第七章 过滤、离心设备

第七章 过滤、离心设备,过滤和离心分离是固、液两相分离的主要方法，在发酵工厂中属于重要的单元操作。如：糖液和淀粉纤维的分离、发酵液与菌体的分离、晶体与母液的分离等等。通常，在一个工艺流程中会出现2-3次固、液分离。这就需要我们根据实际的情况选择固、液分离的设备。,固液分离的方法很多，简述如下：   1、过滤：依靠介质进行的过滤；   2、离心：分离心沉降、离心过滤；   3、重力沉降：在沉降槽中利用重力沉降颗粒状固体；   4、浮选：在悬浮液中鼓入气泡，使固体颗粒附着于气泡表面而除去；   5、旋液分离：使悬浮液以高速切线进入旋液分离器，因离心力作用不同而分离固体；,第一节 过滤设备,根据料液性质的不同要采用不同的过滤方法，过滤方法有三种：   1、滤饼过滤：料液中的固体颗粒形成滤饼后起到过滤介质的作用；   2、澄清过滤：对于固体颗粒含量少，可添加固体颗粒来形成滤层，或用介质来拦截和吸附固体颗粒；   3、精密过滤：采用孔径小于颗粒的过滤介质来拦截固体颗粒；,一、发酵液的过滤特性   1、菌种、发酵周期、发酵的好坏不同发酵液的过滤特性不同；   2、培养基的组成、产物浓度、发酵液粘度影响发酵液的过滤特性；   3、PH、温度、操作压力影响发酵液的过滤特性；   4、加入助滤剂及其他的预处理方法可改善发酵液的过滤特性；,二、过滤设备的分类和选择（一）分类       按推动力不同可分为：重力（常压）过滤、加压过滤、真空过滤。       重力过滤设备有啤酒糖化中的过滤槽；       加压过滤设备有：压榨机、压滤机、压力曲筛；       真空过滤设备有：真空带式、转鼓、圆盘过滤机、叶片式过滤机；,（二）过滤设备的选择   1、被过滤液的特性：按滤饼形成特性、固形物含量及沉淀性将被过滤液分为五类：   a、固形物含量20%，能在数秒钟内形成50毫米厚的滤饼，用搅拌器也不能使其保持悬浮，可采用内部给料式真空转鼓过滤机、带式过滤机、水平翻斗式过滤机；    b、固形物含量10-20%，能在30秒钟内形成50毫米厚的滤饼，可采用真空转鼓过滤机、水平翻盘式、圆盘式、叶片式；,c、固形物含量1-10%，能在5分钟内形成3毫米厚的滤饼，可采用转鼓过滤机、叶片过滤机、板框压滤机；    d、固形物含量0.1-1%，难以连续排出滤饼，可采用预涂助滤剂的间歇过滤设备如硅藻土过滤机；    e、固形物含量0.1%，这属澄清过滤范围   2、生产规模：大规模采用连续式，小规模采用间歇式；   3、操作条件、要求、设备材质：,（三）过滤介质和助滤剂   1、过滤介质：   a、颗粒及成型颗粒如砂、活性炭、铁矿砂、烧结材料等用于澄清过滤；   b、非金属织布如棉、化纤、玻璃纤维等用于滤饼过滤；   c、金属织布：不锈钢丝和铁丝织布，用于预涂助滤剂的过滤；   d、无纺品如纸、石棉板、合成纤维无纺布用于精密过滤；,2、助滤剂：       常用的助滤剂有：硅藻土、纤维素、石棉粉、碳粒等。       使用方法：在过滤开始前，在待滤液中添加一定量的助滤剂，混合均匀后，过滤回流，在过滤介质表面预涂一层助滤剂层。同时，过滤过程中，料液中也添加一些助滤剂使操作能较长时间的进行下去。,三、过滤设备（一）板框式压滤机       特点：结构简单、装配紧凑、过滤面积大、有较大的操作压力、辅助设备少、动力消耗少、应用范围广，但设备笨重、劳动强度大、辅助时间长。全自动板框压滤机可弥补以上缺点。       由多块滤板和滤框交替排列而组成，板框之间隔有滤布，一端为固定端、一端为活动端，用压紧装置自活动端向固定端将板框压紧，进出口装在固定端上。