Для преодоления отмеченных ранее трудностей осаждения скорость осаждения клеток усиливают, помещая суспензию в поле центробежных сил. Центрифуги и сепараторы, которые это поле создают, часто называют осадительными.

На частицу в центробежном поле действует центробежная сила F_Ц:
 (13.1)
где r – радиус частиц; ρ_Ч и ρ_ж – плотность частицы и жидкости соответственно; ω – угловая скорость; R – радиус вращения частицы вокруг оси центрифуги.

Сила сопротивления среды Fc определяется согласно закону Стокса:
 (13.2)
где η – динамическая вязкость жидкости; Ʋ – скорость движения частицы относительно жидкости.

Приравнивая эти силы, получаем:
 (13.3)

Итак, чем больше скорость вращения центрифуги и ее радиус и чем больше разность плотностей жидкости и частицы, тем быстрее происходит осаждение. Вязкость жидкости снижает скорость осаждения.

Разные типы центрифуг оценивают по так называемому фактору разделения Ф_Р, показывающему, во сколько раз ускорение центробежного поля больше ускорения свободного падения g:

 (13.4)

У обычных центрифуг этот фактор составляет до 3500, а у суперцентрифуг выше – 5000–7000. Ультрацентрифуги могут иметь Ф_Р до 20000.

Скорость вращения барабана варьируется от 3000 до 30 000 об/мин.

Существенным показателем работы центрифуги является индекс производительности Σ:

Σ = F_ocФ_Р, (13.5)

где F_oc – площадь цилиндрической поверхности осаждения.

Скорость свободного осаждения Ʋ₀ связана со скоростью осаждения в центробежном поле соотношением
Ʋ₀ = Ʋ/Φh_p, (13.6)
или
 (13.7)

Общая производительность центрифуги определяется соотношением
Q_X = Ʋ₀Σ. (13.8)

В этом уравнении член Σ характеризует свойства центрифуги (суммарную поверхность осаждения, умноженную на суммарный фактор разделения). Его следует определять экспериментально для заданной скорости вращения центрифуги.

Величина υ0 характеризует приведенную скорость свободного осаждения и зависит только от свойств жидкости. Ее лучше определять экспериментально на центрифуге с известной величиной Σ (например, на лабораторной стаканчиковой).

Рассчитывать Ʋ₀ исходя из свойств жидкости нецелесообразно, так как обычно различаются размеры и плотность частиц, да и вязкость жидкости.

Рассмотрим теперь конструкцию наиболее распространенного в биотехнологии тарельчатого сепаратора (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Принципиальная схема центробежного сепаратора:
1 – полый вал; 2– корпус; 3– коническая тарелка; 4 – слой осадка;
I – вход жидкости; II – выход жидкости; III – выход сгущенной биомассы

Этот сепаратор изобрел шведский ученый Густав де Лаваль в 1896 г. Сепараторы выпускает известная в биотехнологической промышленности фирма, которая так и называется – «Альфа Лаваль».

Сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем пакетом вращающихся с валом конических тарелок, находящихся одна над другой так, что образуется коническое пространство. Жидкость входит по полому валу под нижней тарелкой и доходит до внешнего цилиндрического края корпуса. Далее она движется между коническими тарелками к центробежному коллектору, из которого осуществляется выход жидкости.

В процессе этого движения частицы биомассы отбрасываются по направлению от центра вращения и сползают по коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в конечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.

В корпусе расположены сопла, из которых под большим давлением происходит выгрузка сгущенной биомассы.

Существуют различные модификации подобных сепараторов, в том числе с ручной, а также механизированной циклической и непрерывной выгрузкой осадка.

В целом такая конструкция увеличивает время пребывания частиц в сепараторе и тем самым его производительность.

Преимущества центробежных сепараторов:

• высокая производительность;
• хорошая степень концентрирования (до 10–15); достигается концентрация биомассы 5–15 % по сухой массе;
• возможность повышения скорости сепарирования предварительной обработкой жидкости флокулянтами.

Недостатки:

• сложность оборудования;
• энергоемкость процесса (хотя по сравнению с выпаркой затраты энергии все же меньше).