1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 1生物工程设备生物工程设备 第八章过滤、离心与膜分离设备 过滤、离心与膜分离设备过滤、离心与膜分离设备 8.1 概述8.2 过滤速度的强化8.3 过滤设备8.4 离心分离设备 8.5 膜分离设备 8.1 概述8.1.1 分离过程的分类生物工业中，最后一个环节是把目的产物从培养液或反应液中分离出来。分离的方法常用的有机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上组分组成的混合物，其目的只是简单地将各项加以分离。例如过滤、沉降、离心分离等。传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生。按所依据的物理化学原理不同
2、，工业上常用的传质分离过程又分两大类：即平衡分离过程和速率分离过程。 8.1 概述8.1.2 过滤 、离心与膜分离及性能比较1过滤过滤是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶体的分离。2离心分离离心分离是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。8.1 概述3膜分离技术膜分离是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定的能量差为推动力，膜分离常用的膜有微滤膜、超滤膜、电渗析膜和反渗透膜等。过滤 、离心与膜分离是生物工业中
3、常用的分离方法，其分离原理、性能特征比较见表 8-1： 8.1 概述表 8-1 生物工业中常用的分离方法性能比较 分离方法 原料相态 操作原理 性能特点 实 例过滤分离 固液悬浮液 依靠过滤介质分离 流体通过多孔 介质的流动 柠檬酸发酵液离心分离 固液悬浮液 依靠离心力分离得到含湿量的固相和高纯度的液相从发酵液中分离大肠杆菌膜分离 溶液 依靠能量差分离 设备简单、无 相变、节能 乳品和果汁的浓缩返回8.2 过滤速度的强化 8.2.1 发酵液的预处理发酵液预处理的方法很多，针对不同的对象，如悬浮液中的液相、固相、或者悬浮液本身来进行，现分述如下：1调整液体的粘度（液相预处理）固体颗粒的沉降速度、
4、滤液的过滤速率均与液体的粘度成反比。因此，降低液体的粘度，有利于固液的分离。实际生产中降低液体粘度的方法有以下两种。8.2 过滤速度的强化 （ 1）提高液体的温度。液体的粘度随温度升高而降低，例如水的温度从 20 升到 50 时，粘度下降 50% 。这种方法简单易行，但应注意的是，温度升到一定程度后，其对粘度的影响就越来越小。（ 2）用低粘度液体稀释。这种方法由于低粘度的稀释剂价格高需回收、增加处理量等不足而在实际中应用较少。只在必要如石油脱腊时才采用。8.2 过滤速度的强化 2凝聚和絮聚（固相的预处理）固相预处理是一个固体颗粒增大的过程，通过增大固相颗粒的沉降速度或滤饼层的渗透性，从而提高沉
5、降速度和过滤速度，得到好的分离效果。(1) 凝聚凝聚是将一种无机电解质（凝聚剂）加入到悬浮液中，通过电荷中和降低固相离子表面电荷以及由此产生的颗粒间的相互排斥力，使得固相颗粒有可能在范德华力的作用下相互靠近并产生碰撞而黏附成粗大的粒子。常用的凝聚剂有：硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁等。 8.2 过滤速度的强化 （ 2）絮聚 絮聚是将一种高分子电解质（絮聚剂）加入到悬浮液中，借高分子电解质的长链作用，与离子产生静电作用，捕获粒子，中和电荷，粘结颗粒，以及在固相粒子间搭桥，使颗粒不断凝结为较大的絮块。絮聚剂具有长链线状结构，是一种水溶性聚合物，相对分子质量可高达数万至一千万以上，在
6、长链节上含有许多活性功能团。它们通过静电引力、分子间力或氢键作用，强烈地吸附在胶粒的表面，一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上，形成架桥连接，生成粗大的絮团。 8.2 过滤速度的强化 常用的絮聚剂主要是聚丙稀酰胺及其衍生物，分子量为（ 0.5 20） 10 ，其按电性分为中性絮聚剂（非离子型）、阴离子型絮聚剂和阳离子型絮聚剂三种。阳离子型絮聚剂的分子量（ 510 ）一般比非离子型和阴离子型的低，但价格较贵，常用的有聚胺、丙稀酰胺共聚物等。影响凝聚和絮聚的因素主要有絮凝剂的用量（最佳用量是絮凝剂全部被吸附在固相粒子表面上，且絮块的沉降速度最大）， PH值和离子强度，絮凝剂分子量的
