Как выбрать правильный тип центрифуги: трубчатую, дисковую или горизонтальную винтовую?

I. Центрифугирование — это широко используемый метод концентрирования ферментационной среды. Выбор подходящего оборудования напрямую влияет на коэффициент восстановления клеток, выживаемость клеток и эффективность производства. Трубчатые, дисковые и горизонтальные винтовые центрифуги — три наиболее распространенных типа центрифужного оборудования. Из-за различий в конструкции и принципе работы, сценарии их применения значительно различаются. В данной статье на основе практического опыта и обзора литературы рассматриваются принципы, конструкции и методы выбора этих трех типов центрифуг, что служит справочным материалом для концентрирования ферментационной среды. II. Основной принцип работы всех трех типов центрифуг одинаков: все они используют центробежную силу вместо силы тяжести для быстрого разделения компонентов с различной плотностью (клеток и ферментационной среды). Однако из-за различий в конструкции их эффективность разделения, производительность и области применения различаются.

1. Трубчатые центрифуги характеризуются «высокой скоростью и высоким коэффициентом разделения». В конструктивном отношении трубчатая центрифуга в основном состоит из вращающегося барабана, подающей трубы, переливной трубы, системы передачи и корпуса. Вращающийся барабан представляет собой тонкую трубу малого диаметра (обычно 50-150 мм) и большой длины, эффективно удлиняющую путь разделения жидкости и улучшающую эффект разделения. Принцип работы заключается в том, что жидкость подается в высокоскоростной вращающийся трубчатый барабан через нижний загрузочный патрубок. Скорость вращения барабана может достигать 10 000-25 000 об/мин, создавая чрезвычайно сильную центробежную силу. Это приводит к быстрому оседанию более плотных бактериальных клеток на внутренней стенке барабана, в то время как прозрачная жидкость поднимается вдоль внутренней стенки и выводится через верхнее переливное отверстие, обеспечивая разделение бактериальных клеток и прозрачной жидкости. Трубчатые центрифуги имеют компактную конструкцию, малые габариты и щадящий процесс разделения с минимальным воздействием на выживаемость бактерий. Они подходят для концентрирования ферментационных растворов с низким содержанием твердых веществ (≤5%) и низкой вязкостью, и особенно подходят для сбора высокоактивных бактериальных клеток в пилотном и мелкомасштабном производстве.

2. Дисковые центрифуги являются основным оборудованием для крупномасштабного промышленного производства. В конструктивном отношении их основными компонентами являются вращающийся барабан и дисковый узел. Барабан имеет цилиндрическую форму, внутри него расположены десятки или сотни конических дисков, образующих узкие каналы между ними. Он также оснащен устройством подачи, механизмом удаления шлака и системой передачи. Принцип работы заключается в том, что многослойная структура дисков, расположенных внутри барабана, расширяет площадь разделения и сокращает расстояние осаждения. После того, как подаваемая жидкость попадает в барабан, под действием центробежной силы бактерии оседают вдоль поверхности диска на дно барабана, а чистая жидкость выгружается сверху, обеспечивая непрерывную подачу и непрерывную выгрузку. По сравнению с трубчатыми центрифугами, дисковые центрифуги обладают большей производительностью, более высокой степенью автоматизации, умеренным коэффициентом разделения (3000-10000 об/мин) и мягким сдвиговым усилием. Они могут удовлетворить требованиям непрерывного разделения в крупномасштабных ферментационных средах, обеспечивая при этом выживаемость бактерий. Подходящие для обработки подаваемых жидкостей с содержанием твердых веществ 2%-10%, они являются предпочтительным оборудованием для промышленного производства бактериального порошка.

3. Горизонтальные шнековые центрифуги используют принцип шнековой подачи и непрерывного осаждения. Подаваемая жидкость поступает в высокоскоростной вращающийся барабан через подающую трубу. Под действием центробежной силы бактериальные клетки оседают на внутренней стенке барабана. Шнековый питатель, вращающийся с другой скоростью, чем барабан, проталкивает осевшие бактериальные клетки к выпускному отверстию на коническом конце барабана, в то время как чистая жидкость выводится через переливное отверстие на другом конце барабана, обеспечивая непрерывное разделение и непрерывную выгрузку. Конструктивно горизонтальная шнековая центрифуга состоит из барабана, шнекового питателя, подающего устройства, дифференциального механизма и корпуса. Барабан имеет горизонтальную цилиндрическую форму, цилиндрическую на одном конце и коническую на другом. Шнековый питатель работает с определенной разницей скоростей относительно барабана и отвечает за выгрузку. Его преимуществами являются высокая производительность и способность обрабатывать питательные жидкости с высоким содержанием твердых веществ (5–20%) и большим количеством примесей. Однако сила сдвига относительно высока, что может повлиять на выживаемость бактериальных клеток. Он в основном используется для грубого разделения ферментационных сред или в крупномасштабных производственных сценариях, где требования к активности бактерий не высоки.

III. Итак, как выбрать между этими тремя типами центрифуг? Выбор оборудования должен основываться на масштабе производства, характеристиках подаваемой жидкости и требованиях к защите от спор, с учетом особенностей трех типов оборудования. Для мелкомасштабного лабораторного или опытно-промышленного производства, если требуется высокая выживаемость бактерий и обработка жидкости с низким содержанием твердых веществ, предпочтительны трубчатые центрифуги, которые могут быть объединены с системой охлаждения (4 °C) для дополнительной защиты бактерий. Для крупномасштабного промышленного производства, если требуется непрерывная работа и обработка жидкости со средним содержанием твердых веществ, предпочтительны дисковые центрифуги, обеспечивающие баланс между эффективностью и активностью бактерий. Если подаваемая жидкость содержит много примесей и имеет высокое содержание твердых веществ, а требования к выживаемости бактерий невысоки, для снижения затрат на обработку можно использовать горизонтальные шнековые центрифуги.