生物工程设备之过滤、离心与膜分离设备教学讲义

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1、生物工程设备过滤、离心与膜分离设备教学讲义过滤、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，工业上常用的传质分离过程又分两大类

2、：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

3、等。过滤、离心与膜分离是生物工业中常用的分离方法，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

4、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、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

5、．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，

6、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

7、子型絮聚剂的分子量（≤5×10）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

8、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，同时沉淀还可作为助滤剂，使悬浮液凝固