生化工程设备-第二篇-第二章-过滤、离心与膜分离设备-第二节-过滤设备

1、第二篇 第二章 过滤、离心与膜分离设备,-第二节-过滤设备,第二节过滤设备,按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三类。常压 过滤效率低，仅适用于易分离的物料，加压和真空过滤设备在生物工业中被广泛采用。,一、板框式及板式压滤机,第二章 过滤、离心与膜分离设备 (一)板框式压滤机 板框式压滤机主要由许多滤板和滤框间隔排列而组成。如图2-2-5所示。板和框多做成正方形，角端均开有小孔(图2-2-6) ， 装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。为此，滤板的两面制成沟槽，并分别与洗

2、水孔道和滤液出口相通。滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种，其结构与作用有所不同。每台板框压滤机有一定的总框数，其数目由生产能力和悬浮液固体浓度确定，最多可达60个，需要框数少时，可插入育板以切断滤浆流通的孔道。,过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打人框内，如图2-2-7（1）所示，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。滤液在引出方式上有明流与暗流之分。前者适用于一般场合，如发酵液的过滤，后者则用于滤液需保持无菌，不与空气接触等场合。,洗涤滤饼时，洗水经由洗水通道进入滤板与滤布之间。由于关闭洗涤板下部的滤液出口，洗水便横穿滤框两侧

3、的滤布及整个滤框厚度的滤饼，最后由非洗涤板下部的滤液出口排出图2-2-7 （2）。由于洗水通过滤饼的厚度为最终过滤操作时的一倍，而洗水通过的过滤面积仅为过滤操作时的1/2。因此，洗涤速率仅为最终过滤速率的1/4。,洗涤结束后，旋开压紧装置并将板框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组装，进行下 一循环操作。 常用的板框压滤机有BMS、BAS、BMY及BAY等类型。其中B表示扳框压滤 机、M表示明流、A表示暗流、s表示手动压紧、Y表示液压压紧，代号后面的数字表示过滤面积、滤框规格及框的厚度。表2-2-4所示为部分国产板框压滤机规格。滤板和滤框一般由铸铁铸成，也可由硬橡胶、塑料等制成。无菌过滤时，一般应

4、采用不锈钢制造。 板框压滤机的最大操作压力可达1000kPa，通常使用压力为300500kPa。发酵液过滤时，处理量为1525L/(m2 h)。,(二)板式压滤机,较常见的是凹腔板式压滤机(图2-2-8) ，也称箱式压滤机，它全部由滤板并列组合而成，即滤板具有板和框的双重作用。滤板通常为凹面形圆盘，滤板两侧各有一 凸出的边框，这样当两块滤板合拢时， 中间的内腔即形成滤箱。每块滤板的两侧覆以滤布，利用螺旋活接头将滤布紧贴于板的凸缘平面上，这样可将滤箱空 间分隔成滤布与板面间的滤液空间及滤布处部的滤浆空间。,过滤时，料液经滤板的中央进料孔 进入滤浆空间，滤渣沉积于滤布上形成滤饼，而滤液穿过滤布进入

5、板面的沟槽 内，并从下部的孔道流出。 板框式硅藻土过滤机与典型的板框式压滤机没有本质上的差别，只是以硅藻土过滤介质代替滤布，它使用特制的多孔隙滤纸板夹持在板和框之间，作为硅藻土层的支撑物，每一过滤周期结束后需更换新的滤纸板和硅藻土。,板式或板框式压滤机结构简单。价格低，过滤面积大，耐受压力高，动力消耗小，适 用于较难处理物料的过滤，故使用较广泛。但这种压滤机不能连续操作，劳动强度大，辅助操作时间长，滤布易损坏。目前已研制出半自动和全自动压滤机。,(三)自动板框压滤机,自动板框压滤机在板框压紧、卸饼、清洗等操作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间短. 图2-2-9所示为IFP型自动板框压滤机的

6、操作过程示意图。其结构与普通板框压滤机大体相同。只是板与框各有4个角孔，滤布是首尾封闭的整体，并配有自动控制操作系统。,过滤时，悬浮液从板框上部两个角孔形成的通道并行庄入滤框，滤液穿过滤框两侧的滤布，沿滤板表面的沟槽流入下部角孔形成的通道，滤饼则在滤框内形成。洗涤滤饼也按过滤流向进行。洗饼完毕，油压机将板框拉开，并使滤框下降。然后开动滤饼推板，框内滤饼将以水平方向推出落下。传动装置带动环形滤布绕一系列转轴旋转，以达到洗涤滤布的目的，最后使滤框复位，重新夹紧，完成一个操作周期。全部操作可在10min内完成。 自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了它的应用和发展。,（四）板框压滤机工艺计

7、算,1.物料衡算 设待处理悬浮液最为m (kg)，其固相浓度为x1(%，质量分数) ，经过滤分离后得湿滤渣为m1(kg)，其湿度为x2，（%，质量分数) ，获得滤液为V(rn3)，密度为 (kg/ m3)。则 总物料衡算 m= m1+V (2-2-11) 滤液物料衡算 m(l- x1) .m1x2 = V (2-2-12) 滤渣物料衡算 mx2 = m1(l- x2) (2-2-13) 由此计算得每批操作的滤液量、滤渣量及滤渣中的液体含量。用以选择压滤机。,2.板框压滤机选择及台数,板框压滤机的滤箱体积为： Vp = NABH (2-2-14) 式中 Vp板框压滤机的滤箱体积，m3 A，B，

