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1,第六章 过滤与离心分离设备,主要内容：第一节 概 述 第二节 过滤分离设备 第三节 离心分离设备 第四节 膜分离设备 学习要求：了解固液分离的方法 掌握过滤和离心分离 设备的类型、构造,2,第一节 概 述 一、目的,固相与液相分离,在生物技术产业中，微生物发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液等都是多组分混合物，而且是由固相与液相组成的,悬浮液的固液分离是生物产品提取过程中首先遇到的问题,3,二、方法,沉降,重力沉降,离心沉降,常压过滤,减压（真空）过滤,加压过滤,离心过滤,4,选择,固体颗粒的大小、含量，可压缩性 液体的粘度，与固体粒子的密度差 操作规模，设备和使用费用 料液对设备的腐蚀性，尽量不要带入新的杂质,5,三、过滤介质,要求,过滤性能（截留能力、渗透性）,经济、耐用、性质稳定,种类,编织物：滤布、滤网,多孔固体：多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料,颗粒状：硅藻土、珍珠岩石、细砂、活性碳,膜：反渗透膜、超滤膜、微过滤膜等,6,四、强化过滤速率的措施,提高推动力: 在一定过滤压力差范围内，增大压力差有利于过滤，但当压力差大到一定程度后，继续增大将使过滤速度降低,改变悬浮液的物理性质: 降低滤液粘度、减少滤饼阻力、减少固形物含量,加热 凝聚和絮凝 加入盐类 调节pH 加入助滤剂（用法、用量）,7,第二节 过滤分离设备,推动力较小，工业生产中很少使用 在啤酒生产过程中的麦芽糖化醪液过滤仍多用常压平底筛板过滤机,一、常压过滤机,8,二、加压过滤机,1、板框过滤机 应用较广的过滤设备，在发酵工业中用于霉菌、放线菌和细菌等多种发酵液的固液分离,9,组成部件：滤布、滤板、滤框、机架和压紧装置,滤板和滤框间隔排列，板、框之间覆以滤布后压紧,10,滤板：支撑滤布，提供滤液流出的通道 正方形，角端开有小孔，两面制成沟槽， 与滤液出口和洗水孔道连通,滤框：提供滤浆进入的空间，容纳滤饼,11,过滤、洗涤、卸渣、清洗滤布,操作过程：,过滤阶段,洗涤阶段,12,特点：,式中：VF发酵液体积，m3 E湿滤渣体积与发酵液体积之比 VP单台板框过滤机的滤箱容积，m3 K滤箱的充满系数,结构简单，造价低，过滤面积大，过滤推动力大，动力消耗小 设备笨重，间歇操作，需人工卸除滤饼和换洗滤布，劳动强度大，明流滤液卫生条件差 台数：,13,类型：,BMS、BAS、BMY、BAY 滤液引出方式：明流M、暗流A 压紧方式：手动S、液压Y,BMS 40/635-25,14,结构 滤布:首尾封闭为一体 过滤：过滤、洗饼操作与普通板框过滤机相同,IFP自动板框压滤机工作原理图,15,特点,板框的拆装、滤饼的脱落卸出和滤布的清洗等操作都自动进行，降低了劳动强度 缩短了辅助操作时间，10分钟即可 结构复杂，价格昂贵,16,全部由滤板并列组合而成 凹面形圆盘滤板，合并后形成凹腔，装滤饼 板的两侧放置过滤介质,3、凹腔板式压滤机,17,4、叶片式硅藻土过滤机,垂直叶片式硅藻土过滤机,构造： 顶部为快开式顶盖，底部有一条水平的滤液汇集总管，两者之间垂直排列了许多扁平的滤叶,每张滤叶的下部有一根滤液导出管，将其内腔与滤液汇集总管连接,18,滤叶的骨架是管子弯制成的长方形框,中央平面上夹着一层大孔格粗金属丝网，在其两面紧覆以细金属丝网,19,工作过程：（啤酒过滤） 过滤时顶盖紧闭，将啤酒与硅藻土的混合液泵送入过滤器，以制备硅藻土预涂层 混合液中的硅藻土颗粒被截留在滤叶表面的细金属网上面，啤酒则穿过金属网，流进滤叶内腔，然后在汇集总管流出 浊液返流，直到流出的啤酒澄清，表明预涂层制备完毕，接着可以过滤啤酒 过滤结束后，压出器内啤酒，然后反向压入清水，使滤饼脱落，自底部卸出,20,水平叶片式硅藻土过滤机,构造： 在垂直空心轴上装有许多水平排列的滤叶,滤叶的上侧是一层细金属丝网，中央夹着一层大孔格粗金属丝网，滤叶下侧则是金属薄板,21,滤叶内腔与空心轴内腔相通，滤液从滤叶内腔汇集空心轴，然后从底部排出,工作过程： 与垂直叶片式过滤机相同 