Реферат
по теме: «Технология и аппаратура флотации. Применение флотации в производстве кормовых дрожжей.»
По дисциплине: «Методы выделения биотехнологических продуктов»
Студент
группы Х-470007 Вельможина Е.Н.
Преподаватель
доцент, к.х.н. Берсенева В.С.
Екатеринбург
Оглавление
Основные понятия. 3
История теории флотации. 3
Области применения. 3
Методы флотации. 4
Флотационные реагенты.. 7
Флотационная машина. 9
Применение флотации в производстве кормовых дрожжей. 12
Заключение. 16
Список литературы.. 17
Основные понятия
Флотация (франц. flottation, от flotter – плавать) – процесс разделения мелких твердых частиц, основанный на различии их в смачиваемости водой. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.
История теории флотации
В развитии теории флотации важную роль сыграли основные положения процесса смачивания и положение о гидрофильности и гидрофобности. Положение о смачивании было впервые сформулировано русским физикохимиком И.С. Громекой в конце XIX века, а второе положение – Л.Г. Гурвичем в начале XX века.
Области применения
Флотация известна как один из основных методов обогащения полезных ископаемых. А также она применяется для очистки воды от органических веществ и твердых взвесей, разделения смесей и ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности. В биотехнологии флотация наиболее интересна как метод выделения в микробиологической промышленности: способ концентрирования при производстве дрожжей.
Методы флотации
В зависимости от характера и способа образования межфазных границ, на которых происходит закрепление разделяемых компонентов, различают несколько видов флотации:
· масляная флотация;
· пленочная флотация;
· пенная флотация;
· флотация твердой стенкой.
Масляная флотация была предложена первой. В. Хайнсу (Великобритания) в 1860 году был выдан патент №488. В процессе масляной флотации, при перемешивании, например, руды с маслом, частицы минерала, смачиваемые маслом, прилипают к капелькам масла и выносятся наверх, тогда как частицы (кварц, полевые шпаты), смачиваемые водой, остаются в пульпе. В начале XX-го века так получали концентраты из графитовых и марганцевых руд.
При пленочной флотации минеральные частицы тонким слоем наносятся на движущуюся поверхность воды. Частицы, хорошо смачиваемые водой, тонут, а другие, хуже смачиваемые, остаются на поверхности воды и собираются. Было замечено, что пленочная флотация проходит значительно эффективнее в присутствие небольших количеств масла, тогда впервые стали говорить об использовании флотационных реагентов. Пленочная флотация была создана А. Нибелиусом (США, 1892) и А. Мак-Куистеном (Великобритания, 1904), но не имела широкого практического применения. Зато она стала прообразом пенной флотации, как с точки зрения использования межфазной границы вода-воздух, так и с точки зрения использования флотационных реагентов.
При пенной флотации минеральные частицы определенного состава, обработанные реагентами, прилипают к пузырькам воздуха, поднимающимся в водной суспензии данного минерала. Прилипающие частицы уносятся в поверхностный слой пульпы, где образующаяся пена с частицами минерала снимается и разрушается. Устойчивость пенного слоя регулируют добавлением пенообразователей. Частицы другого состава не прилипают к пузырькам и остаются в пульпе.
Для образования пузырьков предлагались различные методы:
· образование углекислого газа за счет химической реакции (С. Поттер, США, 1902);
· выделение газа из раствора при пониженном давлении – вакуумная флотация (Ф. Элмор, Великобритания, 1906);
· энергичное перемешивание пульпы – механическая флотация;
· пропускание воздуха сквозь мелкие отверстия – пневматическая флотация.
Продолжая классификацию по методам образования пузырьков, стоит рассказать об электрофлотации. Электрофлотация – перспективный метод для применения в химической промышленности, заключается во всплытии на поверхности жидкости дисперсных загрязнений за счет выделения электролитических газов и флотационного эффекта. То есть тонкодисперсные пузырьки получают при электролитическом разложении воды с образованием газообразного кислорода и водорода (на катоде – водород, на аноде – кислород).
Еще одним методом флотации является ионная флотация. Метод ионной флотации используется для очистки воды, а также извлечения компонентов из разбавленных растворов. В основе метода лежит использование в качестве реагентов-собирателей поверхностно-активных веществ. Извлекаемый ион (коллигенд) образует с ПАВ соединение (сублат), которое концентрируется на поверхности всплывающих пузырьков и выносится в пену. Для ионной флотации характерен небольшой слой неустойчивой пены, в верхних слоях которой образуется так называемая пенка (твердый гидрофобный продукт, состоящий в основном из сублата).
