CC BY
62
УДК 66.663.66-8
А. И. Гуславский, А. В. Канарский
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ АППАРАТЫ И БИОПРОЦЕССЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Ключевые слова: сепараторы, центрифуги, ультрафильтрационные аппараты, установки инфракрасного излучения, фильтрующие материалы, очистка, концентрирование, сушка, биопрепараты. separators, centrifuges, ultrafiltrational devices, installations of infra-red radiation, filtering materials, clearing, concentrating, drying, biological products.
Обобщены результаты исследований направленных на создание аппаратов для очистки, концентрирования и сушки в биотехнологии. Показаны преимущества и даны рекомендации по применению созданных сепараторов и осадительно-фильрующих центрифуг на бесприводной основе в технологии биопрепаратов. Представлены разработанные фильтрующие материалы и ультрафильтрационные аппараты для предварительной, тонкой и стерилизующей очистки биологических жидкостей. Разработаны установки инфракрасного излучения для обезвоживания биосуспензий.
Results of researches of the devices directed on creation for clearing, concentrate and dryings in biotechnology are generalized. Advantages are shown and recommendations on application of the created separators and precipitate-filtering centrifuges on driveless are given to a basis in technology of biological products. The developed filtering materials and ultrafiltrational devices for preliminary, thin and sterilizing clearing biological liquids are submitted. Installations of infra-red radiation for dehidration biosuspensions are developed.
Интенсивное развитие биотехнологии существенно зависит от разделения, очистки, концентрирования и сушки биологических жидкостей, являющихся технологическими средами в производстве биопрепаратов. Однако применяемые в настоящее время аппараты для сепарирования, центрифугирования, фильтрования и сушки имеют не достаточную производительность, материало- и энергоемки. В этой связи создание высокоэффективной техники для указанных выше процессов и интенсификация на ее основе производства биопрепаратов является весьма актуальным и своевременным [1].
Разделение компонентов жидких сред сепараторами основано на использование радиального ускорения. Поэтому для повышения эффективности работы сепараторов необходимо увеличивать частоту вращения рабочего органа - ротора. Самым существенным препятствием дальнейшего повышения частоты вращения ротора следует считать несовершенство приводного механизма. Наличие в нем механических передаточных звеньев приводит к увеличению металлоёмкости и габаритов, снижению надёжности и долговечности машины в работе, ограничению передаваемой мощности, что препятствует достижению повышенной производительности. Неуравновешенность горизонтального вала служит причиной возникновения дополнительных вибраций и шумов. Один из перспективных путей совершенствования приводного механизма - устранение промежуточных передающих звеньев и сближение электродвигателя с ротором сепаратора вплоть до устранения электродвигателя как самостоятельного узла.
Необходимость совершенствования приводного механизма сепараторов послужила предпосылкой для создания сепаратора на бесприводной основе [8].
В конструкции привода устранены механические передаточные звенья. Ротор сепаратора установлен внутри статора электродвигателя в двух опорах, осуществлено совмещение рабочего органа - роторов сепаратора и электродвигателя, т.е. ротор сепаратора является ротором электродвигателя.
Ротор сепаратора выполняется из высоколегированной нержавеющей стали. На внешней его поверхности или горловой части напрессовано цилиндрическое кольцо из ферромагнитного материала, выполняющего роль короткозамкнутого ротора электродвигателя. Для получения высокой частоты вращения ротора (более 3000 об/мин) в обмотку статора подается ток повышенной частоты.
К механической системе высокоскоростных машин вследствие высоких частот вращения предъявляются особые требования. Поэтому роторы их, работающие с большими окружными скоростями, требуют конструктивных и технологических решений, благодаря которым достигается высокая точность размеров и обработки посадочных и сопрягаемых деталей, отсутствие факторов, нарушающих динамическую балансировку в процессе эксплуатации.
