I. A centrifugação é um método habitualmente utilizado na concentração de caldo de fermentação. A seleção do equipamento apropriado afeta diretamente a taxa de recuperação celular, a taxa de sobrevivência celular e a eficiência da produção. As centrífugas tubulares, de disco e de parafuso horizontal são os três tipos mais comuns de equipamentos de centrifugação. Devido às diferenças na estrutura e no princípio de funcionamento, os seus cenários de aplicação variam significativamente. Este artigo partilha os princípios, estruturas e métodos de seleção destes três tipos de centrífugas com base na experiência prática e na revisão da literatura, fornecendo uma referência para a concentração de caldo de fermentação.
II. O princípio básico de funcionamento dos três tipos de centrífugas é o mesmo: todas utilizam a força centrífuga em vez da gravidade para separar rapidamente componentes com densidades diferentes (células e caldo de fermentação). No entanto, devido às diferenças no design estrutural, a eficiência de separação, a capacidade de processamento e os cenários de aplicação variam.
1.As centrífugas tubulares são caracterizadas por "alta velocidade e elevado factor de separação". Estruturalmente, uma centrífuga tubular é constituída principalmente por um tambor rotativo, tubo de alimentação, tubo de transbordo, sistema de transmissão e invólucro. O tambor rotativo é um tubo estreito com um diâmetro pequeno (tipicamente de 50 a 150 mm) e um comprimento longo, prolongando eficazmente o percurso de separação do líquido e melhorando o efeito da separação. O princípio é que o líquido é alimentado no tambor tubular rotativo de alta velocidade pela entrada de alimentação inferior. A velocidade do tambor pode atingir 10.000 a 25.000 rpm, gerando uma força centrífuga extremamente forte. Isto faz com que as células bacterianas mais densas se depositem rapidamente na parede interna do tambor, enquanto o líquido transparente sobe ao longo da parede interna e é descarregado pela porta de transbordo superior, conseguindo a separação das células bacterianas e do líquido transparente. As centrífugas tubulares têm uma estrutura compacta, ocupam pouco espaço e realizam um processo de separação suave com um impacto mínimo na taxa de sobrevivência bacteriana. São adequadas para concentrar caldos de fermentação com baixo teor de sólidos (≤5%) e baixa viscosidade, sendo especialmente indicadas para a recolha de células bacterianas altamente ativas à escala piloto e em pequena escala de produção.
2.As centrífugas de disco são os equipamentos mais utilizados na produção industrial em grande escala. Estruturalmente, os seus componentes principais são o tambor rotativo e o conjunto de discos. O tambor é cilíndrico, com dezenas a centenas de discos cónicos empilhados no seu interior, formando canais estreitos entre eles. Está também equipado com um dispositivo de alimentação, um mecanismo de descarga de resíduos e um sistema de transmissão. O princípio é que as múltiplas camadas de discos empilhadas no interior do tambor expandem a área de separação e reduzem a distância de sedimentação. Após a entrada do líquido de alimentação no tambor, sob a ação da força centrífuga, as bactérias depositam-se ao longo da superfície do disco até ao fundo do tambor, enquanto o líquido límpido é descarregado pela parte superior, permitindo uma alimentação e descarga contínuas. Comparativamente às centrífugas tubulares, as centrífugas de disco apresentam uma maior capacidade de processamento, um maior grau de automatização, um fator de separação moderado (3000-10000 rpm) e uma força de cisalhamento suave. Podem satisfazer os requisitos de separação contínua de caldos de fermentação em larga escala, garantindo taxas de sobrevivência bacteriana. Adequadas para o processamento de líquidos de alimentação com um teor de sólidos de 2% a 10%, são os equipamentos preferenciais para a produção industrial de pó bacteriano.
3.As centrífugas de parafuso horizontais utilizam o princípio da alimentação por parafuso e da sedimentação contínua. O líquido de alimentação entra no tambor rotativo de alta velocidade através do tubo de alimentação. Sob a força centrífuga, as células bacterianas depositam-se na parede interna do tambor. O alimentador de parafuso, rodando a uma velocidade diferente da do tambor, empurra as células bacterianas sedimentadas para a porta de descarga na extremidade cónica do tambor, enquanto o líquido límpido é descarregado pela porta de transbordo na outra extremidade do tambor, permitindo a separação e a descarga contínuas. Estruturalmente, uma centrífuga de parafuso horizontal é constituída por um tambor, um alimentador de parafuso, um dispositivo de alimentação, uma engrenagem diferencial e uma carcaça. O tambor tem uma forma cilíndrica horizontal, cilíndrica numa extremidade e cónico na outra. O alimentador de parafuso opera com uma determinada diferença de velocidade em relação ao tambor e é responsável pela descarga. As suas vantagens incluem uma elevada capacidade de processamento e a capacidade de lidar com líquidos de alimentação com um elevado teor de sólidos (5% a 20%) e muitas impurezas. No entanto, a força de cisalhamento é relativamente elevada, o que pode afetar a taxa de sobrevivência das células bacterianas. É utilizada principalmente para a separação grosseira de caldos de fermentação ou em cenários de produção em grande escala onde a exigência de atividade bacteriana não é elevada.
III. Então, como escolher entre estes três tipos de centrífugas? A seleção deve ser baseada na escala de produção, nas características do líquido de alimentação e nos requisitos de proteção dos esporos, tendo em conta as características dos três tipos de equipamento. Para a produção em pequena escala, quer em laboratório, quer em escala piloto, se se pretende uma elevada taxa de sobrevivência bacteriana e processamento de líquidos de alimentação com baixo teor de sólidos, as centrífugas tubulares são preferíveis, podendo ser combinadas com um sistema de refrigeração (4 °C) para uma maior proteção das bactérias. Para a produção industrial em grande escala, se for necessária uma operação contínua e o líquido de alimentação tiver um teor médio de sólidos a processar, as centrífugas de disco são preferíveis, procurando um equilíbrio entre a eficiência e a atividade bacteriana. Se o líquido de alimentação contiver muitas impurezas e tiver um elevado teor de sólidos, e a exigência de uma elevada taxa de sobrevivência bacteriana não for elevada, podem ser utilizadas centrífugas de parafuso horizontais para reduzir os custos de processamento.