在过滤结束后，开动空心转轴，在惯性离心力作用下，更容易卸除滤饼,22,三、真空过滤机,1、小型过滤实验装置,23,2、转筒真空过滤机,流程：,24,构造：主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布，筋板分隔成若干个空间，分配头内沿径向隔离成3个室,25,工作过程：,当圆筒缓慢旋转时，筒内每一空间相继与分配头中的1，2，3室相通 顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作,整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区、卸渣及再生区3个区域,26,过滤区：空间与真空管连通（吸滤）,洗涤及脱水区：空间也与真空管连通，吸入洗涤水，吸干滤饼,卸渣及再生区：与压缩空气管路连通，压缩空气由筒内向外，穿过滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀刮除吹净残渣，滤布再生,27,特点：,连续过滤，生产能力大 自动化程度高，劳动强度小 过滤推动力小，滤饼湿度大，投资大 适合于固体含量较大（10%）的悬浮液的分离 用于霉菌、放线菌的发酵液过滤,28,3、滤布循环行进式（RCF）转鼓真空过滤机,行进的滤布载着吹松的滤饼通过滤饼剥离滚筒，因行进方向的转折，使滤饼脱离滤布,在普通转鼓式真空过滤机的转鼓表面安装了一条由转鼓驱动的首尾闭合的滤布带,滤布在行进过程中从正反两方面受到洗刷而再生,29,四、 过滤机选用的基本原则,1根据物料的过滤性能，初步确定选择哪种推动力的设备 对所需过滤的物料进行过滤性能测试，包括含固率、密度、固体颗粒的平均粒径和粒度分布、颗粒的沉降速度、滤饼的平均比阻力系数和滤饼的含湿率、滤饼的可压缩性系数 滤饼平均比阻力系数小的选用真空过滤设备 滤饼平均比阻力系数大的使用加压过滤设备,30,2根据处理物料的化学性质，检查所选择的过滤机类型是否正确,对于易挥发、易燃物料一般不使用真空过滤设备 有毒或有放射性的物料，应当选择可以进行密闭操作的过滤设备 3根据工艺过程的特点和生产规模对选择的过滤设备进行筛选 生产规模大，应选择连续式、劳动强度小的设备 对生产规模小的或本身是间歇操作的，选用间歇操作的过滤机可以节省设备费用和操作费用,31,4根据对滤饼的纯度或母液回收率等要求来确定过滤机类型,为提高滤饼洗涤效率，一般可以使用过滤面是水平的设备 5根据对滤饼含湿率的要求，决定是否选用带有机械挤压过程的设备 如果滤饼具有较高的可压缩性，又要求生产较低含湿率的滤饼时，可以使用带有机械挤压过程的过滤设备,32,6根据所选择的设备，物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算，以确定设备的大小，投资费用，操作费用,若有几种设备可供选择，应根据物料的过滤特性和模型实验结果，进行技术综合评价，确定一种工艺上合理、投资和操作费用最经济的设备,33,第三节 离心分离设备,一、离心分离原理与分离因数,原理：利用高速旋转产生的强大离心力作为推动力，实现分离,作用：离心分离可以实现液固离心沉降、离心过滤和液液离心分离,34,分离因数：旋转产生的离心力与重力之比,物料在离心机中所受离心力：,35,f大小反映离心机的分离能力，它表示在离心力场中，微粒可以获得比在重力场中大f倍的作用力,f值越大，离心力越大，愈有利于分离。增加转鼓的直径及转速均可以增大分离因数,转鼓材料因自重和内含物（料液）的离心力而产生的应力与D2及n2成正比,增加转鼓直径D虽然增大了f值，但其应力也随着D的增加而快速增加,由于受到转鼓材料强度的限制，要提高分离因数，只有增加转鼓转速，同时还要降低转鼓直径,36,二、特点,与加压过滤比较，离心分离效率高，操作时卫生条件好 适用于大规模的分离过程 设备投资费用高，能耗较多,37,三、类型,1、按分离因数f分类,普通离心机：f<3000，一般为6001200 可用于分离0.011.0mm固体颗粒,高速离心机：f=300050000 可用于乳浊液的分离,超高速离心机：f50000，适用于分散度 较高的乳浊液的分离,38,2、按工作性质分类,过滤式离心机：利用离心力推动过滤（有孔转鼓） 沉降式离心机：利用固液两相的密度差，固体离心沉降而分离（无孔转鼓） 