выпарных аппаратах и сушилках различных типов.

Флотационный спо­соб сгущения суспензий - наиболее простой и надежный как в отно­шении конструкции аппаратуры, так и ее эксплуатации.

Механизм флотационного концентрирования суспензий

При анализе механизма флотации будем рассматривать кле­точные организмы или их скопления как твердые тела, взве­шенные в водной среде, содержащей растворенные поверхностно-активные вещества. В процессе микробиологического синтеза ПАВ образуются в суспензии на стадии ферментации в виде растворимых фракций лигнина, гуминовых веществ и сложных по составу продуктов метаболизма клеток.

Процесс флотации протекает в не­сколько стадий: закрепление клеток на поверхности всплываю­щего в жидкости газового пузыря, вынос их с пузырем в верхний слой структурированной пены и удаление пены из флотатора вместе с отфлотировавшимися микроорганизмами.

Способность микроорганизмов сорбироваться на поверхности газового пузыря определяется многими факторами. Дрожжевые клетки, например, имеют сродство к ПАВ и тот же электрический заряд, обусловливающий их полярную адсорбцию на поверхно­сти газового пузыря. Флотирующая способность клеток зависит от состояния их поверхности, наличия полисахаридов и содержа­ния связанной воды. Лучше флотируются ветвистые конгломе­раты, нежели одиночные клетки с гладкой оболочкой.

Флотирующиеся дрожжи при смывании их средой теряют упругую водную оболочку и взаимодействуют с газовыми пузырь­ками, как лиофобные твердые тела. Веществом, которое придает лиофобные свойства поверхности оболочек клеток, накапливаясь на них, является азотсодержащий полисахарид — хитин.

Влияет на процесс флотации дрожжей и кислотность культуральной среды. Исследования показали, что наилучшая флотируемость дрожжей наблюдается при рН 4,5.

При наличии вышеуказанных положительных факторов про­цесс флотации в основном зависит от площади поверхности газовых пузырей или их диаметра.

Барботажные флотаторы

Конструкция флотатора определяется в основном структурой газожидкостной смеси, поступающей в него из ферментатора. Если эта смесь не обладает достаточно развитой удельной пло­щадью поверхности а, флотатор должен иметь барботажную зону, где за счет дополнительного введения воздуха создается газожидкостная система с развитой удельной поверхностью, чтобы обеспечивалось условие (4.2). Вторая зона флотатора, где происходит расслоение газожидкостной смеси, должна рабо­тать в условиях минимального механического воздействия на пену. В противном случае при разрушении газовых пузырей сорвавшиеся с них клетки будут выноситься в осветленную жид­кость.

В гидролизно-дрожжевом производстве наибольшее распро­странение получил флотатор, изображенный на рис. 4.1. Он представляет собой цилин­дрическую емкость 5 с плос­ким днищем, внутри которой установлен стакан 4 с конус­ным кольцевым лотком 2. Кольцевое пространство между емкостью 5 и стаканом 4 разгорожено радиальными перегородками на пять секций. Перегородка 12 между секциями I и V доходит до дна флотатора, а перегородки 3 между другими секциями до дна не доходят.

Рис. 4.1. Флотатор кормовых дрожжей

Внизу каждой малой секции установ­лены барботеры 11, подсоединенные к коллектору 10 для подачи воздуха. В верхней части центрального стакана 4 размещен механический пеногаситель 1.

Выходящая из ферментатора газожидкостная смесь вводится во флотатор через патрубок 8. По мере движения по кольце­вому пространству секции 1 происходит ее расслоение. Бражка, обедненная биомассой, перетекает последовательно через секции II—V, где она дополнительно вспенивается вводимым через бар­ботеры воздухом. Осветленная бражка выводится из флотатора через штуцер 6.

Пена, обогащенная дрожжами, переваливается на кониче­ский лоток 2 и стекает по нему в центральный стакан 4. Здесь она разрушается механическим пеногасителем 1, чему способ­ствует подаваемый из бачка 9 химический пеногаситель, и выво­дится через штуцер 7.

Напорные флотаторы

В зависимости от условий понижения давления различают вакуумную и напорную фло­тацию.

В первом случае в емкости с суспензией, насыщенной газом при атмосферном давлении, создается вакуум, обеспечивающий выделение газа. Преимущества вакуумной флотации перед дру­гими методами состоят в том, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами и всплывание агрегатов пузырек — ча­стица происходят в спокойной среде, вероятность разрушения агрегатов сводится к минимуму и затраты энергии на насыще­ние жидкости воздухом невелики.