8、H分别为滤框的有效高度、宽度及厚度，m N滤框数目 若发酵液体积为VF (m3)，其湿滤渣体积与发酵液体积之比为E，滤箱的填充系数为K，则压滤机的台数为：,压滤机的选择应考虑以下两个方面:首先尽可能选用较薄的滤框。因为框的厚度愈 大，液体穿过滤饼层的路程就愈长，阻力也就愈大，过滤速度相应减小，并且滤饼的湿度 较大，洗涤困难，致使收率下降。此外，滤框愈厚，每批操作得到的过滤面积小，过滤时间便相应增加。其次，压滤机台数的确定应从投算、布置、操作等全面考虑，一般以选择较大规格者为适宜。,3.过滤面积及生产能力计算,过滤操作通常有恒速过滤、恒压过滤或加压变速过滤等形式。 其计算均基于过滤基本方程：,二

9、、真空过滤机,真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力。生物工业中，用得 较多的是转筒式真空过滤机。,(一)转筒真空过滤机的结构与操作,转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，其操作流程如图2-2-10所示，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒(图2-2-11)，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布。圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，每个空间都以单独孔道通至筒轴颈端面的分配头上，分配头内沿径向隔离成3个室，它们分别与真空和压缩空气管路相通。,转筒下部浸入浆槽中，浸没角90 130圆筒缓慢旋转时(转速约0. 52r/min)， 筒内每一空间相继与分配头中的1、2 、3室相通(

10、见图2-2-12)，可顺序进行过滤、洗 涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。即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。,过滤区。,圆筒内下部的空间与料浆相接触，由于在这个区中的空间与真空管连通， 于是滤液被吸人筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中，而固体粒子则被吸附在滤布的表 面形成滤饼层。为防止滤浆中固体沉降，在料液槽中装置摇摆式搅拌器。,洗涤及脱水区。,当圆简从料浆槽中转出后，由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼 层进行洗涤，由于此区也与真空管路相遇，于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内，并经分 配头号|至洗水贮罐中。为了避免滤饼层裂缝，可在此区上安装一滚压轴以提高脱水效果， 防止空气从

11、裂缝处大量流人筒内而影响真空度。,卸渣及再生区。,经洗涤和脱水的滤饼层继续旋转进入此区。由于此区与压缩空气 管路连通，于是压缩空气从圆筒内向外穿过滤布面将滤饼吹松，随后由刮刀将其刮除。刮 掉滤饼后的滤布继续吹以压缩空气，以吹净残余滤渣，使滤布再生。,转筒真空过滤机的过滤面积有1、5、20m2及40m2等不同规格，目前国产的最大过滤 面积约50m2，型号有GP及GP-x型， GP型为刮刀卸料， GP-x裂为绳索卸料。直径 。0. 34. 5m，长度0. 36m。滤饼厚度一般保持在40mm以内，对于难于过滤的胶状料液，厚度可小于10mm。对于菌丝体发酵液，过滤前在滚筒面上预涂一层5060mm厚的

12、硅藻士。过滤时，可调节滤饼刮刀将滤饼连同一薄层硅藻士一起刮去，每转一圈，硅藻土 约刮去0.1mm，这样可使过滤面不断更新。,转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作，生产能力大，劳动强度小， 但辅助设备多，投资大，且由于真空过滤，推动力小，最大真空度不超过80kPa，一般为 0. 2767kPa，滤饼湿含量大，通常为20%70%。 除真空转筒过滤机外，还有转盘真空过滤机，真空翻斗式过滤机等。转盘真空过滤机 及其转盘的结构、操作原理与转筒真空过滤机类似，每个转盘相当于一个转筒。过滤面积 可以大到85m2，,(二)转筒真空过滤机的生产能力,(一)小型过滤实验装置,到目前为止，工业规模生产中

13、有关的过滤工艺、设备选型及工艺设计等问题，还不能 仅从理论上得到解决。必须进行实验研究， 即用简单的过滤实验装置对滤饼的压缩特性、 操作参数、发酵液预处理、滤液澄清度、滤饼洗涤等进行研究，是工业生产中过滤设备设计和过程放大十分重要的问题。,最简单的过滤实验装置是采用布氏漏斗进行过滤试验(图2-2-13) ，过滤前可对料液 进行预处理，如添加絮凝剂、助滤剂或加热处理，实验时可控制过滤压力差与大生产的过 滤操作压力一致，并维持其他操作条件相同，这样就可用实验结果估算大规模过滤所需的 时间等。布氏漏斗虽然简单，但实验操作不灵活，可靠性较差，因此，可采用滤叶过滤实验装置。,由于转鼓式过滤机的处理量较大，在实验室进行小规模试验有许多困难。因此，实验 室常用滤叶进行转鼓过滤机的模拟试验，即采用已知过滤面积的单叶片过滤装置，如图 2-2-14所示。该装置的关键部件是过滤叶片和调节真空系统。滤叶安装在搅拌罐内，待过滤的悬浮液一次加入搅拌罐，刻度漏斗能随时读出滤液体积。,实验开始前，先选择适宜的助滤剂在滤叶上形成一定厚度的预涂层。开启抽真空系统 调节到规定的真空度，将滤叶浸没于悬浮液中，开始过滤操作，并记录不同操作时刻的滤 液量，操作过程中，不断搅拌料液使之均匀。待滤饼达一定厚度后，提起滤叶使之离开液 面.继续抽真空抽吸滤饼中的液体。然后将滤叶转移浸没于洗涤液中