7、大小和分布，絮凝剂在悬浮液中均布程度以及悬浮液的温度等。 8.2 过滤速度的强化 3. 固相增浓对于细粒级固相悬浮液，低浓度料浆所形成的滤饼通常比高浓度料浆所形成的滤饼过滤阻力大，因此，提高固相浓度可改善过滤性能，提高单位面积的滤液通过量。提高悬浮液固相浓度的方法有两种：一是在不影响产品质量的前提下添加助滤剂，如硅藻土、膨胀珍珠盐粉、纤维素或碳粉等，使固相浓度增加；二是用沉降装置，如重力沉降槽、旋流器等进行预增浓。 8.2 过滤速度的强化 4. 加入反应剂加入反应剂和某些可溶性盐类与悬浮液反应生成不溶性沉淀，如 CaSO4、 AIPO4等。生成的沉淀能防止菌丝体黏结，使菌丝具有块状结构，同时沉
8、淀还可作为助滤剂，使悬浮液凝固，从而改变过滤性能。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高 3 10倍。如发酵液中含有不溶性多糖物质，最好用酶将它转化为单糖，以便提高过滤速度。例如，万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入 0.025%的淀粉酶，搅拌 30分钟后，再加入 2.5%硅藻土助滤剂，可使过滤速度提高 5倍。 8.2 过滤速度的强化 8.2.2 过滤介质选择1.工业中常用过滤介质的种类（ 1）滤布滤布的织法有三种：平纹、斜纹以及锻纹织法。平织可得到最为紧密的滤布构造，因而孔隙最小，锻纹织滤布的孔隙最大，斜纹织法的孔隙大小居中。正因为平纹布的孔隙最小，所以它的颗粒截留性最好，而且价格便
9、宜，但易发生堵塞；斜纹织法的截留能力和发生堵塞的程度都居中，抗摩擦能力很强，过滤速度也大；锻纹滤布的孔隙最大。 8.2 过滤速度的强化 滤布的材料构成可以是棉、毛、丝、麻等天然纤维和各种化学合成纤维。普通棉纤维具有较好的强度，价格低廉，但只能在不超过 100 条件下使用，当温度较高时迅速丧失其强度，且不耐腐蚀；毛织滤布的截留能力稍逊于棉织滤布，在弹性方面要优于棉织滤布，但价格稍贵；丝的耐酸稳定性大致相当于毛，耐碱稳定性则介于棉、毛之间。丝织滤布对悬浮液中的固相颗粒有令人满意的截留性，同时对液相有足够的渗透性。8.2 过滤速度的强化 （ 2）滤网一般滤网的材质是不锈钢和黄铜，也采用莫涅耳镍铜合金
10、、青铜、镍，甚至碳素钢。由于采用了金属材质，滤网具有耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性等特点，此外，它们在工作中不会出现收缩和延伸现象，使用寿命长。滤网可以用不同粗度的线材，采用平纹织法和斜纹织法制造出各种各样的滤网。滤网常常用在叶滤机和转鼓过滤机上，除了能给助滤剂层提供良好的表面以进行助滤剂过滤外，还可以在无助滤剂的情况下使用。 8.2 过滤速度的强化 （ 3）刚性多孔介质刚性多孔介质是将陶瓷、塑料、金属等粉末烧结而成的。烧结时可加入粘结剂，也可不加，并通过控制原料粉末细度、温度、压力及烧结时间，可以得到孔隙均匀、渗透性各异的刚性多孔介质。刚性多孔介质的形状，可以是筒状、盘状和板状。其中，圆筒状元件
11、适于加压过滤，而板状适于重力过滤和真空过滤。 8.2 过滤速度的强化 （ 4）松散固体介质松散固体介质有硅藻土、珍珠盐粉、细纱、活性碳、白土等。填充于过滤器内，用于澄清过滤，最常用的是硅藻土。它性质优良：一般不与酸碱反应，化学性质稳定，不会改变液体组成；形状不规则，孔隙大且多孔，具有很大的吸附表面；无毒且不可压缩，形成的过滤层不会因操作压力变化而阻力变化，因此，也是一种良好的助滤剂。硅藻土过滤介质通常有三种用法：作为深层过滤介质、作为预涂层、作为助滤剂。 8.2 过滤速度的强化 2. 过滤介质的选择（ 1）良好的过滤介质应满足的要求 ： 过滤阻力小，滤饼容易剥离，不易发生堵塞。 耐高温、耐腐蚀
12、、强度高、容易加工，易于再生，廉价易得。 过滤速度稳定，符合过滤机理，适应过滤机的型式和操作条件。（ 2）选择时应考虑的因素选择过滤介质，首先要了解过滤目的，其次需要掌握如下一些数据和资料： 固体颗粒的性质，包括颗粒的尺寸、形状以及相对密度的大小。颗粒尺寸是我们根据介质能截留的最小颗粒来选择合适过滤介质的依据。如表 8-2所示。 8.2 过滤速度的强化 表 8-2 各类介质能截留的最小颗粒 (单位m)介质的类型 举 例 截留的最小颗粒滤布 天然及人造纤维编织滤 布 10滤网 金属丝编织滤网 5非织造纤维介质纤维为材料的纸玻璃纤维为材料的纸毛毡5 2 10多孔塑料 薄膜 0.005刚性多孔介质陶