,板框的角上有孔，板框重迭后，孔可形成通道，供进出料用。       过滤时，过滤液进入板框中的空腔，滤液透过滤布而排出，滤渣留在空腔中形成滤饼。滤饼装满后，清洗滤饼并将滤饼除去。       整个操作过程包括：装合、过滤、洗涤、去饼、洗净。       分明流式和暗流式两种。       厢式压滤机         压力曲筛,（二）真空转鼓过滤机      分单室式和多室式、内滤面和外滤面。      以外滤面多室式真空转鼓过滤机为例：      它的过滤面是一个以低速旋转的开有小孔或筛板组成的圆筒，外覆有金属网和滤布，转鼓内部抽真空，置于液体中时，将滤液抽入中间的管路，而滤饼在滤布上形成。       整个工作周期在旋转一周内完成，分过滤、洗涤吸干、卸渣、再生四个阶段，相应在转鼓上分出四个区。,（三）连续真空水平带式过滤机       整个操作周期在一个水平环行带上进行，带上分为过滤、洗涤、吸干、卸渣、再生五个区。其中，过滤、洗涤、吸干在真空条件下进行，每个区的液体流入一个中间罐，罐上部与水环真空泵相连，保证了罐中及管道上的真空度。可连续、自动完成。       （四）连续带式压榨过滤机       操作步骤同（三），靠压榨挤干滤饼中的水分。,（四）膜过滤设备       在膜分离设备中，微滤和超滤用于固液分离，微滤主要用于发酵液去菌体，而超滤用于去除发酵液中的大分子蛋白质和色素。       微滤是截留颗粒直径在1-0.01微米之间的过滤。其操作压力范围在0.1-0.3MPa之间。       超滤是截留分子量在500-106之间，利用压差作推动力的筛孔分离过程。操作压力范围在0.3-0.7MPa之间。,1、材料：       要求：具有良好的成膜性；热稳定性、化学稳定性、亲水性、抗氧化性及耐腐蚀性。       a、有机膜：由有机高分子聚合而成；       b、无机膜：不锈钢、金属氧化物、陶瓷；       c、荷电膜：离交树脂粉加黏合剂制成；2、膜结构：      均相膜、非均相膜、不对称扩散膜,3、膜的形式：    a、平板式膜：类似薄板换热器；    b、管式膜：类似列管换热器；    c、中空纤维膜：    d、卷式膜：平板膜卷制而成；4、性能参数：      a、截留率：R=(cf-cp)/ cf                  cf 、cp悬浮液及滤清液浓度       b、截留分子量：用已知分子量的试剂进行实验，截留率大于90%时，试剂分子量。,c、水通量：在一定的压力下，以纯水作为过滤液测得的单位时间、单位膜面积的滤液量。衡量膜透性的重要指标。要求在一定截留率下，水通量越大越好。 5、膜设备：       膜过滤采用错流过滤，过滤液大部分回流，小部分透过膜成为滤液。       设备由回流罐、多级立式管道泵、膜组件组成。       回流罐带夹套，便于温度控制。,泵采用变频器调节流量和压力。       膜组件要密封完好，防止过滤液走短路。       由于操作压力接近，超滤和微滤可供用一套膜设备，只需更换膜组件即可。  6、影响膜过滤效果的因素    a、浓差极化：料液透过膜后，被截留的溶质在膜的一侧积累，形成浓度梯度，呈一层凝胶层。这个凝胶层阻碍了溶剂分子向膜表面的扩散，使过滤的通量下降到一个恒定的数值。,b、膜污染：膜表面有溶质沉积或被溶质分子堵塞孔道，影响了的有效过滤面积。  c、消除方法：   搅动、振动过滤液或错流过滤；  升高过滤温度，降低料液的粘度；  定期清洗膜面；  提高流速；  7、在发酵工业中的应用：      发酵液除菌体；酶的浓缩及纯化；氨基酸、有机酸去除蛋白质和色素；,第二节 离心设备,在液相非均一体系的分离过程中，利用离心力来达到液液分离、固液分离、液液固分离的方法都称为离心分离。       