background image

 

LABORATORIUM  IN

Ż

YNIERII  BIOPROCESOWEJ 

Kierunek:  Biotechnologia 

Specjalno

ść

Agrobiotechnologia, 

Biotechnologia w produkcji zwierz

ę

cej 

(studia in

ż

ynierskie) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ć

wiczenie nr  4 

FILTRACJA ZAWIESINY DROBNOUSTROJÓW 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO – PRZYRODNICZY 

WYDZIAŁ TECHNOLOGII I IN

Ż

YNIERII CHEMICZNEJ 

Katedra In

ż

ynierii Chemicznej i Bioprocesowej 

BYDGOSZCZ 

 

 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

2

4.1.  Wprowadzenie teoretyczne 
 

Filtracja  jest  operacją,  która  polega  na  oddzieleniu  znajdującego  się  w  mieszaninie 

z płynem  ciała  stałego  przez  zatrzymanie  jego  cząstek,  a  przejściu  płynu  przez  przegrodę 

porowatą.  Filtracja  jest  jednym  ze    sposobów  oddzielania    biomasy  od  płynu 

pohodowlanego. Wydzielanie biomasy w procesach biotechnologicznych może nastręczać 

wiele problemów ze względu na: 

 

niewielkie rozmiary komórek drobnoustrojów, 

 

małą różnicą między gęstością biomasy i roztworu, 

 

znaczną lepkość niektórych zawiesin. 

W praktyce przemysłowej stosuje się następujące metody wydzielania biomasy: 

 

wirowanie, 

 

filtrację, 

 

sedymentację. 

 

Wirowanie 

W  procesach  z  udziałem  bakterii  i  drożdży  stosuje  się  powszechnie  wirówki 

z przyspieszenie  siły  odśrodkowej  od  15000  do  60000g.    Zaletą  wirówek  jest  możliwość 

uciąglenia  procesu,  a  także  automatyzacja  pracy  urządzeń.  Poważną  wadą  są  jednak 

znaczne koszty związane z nakładami na energię. 

 

Filtracja 

Filtracja jest procesem znacznie mniej energochłonnym niż wirowanie. Wyróżnia się dwa 

podstawowe rodzaje filtracji: 

- plackową (osadową) ang. dead-end, 

- dynamiczną ang. cross-flow. 

Filtracja plackowa 

W  filtracji  plackowej  cząstki  stałe  są  zatrzymywane  na  placku  filtracyjnym 

wytworzonym na  przegrodzie  filtracyjnej.  W  procesach  biotechnologicznych  używane  są 

następujące aparaty: 

 

prasy filtracyjne, 

 

próżniowe filtry obrotowe, 

 

filtry taśmowe. 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

3

Filtracji  plackowej  poddawane  są  zawiesiny  grzybów  i  drożdży.  W  przypadku  bakterii 

konieczna  jest  ich  wcześniejsza  flokulacja.  Filtracja  plackowa  zawiesin  biologicznych 

sprawia  duże  trudności  ze  względu  na  ściśliwość  osadów  i  ich  małą  przepuszczalność. 

Zastosowanie różnego typu pomocy filtracyjnych (diatomit, perlit, bentonit) zmieniających 

strukturę osadu pozwala zwiększyć przepuszczalność warstwy filtracyjnej. 

 

Filtracja dynamiczna 

Filtracja dynamiczna usuwa niedogodności filtracji plackowej, chociaż pozwala jedynie na 

zagęszczenie zawiesiny bez utworzenia placka. Istota filtracji dynamicznej polega na takim 

ukształtowaniu  ruchu  zawiesiny  względem  przegrody  filtracyjnej,  aby  przeciwdziałać 

wytwarzaniu  się  placka.  Cząsteczki  zawiesiny  nie  przechodzą  jednak  przez  przegrodę 

i pozostają  w  tzw.  "gęstwie”.  Wyróżnia  się  dwie  główne  grupy  metod  filtracji 

dynamicznej: 

 

filtrację  dynamiczną  z  przepływem  krzyżowym  (zawiesina  przepływa  stycznie  do 

przegrody filtracyjnej), 

 

mechaniczną  filtrację  dynamiczną  (wirujące  przegrody  lub  mieszadła  wirujące  nad 

powierzchnią przegrody). 

