I. La centrifugación es un método comúnmente utilizado para la concentración de caldos de fermentación. La selección del equipo adecuado afecta directamente la tasa de recuperación celular, la tasa de supervivencia celular y la eficiencia de producción. Las centrífugas tubulares, de disco y de tornillo horizontal son los tres tipos de equipos de centrifugación más utilizados. Debido a las diferencias en su estructura y principio de funcionamiento, sus escenarios de aplicación varían significativamente. Este artículo comparte los principios, estructuras y métodos de selección de estos tres tipos de centrífugas, basándose en la experiencia práctica y la revisión de la literatura, proporcionando una referencia para la concentración de caldos de fermentación.
II. El principio de funcionamiento básico de los tres tipos de centrífugas es el mismo: todas utilizan la fuerza centrífuga en lugar de la gravedad para separar rápidamente componentes con diferentes densidades (células y caldo de fermentación). Sin embargo, debido a las diferencias en el diseño estructural, su eficiencia de separación, capacidad de procesamiento y escenarios de aplicación varían.
1. Las centrífugas tubulares se caracterizan por su alta velocidad y elevado factor de separación. Estructuralmente, una centrífuga tubular consta principalmente de un tambor giratorio, un tubo de alimentación, un tubo de rebose, un sistema de transmisión y una carcasa. El tambor giratorio es un tubo delgado de pequeño diámetro (normalmente de 50 a 150 mm) y gran longitud, que extiende eficazmente la trayectoria de separación del líquido y mejora el efecto de separación. El principio consiste en que el líquido se introduce en el tambor tubular giratorio de alta velocidad desde la entrada inferior. La velocidad del tambor puede alcanzar de 10 000 a 25 000 rpm, generando una fuerza centrífuga extremadamente fuerte. Esto provoca que las células bacterianas más densas se depositen rápidamente en la pared interna del tambor, mientras que el líquido transparente asciende a lo largo de la pared interna y se descarga por el puerto de rebose superior, logrando así la separación de las células bacterianas y el líquido transparente. Las centrífugas tubulares tienen una estructura compacta, ocupan poco espacio y ofrecen un proceso de separación suave con un impacto mínimo en la tasa de supervivencia bacteriana. Son adecuadas para concentrar caldos de fermentación con bajo contenido de sólidos (≤5 %) y baja viscosidad, y resultan especialmente idóneas para la recolección de células bacterianas altamente activas en la producción a escala piloto y a pequeña escala.
2. Las centrífugas de discos son el equipo principal para la producción industrial a gran escala. Estructuralmente, sus componentes principales son el tambor giratorio y el conjunto de discos. El tambor es cilíndrico, con decenas o cientos de discos cónicos apilados en su interior, formando estrechos canales entre ellos. También está equipado con un dispositivo de alimentación, un mecanismo de descarga de residuos y un sistema de transmisión. El principio se basa en que las múltiples capas de discos apiladas dentro del tambor amplían el área de separación y reducen la distancia de sedimentación. Tras la entrada del líquido de alimentación en el tambor, bajo la acción de la fuerza centrífuga, las bacterias se depositan en la superficie del disco, en el fondo del tambor, mientras que el líquido transparente se descarga por la parte superior, lo que permite una alimentación y descarga continuas. En comparación con las centrífugas tubulares, las centrífugas de disco ofrecen una mayor capacidad de procesamiento, un mayor grado de automatización, un factor de separación moderado (3000-10000 r/min) y una fuerza de cizallamiento suave. Pueden satisfacer los requisitos de separación continua de caldos de fermentación a gran escala, garantizando al mismo tiempo la supervivencia bacteriana. Adecuadas para procesar líquidos de alimentación con un contenido de sólidos del 2 % al 10 %, son el equipo preferido para la producción industrial de polvo bacteriano.
3. Las centrífugas de tornillo horizontales utilizan el principio de alimentación por tornillo y sedimentación continua. El líquido de alimentación entra en el tambor giratorio de alta velocidad a través del tubo de alimentación. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, las células bacterianas se depositan en la pared interior del tambor. El alimentador de tornillo, que gira a una velocidad distinta a la del tambor, empuja las células bacterianas sedimentadas hacia el puerto de descarga en el extremo cónico del tambor, mientras que el líquido claro se descarga por el puerto de rebose en el otro extremo, logrando así una separación y descarga continuas. Estructuralmente, una centrífuga de tornillo horizontal consta de un tambor, un alimentador de tornillo, un dispositivo de alimentación, un engranaje diferencial y una carcasa. El tambor tiene forma cilíndrica horizontal, cilíndrica en un extremo y cónica en el otro. El alimentador de tornillo opera a una velocidad ligeramente diferente a la del tambor y es responsable de la descarga. Entre sus ventajas se incluyen un alto rendimiento y la capacidad de procesar líquidos de alimentación con alto contenido de sólidos (5 %-20 %) y muchas impurezas. Sin embargo, la fuerza de cizallamiento es relativamente alta, lo que puede afectar la tasa de supervivencia de las células bacterianas. Se utiliza principalmente para la separación gruesa de caldos de fermentación o en escenarios de producción a gran escala donde la actividad bacteriana requerida no es elevada.
III. Entonces, ¿cómo elegir entre estos tres tipos de centrífugas? La selección debe basarse en la escala de producción, las características del líquido de alimentación y los requisitos de protección de esporas, teniendo en cuenta las características de los tres tipos de equipos. Para la producción a pequeña escala en laboratorio o planta piloto, si se desea una alta tasa de supervivencia bacteriana y el procesamiento de líquido de alimentación con bajo contenido de sólidos, se prefieren las centrífugas tubulares, que pueden combinarse con un sistema de refrigeración (4 °C) para proteger aún más las bacterias. Para la producción industrial a gran escala, si se requiere operación continua y se va a procesar líquido de alimentación con contenido medio de sólidos, se prefieren las centrífugas de disco, que equilibran la eficiencia y la actividad bacteriana. Si el líquido de alimentación contiene muchas impurezas y tiene un alto contenido de sólidos, y el requisito de tasa de supervivencia bacteriana no es alto, se pueden utilizar centrífugas de tornillo horizontales para reducir los costos de procesamiento.