Седиментация

 

Если под влиянием многозарядных катионов или внеклеточных полимеров клетки легко образуют коагулирующие скопления или хлопья, то биомассу можно отделять седиментацией. Этот очень дешевый способ разделения используется для обеспечения рециркуляции биомассы в процессах биологической переработки отходов методом активного ила (гл. 14). Кроме того, именно из-за простоты и дешевизны отделения биомассы в пивоварении и производстве белка одноклеточных организмов используют штаммы дрожжей, обладающие высокой склонностью к флокуляции. Механизм оседания и уплотнения биомассы при седиментации не вполне понятен. В отличие от изолированной частицы, скорость оседания которой не зависит от концентрации, суспендированные твердые вещества осаждаются тем медленнее, чем выше их концентрация в суспензии [уравнение (11.3)].

РИС. 11.7. а — скорость осаждения активного ила (снижения границы раздела фаз), образующегося в аэробном процессе, б — зависимость объема осадка активного ила (образующегося при росте на смеси субстратов) от продолжительности центрифугирования на лабораторной центрифуге. Здесь Z — фактор разделения, равный r₀w²/g [Из работы; Weissman U., Binder H., Biomass Separation from Liquids by SedimeHtation and Centrifugation, in Adv. Biochem. Eng., Fiechter A. (ed.), vol. 24, p. 119, Springer-Verlag, Berlin, 1982.]

 

Например, граница, разделяющая бесклеточную и содержащую клетки жидкие фазы, движется вниз со скоростью, которую часто можно описать уравнением

(11.5)

Когда концентрация клеток достигнет достаточно большой величины c_max, дальнейшее оседание происходит с пренебрежимо малой скоростью, что подтверждается поведением активного ила, содержащего как различные микроорганизмы, так и внеклеточные полисахариды (рис. 11.7, а). Осажденную биомассу можно далее обезводить центрифугированием или фильтрованием; центрифугирование также характеризуется максимально достижимой (зависящей от центробежной силы) концентрацией биомассы (рис. 11.7,6).

РИС. 11.8. Содержание воды в активном иле. При концентрации твердых веществ 0,6% содержание внутриклеточной воды равно 2,7%, капиллярной (внеклеточной) воды 1,7%, внеклеточной воды, находящейся в скоплениях клеток, 21% и свободной воды 74% от общего объема суспензии. Легче всего отделяется свободная вода, а удаление воды из скоплений клеток, капилляров и внутриклеточного пространства становится все более и более затруднительным. [Из работы; Weissman U., Binder Н., Biomass Separation from Liquids by Sedimentation and Centrifugation, in Adv. Biochem. Eng., Fiechter A. (ed.), vol. 24, p. 119, Springer-Verlag, Berlin, 1982.]

 

Фактор разделения Z определяют как r₀w²/g, где r₀ — радиус ротора центрифуги, w — угловая скорость ротора, а g — ускорение силы тяжести.

При выборе конкретной операции выделения важно учитывать степень обезвоживания, достигаемую при седиментации, центрифугировании, фильтровании и сушке. Как показано на рис. 11.8, содержащаяся в суспензии клеток вода складывается из свободной воды и воды, находящейся в скоплениях клеток, капиллярах, внутри клеток и в твердом остатке. Свободная вода отделяется при седиментации биомассы, а при последующем старении полученного таким путем осадка происходит частичная потеря воды, содержащейся в скоплениях клеток. Центрифугирование при Z = 3000 позволяет удалить всю воду, содержащуюся в скоплениях клеток, и приводит к образованию осадка с 5% воды. Дальнейшее обезвоживание (удаление капиллярной воды) возможно только с помощью небольших лабораторных центрифуг, а внутриклеточную воду можно удалить высушиванием только после лизиса клеток. Аппараты с наклонными трубками или узкими каналами позволяют повысить скорость седиментации благодаря вторичному эффекту (эффекту Бойкотта), способствующему быстрому осветлению жидкой фазы в верхней части канала или трубки.