13、瓷金属陶瓷1 3松散固体介质硅藻土 膨胀珍珠岩 1 18.2 过滤速度的强化 液体的性质 包括液体的酸碱性、温度、粘度和相对密度等。 滤浆的性质 包括固 -液比、颗粒的聚集作用、粘度等。 滤饼的性质 包括滤饼的比阻力、可压缩性、洁净性、松散性、可塑性等。 生产率 了解生产率有助于确定合适的过滤推动力。（ 3）过滤介质选择的方法过滤介质种类繁多，过滤机型式多种多样，滤浆的性质及分离条件、目的各不相同，使得过滤介质的选择并非轻而易举。正确选择过滤介质，一是靠经验，二是靠实验。8.2 过滤速度的强化 8.2.3 过滤操作条件的优化从化工原理的学习知道，过滤方程为：式中 t 过滤时间， sV 滤液体积
14、， mp 过滤压力差， Pa 滤液粘度， Pasr0 滤饼的质量比阻， 1/ m 滤饼层的厚度， mR 滤布阻力， 1/mF 过滤面积， m8.2 过滤速度的强化 1改善悬浮液的物理性质主要是降低滤液粘度，减少滤饼的体积比阻力及滤饼层厚度。加热是降低滤液粘度最有效可行的方法。在过滤操作中，如果操作条件允许，尽可能采用加热过滤。另外，有些悬浮液还可以用其它方法降低粘度。如在啤酒糖化中加入适量的 - 葡萄糖苷酶，由于 - 葡萄糖苷酶的降解作用可降低麦汁的粘度。 8.2 过滤速度的强化 滤饼的体积比阻力与滤饼毛细孔直径、毛细孔弯曲因子有关。增大滤饼毛细孔直径，减少毛细孔弯曲因子，有利于降低滤饼的体积
15、比阻力，工业生产中常用的方法是在悬浮液中加入絮凝剂，使细小的胶体粒子 “ 架桥 ” 长大，从而形成大孔径的滤饼层。加入固体助滤剂可降低滤饼层的可压缩性，使毛细孔弯曲因子变小。对于固体含量较大的悬浮液，过滤前可采用重力沉降和离心沉降的方法分离出大部分粒子，再进行过滤操作，这样可使滤饼层厚度减小，提高过滤速率，延长过滤周期。 8.2 过滤速度的强化 2优化操作条件优化操作条件的目的主要是提高过滤速率，对于不可压缩滤饼，滤饼的体积比阻力为一常量，过滤压差大，推动力大，过滤速度快。此种情况下，在过滤介质、过滤设备允许的机械强度范围内，尽可能采用加压过滤。然而，发酵液过滤所形成的滤饼通常是高度可压缩的，
16、在一定的压力差范围内，提高压力差有利于加大过滤速度，但当压力差超过某一值后，继续增加压力差反而会降低过滤速度，其原因较复杂，这里不作研究。 返回8.3 过滤设备 过滤设备按操作方式可分为间歇式过滤机和连续式过滤机；按照采用的推动力可分为重力过滤机、加压过滤机、真空过滤机和离心过滤机。目前，工业上应用最广泛的板框式过滤机和叶滤机均为加压过滤机、回转式过滤机则为真空过滤机。分别介绍如下。8.3.1 加压过滤设备1板框式过滤机板框式过滤机有间歇式和自动式两种操作方式。间歇式过滤机是一种传统的过滤设备，在发酵工业中广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固 液分离。以下介绍
17、间歇式板框式过滤机的结构和原理。 8.3 过滤设备 （ 1）板框式过滤机的操作和结构板框式过滤机是由许多块滤板和滤框交替排列而成。一端固定另一端可以让板框移动。板和框之间隔有滤布，用压紧装置自活动端方向压紧或拉开。图 8-1表示板框式过滤机的装置情况。滤板和滤框多做成正方形，数目从 10-60不等，每机的滤板和滤框数目，由生产能力和悬浮液的情况而定。 8.3 过滤设备 图 8-1 板框式过滤机 1过滤板； 2滤框； 3洗涤板 8.3 过滤设备 在滤板的外缘有一个钮的称为过滤板，三个钮的称为洗涤板，在滤框的外缘铸有两个钮。从图 8-2可以看出， 1是过滤板， 2是滤框， 3是洗涤板。板和框是按照钮的记号 1-2-3-2-1 的顺序排列的。滤板和滤框的构造如图 8-2所示。滤板表面上有棱状沟槽，其边缘略微突起。在板、框和滤布的两个角都有小孔，它们组合并压紧后即构成了供滤液和洗涤水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框和滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。滤板的作用有二：一是支撑滤布；二是滤液流出的通道。8.3 过滤设备 图 8-2 板框式过滤机的滤板和滤框构造
