固液分离PPT
第三节固液分离固液分离第三节固液分离固液分离是生物产品提取过程中经常遇到的最重要的单元操作，它几乎可以贯穿整个分离过程。固液分离的方法较多、包括筛分、沉降...
第三节固液分离固液分离第三节固液分离固液分离是生物产品提取过程中经常遇到的最重要的单元操作，它几乎可以贯穿整个分离过程。固液分离的方法较多、包括筛分、沉降、浮选、离心、过滤等操作，如图 所示。而对于含有细胞、生物质、蛋白质、多糖、核酸等成分复杂、黏度较大、密度差异较小的生物样品，通常采用的固液分离方法是离心分离和过滤分离。一、离心分离技术离心 分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。相对于悬浮液的重力沉降作用，离心技术附加了一个外加的离心场，加快了固体颗粒的沉降，增强了固体和液体的分离能力。离心分离是工业生产中广泛使用的一种固液分离手段，它在生物工业中的应用也十分普遍，是分离非均相系统最常用的技术手段。离心分离具有分离速率快、效率高、液相澄清度好的优点，但生物工业上的离心设一般需要较大的投资，能耗也较大，导致分离的成本较高，且分离后的固相湿分含量较高。此外，离心技术的局限性在于它一般不能分离颗粒大小一样、密度一样而物性不同的颗粒，甚至对小分子颗粒分离效果欠佳或无法分离。(一)离心分离的基本原理离心操作是借助于离心机产生的离心力使不同大小、不同密度的物质质点(颗粒)相分离的过程，悬浮在离心管(或转子)的液态非均相物质与转子同步匀速旋转时，密度较大的颗粒所受的合力不足以提供圆周运动所需的向心力，就在径向上与密度较小的介质发生相对运动而逐渐远离轴心，这一运动过程就是离心运动。离心加速度为：a=v^2/r式中 a —离心加速度， m /s^2;VT —切向速度， m / s ;r—旋转半径，即颗粒到转轴中心的距离， m 。颗粒在远离轴心的离心过程中，离心加速度不是常数，随位置和切向速度而变，其方向是沿旋转半径从中心指向外周。根据牛顿第二定律，离心力的大小为：F .= ma(2.2)式中 F —离心力， N ;m —颗粒的质量， kg 。离心力的大小也可用角速度来表示：F=mw^2r式中 w —角速度， rad / s 。可见，离心力的大小与转速的平方成正比，也与旋转半径成正比。在转速一定的条件下,颗粒离轴心越远,其所受的离心力越大大。其次,离心力的大小也与某径向距离上颗粒的质量成正比。所以在离心机的使用中,对对已装载了被分离物的离心管的平衡提出出了严格的要求：①离心管要以旋转中心对称放置, 质量要相等:②旋转中心对称位置 上两个离心管中的被分离物平均密度要基本一致,以免在离心一段时间后,此两离心管在相同径间位置上由于密度的较大差异,导致离心力的不同。如果疏忽此两点 ,都会使转轴扭曲或断裂，发生事故。常将粒在离心力场中受到的离心心力与它在重力场中受到的重力之之比,称为相对离心力(RCF)：RCF=mw^2/mg=w^2/g 式中RFC—相对离心力；g—重力加速度RCF 值的大小体现了分离的性能，值越大，推动力就越大，分离性能也越好。但对具有可压缩变形滤渣的悬浮液，过大的 RCF 值会使滤渣层和过滤介质的孔隙阻塞，分离效果恶化。离心分离机的 RCF 值通常是指转鼓内壁最大直径处值， 采用高转速比加大转鼓直径更易于提高 RCF 值，因此高分离因数的离心分离机均采用高转速和较小的转鼓直径。(二)离心分离设备完成离心操作的主要设备是离心机。离心机是利用离心力分离液态非均相混合物的机械。它可按用途、转速、分离形式、操作方式、结构特点等方面进行分类。一般地，把离心机分为两大类：实验用离心机和工业用离心机。离心机 根据转速及用途可把它们分为：①低速离心机 转速8000r/ min 以下 用于分离细胞、细胞碎片及培养基残渣等。②高速离心机 转速10000~25000r/ min 用于分离各种沉淀物、细胞碎片和较大细胞器等。③超速离心机( ultracentrifuge )转速25000~150000r/ min 其中制备型超速离心机，用于生物大分子、细胞器和病毒等的分离纯化：分析型超速离心机，用于样品纯度的检测、沉降系数和分子质量的测定。