Фильтрация – это задержание взвешенных частиц сетчатой (тканевой) или пористой перегородкой. Движущей силой является разность давлений, вызывающая протекание жидкости (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Схема фильтрации культуральной жидкости
через ситовую перегородку:
1 – клетки и агломераты микроорганизмов;
2 – ситовая фильтрующая перегородка;
I– культуральная жидкость; II – фильтрат

При обычной фильтрации задерживаются частицы, величина которых больше размеров пор. Такая фильтрация называется «ситовой», и используется она при малом количестве взвешенных частиц, для осветления жидкости. Через какое-то время вся поверхность «сита» закрывается микроорганизмами, и фильтрация прекращается.

Обычно же при фильтрации микроорганизмов используют фильтры, размер пор которых больше размера микроорганизмов. В этом случае фильтрация происходит через слой осадка (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Схема фильтрации культуральной жидкости через слой осадка:
1 – слой осадка; 2 – фильтрующая перегородка;
I – культуральная жидкость; II – фильтрат

Сначала клетки микроорганизмов могут «проскакивать» через поры ткани. Затем на поверхности образуется слой осадка, и фактически фильтрование идет через него. По мере фильтрации все время возрастает толщина слоя осадка.

Уравнение Пуазейля определяет основные закономерности фильтрации:
 (13.9)
где F – поверхность фильтрации; V– объем суспензии, подаваемой на фильтрацию; ΔP – перепад давления на фильтровальной перегородке; η – динамическая вязкость жидкости; r_ос – коэффициент сопротивления осадка; m_ос – концентрация осадка во входящей на фильтр суспензии (для биомассы совпадает с X); r_{ф п} – коэффициент сопротивления фильтровальной перегородки.

В ходе фильтрования возрастает объем жидкости, прошедшей через фильтр, знаменатель выражения (13.9) возрастает, а скорость фильтрации падает.

Из уравнения видно, что скорость фильтрации можно увеличить путем повышения перепада давления. Однако для биологических суспензий это не так. Дело в том, что рыхлая структура слоя осадка даже при незначительном превышении оптимального перепада давления нарушается и образуется плотная «лепешка», плохо пропускающая жидкость. Такие системы называются системами со сжимаемым осадком. Важно удержаться от соблазна поднять давление: кратковременное повышение производительности фильтра, достигнутое благодаря увеличению разности давлений, обычно сопровождается последующим катастрофическим падением производительности.

Для улучшения скорости фильтрации в биотехнологии часто используют фильтровальные порошки для организации фильтрования через намывной слой порошка (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Схема фильтрации культуральной жидкости
через намывной слой фильтровального порошка:
1 – гранулы фильтровального порошка с осажденными
на них клетками микроорганизмов;
I – культуральная жидкость; Il – фильтрат

Частицы порошка (кизельгур, перлит, диатомит) имеют размеры больше клеток микроорганизмов, но после «намывки» создают объемный слой с системой пор. Суспензия, проходя через этот слой, оставляет биомассу микроорганизмов на частицах порошка.

Коэффициент сопротивления осадка при этом снижается в десятки раз, что позволяет фильтровать труднофильтруемые жидкости.

Барабанные вакуум-фильтры. В них непрерывно осуществляется снятие внешнего тонкого намывного слоя с осевшим осадком, что постоянно обновляет фильтровальную поверхность.

Лучше всего для работы с намывным слоем подходит барабанный вакуум-фильтр, в котором непрерывно проходят последовательные операции фильтрации, подсушки, промывки и отделения осадка, а также регенерации ткани и намывного слоя осадка.

Как и при отстаивании, обработка жидкости перед фильтрацией повышает скорость фильтрации. В биотехнологии используют следующие способы обработки:

• тепловая коагуляция (нагрев жидкости с частичной инактивацией целевого продукта);
• кислая коагуляция (подкисление жидкости, что также часто неблагоприятно влияет на целевой продукт и вызывает его потери);
• реагентная коагуляция (солями железа, алюминия);
• флокуляция (полиэлектролитами);
• добавление наполнителей (порошков, образующих зерна, или ионов, образующих нерастворимые осадки с веществами, растворенными в суспензии).

Назовем преимущества и недостатки фильтрации через намывной слой порошка по сравнению с отстаиванием или сепарацией.

Преимущества. С помощью фильтрации получают более обезвоженные осадки (20–40 % по сухой массе), чем при отстаивании или сепарации.

Недостатки. Проблематично использовать фильтрацию с намывным слоем, если целевым продуктом является сама биомасса или внутриклеточные продукты из нее. Даже если целевой продукт находится в фильтрате, возникает проблема утилизации загрязненного биомассой порошка. Скармливать животным перлит, диатомит нежелательно. Регенерировать порошки отжигом биомассы в печах можно, но это энергоемко и при этом часто нарушаются фильтровальные свойства порошков. Если использовать более мягкие порошки (отруби, древесную муку), то осадок с биомассой можно использовать как корм. Однако эти порошки имеют худшие фильтровальные свойства.

Осветляющие фильтры. Эта модификация служит для отделения твердой фазы (мути) от суспензий, содержащих малое количество твердых частиц. Но и это малое количество в готовом продукте или полупродукте иметь нежелательно.

Мы ранее уже говорили о ситовых фильтрах (размеры пор меньше размеров твердых частиц). Вот такие фильтры здесь чаще всего и применяются – другие не работают: слишком долго приходится ждать, когда твердые частицы образуют слой осадка. Обычно используют пластинчатые фильтры: микрофильтрационные, если размеры частиц 0,1 –10 мкм, ультрафильтрационные, если размеры частиц 10–100 нм.

Мы уже упоминали о недостатках обычного способа ситовой фильтрации, при которой направление потока жидкости перпендикулярно фильтровальной перегородке (или совпадает с направлением фильтрации) (см. рис. 13.4). В этом случае довольно быстро происходит забивание пор перегородки твердыми частицами осадка, и скорость фильтрации сначала уменьшается, а затем фильтрация и вовсе прекращается. Регенерация забитых мембран довольно сложна.

Этих недостатков лишены фильтры, в которых направление потока жидкости параллельно фильтровальной перегородке (перпендикулярно направлению фильтрации) (рис. 13.7). В этом случае значительно снижается опасность забивания пор фильтровальной перегородки.

Рис. 13.7. Схема фильтрации, перпендикулярной направлению потока фильтруемой жидкости:
1 – микрофильтрационная мембрана; I – культуральная жидкость- концентрат; II – пермеат

Скорость потока жидкости в первом варианте равна скорости фильтрации. Во втором же варианте скорость потока суспензии значительно больше скорости потока фильтрата. Технически это требует создания контура циркуляции суспензии.

Такой прием позволяет повышать концентрацию микроорганизмов до 10 % и при этом продолжать микрофильтрацию.

Конструкции и материалы, из которых изготовлены подобного рода фильтры, могут быть различными, но для промышленности наиболее привлекательны металлокераминеские. Они регенерируются обратным потоком фильтрата (подачей давления в обратном направлении к перегородке) и позволяют проводить тепловую стерилизацию.