Lezione di ingegneria

FILTRAZIONE

La rimozione di cellule o di particolato solido è uno dei primi step che si ha nei processi di separazione, dopo

la fermentazione. Avviene sia se la cellula di per sé è il prodotto finale desiderato sia se il prodotto finale non

è la cellula in sé, ma viene comunque applicato. Le separazioni si basano sempre su delle caratteristiche della

miscela che si deve separare. In questo caso, per la rimozione di cellule o di particolato solido si basa o su una

differenza delle dimensioni per la rimozione, che questo è il principio base della filtrazione e della

microfiltrazione, o su una differenza di densità della particella, questo è il caso della centrifugazione. In ogni

caso questo è la proprietà principale, ma ci sono anche altre proprietà importanti: la forma, la compressibilità,

la carica superficiale delle cellule, la densità e la viscosità del brodo, e anche le performance dell’unità. Quando

si sceglie l’unità e quando si deve dimensionarla o quando si sceglie le condizioni operative si deve tener

presente.

La separazione può essere difficile, perché questi brodi colturali non sono un fluido semplice, di fatto, i MO

sono caratterizzati da dimensioni molto piccole, densità piuttosto bassa e da una natura gelatinosa, quindi, il

trattamento non è facilissimo. Ci sono dei casi, come ad esempio da colture di cellule di mammifero, si

producono poche cellule, quindi, è più facile paradossalmente rispetto a brodi caratterizzati da molte cellule.

Può essere, inoltre, necessario, prima di procedere con centrifugazione e filtrazione, avere un pretrattamento

della miscela da trattare: non si deve subito inserirla nell’unità, ma, ad esempio, scaldarla per denaturare delle

proteine o migliorare la filtrazione per alcuni brodi oppure ridurre la viscosità del brodo nel caso di brodi

particolarmente viscosi, in quanto è più facile trattare nelle apparecchiature dei brodi con bassa viscosità, si

deve ridurre la viscosità se è alta.

Come pre-trattamenti, noi possiamo aggiungere flocculanti elettrolitici o polimerici che promuovono

un’aggregazione delle cellule, si generano delle particelle più grandi e più dense, quindi, la filtrazione o la

centrifugazione è facilitata. Un’altra possibilità sono i filter aids, che sono dei coadiuvanti alla filtrazione, spesso

sono delle sabbie, quindi, delle particelle solide che vengono aggiunte e aumentano la velocità di filtrazione.

Si può agire anche prima di iniziare la separazione, si agisce nella fase di fermentazione, modificandone la

durata, soprattutto se è un processo batch, o le condizioni, in modo tale da modificare la composizione e la

viscosità, quindi, le proprietà della miscela da trattare per facilitare la separazione successiva. Tutto ciò ha un

costo, anche solo l’aggiunta di altre componenti implica un costo, ma non è solo l’aggiunta di altre componenti,

ma anche in alcuni si deve separare ulteriormente: aggiungiamo questo componente che ci facilita la

separazione, ma poi non lo vogliamo nel prodotto finale, si deve, perciò, aggiungere uno step ulteriore di

separazione. È un altro costo. L’aggiunta, in alcuni casi, di uno di questi metodi, però, può avere un effetto

benefico sulla separazione che arriva al fattore 10, quindi, se si pensa alla velocità di separazione questa viene

10 volte tanto, in alcuni casi è di 100, questo si riflette sui costi. Se un effetto benefico è significativo, allora, i

costi che poi noi abbiamo per raggiungere il prodotto e per l’aggiunta di questi componenti aggiuntivi e poi

separarli diventa irrilevante rispetto a tutto il vantaggio che traiamo dall’intero processo. In altri casi, se questo

ha un’influenza negativa sul prodotto finale o sulla fermentazione non si può, quindi, non si applica.

Le tecnologie che si possono usare sono la filtrazione, la microfiltrazione, che utilizza delle membrane

microporose oppure una filtrazione cross-flow, con una direzione diversa dei flussi rispetto alla tradizionale

filtrazione, l’effetto finale è simile a quello di una filtrazione: si ha la separazione delle cellule e del particolato

solido dal brodo. Si può avere una concentrazione differente in base alle caratteristiche della miscela che viene

trattata.

Un’altra tecnica è la centrifugazione: si basa su una differenza di densità o di dimensioni. Può essere alternativa

rispetto alla filtrazione quando quello che è da recuperare e separare è troppo difficile da filtrare, quindi,

diventa più conveniente centrifugare.

Queste tre, filtrazione, microfiltrazione e centrifugazione sono le principali tecnologie utilizzate per le

separazioni di solidi. Ce ne sono altre due di fatto che vengono utilizzate a seconda del processo. La prima è la

sedimentazione: si basa sulla formazione di aggregati, di fiocchi, che hanno una dimensione, una densità

sufficiente a far sì che per effetto della gravità si depositano sul fondo del recipiente, del serbatoio,

depositandosi così si riesce a separarli. La sedimentazione può essere migliorata aggiungendo degli agenti che

favoriscano la coagulazione, aumentando la velocità di sedimentazione, più si hanno particelle, aggregati

grossi, più l’effetto della gravità si risente, più sarà veloce la sedimentazione. Questo è molto utilizzato nel

trattamento dell’acqua.