对于固液分离来说，离心分离分为离心沉降和离心过滤，两者区别在于后者要采用过滤介质来拦截固体颗粒，并通过特殊装置来除去过滤介质上的滤饼。,一、离心分离因数   离心力F=           =                    =   G物体重量（kg）  g重力加速度（m/s）   n转数（rpm）        R旋转半径（m）       离心分离因数：旋转加速度R2与重力加速度的比。              f= R2 / g=u2/g=Rn2/900,Gu2 gR,G(2Rn/60)2        gR,GRn2 900,二、离心机的分类和选择（一）分类   分类方法较多   按分离因素：   常速离心机：f3000   中速离心机：f=3000-50000   高速离心机：f50000   超速离心机：f=2105-106   其他分类,（二）选择        悬浮液中固相颗粒的比重大于液相时，可采用沉降式；固相颗粒比重小于或等于液相时只能采用过滤式；        颗粒直径小于1微米采用管式或碟片式；10微米左右采用普通沉降式；        对于晶体或可压缩性滤饼的物料采用过滤式；对于压力较高或有毒物料采用密闭型离心机；       对于固相浓度大于1%的沉降离心，应采用连续操作；,三、离心设备 （一）三足式离心机       有过滤式和沉降式。其立式的有孔转鼓通过球面座悬挂于三根摆杆上，摆杆上套有压缩弹簧承受垂直方向的动载荷并减轻振动。转鼓、电机和传动装置安装在一个底盘上。当转鼓摆动时，电机也随之摆动。       特点：用于分离中等粒度（0.01-1mm）的悬浮液及粒状和结晶状物料，可获得低含水量的滤饼，操作简单，适应性强。但生产能力低、劳动强度大。,（二）碟片式离心机        工作原理：在转鼓中放置许多重叠的碟片，含有固形物的料液从转鼓顶部进入转鼓后直通到转鼓底部，折向而上进入碟片之间。因受离心力的作用，液体在碟片间沿碟片而上，由转鼓中心顶部出料。固形物反向离开碟片并附在转鼓壁上，通过特殊的卸料装置卸料。        可进行固液分离、液液分离、液液固分离。固液分离、液液分离采用无孔碟片，液液固分离采用带孔的碟片。,根据排出分离固体的方法，可分为：  1、标准型：间歇人工排渣；  2、自动间歇排渣：转鼓由上下两部分构成，下部分可由液压来控制升降，通过定时或定容来控制。下降时，间隙打开，固体随冲洗水排出转鼓。其进料液和离心清液是连续的，而固体是自动间歇排出；  3、连续排渣型（喷嘴型）：转鼓外缘装有若干喷嘴，在操作过程中连续排出渣液。,特点：适用颗粒大小范围在0.5-15微米，f=700-10000;转鼓中加入碟片使得颗粒的沉降距离缩短，分离效率提高；可连续操作和密闭操作，适应性广。（三）管式高速离心机：        沉降式离心机，可进行液液分离和固液分离。液液分离是连续操作；固液分离适用于固体含量小于1%的悬浮液，由于转鼓壁上的渣定期人工卸出，故只能采用间歇操作。,转鼓细长H/D=6-7，D=50-150mm，转鼓内沿轴向装有对称的三叶翅片，作用是使进入转鼓的液体很快达到转鼓的转动角速度。       料液在加压下从进料口进入，由可调换的喷嘴从空心轴喷入。       特点：可在高速下工作，f大于15000，不适用于固体含量高的料液。,（四）卧式螺旋卸料离心机       是连续操作的沉降式离心机，也有过滤式。