Выбор типов опорных устройств ротора определяется в зависимости от его конкретного назначения. В сепараторах малой производительности применяются жесткие опоры. У сепараторов большой производительности с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка в период работы разгрузочных устройств возникают дополнительные силовые факторы, вызывающие вибрации ротора. Для таких машин одна опора делается упругой, допускающей некоторые радиальные и осевые колебания вала ротора. Вторая опора может оставаться жесткой или полужесткой с применением резино-металлических демпфирующих устройств.
Сепараторы на бесприводной основе благодаря исключению механических передаточных звеньев привода отличаются простотой, компактностью, меньшей материалоёмкостью, высокой надежностью в работе. Значительно уменьшаются вибрации и шумы, сокращается потребление электроэнергии. При этом создаются условия для интенсификации технологического процесса.
Для оценки технического и экономического уровня созданных сепараторов и промышленных сепараторов отечественного и зарубежного производства разработан комплексный метод их оценки на основе показателей качества по усреднённым величинам. При этом рекомендуется ограничиться двумя основными показателями (при прочих равных условиях):
удельной потребляемой мощностью Ри = к^Вт и
О, м /ч
тс кг
удельной материалоемкостью ти =--------3—,
О, м /ч
где О, - производительность сепаратора, м3/ч; Р - установленная мощность, кВт; тс -масса, кг.
Потребляемая мощность отражает достигнутый уровень и совершенство основного узла - привода, а масса - уровень применения прогрессивных материалов и компактность машины в целом [8].
Эти показатели являются также основными с точки зрения экономичности сепаратора, так как потребляемая мощность непосредственно влияет на эксплуатационные расходы, а масса дает возможность оценивать капитальные затраты при его производстве.
У сепараторов на бесприводной основе затраты электроэнергии и материалоёмкость снижены в 2-2,5 раза, что доказывает их преимущества по сравнению с изготовляемыми в настоящее время промышленными аппаратами.
Аналогично сепараторам на бесприводной основе разработаны осадительно-фильтрующие центрифуги, в которых использован принцип безосадочного фильтрования в поле центробежных сил [2]. Экспериментальные исследования показали, что для ряда производств с успехом могут быть применены осадительно-фильтрующие центрифуги с
периферийной подачей жидкости на фильтрующую перегородку. Это обеспечивает без-осадочное фильтрование в поле центробежных сил, отличающиеся высокими техникоэкономическими показателями, широким диапазоном использования и преимуществами перед традиционными типами центрифуг для разделения, очистки и концентрирования биологических и других жидких сред.
Конструкции разработанных сепараторов и осадительно-фильтрующих центрифуг на бесприводной основе, выполнены на уровне изобретений [5,б]. В частности, разработаны, изготовлены и испытаны:
- сепаратор со статическим полым валом, в котором ротор сепаратора установлен в двух опорах на статическом полом валу, через который осуществляется подвод жидкости и отвод разделённых фаз;
- сепаратор герметичный погружной. Герметичный самовсасывающий сепаратор разработан для разделения жидкости непосредственно в технологических емкостях, резервуарах и водоемах с установкой его на поверхности с помощью поплавка или погружением в жидкую среду;
- сепаратор с двойным вращением ротора для осуществления для осуществления гидродинамической выгрузки осадка;
- сепаратор саморазгружающийся с различными конструкциями узлов выгрузки
осадка;
- сепаратор для разделения многокомпонентных тонкодисперсных систем выполнен герметичным и предназначен для разделения жидкости, содержащей газовую и твердую фазы;
- сепаратор с переналаживаемым ротором (с гибкой модульно-агрегатной системой переналаживания).
Созданные экспериментальные и опытно-промышленные образцы сепараторов производительностью до 1G м /ч показали работоспособность и надежность конструкций с применением в различных биотехнологических процессах с высокими техникоэкономическими показателями [7,1G].
В осадительно-фильтрующих центрифугах на бесприводной основе определяющим параметром при безосадочном центробежном фильтровании является характеристика фильтрующего элемента: поверхность фильтрования, размер пор, коэффициент проницаемости.
Центрифуга имеет внутри ротора фильтрующий элемент, на внешнюю поверхность которого в поле центробежных сил подается исходная суспензия для осуществления процесса безосадочного динамического фильтрования.
