Фильтрование

В производстве некоторых биологически активных веществ, в частности антибиотиков, для отделения массы микроорганиз­мов от культуральной жидкости применяют метод фильтрова­ния. Этот метод служит для отделения микроорганизмов-про­дуцентов, которые имеют нитевидную, ветвистую форму.

Сущность фильтрования заключается в разделении твердой и жидкой фаз при пропускании культуральной жидкости через пористую перегородку. Движущей силой фильтрования явля­ется разность давлений по обе стороны перегородки. Одной из важнейших характеристик процесса фильтрования является его скорость, т. е. количество фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности в единицу времени- W м³/(м²с):

где V-объем фильтрата (м³); F- площадь фильтрующей поверхности (м²); τ-время (с).

Скорость фильтрования зависит от давления, толщины слоя осадка, его структуры, вязкости жидкой фазы и других факторов.

Фильтруемость культуральной жидкости зависит от вида микроорганизма-продуцента, качественного и количественного состава питательной среды, условий ферментации.

Продуценты отличаются размерами и структурой клеточных образований. Например, продуцент пенициллина образует длинноволокнистый мицелий с «толстыми» нитями диаметром 5 - 10 мкм, отделение которого от жидкой фазы не представляет затруднений. Мицелий же актиномицетов характеризуется тонкими (0,2 - 1 мкм) ветвистыми нитями. К концу ферментации наблюдается значительный лизис клеток, в результате которого в жидкости образуется тонкодисперсная фракция взвеси, состоящая из обрывков мицелиальных клеток. Мицелий имеет аморфный, слизистый, липкий характер, быстро забивает поры фильтрующего материала. Удельное сопротивление осадка велико. Фильтрование этих культуральных жидкостей без предварительного улучшения фильтруемости практически невозможно.

Для улучшения фильтруемости культуральные жидкости многих антибиотиков перед отделением мицелия подвергают специальной обработке. К способам улучшения фильтруемости культуральной жидкости относятся тепловая коагуляция, кислотная коагуляция, обработка жидкости электролитами и полиэлектролитами, образование наполнителя-коагулянта непо­средственно в жидкости, применение фильтровальных порошков.

Тепловая коагуляция используется в основном для антибиотиков, которые не разрушаются при нагревании в водной среде. Основана она на денатурации белка при повышенной температуре. При этом скорость фильтрования увеличивается за счет свертывания и коагуляции белков, что приводит к образованию ими жестких структур, изменяющих характер (структуру) осадка. Осадок при этом делается менее липким, легко обезвоживается. Кроме того, при повышенной температуре (70 - 75°С) значительно уменьшается вязкость культуральной жидкости. Однако тепловая обработка обычно небла­гоприятно сказывается на качестве готового продукта.

Кислотная коагуляция широко применяется в производстве антибиотиков, которые сравнительно устойчивы при низком значении рН раствора. Выбор кислоты для снижения рН определяется требованиями последующей химической очистки антибиотика. Однако кислотная коагуляция обеспечивает хорошую фильтруемость не для всех культуральных жидкостей. Хороший эффект в некоторых случаях дает совместная кислотно-тепловая коагуляция.

Широко практикуется для ускорения фильтрования культуральной жидкости применение фильтровальных порошков. Чаще всего используются силикатные порошки (перлит, диатомит и др.) или древесная мука. Порошок в виде водной суспензии подают на фильтр, нанося на его поверхность грунтовый (намывной) слой толщиной 1 - 2 мм., через который затем фильтруют культуральную жидкость. Благодаря высокой проницаемости грунтового слоя, скорость фильтрования увеличивается. Иногда порошки добавляют прямо в культуральную жидкость перед фильтрованием, однако в этом случае скорость фильтрования увеличивается всего на 15 – 20 %, в то время как с грунтовым слоем она выше в 1,5 - 2 раза.

Рисунок 20 - Рамный фильтр- пресс: 1- лобовина, 2 – рама; 3-брус; 4 - подвижная лобовина; 5 - гидравлическое устройство; 7 – прилив; 8- кран.

Перечисленные выше методы все же не являются достаточно эффективными. Они не позволяют изменить структуру осадка таким образом, чтобы можно было использовать для его отделения фильтры без намывного слоя.