 

Sedymentacja 

Sedymentacja jest najprostszą metodą rozdzielania zawiesin. Ze względu na małe rozmiary 

komórek  drobnoustrojów  oraz  małą  różnicę  gęstości  między  biomasą  a  cieczą 

pohodowlaną,  niezbędna  jest  agregacja  polegająca  na  utworzeniu  tzw.  „flokuł”.  Jako 

czynniki  flokulujące  biomasę  stosowane  są  sole  nieorganiczne,  hydrokoloidy  oraz 

organiczne polielektrolity.  

 

Podczas  filtracji  plackowej  przepływ  przesączu  przez  warstwę  osadu  ma  charakter 

uwarstwiony i z równania Leva’y wynika następująca zależność: 

l

P

u

η

µ

=

                                                                                                                 (4.1) 

gdzie: 

 prędkość liniowa przesączu, [m/s], 

µ

 

 stała przepuszczalności osadu, [m

2

], 

 grubość warstwy osadu, [m], 

η

 

 współczynnik lepkości dynamicznej przesączu, [Pa

s]. 

 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

4

Wygodniej  jest  operować  szybkością  filtracji  definiowaną  jako  przyrost  strumienia 

objętości  przesączu  V  w  czasie  t  i  stąd  po  pomnożeniu  obu  stron  rów.(4.1)  przez 

powierzchnię warstwy filtrującej F otrzymuje się 

l

P

F

t

V

η

µ

=

d

d

                                                                                                           (4.2)                                       

Oznaczając 

r

=

µ

η

  opór  właściwy  osadu, 

f

R

F

rl

=

  opór  filtracyjny  rów.(4.2)  można 

zapisać jako 

f

d

d

R

P

t

V

=

                                                                                                                 (4.3) 

Całkowity opór R

f

 składa się z oporu przegrody  R

P

 oraz oporu warstwy  osadu R

0

. Wtedy 

rów.(4.3) przyjmuje postać 

0

P

d

d

R

R

P

t

V

+

=

                                                                                                          (4.4) 

Najczęściej w czasie filtracji występuje zmiana przepuszczalności osadu 

µ

, ponieważ pod 

wpływem  ciśnienia  osad  utworzony  na  przegrodzie  filtracyjnej  jest  zgniatany. 

Przepuszczalność osadu 

µ

 można przedstawić jako funkcje zgniotu p następująco: 

s

p

b

=

µ

                                                                                                                    (4.5) 

gdzie:  

b, s 

 stałe dla materiału (warstwy osadu), 

 zgniot równy różnicy ciśnienia P

1

 nad powierzchnią osadu oraz ciśnienia P w danym 

   punkcie przekroju warstwy osadu (rys.4.1). 

 

Rys.4.1.  Rozkład ciśnienia w warstwie osadu 

 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

5

Opór właściwy osadu ściśliwego można więc przedstawić jako 

s

p

b

r

η

=

                                                                                                                   (4.6) 

Stąd dla warstwy osadu o różniczkowej grubości dl i stałej powierzchni filtracyjnej F opór 

filtracyjny jest równy 

l

bF

p

F

l

r

R

s

d

d

d

η

=

=

                                                                                                    (4.7) 

Szybkość  filtracji  dV/dt  jest  taka  sama  w  całej  grubości  osadu,  jak  w  warstwie 

różniczkowej, zatem 

0

0

d

d

d

d

R

P

R

P

t

V

=

=

                                                                                                        (4.8) 

gdzie: 

P

 spadek ciśnienia w całej warstwie osadu, 

R

 opór całej warstwy osadu. 

