I. La centrifugazione è un metodo comunemente utilizzato per la concentrazione del brodo di fermentazione. La scelta dell'apparecchiatura appropriata influisce direttamente sul tasso di recupero cellulare, sul tasso di sopravvivenza cellulare e sull'efficienza produttiva. Le centrifughe tubolari, a dischi e a vite orizzontale sono i tre tipi di centrifuga più comunemente utilizzati. A causa delle differenze di struttura e principio di funzionamento, i loro scenari di applicazione variano significativamente. Questo articolo illustra i principi, le strutture e i metodi di selezione di questi tre tipi di centrifughe, basandosi sull'esperienza pratica e sulla revisione della letteratura, fornendo un riferimento per la concentrazione del brodo di fermentazione.
II. Il principio di funzionamento fondamentale dei tre tipi di centrifughe è lo stesso: tutte utilizzano la forza centrifuga anziché la gravità per separare rapidamente componenti con densità diverse (cellule e brodo di fermentazione). Tuttavia, a causa delle differenze nella progettazione strutturale, la loro efficienza di separazione, la capacità di lavorazione e gli scenari di applicazione differiscono.
1. Le centrifughe tubolari sono caratterizzate da "alta velocità e alto fattore di separazione". Strutturalmente, una centrifuga tubolare è composta principalmente da un tamburo rotante, un tubo di alimentazione, un tubo di troppo pieno, un sistema di trasmissione e un involucro. Il tamburo rotante è un tubo sottile con un piccolo diametro (tipicamente 50-150 mm) e una lunghezza considerevole, che estende efficacemente il percorso di separazione del liquido e migliora l'effetto di separazione. Il principio di funzionamento si basa sull'alimentazione del liquido nel tamburo tubolare rotante ad alta velocità dall'ingresso inferiore. La velocità del tamburo può raggiungere i 10.000-25.000 giri/min, generando una forza centrifuga estremamente elevata. Questo processo fa sì che le cellule batteriche più dense si depositino rapidamente sulla parete interna del tamburo, mentre il liquido limpido sale lungo la parete interna e viene scaricato dall'apertura di troppo pieno superiore, consentendo la separazione delle cellule batteriche dal liquido limpido. Le centrifughe tubolari hanno una struttura compatta, un ingombro ridotto e un processo di separazione delicato con un impatto minimo sul tasso di sopravvivenza batterica. Sono adatte per la concentrazione di brodi di fermentazione con basso contenuto di solidi (≤5%) e bassa viscosità, e sono particolarmente indicate per la raccolta di cellule batteriche altamente attive nella produzione su scala pilota e su piccola scala.
2. Le centrifughe a dischi sono le apparecchiature più diffuse nella produzione industriale su larga scala. Strutturalmente, i loro componenti principali sono il tamburo rotante e il gruppo di dischi. Il tamburo è cilindrico, con decine o centinaia di dischi conici impilati al suo interno, che formano stretti canali tra di loro. È inoltre dotato di un dispositivo di alimentazione, un meccanismo di scarico delle scorie e un sistema di trasmissione. Il principio si basa sul fatto che i molteplici strati di dischi impilati all'interno del tamburo aumentano la superficie di separazione e riducono la distanza di sedimentazione. Dopo che il liquido di alimentazione entra nel tamburo, per azione della forza centrifuga, i batteri si depositano lungo la superficie del disco sul fondo del tamburo, mentre il liquido limpido viene scaricato dall'alto, consentendo un'alimentazione e uno scarico continui. Rispetto alle centrifughe tubolari, le centrifughe a disco hanno una maggiore capacità di lavorazione, un grado di automazione più elevato, un fattore di separazione moderato (3000-10000 giri/min) e una forza di taglio ridotta. Possono soddisfare i requisiti di separazione continua di brodi di fermentazione su larga scala, garantendo al contempo un'elevata percentuale di sopravvivenza batterica. Adatte al trattamento di liquidi di alimentazione con un contenuto di solidi compreso tra il 2% e il 10%, sono le apparecchiature preferite per la produzione industriale di polvere batterica.
3. Le centrifughe a vite orizzontali utilizzano il principio dell'alimentazione a vite e della sedimentazione continua. Il liquido di alimentazione entra nel tamburo rotante ad alta velocità attraverso il tubo di alimentazione. Per azione della forza centrifuga, le cellule batteriche si depositano sulla parete interna del tamburo. La coclea, ruotando a una velocità diversa rispetto al tamburo, spinge le cellule batteriche sedimentate verso l'orifizio di scarico all'estremità conica del tamburo, mentre il liquido limpido viene scaricato dall'orifizio di troppopieno all'altra estremità, garantendo una separazione e uno scarico continui. Strutturalmente, una centrifuga a coclea orizzontale è composta da un tamburo, una coclea, un dispositivo di alimentazione, un differenziale e un involucro. Il tamburo ha una forma cilindrica orizzontale, cilindrica a un'estremità e conica all'altra. La coclea ruota a una certa velocità rispetto al tamburo ed è responsabile dello scarico. I suoi vantaggi includono un'elevata portata e la capacità di trattare liquidi di alimentazione ad alto contenuto di solidi (5%-20%) con molte impurità. Tuttavia, la forza di taglio è relativamente elevata, il che può influire sul tasso di sopravvivenza delle cellule batteriche. Viene utilizzata principalmente per la separazione grossolana di brodi di fermentazione o in scenari di produzione su larga scala in cui il requisito di attività batterica non è elevato.
III. Quindi, come scegliere tra questi tre tipi di centrifughe? La scelta della centrifuga deve basarsi sulla scala di produzione, sulle caratteristiche del liquido di alimentazione e sui requisiti di protezione delle spore, tenendo conto delle caratteristiche dei tre tipi di apparecchiatura. Per la produzione su piccola scala in laboratorio o su scala pilota, se si desidera un'elevata percentuale di sopravvivenza batterica e la lavorazione di liquidi di alimentazione a basso contenuto di solidi, sono preferibili le centrifughe tubolari, che possono essere abbinate a un sistema di refrigerazione (4 °C) per proteggere ulteriormente i batteri. Per la produzione industriale su larga scala, se è richiesto un funzionamento continuo e si devono lavorare liquidi di alimentazione a medio contenuto di solidi, sono preferibili le centrifughe a dischi, che rappresentano un buon compromesso tra efficienza e attività batterica. Se il liquido di alimentazione contiene molte impurità e ha un elevato contenuto di solidi, e il requisito di una percentuale di sopravvivenza batterica non è elevato, è possibile utilizzare centrifughe a vite orizzontali per ridurre i costi di lavorazione.