Наиболее эффективным методом коагуляции, улучшающим характер осадка и повышающим скорость фильтрования, яв­ляется метод образования наполнителя непосредственно в культуральной жидкости при добавлении реагентов, образующих нерастворимый осадок. Такими реагентами служат соли Са, Ва, Fe, Al и др., образующие в водной среде осадки с анионами серной, фосфорной, щавелевой и других кислот. Выпадающие в культуральной жидкости осадки предотвращают слипание частиц мицелия, способствуют образованию гранул. Мицелий приобретает комковатую структуру и образует при фильтровании проницаемый слой.

Фильтры для отделения биомассы от культуральной жидкости. По принципу работы различают фильтры периодического и непрерывного действия. По характеру движущей силы фильтры делятся на работающие под давлением и под вакуумом.

Из множества конструкций фильтров для отделения мицелия в производстве биопрепаратов нашли применение лишь барабанные вакуум-фильтры и рамные фильтр-прессы.

Рамный фильтр-пресс, схема которого изображена на рисунке 20, относится к аппаратам периодического действия, работающих под давлением. Фильтр-пресс состоит из чередующихся плит - 2 и рам - 3 одинаковых размеров, между которыми зажата фильтрующая ткань (салфетки). Плиты и рамы опираются боковыми ручками на два параллельных круглых бруса - 4. Плиты и рамы плотно прижимаются к лобовине при помощи подвижной лобовины - 5, на которую действует давление плунжера гидравлического устройства - 6.

Плиты имеют по краям гладкую поверхность, а в середине - рифленую с желобками. Плиты и рамы имеют приливы - 7 с отверстиями, которые при сборке образуют канал для под­вода фильтрующей жидкости.

Процесс фильтрования на рамном фильтр-прессе осуществляется следующим образом. Культуральная жидкость под давлением подается в канал и из него через отверстия в стенке рамы поступает во внутреннюю полость (пространство), ограниченную двумя фильтровальными перегородками и внутренней поверхностью рамы. Мицелий задерживается в этом пространстве, а нативный раствор проходит через фильтрующие салфетки, после чего по желобам и каналам через краны стекает в лоток. Обычно первые порции фильтрата бывают мутными, их возвращают в сборник культуральной жидкости. В дальнейшем на ткани накапливается слой осадка, через который осуществляется фильтрование. Фильтрат становится при этом прозрачным.

После фильтрования осуществляют промывку мицелия. Цель промывки - вытеснить нативный раствор из осадка, чтобы обеспечить более полный переход антибиотика из мицелия в нативный раствор.

Рисунок 21 - Схема работы барабанного вакуум – фильтра: I –фильтрование; II-просушка; III- промывка и просушка; IV- отдувка и регенерация ткани.  

По окончании промывки мицелий на фильтре продувают сжатым воздухом для вытеснения промывных вод из пор осад­ка. Затем отодвигают подвижную плиту, разъединяют плиты и рамы и осадок удаляют в бункер, а фильтрующие полотна промывают струями воды.

Проведение процесса фильтрования с постепенным повыше­нием давления от 0 до 0,2 - 0,3 мПа обеспечивает более высокую производительность фильтра, чем в случае фильтрования при постоянном высоком давлении. Высокое давление в начальный момент фильтрования вызывает проникновение мелких частиц осадка в поры грунтового слоя в фильтрующей ткани, что приводит к их забиванию и снижению скорости фильтрования.

Недостатки рамного фильтр-пресса заключаются в больших затратах физического труда, тяжелых в санитарном отноше­нии условиях работы обслуживающего персонала и значительном снижении скорости фильтрования во времени.

К преимуществам рамного фильтр-пресса можно отнести большую поверхность фильтрования на единицу занимаемой фильтром площади помещения, простоту конструкции, отсутствие движущихся частей, а также возможность получения про­зрачного фильтрата.

Барабанный вакуум-фильтр представляет собой фильтр непрерывного действия, работающий под вакуумом. Фильтр имеет горизонтальный перфорированный барабан, покрытый снаружи фильтрующей тканью (рисунок 21).

Дата добавления: 2014-01-04