Разработаны следующие конструкции осадительно-фильтрующих центрифуг [ІІ]:
- осадительно-фильтрующая центрифуга периодического действия, которая освоена в технологии производства антирабической вакцины против бешенства для очистки мозговой вируссодержащей суспензии. Процесс центрифугирования возможно осуществлять в стерильных условиях, для чего ротор предварительно стерилизуется в автоклаве;
- центрифуга периодического действия с измененной компоновкой узлов. Статор установлен в верхней горловой части ротора, что позволило создать более компактную центрифугу с малой массой материалоёмкости. Принцип работы центрифуги остался без изменения, но в роторе установлена специальная вставка, вместе с которой извлекается осадок;
- центрифуга коническая саморазгружающаяся. Ротор выполнен коническим и фильтрующий элемент расположен коаксиально с малым зазором. В центрифуге использована клапанно-щелевая автоматическая выгрузка осадка. Ротор установлен в двух опорах на полом валу с коммуникациями для подвода суспензии и отвода фугата;
23 В
- центрифуга шнековая является проточной со шнековой выгрузкой осадка. Для вращения корпуса ротора и барабана шнека с фильтрующим элементом установлены два статора с различной частотой вращения;
- центрифуга со статическим корпусом ротора представляет новый тип осадитель-но-фильтрующих центрифуг. Центрифуга состоит из статического корпуса-ротора, в котором ротор размещен с фильтрующим элементом. Суспензия вводится в верхней части корпуса тангенциально в зазор между статическим корпусом и фильтрующим ротором, где происходит динамическое фильтрование за счет образования в пограничном слое, так называемых вихрей Тэйлора.
Предусматривается создание унифицированного ряда сепараторов и осадительно-фильтрующих центрифуг на бесприводной основе с гибкой модульно-агрегатной системой переналаживания. Это позволит повысить технический уровень и экономические показатели аппаратов, сократить сроки их разработки и освоения в промышленности [10].
Для фильтрования суспензий разработаны новые фильтрующие материалы на без-асбестовой основе для предварительной и тонкой очистки и стерилизующего фильтрования биологических жидкостей. Эти фильтрующие материалы используются в промышленности [4,12].
Для концентрирования биологических жидкостей разработаны и изготовлены опытно-промышленные ультрафильтрационные установки с модулями на полых волокнах с усовершенствованной системой герметичного насоса. Эти современные аппараты освоены и используются в биотехнологических производствах.
Для концентрирования, сушки и обезвоживания технологических сред биопродуктов, в том числе пищевых, разработаны универсальные установки инфракрасного излучения трех типов [9,13]:
- высокотемпературные установки инфракрасного излучения с использованием галогенных ламп инфракрасного излучения (с нагревом до 200°С). Высокая эффективность обработки продукта инфракрасным излучением достигается за счет наличия полированной внутренней поверхности камер;
- низкотемпературные установки с использованием керамических нагревательных элементов инфракрасного излучения (с нагревом до 40-90°С). Данные установки предназначены для работы с биологическими средами с сохранением микробной массы в стерильной камере, а также с продуктами для сохранения питательной ценности и витаминов;
- универсальные установки с использованием керамических нагревательных элементов инфракрасного излучения с длиной волны 2,5-18 мкм и мощностью 350 Вт.
Инфракрасная техника и технология позволяет изменить фундаментальные физические основы тепловой обработки и существенно изменять структуру, биохимические и технологические свойства материала. Особенностью применения ИК-излучения является возможность проникновения электромагнитной волны в капиллярно-пористые массы на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определенного частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических средах.
Учитывая перспективность применения цеолитов в качестве сорбентов и дополнительных источников микро- и макроэлементов в кормах, созданы биопрепараты, в технологии которых для сушки использованы установки ИК-излучения. Полученные высококачественные биопрепараты используются для профилактики заболеваний и повышения продуктивности в птицеводстве и животноводстве. Данная технология применена также в производстве цеолитовых фильтров, используемых для очистки технологической воды, а также в локальных системах очистки избыточных вод биопроизводств [3].