В ионной флотации возможно два механизма:
· адсорбционный – концентрирование сублата на поверхности пузырьков происходит в результате адсорбции;
· адгезионный – сублат образует осадок, т.е. новую фазу, частицы которой прилипают к всплывающим пузырькам.
В случае адсобрционного механизма раствор после введения реагента-собирателя остается гомогенным, а при адгезионном – становится гетерогенной двухфазной системой. Второй метод является предпочтительным, потому что извлечение на уровне 90-99% может быть достигнуто за время от долей минуты до нескольких минут. Поэтому целесообразно использовать в качестве реагентов-собирателей ПАВ, образующие с коллигендом труднорастворимые соединения. Кроме того, при правильном выборе ПАВ его остаточная концентрация в отработанном растворе ионной флотации составляет несколько мг/л, что говорит о необходимости очистки, т.к. предельно допустимые концентрации ионогенных ПАВ десятые-сотые доли мг/л.
Ионная флотация является перспективным методом для использования в промышленности: она эффективна при относительно низких исходных концентрациях металла и имеет высокую скорость процесса. Используется, соответственно, для извлечения молибдена, вольфрама, скандия, германия, рения и золота, а также для выделения металлов из относительно бедных растворов.
При флотации твердой стенкой в пульпу вводится твердая поверхность, обработанная специальными реагентами, к которой избирательно прилипают частицы определенного минерального состава, тогда как другие частицы остаются в пульпе. Идеей создания такого метода флотации послужил серьезный побочный процесс во флотационных машинах – осаждение гидрофобных частиц на стенках и особенно деревянных деталях.
Флотационные реагенты
Флотационные реагенты применяются для усиления разницы в гидратированности разделяемых частиц и придания пене достаточной устойчивости при пенной флотации.
В соответствии с назначением и механизмом действия реагенты делятся на следующие типы:
· собиратели (коллекторы);
· пенообразователи;
· депрессоры;
· активаторы;
· регуляторы среды.
Собиратели предназначены для повышения гидрофобности, в частном случае, минералов. Механизм действия собирателей основан на физической адсорбции аполярных веществ за счет действия молекулярных сил (сил Ван-дер-ваальса). Собиратели концентрируются на поверхности раздела жидкость-твердая фаза. Молекулы собирателя обычно состоят из двух частей – углеводородной (неполярной) и карбоксильной или аминогруппы (полярной). При этом радикал обращен в жидкую фазу, полярная группа – к минералу.
Рис. 1 Закрепление собирателя на поверхности минерала
Для руд, например, в качестве собирателей применяются гетерополярные соединения – ксантогенаты с различной длиной углеводородного радикала R, имеющие общую формулу ROCS2Me. Ксантогенаты, аэрофлоты, жирные кислоты и их соли, алкилсульфаты являются анионными собирателями, а высшие жирные амины и их соли – катионными.
Пенообразователи предназначены для диспергирования (дробления) и стабилизации воздушных пузырьков. Механизм действия пенообразователя основан на снижении поверхностного натяжения на границе жидкость-газ. Кроме того, пенообразователь снижает коалесценцию (слияние) воздушных пузырьков.
Характерные представители пенообразователей – спирты, имеющие гетерополярную структуру молекулы типа R-OH. Пенообразователи концентрируются на границе раздела жидкость-газ. При этом полярная часть молекулы (гидроксильная группа) направлена в жидкую фазу, а аполярная (углеводородный радикал) – в газообразную.
Рис. 2 Концентрация молекул пенообразователя на границе раздела жидкость-газ
Депрессоры предназначены для подавления гидрофобных свойств минералов, а активаторы, напротив, для восстановления гидрофобных свойств ранее депрессированных минералов.
Регуляторы среды применяются для создания определенной кислотности (щелочности) флотационной среды.
Флотационная машина
Флотационной называется машина для проведения флотации, представляющее собой устройство для разделения взвешенных в жидкости относительно мелких твердых частиц по их способности прилипать к вводимым в суспензию газовым пузырькам или каплям масла. В основу классификации флотационных машин на отдельные конструктивные типы положен способ аэрации и перемешивания пульпы. По этому признаку все аппараты подразделяются на три группы:
· механические машины;
· пневмомеханические машины;
· пневматические машины.
В механической флотационной машине аэрацию и перемешивание пульпы осуществляет аэратор, всасывая необходимый для флотации воздух непосредственно из атмосферы. В зависимости от конструкции аэратора машины классифицируются на импе̓ллерные[1], эжекторные и кипящего слоя.
Пневмомеханические машины – машины, в камере которых аэрацию и перемешивание пульпы осуществляет аэратор, питаемый сжатым воздухом от внешнего источника. По типу аэратора машины классифицируются на импеллерные и вибрационные.