 

Po wprowadzeniu zależności (4.6) do wzoru (4.7) i uwzględnieniu, że –dp=dotrzymuje 

się równanie różniczkowe  

l

R

P

p

p

Fb

s

d

d

0

0

η

=

                                                                                                     (4.9) 

Całkując w granicach (

l

,

l

 

0

=

) oraz (

0

0

=

=

p

,

P

p

) otrzymuje się wzór 

( )

F

l

P

b

s

R

s

0

0

1

η

=

                                                                                              (4.10) 

określający  całkowity  opór  osadu.  Opór 

R

0

  wzrasta  zatem  liniowo  ze  zwiększaniem  się 

grubości  warstwy  osadu 

l.  Przy  zmiennej  grubości  osadu  zmienia  się  także  prędkość 

filtracji. Masa ciała stałego 

m

0

 w osadzie o porowatości 

ε

 i gęstości 

ρ

wynosi  

(

)

s

0

1

ρ

ε

=

Fl

m

                                                                                                     (4.11) 

Masa ciała stałego m

0

 związana jest z objętością przesączu V następująco 

V

w

m

0

0

=

                                                                                                               (4.12) 

gdzie: 

w

0

 

 masa osadu przypadająca na jednostkę objętości przesączu (w przypadku niezbyt 

   stężonej zawiesiny „w” jest równe jej stężeniu). 

 

Wyznaczając  ze  związków  (4.10)  i  (4.11)  wielkość  l,  po  zastosowaniu  wzorów  (4.11) 

i (4.12) do rów.(4.10) otrzymuje się 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

6

( )

2

0

0

s

0

1

1

F

V

w

P

b

R

s

η

ρ

ε

ε

=

                                                                                (4.13) 

Ponieważ  o  spadku  ciśnienia  najczęściej  decyduje  opór  warstwy  osadu,  wówczas  można 

przyjąć,  że 

P

P

0

.  Oznaczając  stałe  wyrażenia  w  nawiasie  jako  „a”  można  uzależnić 

opór osadu od objętości przesączu. Mianowicie  

2

0

0

F

V

w

P

a

R

s

η

=

                                                                                                 (4.14) 

gdzie:  

(

)

s

1

1

ρ

ε

=

b

s

a

 

Opór tkaniny daje się przedstawić następująco 

F

r

R

η

P

P

=

                                                                                                               (4.15) 

gdzie:    r

P

 

 stała dla danej przegrody filtracyjnej. 

 

Uwzględniając zależności (4.14) i (4.15) w rów.(4.4) uzyskuje się ostatecznie 

+

=

P

0

1

r

F

V

P

aw

P

dt

dV

F

s

η

                                                                                   (4.16) 

Dla filtracji prowadzonej pod stałym ciśnieniem (

= const) po scałkowaniu rów. (4.16) 

można napisać 

P

r

F

P

aw

V

F

t

s

2

P

)

1

(

0

η

η

+

=

                                                                                           (4.17) 

Oznaczając jako stałe filtracyjne następujące wyrażenia                      

( )

η

0

2

1

2

aw

F

P

K

s

=

 

                                                                               (4.18)                                   

w

P

a

F

r

C

s

P

=

 

                                                                         (4.19) 

uzyskuje się ogólne równanie filtracji pod stałym ciśnieniem postaci                                     

Kt

VC

V

=

+

2

2

 

                                                                      (4.20) 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

7

Powyższe  równanie  przedstawia  zależność  objętości  uzyskanego  przesączu  V  od  czasu 

filtracji t. Wartości stałych K i C dla danego układu wyznacza się doświadczalnie na filtrze 

o powierzchni F.  

Dla  zmienionej  powierzchni  filtracji  F

1

  wartości  stałych  K

1

  i  C

1

  można  obliczyć  na 

podstawie zależności                                                                      

2

1

1

=

F

F

K

K

 

                                     (4.21)                             

F

F

C

C

1

1

=

 

                                                                      (4.22) 

Wykonując  zatem  doświadczenie  w  małej  skali  i  wyznaczając  stałe  filtracji,  można  ich 

wartości wykorzystać w projektowaniu aparatów przemysłowych. 

Jeżeli zmianie ulegnie ciśnienie z wartości 

P

 do wartości 

P

1

, wówczas przy obliczaniu 

stałych filtracyjnych konieczna jest znajomość współczynnika ściśliwości osadu s, a nowe 

stałe wynoszą:                                               

s

P

P

K

K

=

1

1

1

 

                                                                                                                                        (4.23)

 

s

P

P

C

C





=

1

1

 

                                                     (4.24) 

Wartości  stałych  K  i  C  wyznacza  się  z  rów.(4.20)  po  uprzednim  przekształceniu  go  do 

postaci 

K

C

V

K

V

t

2

1

+

=

 

                                                            (4.25) 

Wzory  przedstawione  w  tabelkach  są  niezbędne  do  wykonywania  obliczeń  procesu 

filtracji. 