分离式离心机：利用不同液体的密度差异，离心分离互不相溶的液体 3、按操作方式分类 间歇式：过滤式、圆柱形转鼓的沉降式离心机 连续式：分离式、圆锥形转鼓的沉降式离心机,39,1、管式离心机,四、常用的离心机,类型： GF型用于乳浊液进行的液-液分离 GQ型用于悬浮液进行液-固分离,结构： 由转鼓、分离盘、机壳、机架、传动装置等组成 转筒直径为45150mm ，转速1500050000r/min,40,操作过程：待处理的料液由进料管经底部中心轴进入鼓底，靠圆形挡板分散到四周，受到高速离心力作用而旋转向上 轻液位于转筒的中央，呈螺旋形运转，向上移动,重液相靠近筒壁，至分离盘时，轻、重液相则沿相应孔道进入集液槽后排出,固体在离心力场的作用下沉积于鼓壁上，达到一定数量后，停机人工除渣,41,特点： 设备简单，操作稳定 分离纯度高，可用于液-液分离和微粒较小的悬浮液分离 常用于微生物菌体和蛋白质的分离 生产能力较低,42,2、碟片式离心机,构造：密闭转鼓内设有数十个至上百个锥角为60120的锥形碟片,特点：具有许多重叠的碟片，缩短了颗粒的沉降距离，提高了分离效率,43,密度小的清液沿碟片的上表面的碟片向轴心方向移动，在轻液出口处排出,工作过程：发酵醪由转鼓中心进入高速旋转的转鼓内，因固-液密度不同，在碟片空隙内受到离心力的作用下，将发酵醪分成固液两相,密度大的浓缩物或菌体，则沿着上一碟片的底表面下滑到碟片外边缘，经转鼓壁上的喷嘴喷出,44,3、螺旋卸料离心机,结构：沉降式螺旋卸料离心机的转动部分是由转鼓和螺旋两个部件组成的。料液由中心管加入，进料位置约在螺旋的中部，其前面部分为沉降区，后面部分为甩干区,工作过程：在离心力作用下，固形物被沉降在转鼓壁上，液体由右侧溢流孔排出，固体则由螺旋从大端推向小端，同时被甩干，从排渣口排出,45,4、三足式离心机 结构：转鼓由主轴连接传动装置，它们通过滚动轴承装于轴承座上，轴承座与外壳均固定在底盘上，并用三根摆杆悬挂于三根支足的球面座上,转鼓,滤饼,滤布,滤网,工作原理图,46,三足式离心机的悬挂点比机体重心高，保证了机器的稳定性，压缩弹簧可以减轻垂直方向的振动 主轴较短，结构紧凑，机身高度小，便于从上方加料和卸料，转鼓内壁放置滤布,电动机装在底盘上，当机身摆动时，电动机也随之摇动 三个支足安装在同一底板上以便于整体安装 在传动皮带轮上还装有离心式离合器和刹车装置,47,用途： 可用于分离中等粒度（0.1）和较细粒度（0.010.1）的悬浮液，以及分离结晶状物料,可获得含水量较低的滤饼，适用于过滤周期长，处理量不大的场合 滤饼可以很好地洗涤，人工卸料的离心机其滤渣颗粒不会被破坏 特点：工作平稳，没有陡震，占地面积比过滤设备小，操作筒单，适应性强，在工业上广泛应用,48,5、卧式刮刀卸料离心机 转鼓是水平安装的，转鼓的一侧与传动轴连接 另一侧为中空，装有卸料斗、刮刀、耙齿等,49,6、卧式活塞推料离心机,加料、分离和洗涤都是连续的。与分配盘装一起的推料盘与转鼓中心轴的推杆连接，推杆的另一端与液缸的活塞连接，借液压不断往复运动。推料盘、分配盘和转鼓一起旋转，当推料盘移动时，将滤渣沿轴线排出鼓外,50,离心机的选择与使用,根据物料性质来选择 当悬浮液中固相颗粒的密度大于液相时，可以采用沉降式 固相颗粒的密度小于或等于液相时只能采用过滤式 当颗粒直径小于1微米时，可以采用高速离心机 当颗粒的直径在199微米时，则采用普通沉降式离心机 100微米以上的颗粒，沉降式、过滤式都可以使用 结晶体分离采用离心过滤 当所形成的滤饼具有压缩性质时，一般采用沉降式 如果悬浮液中固相浓度大于1%时，采用连续式沉降离心机 管式离心机容量小，产量小，不适合处理大量的料液 螺旋卸料沉降式离心机用于密度差大，固体浓度高的场合,51,第四节 膜分离设备,一、膜分离特点 设备简单、体积小，能量消耗较少 分离效率高，容易控制 截留能力强（按分子量分离） 常温下操作，适于处理热敏性物料 膜分离的推动力有多种，如压力差、浓度差、电位差等,52,二、膜分离过程,膜,53,类型： 板式膜过滤器 管式膜过滤器 中空纤维式膜分离器 螺旋卷式膜分离器,三、膜分离设备,要求： 可靠的膜支撑装置 单位体积过滤面积(m2/m3)要大 结构简单，无死角，便于拆装、清洗、更换,54,各种膜装置性能的比较,