На рисунке 3 показано, что сжатый воздух подается в камеру 1 через радиальные отверстия полого вала 3 в подымпеллерную зону пальчикового аэратора 2. Пневмомеханические блоки не приспособлены для приема циркулирующих продуктов.
Рис. 3 Пневмомеханическая флотационная машина (1 - камера, 2 - аэратор, 3 - полый вал, 4 - статор, 5 - трубопровод)
Пневматическая флотационная машина – машина, в которой аэрация и перемешивание пульпы осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от внешнего источника. Пневматические флотационные машины в основном представлены аэролифтными машинами и машинами пенной сепарации.
Аэролифтная машина – пневматическая флотационная машина, в которой сжатый воздух подается в неподвижное аэролифтное устройство. На рисунке 4 представлена глубокая аэролифтная машина корытного типа, имеющая по всей длине аэрационное отделение 1 и флотационные отделения 2, ограниченные перегородками 5. От продольного воздушного коллектора в машину выведены вертикальные патрубки 3, имеющие на концах резиновые наконечники 4, которые являются простыми клапанами, предотвращающими попадание в патрубки пульпы после остановки подачи сжатого воздуха и их засорение.
Рис. 4 Глубокая аэролифтная машина: а - разрез, б - резиновый наконечник (клапан)
Сжатый воздух, выходящий из патрубков, проходит более половины аэрационного отделения сплошной струей или в виде воздушных пробок и лишь затем распадается на крупные пузырьки. Мелкие пузырьки получаются также в вихревых потоках, создаваемых перегородками 6.
К пневматическим машинам относятся также простой одноступенчатый флотатор, работающий по методу пенной флотации.
Рис. 5 Схемы пенных (пневматических) флотаторов: 1 - корпус, 2 и 5 - аэраторы, 3 - штуцер отработанной жидкости, 4 - штуцер для отвода концентрата
Кроме описанных выше трех видов флотационных машин существуют еще: вакуумные, компрессорные, электрофлотационные, центробежные машины и флотационные машины со струйным аэрированием жидкости.
Рис. 6 Схемы электрофлотаторов:
1 - камера, 2 и 3 - электроды, 4 - ввод культуральной жидкости, 5 - вывод отработанной жидкости, 6 - отвод концентрата, 7 - пеносъемник
Конструкции электрофлотаторов, представленные на рисунке 6, являются перспективными аппаратами для концентрирования микроорганизмов. Ранее уже описывался процесс электрофлотации, стоит только отметить, что данный метод позволяет извлекать гидрофобные частицы без применения реагентов-собирателей.
Применение флотации в производстве кормовых дрожжей
В микробиологической промышленности процесс флотации наиболее интересен как метод выделения. Например, он широко используется в производстве кормовых дрожжей.
Кормовые дрожжи – биомасса дрожжей на основе растительных и нерастительных субстратов, применяемая в корм сельскохозяйственным животным и другим зверям, птицам и рыбам. В качестве растительного сырья используют отходы целлюлозно-бумажного и крахмало-паточного производства, в качестве нерастительного – нефтяные фракции.
Производство кормовых дрожжей начинается традиционно с получения посевного материала, приготовления питательной среды и сопровождается выращиваем дрожжей, т.е. процессом ферментации. Следующий этап – выделение дрожжевых клеток, их концентрирование. Именно на этом этапе производства и используется в том числе и флотационный способ.
В дрожжевой суспензии, получаемой из дрожжерастительного аппарата, содержится от 20 до 40 г/л дрожжей. Влажность исходных дрожжей достигает 75%, тогда как влажность конечного продукта не должна превышать 10%. Для этого применяют следующую технологическую схему: флотирование, сепарирование, упаривание и сушка дрожжей.
Обязательным условием флотации дрожжевых культур является достаточность их флотирующей способности, которая напрямую зависит от физиологического состояния клеток, в том числе: расы дрожжей, размера клеток, наличия конгломератов. Для получения хорошего эффекта от флотационного выделения необходима большая поверхность контакта фаз (дрожжевые клетки – воздух), для чего требуется очень мелкое диспергирование воздуха.
Флотационные аппараты, применяемые в микробиологической промышленности, выполняются в нескольких вариантах:
· горизонтальные конические;
· вертикальные цилиндрические;
· одноступенчатые с внутренним стаканом;
· двухступенчатые.
Наиболее простой конструкцией обладает типовой одноступенчатый флотатор.