另外，根据离心机的容量、使用温度、机身体积等方面的不同，可把离心机分为大容量离心机、冷冻离心机、落地式离心机、台式离心机等。(1)实验用离心机实验用离心机是指用于小规模离心的小型离心机，这里区别于工业用大型离心机。 通用实验室离心机在构造上主要包括：驱动、各式转头(离心转子)、温度控制(低温机型)、整机控制4个主要部分。离心转子是离心机的重要工作部件。几种常用的转子 主要有角式转子 、甩出吊桶式转子( 一般称水平转子)、垂直转子 和区带转子 。角式转子是各类离心机使用的基本转子，也是转速最高的转子。(2)工业用离心机工业用离心机是指处理能力较大、应用于规模化离心分离的离心机。工业用离心机分类方式较多，大致可以进行以下几种分类。按结构和分离要求可分为沉降离心机和过滤离心机。离心沉降是利用悬浮液(或乳浊液)密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液固(或液液)分离；离心过滤是使悬浮液在离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液，而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现液固分离。离心沉降是典型的离心分离过程，而离心过滤除了离心分离作用，兼具过滤分离技术的特征。通常，对于含有粒度大于0.01mm颗粒的悬浮液，可选用过滤离心机；对于悬浮液中颗粒细小或可压缩变形的，则宜选用沉降离心机。按操作方式可分为间隙式离心机和连续式离心机。 此外，按卸渣方式可分为刮刀卸料离心机、活塞推料离心机、螺旋卸料离心机、离心力卸料离心机、振动卸料离心机、颠动卸料离心机等；按安装的方式可分为立式、卧式、倾斜式、上悬式和三足式等。以下介绍几种工业上典型的离心机。①管式超速离心机管式超速离心机由于离心力大，所以它的分离效率极高，但处理能力较低，用于分离乳浊液时可连续操作，用来分离悬浮液时，可除去粒径在1μ m 左右的极细颗粒，故能分离其低，故可以获得较干的固体物料。他离心沉降设备不能分离的物料。此外，由于离心力较大，离心后收集到的固体含水率较低，故可以获得较干的固体物料。②碟片式高速离心机碟片式高速离心机是工业应用最为广泛的沉降离心机，可用于分离含微生物细胞或细胞碎片等较细和较少固体颗粒的悬浮液。 碟片的作用在于将液体分隔成很多薄层，缩短液滴(或颗粒)的水平沉降距离，提高分离效率，它可以将粒径小到0.5微米的颗粒分离出来。③螺旋卸料沉降离心机 螺旋卸料沉降离心机是自动操作的间歇离心机 。它的操作特点是加料、分离、洗涤、甩干、卸料、洗网等工序的循环操作都是在 转鼓全速运转的情况下自动地依次进行。此种离心机主要用于浓度适中并能很快脱水和失去流动性的悬浮液。其优点是颗粒破碎程度小，控制系统较简单，功率消耗也较均匀。缺点是对悬浮液的浓度较敏感，若料浆太稀，则滤饼来不及生成，料液将直接流出转鼓；若料浆太稠，则流动性差，易使滤渣分布不均，引起转鼓振动。螺旋卸料沉降离心机有立式和卧式两种，卧式又称卧螺机，是用得较多的形式。二、过滤分离技术过滤是以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。(一)过滤的推动力为了过滤能够进行并获得通过过滤介质的液流，必须在过滤介质两侧保持一定的压差以克服过滤过程的阻力。过滤操作中的推动力有下述四种类型：重力、真空度、压力和离心力。相应地，过滤操作分别称为重力过滤、真空过滤、加压过滤和离心过滤。①重力过滤重力过滤指悬浮液借助于本身的净液柱高度来作为过程推动力而进行的操作方式。 其特点是固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状介质床层内部。 这种过滤适用于悬浮液中颗粒甚小而且含量甚微的场合。②真空过滤利用真空泵造成过滤介质两侧有一定的压力差，在此推动力作用下，悬浮液的液体通过滤布，而固体颗粒呈饼层状沉积在滤布的上游一侧。