К числу недостатков вакуумной флотации следует отнести незначительную и ограниченную малым перепадом давления сте­пень насыщения жидкости пузырьками газа. Это не позволяет применять ее для сгущения суспензий с концентрацией взве­шенных частиц более 0,25—0,30 кг/м³.

Другим недостатком является необходимость сооружения гер­метически закрытых резервуаров, в которых можно создавать частичный вакуум, с размещением внутри них скребковых меха­низмов, что сопряжено с определенными конструктивными и, главное, эксплуатационными трудностями. Любой, даже мелкий, ремонт и осмотр механической части невозможен без полного выключения флотационной камеры из работы.

Сущность процесса напорной флотации заключается в пред­варительном создании в обрабатываемой суспензии пересыщен­ного раствора газа с последующим его выделением из жидкости в виде мельчайших пузырьков.

Рис.4.6 Схема установки напорной флотации

Насыщение суспензии воздухом осуществляется, как правило, при повышенных давлениях, создаваемых насосом, во всасываю­щих или нагнетательных трубопроводах, ведущих к флотатору. Во флотационном аппарате, работающем при атмосферном дав­лении, растворимость газа уменьшается, и по всему объему равномерно начинают выделяться мелкодисперсные пузырьки, которые закрепляются на клетках и флотируют их. Этим спосо­бом можно разделять суспензии с концентрацией взвешенных веществ до 4—5 кг/м³ и более. Напорная флотация исполь­зуется на стадии доизвлечения кормовых дрожжей из бражки, предварительно отфлотированной обычными способами.

Схема установки напорной флотации приведена на рис. 4.6. Из резервуара-сборника 1 через всасывающий трубопровод 2 суспензия забирается насосом 3 и через напорный бак 4 и регу­лятор давления 5 перекачивается в приемное отделение фло­тационной камеры 6. На всасывающем трубопроводе насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Поступив через насос в напорный резервуар, воздух при повышенном давлении раство­ряется в жидкости. Объем напорного бака рассчитывается на необходимую продолжительность насыщения (от 30 до 300 с). Если насосы расположены далеко от флотационной камеры, что характерно для сооружений большой производительности, необ­ходимая продолжительность насыщения жидкости воздухом может быть обеспечена в напорных трубопроводах; тогда устрой­ство напорного бака излишне. В любом случае для сокращения объема напорного резервуара следует учитывать время пребы­вания суспензии в напорном трубопроводе.

Насос создает избыточное давление от 0,15 до 0,4 МПа и выше. При таком давлении и температуре 20—25 °С в 1 м³ жидкости растворяется от 0,03 до 0,05 м³ воздуха. Этого коли­чества достаточно, чтобы после резкого снижения давления в приемной части флотационной камеры образовалась воздушно-водяная «эмульсия» за счет выделившихся из раствора микро­пузырьков. Прилипая к клеткам, пузырьки выносят их в пенный слой. Собирающаяся на поверхности флотационной камеры пена гребковым транспортером 7 сгоняется к отводящему лотку. Осветленная бражка удаляется из нижней части камеры.

Электрофлотаторы

Процесс извлечения взвешенных частиц из жидкости газо­выми пузырьками, выделяющимися при электролизе, называют электрофлотацией. По сравнению с другими видами флотации электрофлотация имеет следующие принципиальные особенно­сти и отличительные признаки, которые одновременно являются ее преимуществами. При электролизе выделяются чрезвычайно тонко диспергированные газы. Если во флотаторах механиче­ского типа средний диаметр образующихся газовых пузырьков составляет 0,8—0,9 мм, в пневматических флотаторах — в сред­нем 2 мм, а при вакуумной и напорной флотации 0,1—0,5 мм, то в электрофлотаторах образуются пузырьки с размерами менее 100 мкм. В зависимости от условий электролиза можно получать пузырьки газа диаметром до 8—15 мкм, что недости­жимо при других методах флотации. Кроме того, пузырьки электролизных газов однородны по размерам, обладают малой склонностью к коалесценции после отрыва от электродов и сохраняют в течение времени пребывания в жидкости постоян­ные диаметры.

Изменяя плотность тока, можно создать во флотационной среде чрезвычайно высокую концентрацию газовых пузырьков, что благоприятствует флотации тонких и тончайших частиц.