Рис. 7 Одноступенчатый флотатор
(1 - корпус, 2 - внутренний стакан, 3 - встроенный карман, 4 - аэраторы, 5 и 8 - механический пеногаситель, 6 - патрубок ввода дрожжей суспензии, 7 – насос)
Аппарат состоит из наружного корпуса аппарата и пеносборником делится на ряд секций (I-V) с помощью перегородок. В секциях II-V установлены аэраторы 4. Пена гасится механическим способом с помощью пеногасителя 5 и 8. Отработанная культуральная жидкость выводится через встроенный карман, служащий гидрозатвором.
Исходная дрожжевая суспензия из дрожжерастительного аппарата через патрубок 6 поступает в I секцию флотатора, где извлекается до 80% дрожжей. Далее она проходит через нижнюю часть перегородок, не доходящих до дна II-V секций. В этих секциях извлекается соответственно 10,5% и 2% дрожжей. Образовавшаяся при этом пена также поступает во внутренний пеносборник. Концентрат из пеносборника центробежным насосом подается на сепарацию.
В I секции флотация осуществляется за счет газосодержания дрожжевой суспензии, выходящей из дрожжерастительного аппарата, в последующих секциях – путем барботажа. Потери дрожжей с отработанной бражкой составляют 3%.
Одноступенчатая флотация имеет существенный недостаток – не позволяет получать концентрированные дрожжи с минимальными потерями. Более эффективной является двухступенчатая флотация кормовых дрожжей.
Рис. 8 Схемы узлов флотации дрожжей:
1 - дрожжерастителоьный аппарат, 2 - флотатор I ступени, 3 - флотатор II ступени, 4 и 5 - насосы
Согласно схеме, приведенной на рисунке 8 (а), дрожжевая суспензия на I ступени флотации концентрируется от 35 (исходная) до 90-120 г/л. Остаточная концентрация дрожжей в культуральной жидкости 2-3 г/л. Обедненная дрожжевыми клетками культуральная жидкость подвергается флотации на II ступени, образуя концентрат с содержанием 8-10 г/л дрожжей, который направляется на I ступень.
Остаточное содерждание дрожжей в отработанной культуральной жидкости после II ступени не превышает 0,2-0,3 г/ц.
По схеме на рис. 6 (б) на I ступени флотации концентрация дрожжей повышается с 30 до 60 г/л. На II ступени флотации происходит дальнейшее повышение концентрации с 60 до 120 г/л, а отработанная культуральная жидкость с содержанием 3-4 г/л дрожжей возвращается на I ступень флотации.
Схема, приведенная на рис. 6 (в), не отличается от схемы, показанной на рис. 6 (а), только II ступень флотации конструктивно вписана в корпус флотатора в виде кармана, не доходящего до дна.
Выделенная и сконцентрированная дрожжевая суспензия подается на сепарацию.
Заключение
В заключении хотелось бы отметить, что флотация – является не только одним из основных методов обогащения руд и минералов, но и применяется как метод выделения и концентрирования в микробиологической промышленности. Для биотехнологических производств наиболее широкое распространение получили пенная флотация и электрофлотация.
Список литературы
1. Войнов Н.А. Современные проблемы и методы биотехнологии: электронное учебное пособие/ Н.А. Войнов, Т.Г. Волова, Н.Вю Зобова и др./ под науч. Ред. Т.Г. Воловой. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
2. Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины и аппараты / Н. Ф. Мещеряков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1982. – 200 с.
3. Классен В.И., Барский Л.А. Флотация [Электронный ресурс]. URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/116/695.htm (дата обращение 07.09.2020)
4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. / Ю.И. Дытнерский. Изд. 3-е. в 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 2002. – 40 с.
5. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. / Д.А. Фридрихсберг. Л., «Химия», 1974 – 352 с.
6. Горная энциклопедия: ионная флотация [Электронный ресурс]. URL: https://mining-enc.ru/i/ionnaya-flotaciya/ (дата обращения 07.09.2020)
7. Родина Т.А. Флотационные реагенты: учебное пособие для самостоятельной работы по органической химии / Т.А. Родина. – Благовещенск: АмГУ, 2015. – 36 с.
8. Флотационные машины [Электронный ресурс]. URL: https://lib.kstu.kz:8300/tb/books/2014/RMPI/Pererabotka%20i%20obogashchenie%20poleznyh%20iskopaemyh/teory/leksi/4.14.htm (дата обращения 07.09.2020)
9. Мосичев М.С. Общая технология микробиологических производств / Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. – Москва: «Легкая и пищевая промышленность», 1982.
[1] Импеллер – лопаточная машина, заключенная в кольцо. Импеллеры могут быть классифицированы на три подтипа: пропеллеры, крыльчатки, турбины.