 

 

 

 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

Rys.4.2.  Zależność 

)

(V

f

V

t

=

 

 

Nanosząc dane doświadczalne na rys. 4.2 wyznacza się przebieg prostej, a stąd otrzymuje 

się wartości stałych K i C

 

                                                               

4.2.  Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest  praktyczne  zapoznanie  się  z  procesem  filtracji  zawiesiny  komórek 

drożdży  pod  stałym  ciśnieniem.  Zadaniem  jest  wyznaczenie  stałych  filtracji  K  i  C,  oraz 

współczynnika ściśliwości osadu s

 

 

4.3.  Opis aparatury 

 

Schemat  stanowiska  badawczego  przedstawiono  na  rys.4.3.  Zasadniczą  część  aparatury 

stanowi filtr typu nucza (8) (lejek Buchnera). Filtr zaopatrzony jest w dno sitowe, na które 

nakłada się tkaninę filtracyjną (9). Podciśnienie wytwarzane przez pompkę wodną (1) jest 

odczytywane    na  skali  manometru  (7).  Doprowadzenie  próżni  do  układu  filtracyjnego 

odbywa się poprzez zawór (6). 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

9

  

Rys.4.3.  Schemat aparatury pomiarowej do filtracji 

1 – pompka wodna, 2 – zbiornik wyrównawczy, 3 – trójnik, 4 – zawór regulacji próżni (nr 1),     
5 – trójnik,    6 – zawór odcinający układ filtrujący (nr 2),  7 – manometr, 8 – lejek Buchnera, 
9 – tkanina filtracyjna, 10 – cylinder, 11 – kolba próżniowa.  

 
4.4.  Metodyka pomiarów 
 

Przygotować dwie zawiesiny: 

a) w pojemniku o objętości ok. 200 ml należy odważyć 20 gramów kredy, dodać 60 ml 

wody i wymieszać, 

b) w pojemniku o objętości ok. 400 ml należy odważyć 25 gramów drożdży, dodać 130 

ml wody i wymieszać

 

Następnie: 

1/  zwilżyć  lejek  Buchnera,  w  którym  należy  równo  ułożyć  sączek  filtracyjny  lub  tkaninę 

filtracyjną, 

2/ zawór (4) regulujący ciśnienie powinien być otwarty, 

3/ zawór (6) doprowadzający próżnię do układu powinien być zamknięty, 

4/ włączyć próżnię, przez otwarcie do połowy zaworu wodnego od pompki próżniowej, 

5/ zaworem (4) należy  ustawić  ciśnienie  wskazane przez prowadzącego zajęcia, 

6/ otworzyć  zawór (6)      doprowadzający  próżnię  do  układu,  jeszcze  raz  dobrze 

wymieszać  zawiesinę  z  kredą,  i  wlać  szybko  zawiesinę  drożdży   na  środek  lejka;  gdy 

utworzy się placek filtracyjny a przesączu otrzymamy ok. 35 ml, należy: 

7/ otworzyć zawór (4), 

8/  wylać  z  cylindra  (10)  otrzymany  przesącz  (filtrat),  w  tym  celu  należy  wyjąć  lejek 

Buchnera z kolby próżniowej (11) i wyjąć cylinder, 

9) umieścić pusty cylinder (10) w kolbie próżniowej (11), 

10/ umieścić ponownie lejek Buchnera z plackiem z kredy w kolbie próżniowej (11), 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

10

11/ zaworem (4) ustawić ciśnienie, 

12/  wymieszać  zawiesinę  drożdży  i  szybko  wlać  na  środek  do  lejka  Buchnera, 

jednocześnie należy włączyć sekundomierz i rozpocząć pomiary czasu w jakim otrzymuje 

się kolejne 10 cm

3

 filtratu, filtrację należy prowadzić do otrzymania 100 cm

3

 filtratu; przez 

cały czas trwania procesu filtracyjnego należy utrzymywać stałe ciśnienie, 

13/ wyniki pomiarów umieścić w tabeli 4.1, 

14/  należy  wykonać  filtrację  dla  dwóch  różnych  ciśnień  z  tym,  że  dla  danego  ciśnienia 

próbę  należy  wykonać  dwukrotnie,  a  do  obliczeń  wziąć  wartość  średnią  z  dwóch 

pomiarów. 