Предложенные инновационные аппараты и процессы на их основе являются перспективными не только для биотехнологической промышленности, но и пищевой. В частности, аппараты проходят испытание при производстве агара, хитина, хитозана, сушке зерен кофе, чая, морепродуктов, рыбы, фруктов и др. Положительные результаты получены при применении данных аппаратов в технологии очистки сточных вод предприятий, а также для очистки морской и пресной воды от нефтепродуктов.
Литература
1. Гуславский, А.И. Высокоэффективные аппараты для разделения, очистки и концентрирования жидких систем и новые биотехнологические процессы на их основе: дис...д-ра техн. наук: 03.00.23: защищена 30.03.07: утв. 13.07.07/ А.И. Гуславский. - Щелково, 2007 - 410 с.
2. Гуславский А.И. Осадительно-фильтрующие центрифуги для разделения микробных суспензий / А.И. Гуславский, Б.Л. Чаморцев, А-й.И. Гуславский. // Производство и применение микробиологического белка». Обзорная информация. - М., 1987, -35 с.
3. Гуславский А.И. Использование цеолитов хотынецкого месторождения в рационе кормления японских перепелов / А. И. Гуславский [и. др.] // Тез. докл. конф. 15 декабря 2006 г. - Щелково: ВНИТИБП, 2006. - С.191-194.
4. Гуславский А.И. Фильтровальные пластины на безасбестовой основе / А. И. Гуславский [и. др.] // Тез. докл. конф. 14 - 17 мая1996г.- Щелково: ВНИТИБП, 1996. - С. 204.
5. Пат. № 1664408 СССР, МКИ5 В 04 В 3/00, Осадительно-фильтрующая центрифуга / А.И. Гуславский, А-й.И. Гуславский, Т.А. Гуславская (СССР). - № 4498081/13; заявлено 26.10.88; опубл. 23.07.91, Бюл. № 27. - 2 с.
6. А. с. 1380782 СССР, МКИ4 В04 В3/04. Прямоточная центрифуга для разделения тонкодисперсных суспензий / В.Д. Сурков, А.И. Гуславский, А-й.И. Гуславский, Я.Я. Шеоп, Б.Л. Чаморцев (СССР). -№ 3966589131 - 13; заявлено 11.10.85; опубл. 15.03.88, Бюл. №10. - 2 с.
7. Гуславский А.И. Трипсин сухой для вирусологических целей / А.И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 27 -30 августа 1996 г. - Курск: Курская биофабрика, 1996. - С. 100.
8. Гуславский А.И. Обработка результатов экспериментов по оптимизации выбора параметров центрифуг и сепараторов для биопроизводства / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 21 -23 октября 1987 г. - М.: ВНИТИБП, 1987. - С. 298-299.
9. Гуславский А.И. Совершенствование способа изготовления трипсина сухого для вирусологических целей / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 25-27 июня 1996 г. - М.: Моск. Акад. вет-медицины и биотех. им. Скрябина, 1996. - С. 70.
10. Гуславский А.И. Процессы разделения, очистки и концентрирования жидких систем в биотехнологии / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 15 -16 августа 2000 г. - Покров: ВНИВиМ, 2000.- С. 124-125.
11. Применение центрифугального оборудования в биотехнологии / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., М., 21 - 23 октября 1987 г. - М.: ВНИТИБП, 1987. - С. 305-306.
12. Гуславский А. И. Состояние производства современных фильтрующих материалов для биотехнологии / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 8 -9 июня 2000 г. - Щелково: ВНИТИБП. 2000. - С. 307-308.
13. Гуславский А.И. Вопросы очистки, разделения и концентрировани биожидкостей / А. И. Гуславский [и др.] // Тез. док. конф., 8 -9 июня 2000 г. - Щелково: ВНИТИБП. 2000. - С. 308-309.
© А. И. Гуславский - д-р техн. наук, ген. дир. НПФ «БИАР»; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. пищевой биотехнологии КГТУ, [email protected].