该法一般适于处理液固比较小而固体颗粒较细的悬浮液。③加压过滤利用高压空气785kPa或高压水883~1569kPa充入装在滤室一侧或两侧的隔膜，借助于隔膜膨胀而均匀压榨滤饼，可以得到含水很低的滤饼。一般适于处理细粒黏而难过滤的物料。近几年又发展了加压﹣真空组合式过滤。④离心过滤利用离心作用，使悬浮液中的液体被甩出，而颗粒被截留在滤布表面。体颗粒的料浆。离心力场可以提供比重力场更强的过滤推动力，分离速度高，效果好。适于处理含有微小固体颗粒的料浆。(二)过滤的方式过滤方式主要有澄清过滤和滤饼过滤两种 。(1)澄清过滤澄清过滤又叫深层过滤。在澄清过滤中，所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠和塑料颗粒等，填充于过滤器内部即构成过滤层，也有用烧结陶瓷、烧结金属、黏合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。在澄清过滤中，颗粒尺寸可以小于介质通道尺寸，当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒通过静电和分子的作用力附着在介质孔道上，使滤液得以澄清。该法适合于固体含量少于0.1g/100mL、颗粒直径在5~100μ m 的悬浮液的过滤分离，如麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。(2)滤饼过滤在滤饼过滤中，过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维布、金属织布、石棉板、玻璃纤维纸等。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼(或称滤渣)。当滤饼达到一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，故这种方法叫做滤饼过滤或滤渣过滤。工业上的过程大都属于滤饼过滤。滤饼过滤主要适用于固体颗粒物浓度较高的悬浮液。(三)过滤速率在工业过滤中，过滤操作分为恒压过滤、恒速过滤和变速﹣变压过滤。恒压过滤，是一种最常见的操作方式，用压缩空气或真空作为推动力；恒速过滤，也是一种具有工业意义的操作方式，通常用定容泵来输送料液；变速﹣变压过滤通常用离心泵来实现。过滤机的处理能力取决于过滤速度。以恒压过滤为例，过滤速度以过滤的基本方程式表示：悬浮液中的固体颗粒大、粒度均匀时，过滤的滤渣层孔隙较为畅通，滤液通过滤渣层的速度较大。应用凝聚剂将微细的颗粒集合成较大的团块，有利于提高过滤速度。对于固体颗粒沉降速度快的悬浮液，应用在过滤介质上部加料的过滤机，使过滤方向与重力方向一致，粗颗粒首先沉降，可减少过滤介质和滤渣层的堵塞；在难过滤的悬浮液(如胶体)中混入如硅藻土、膨胀珍珠岩等较粗的固体颗粒，可使滤渣层变得疏松；滤液黏度较大时，可加热悬浮液以降低黏度。这些措施都能快过滤速度。(四)过滤分离设备过滤设备是指用来进行过滤的机械设备或者装置，是多种过滤设施的通称，是工业生产中常见的通用设备。根据过滤推动力，过滤设备总体分为重力过滤设备、真空过滤设备、加压过滤设备和离心过滤设备。其中重力过滤设备由于推动力限制应用面窄；真空类常用的有转筒、圆盘、水平带式等；加压类常用的有压滤、压榨、动态过滤和旋转型等。以下介绍几种典型的过滤分离设备。(1)板框过滤机板框过滤机在生物工业中广泛应用于培养基制备的过滤，以及霉菌、放线菌、酵母和细菌等多种发酵液的固液分离，适合于固形物含量1%~10％的悬浮液分离。板框过滤机具有过滤面积大、推动力可以较大幅度调整、结构简单、价格低、动力消耗少等优点，主要缺点是间歇操作、劳动强度大、产生效率低。(2)转鼓式真空过滤机转鼓式真空过滤机是大规模生产中最常用的过滤设备之一，它具有自动化程度高、操作连续和处理量大的优点，特别适合于固形物含量大于10％的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛应用于霉菌、放线菌和酵母菌悬浮液的过滤分离。