Un altro caso è il galleggiamento, con la formazione delle schiume, è un po’ l’opposto: si insufflano delle bolle

di gas, le cellule si attaccano alle bolle di gas, risalgono sulla superficie del liquido dove vengono recuperate,

così vengono separate. In alcuni casi sono usate, ma non sono le più usate per le varie tipologie di processo.

La filtrazione si basa sulla differenza di dimensioni di quello che vogliamo separare rispetto al resto. Usa un

mezzo filtrante che blocca le particelle di una certa dimensione, i solidi vengono depositati sul filtro, si ha il

filter cake ossia pannello o torta di filtrazione che è composto da tutti i solidi che si sono depositati. Nel tempo,

il cake aumenta di dimensioni, di spessore, man mano che si depositano i solidi. Con l’aumentare delle

dimensioni, inizia ad esercitare sempre più una maggiore resistenza a tutto il processo di filtrazione, poiché si

ha un flusso che passa nel mezzo filtrante, man mano che si forma il cake, il flusso deve passare dal cake al

mezzo filtrante, quindi, la resistenza aumenta. La filtrazione o

meglio la forza motrice della filtrazione è la differenza di pressione,

quindi, il gradiente di pressione che si ha prima e dopo il mezzo

filtrante. Si può averla creando un vuoto, dopo il mezzo filtrante,

così il fluido è spinto a passare attraverso il mezzo filtrante, oppure

si può creare prima una pressione positiva così il fluido è spinto a

passare attraverso il mezzo filtrante, altrimenti c’è resistenza, senza il gradiente di pressione il fluido non si

sposterebbe, rimarrebbe lì.

Sono due le unità principali usate per la filtrazione. Uno è definito filtro a piastre, che sono usati quando si

opera su scala piccolina, per processi batch, perché la filtrazione di per sé è un processo discontinuo, noi

abbiamo il mezzo filtrante, con il tempo aumenta il cake, lo strato di tutti i solidi depositati; quando la

resistenza diventa troppo elevata, bisogna intervenire, rompendo e rimuovere il cake e si ricomincia. Si applica

nei processi discontinui, si ha la fermentazione discontinua, abbiamo la fermentazione, poi prendiamo il brodo

filtriamo e poi di nuovo. Il funzionamento si può vedere qui: c’è la miscela fangosa, slurry, iniziale che viene

aumentata, gli elementi gialli è lo slurry che è alimentato e passa attraverso le piastre (rosse anche

nell’immagine precedente). Passando attraverso le piastre, si ha il mezzo filtrante che blocca i solidi di una

certa dimensione, il liquido chiarificato ossia quello pulito, senza più i solidi passa attraverso il mezzo filtrante

e poi viene recuperato ed è il così detto filtrato, esce poi dall’apparecchiatura. Dopo un po’ si deve aprire il

filtro, si separano tutte le piastre, si puliscono, si rimette tutto insieme e si ricomincia.

Questo per grandi processi industriali diventa impegnativo in quanto ha dei tempi morti significativi. Per tempo

morto si intende quando si pulisce il filtro, quando si passa alla rigenerazione. Spesso nei processi industriali

di grandi dimensioni si opta per i filtri rotativi. Questi riescono a far sì che un’unità di per sé discontinua operi

in continuo. Questo è un esempio: c’è un tamburo che ruota, in tutto il ciclo di rotazione compie tutto il ciclo,

dalla filtrazione alla rigenerazione. È una sezione di tamburo. Si

ha il liquido che deve essere trattato, quindi, ci sono anche solidi,

cellule. Sul tamburo è stata posta la rete filtrante e all’interno del

tamburo c’è una serie di canali che raccolgono tutto il liquido

filtrato. Inizia dal numero uno, il tamburo continua a girare, qui

è già stato pulito, rigenerato, dove c’è il liquido avviene il

trattamento: il liquido passa applicando il vuoto viene raccolto

nei canali, il brodo è forzato a passare nel filtro, poi nei canali

interni, infine, uscire per essere raccolto in un serbatoio come

filtrato. La fase grigia è tutto il cake che si forma, man mano

aumenta di dimensioni perché filtra sempre di più. Dopo di che

si ha una sezione di lavaggio, che serve per separare il cake, può

avvenire con acqua o con altro. Il cake viene lavato con un

liquido, fino alla saturazione, poi l’acqua è rimossa. La rimozione

avviene sempre con l’applicazione del vuoto. Qui si ottiene il

cake lavato e solo solido. Questo è pronto per essere staccato dal filtro tramite questo scraper, lamella/unità

che fa in modo che girando il cake si stacchi e venga recuperato come solido a parte. Quando è recuperato il

cake, il filtro è pronto per essere di nuovo utilizzato. Il brodo viene consumato, per l’applicazione del vuoto,

continua ad essere alimentato, che deriva dalla filtrazione precedente, così il filtro continua a funzionare.

Il diametro può essere significativo, fino a 3 m, va bene anche per applicazioni industriali di grosse dimensioni.

La velocità può variare da 0.1 to 2 rpm, è piuttosto lenta, per consentire la filtrazione, il lavaggio, l’asciugatura

e la rimozione del cake. L’ultimo step, la rimozione del cake, il tamburo rientra per un nuovo ciclo di filtrazione.

I coadiuvanti per la filtrazione