 

Tabela 4.1. 

Wyniki pomiarów i obliczeń stałych filtracji 

 

 
 

Nr 

pomiaru 

P = 

[s] 

[m

3

 

[mmHg] 

V

t

 





3

m

s

 

2

V

t

 

6

2

m

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

V

 

 

V

t

 

2

V

t

 

 
 

15/  Po zakończeniu doświadczenia należy: 

- otworzyć zawór (4), 

- zamknąć zawór (6), 

- wyciągnąć filtr z butli, 

- placek filtracyjny wraz z sączkiem wyłożyć na szalkę, 

- płótno filtracyjne wypłukać, 

- lejek wypłukać, 

- płótno założyć na dno filtracyjne . 

 

 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

11

4.5.   Opracowanie wyników 

 

Wyniki  pomiarów  zanotowane  w  tabeli  4.1  wykorzystuje  się  do  sporządzenia  zależności 

graficznej 

)

(V

f

V

t

=

 i obliczenia wartości stałych filtracji C i K według rów.(4.25), meto- 

dą najmniejszych kwadratów. Metoda ta nakazuje wyrównać wyniki pomiarów 

 

  

...

 

...

 ,

,

n

V

t

V

t

V

t

2

1

do  takich  wartości 

  

...

 

,

 

...

 ,

,

'

3

'

'

V

t

V

t

V

t

2

1

aby  suma  kwadra- 

tów błędów 

2

1

i

i

=



n

i

'

V

t

V

t

                                                                                               (4.26) 

była najmniejsza i aby stałe K i C były takie, że układ równań był spełniony 

K

C

V

K

V

t

'

2

1

i

i

+

=

                                                                                                (4.27) 

Po podstawieniu rów.(4.27) do zależności (4.26) otrzymuje się 

(

)

min

K

C

V

K

V

t

K

,

C

f

n

i

=

=

=

2

1

i

i

2

1

                                                          (4.28) 

Należy zatem rozwiązać układ równań 

         

0

=

C

f

                             

0

=

K

f

                                                                        (4.29) 

       

który po uporządkowaniu przyjmie następującą postać: 

        

=

=

=

n

i

n

i

V

Cn

V

t

K

1

1

i

i

2

2

                                                                                 (4.30) 

       

=

=

=

=

n

i

n

i

n

i

t

V

t

C

V

t

K

1

1

i

1

i

2

i

2

2

 

Stosując wzory Cramera wyznacza się zależności określające stałe C i 

∑ ∑ ∑

=

=

=

=

=

=

n

i

n

i

n

i

n

i

n

i

V

t

V

t

n

V

t

V

t

n

K

1

2

1

i

2

i

1

1

1

i

i

i

                                                                            (4.31) 

background image

Procesy rozdzielania w biotechnologii. 

Ć

wiczenie nr 4. 

 

12

=

=

=

=

=

=

=

n

i

n

i

n

i

n

i

n

i

n

i

V

t

V

t

n

V

V

t

V

t

t

C

1

2

1

i

2

i

1

i

1

2

i

1

i

1

i

2

2

                                                               (4.32) 

Korzystając  z  wyznaczonych  stałych  K  i  C  obliczyć  współczynnik  ściśliwości  s  na 

podstawie równań (4.23) i (4.24). 

 

4.6.  Literatura 

1. 

M. Serwiński: Zasady inżynierii chemicznej i procesowej, WNT, Warszawa 1982. 

2. 

W. Bednarski, A. Reps (red.): Biotechnologia żywności. WNT, Warszawa 2001 

3. 

J. Fiedured (red.): Podstawy wybranych procesów biotechnologicznych. Wydawnictwo UMCS, 
Lublin 2004