由于受推动力真空度的限制，转鼓式真空过滤机一般不适合于菌体较小和黏度较大的菌体发酵液的过滤。(3)水平带式真空过滤机水平带式真空过滤是以循环移动的环形滤带作为过滤介质，利用真空设备提供的负压和重力作用，使固液快速分离的一种连续过滤机。带式真空过滤机的主要优点如下：①过滤效率高。采用水平过滤面和上部加料，由于重力的作用，大颗粒固相会先沉在底部，形成一层助滤层，这种滤饼结构合理，减少了滤布的阻塞，过滤阻力小，过滤效率高，洗涤效果好。采用多级逆流洗涤方式能获得最佳的洗涤效果，并可以用最少的洗涤液获得高质量的滤饼。一般洗涤回收率可达到99.8%。②滤饼厚度可调节，含湿量小，卸除方便。滤饼厚度可根据物料需要随意调节，小到3mm，大到120mm。由于在滤饼中排列均匀，因此与转鼓真空过滤机相比，滤饼含湿量大幅度降低，且滤饼卸除方便，设备生产能力得到提高。③滤布可正反面同时清洗。在滤布的两个面都设有喷水清洗装置，这样滤布再生时正反两面都能得到有效清洗，从而消除了滤布堵塞，延长了滤布的使用寿命。④操作灵活，维修费用低。在生产操作过程中，滤饼厚度、洗水时间、真空度和循环时间等都可随意调整，以取得最佳的过滤效果。由于滤布能在苛刻条件下工作，且使用寿命长，因而维修费用、生产成本大大降低。 前言固液分离是一种常见的物理分离方法，用于将固体颗粒与液体分离开来。在实际生产中，固液分离广泛应用于多个领域，如化工、制药、环保等。本文将介绍固液分离的原理、常见的固液分离装置以及常见应用领域。 固液分离的原理固液分离的原理基于物料的不同性质和重力的作用力。根据固体颗粒的大小、形状和密度，以及液体的粘度和浓度，可以选择不同的固液分离方法。常见的固液分离方法包括重力沉淀、压滤、离心分离和过滤等。重力沉淀是利用物料在重力作用下的沉降速度不同，将物料分离成上清液和沉淀物。压滤是通过外加压力，将固体颗粒截留在滤布或滤板上，使液体通过，从而实现固液分离。离心分离则是利用离心机的离心力，将固体颗粒分离出来。过滤则是将混合物通过过滤介质，使固体截留下来，而液体通过。 常见的固液分离装置3.1 重力沉淀装置重力沉淀装置主要由沉淀池和出水口组成。物料进入沉淀池后，由于重力作用，固体颗粒下沉至池底，形成沉淀物，而清液则从出水口流出。3.2 压滤机压滤机主要由滤布、滤板和压滤系统组成。物料进入滤布中，固体颗粒被截留在滤布上方，形成滤饼，而液体则通过滤布进入滤板，最后经过出液口排出。3.3 离心机离心机利用离心力将混合物分离成固体和液体两部分。物料进入离心机后，通过高速旋转，固体颗粒被离心力推向离心机的边缘，而清液则靠近离心机的中心，通过出液口流出。3.4 过滤设备过滤设备通常采用布袋过滤器、板框过滤器或旋转真空过滤器。物料通过过滤介质时，固体颗粒被截留在过滤介质上方，形成滤饼，而液体则通过过滤介质流出。 固液分离的应用领域固液分离在许多领域都有广泛应用。下面介绍其中几个典型的应用领域：4.1 化工行业在化工生产中，常常需要将固体颗粒从液体中分离出来，以提取纯净的化工产品或回收溶解的化学物质。固液分离可以应用于溶剂回收、湿法粉碎和废水处理等过程。4.2 制药行业制药过程中往往需要对药物进行精细分离和纯化。固液分离可以用于药物的晶体分离、滤饼的洗涤和过程溶剂回收等环节，提高产品的纯度和质量。4.3 食品行业在食品加工过程中，固液分离可以用于浸泡液的滗取、浸液的澄清和过滤等步骤。它可以提高产品的质量和口感，并延长食品的保质期。4.4 环保行业固液分离在环保领域具有重要作用。通过固液分离，可以将固体废物从废水中分离出来，减少废水的污染程度。同时，固液分离也可以用于固体废物的处理和资源回收。 结论固液分离是一种重要的物理分离方法，广泛应用于化工、制药、食品和环保等领域。通过选择适当的固液分离装置和方法，可以有效地将固体颗粒与液体分离开来，提高产品的纯度和质量，实现资源的回收和废物的处理。不同领域的固液分离技术也在不断发展和创新，为各行业的生产提供了更高效、可靠的解决方案。