Изменение параметров тока электролиза, подбор соответ­ствующей геометрии поверхности электродов и создание опре­деленной величины рН во флотационной среде позволяют плавно, в широком диапазоне изменять дисперсность пузырьков. При­меняя в качестве электродов сетку из проволоки определенной толщины, можно получать пузырьки электролизных газов задан­ной крупности.

Конструктивно электрофлотаторы (рис. 4.7) выполняются в виде прямоугольной емкости с флотокамерой 3, в которую через карман 4 поступает освет­ляемая суспензия.

Твердые отфлотировавшиеся частицы со­бираются в пенном слое в верхней части камеры 3 и удаляются из нее гребковым устройством 5. Осветленная жидкость, пройдя через камеру 8 дополнительной очистки, уда­ляется из флотатора через карман 7 и сливной штуцер 6. Основными элементами фло­татора являются плоские элек­троды, размещенные на наклон­ном днище камеры 3. На них подается напряжение U<20В. Положительно заряженный электрод (анод) 1 выполняется в виде сплошной пластины из графита, уложенной на дно камеры 3. Отрицательно заряженный электрод (катод) 2, изготавливаемый обычно из коррозионностойкой стальной сетки с проволочками диаметром менее 0,3 мм, устанавливается над анодом на рас­стоянии 6—8 мм.

В процессе электролиза на аноде выделяются пузырьки кислорода, а на катоде — водорода. Наклонное расположение электродов должно обеспечить, во-первых, удаление больших га­зовых пузырьков, образующихся в межэлектродном простран­стве, во-вторых, удаление из межэлектродного пространства осаждающихся частиц примесей (гипса, коллоидных веществ и т. п.). Благодаря наклону создаются условия для свободного скольжения осадка по поверхности электродов. Опыт показы­вает, что электродные блоки в электрофлотационном аппа­рате следует устанавливать под углом не менее 30° к горизон­тальной плоскости.

Глава 5 ВЫПАРНАЯ АППАРАТУРА

Концентрирование биомассы во флотаторах и центробежных тарельчатых сепараторах позволяет доводить содержание кле­точной массы в суспензии не более чем до 600 кг/м³ (прибли­зительно 15 % абсолютно сухих веществ). Для получения товар­ного продукта, например, 10%-ной влажности из такой суспензии необходимо удалить около 5 т влаги на 1 т биомассы. С целью уменьшения затрат на сушку концентратов их, как правило, подвергают сгущению в выпарных аппаратах. Упаривание кормо­вых концентратов проводят до содержания сухих веществ 23—25%.

Способ упаривания растворов в различных отраслях промыш­ленности известен очень давно. Однако процесс упаривания биологических суспензий, являющихся необычными растворами, изучен мало. Среда, содержащая живые или плазмолизованные клетки, накладывает на процесс упаривания и выпарные аппа­раты микробиологических производств ряд специфических осо­бенностей.

Температура при упаривании не должна превышать значений, вызывающих тепловую денатурацию белков или инактивацию ферментов. Так, при концентрировании кормовых дрожжей тем­пература не должна превышать 80—85°С , при концентриро­вании большинства ферментов 20—30 °С . Для поддер­жания таких температур кипения в выпарных аппаратах должен быть создан соответствующий вакуум. Многие продукты микро­биологического синтеза в процессе длительной тепловой обра­ботки теряют свои ценные качества. В этом случае к выпарным аппаратам предъявляется особое требование — обеспечение минимального времени пребывания термолабильного раствора в зоне кипения.

В ряде производств клеточную суспензию перед подачей на упаривание необходимо плазмолизовать. Живые дрожжи, напри­мер, плохо усваиваются в организме животных и могут вызы­вать заболевание — кандидомикоз. Поэтому дрожжевую суспен­зию подвергают плазмолизу (термолизу) в непрерывно дейст­вующем аппарате — теплообменнике, где она нагревается до 75—85 °С и выдерживается при этой температуре 45—60 мин. За это время погибают дрожжевые клетки и вся сопутствующая микрофлора. В процессе плазмолиза дрожжей происходит частичный гидролиз белков клеточных оболочек и переход в раствор содержимого погибших клеток. В результате дрожже­вая суспензия сжижается и становится однородным раствором с определенным содержанием сухих веществ,

Дрожжевую суспензию перед подачей на упаривание необ­ходимо плазмолизовать для снижения пенообразования в сепарационных камерах выпарных аппаратов. Кроме того, подача плазмолизованных дрожжей в выпарные аппараты исключает образование сгустков, отрицательно влияющих на процесс упари­вания.