固液分離技術(shù)

摘要：從原理上講 ,固液分離過(guò)程可以分為兩大類(lèi) :一是沉降分離 ,一是過(guò)濾分離。固液分離設備也可以相應地分為兩大類(lèi)。在此基礎上,根據推動(dòng)力和操作特征進(jìn)一步細分為若干種固液分離設備,如表1所示。品種繁多的固液分離設備使得用戶(hù)有較大的選擇范圍,對于任意的固液分離向題,一般總可以找到一種最為合適的固液分離設備�！�…

1、 前言
液固分離是重要的單元操作,是非均相分離的重要組成部分,在國民經(jīng)濟各部門(mén)如化工、輕工、制藥、礦山、冶金、能源、環(huán)境保護等應用非常廣泛。在許多生產(chǎn)過(guò)程中,過(guò)濾與分離機構是關(guān)鍵設備之一,其技術(shù)水平的高低,質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到許多過(guò)程實(shí)現工業(yè)化規模生產(chǎn)的可能性、工藝過(guò)程的先進(jìn)性和可靠性、制品質(zhì)量、和能耗、環(huán)境保護等經(jīng)濟和社會(huì )效益。

2、 固液分離的基本技術(shù)與選型設備
從原理上講 ,固液分離過(guò)程可以分為兩大類(lèi) :一是沉降分離 ,一是過(guò)濾分離。固液分離設備也可以相應地分為兩大類(lèi)。在此基礎上,根據推動(dòng)力和操作特征進(jìn)一步細分為若干種固液分離設備,如表1所示。品種繁多的固液分離設備使得用戶(hù)有較大的選擇范圍,對于任意的固液分離向題,一般總可以找到一種最為合適的固液分離設備。但是,正由于固液分離設備種類(lèi)很多,而一般用戶(hù)對各種設備的性能又缺乏深入了解,所以要在各種分離設備中找出最為合適的設備總是存在不少困難。因設備選型不當而不能滿(mǎn)足工藝要求的并不少見(jiàn)。如何正確合理地選擇固液分離設備引起了許多學(xué)者的重視,在最近四十多年時(shí)間里國外發(fā)表了大量有關(guān)固液分離設備選型的文獻。詳細論述了各種固液分離設備的選型，以及固液分離設備選型的一般方法。在論述固液分離設備選型的一般方法中,以及固液分離設備選型的方法。

表一 固液分離設備主要類(lèi)型一覽表

3、 固液分離技術(shù)的一般流程

3.1 明確分離工藝要求
在進(jìn)行實(shí)驗研究前,首先必須弄清所要解決的分離問(wèn)題,明確各項分離工藝要求。要考慮對設備選型影響很大的一些因素。諸如衛生要求,有否毒性,是否起泡等。

3.2 確定物料的沉降特性
  
物料沉降特性可通過(guò)量筒沉降試驗確定,方法是將物料樣品放入量筒中搖勻,然后任其沉降，半小時(shí)后測量清液層高度,確定沉降速度、24小時(shí)后測量沉渣容積比。

3.3 確定物料過(guò)濾特性
物料過(guò)濾特性一般以濾餅增長(cháng)率表示,可通過(guò)布氏漏斗試驗確定。方法是測定過(guò)濾一定
量樣品所需時(shí)間,也可以采用頂部進(jìn)料葉濾裝置進(jìn)行試驗,直接測定濾餅厚度,然后計算濾餅增長(cháng)率。

3.4  初選固液分離設備
根據所確定的分離要求和物料分離特性來(lái)初選固液分離設備。

4、 固液分離技術(shù)的概述
固液分離技術(shù)4.1 絮凝

絮凝是利用電荷中和及大分子橋聯(lián)作用形成更大的粒子的原理。設備有連續式、批式等。特點(diǎn)是使固形物顆粒增大，容易沉降，過(guò)濾、離心提高因數分離速度和液體澄清度。但它有條件嚴格，放大困難，引入的絮凝劑可能干擾之后的分離純化等缺點(diǎn)。

固液分離技術(shù)4.2 離心

在離心產(chǎn)生的重力的作用下顆粒沉降速度加快而沉淀。離心設備有很多種，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們使用時(shí)可被具體情況而定：（1）高速冷凍離心機：適用于粒度小，熱不穩定的物質(zhì)回收，適于實(shí)驗室應用。但由于容量小，連續操作困難，大規模工業(yè)應用性差。（2）碟片式離心機：適用于大規模工業(yè)應用，可連續，也可批式操作，操作穩定性較好，易放大，推廣。缺點(diǎn)是半連續或批式操作時(shí)，出渣清洗煩雜；連續操作固形物水高，總的分離故率低。（3）管式離心機：批式操作，轉速高，固形分離效果較好，含水低，易擴大推廣，但容量有限，處理量小，拆裝頻繁，噪聲大。（4）傾橋式離心機：連續操作，易放大，易工業(yè)應用，操作穩定。但對很小顆粒固形物回收困難，設備投資高。（5）籃式離心機：實(shí)為離心力作用下的過(guò)濾，適于大顆粒固形物的回收，放大容易，操作較簡(jiǎn)單、穩定，適于工業(yè)應用。缺點(diǎn)是批式操作或半連續操作，轉速低，分離效果較差，操作繁重，離心的設備投資高，操作成本高。

固液分離技術(shù)4.3 過(guò)濾 
過(guò)濾是利用過(guò)濾介質(zhì)的孔隙大小進(jìn)行分離。設備有板框式過(guò)濾機、平板（真空）過(guò)濾機、真空旋轉過(guò)濾機等。特點(diǎn)是設備簡(jiǎn)單，操作容易，適合大規模工業(yè)應用，但分離速度低，分離效果受物料性質(zhì)變化的影響，勞動(dòng)強度大。

固液分離技術(shù)4.4 萃取
 在生物合成工業(yè)上，萃取也是一個(gè)重要的提取方法和分離混合物的單元操作，這是為萃取法具有：
（1）傳質(zhì)速度快、生產(chǎn)周期短、便于連續操作，容易實(shí)現自動(dòng)控制；
（2）分離效率高，生產(chǎn)能力大等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以，應用得相當普遍。不僅對抗生素、有機酸、維生素、激素等發(fā)酵產(chǎn)物常采用有機溶劑萃取法進(jìn)行提取，而且近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了不使酶等蛋白質(zhì)失活的雙水相萃取法，已成功地應用了提取甲酸脫氫酶，α-葡糖苷酶等，但因為聚乙二酵、葡聚糖等價(jià)格較貴，所以，還未廣泛使用，下面對幾種萃取方法稍加介紹：（1）有機溶劑萃取法：依靠有水和有機溶劑中的分配系數差異進(jìn)行分離的萃取法。適用于有機化合物及結合有脂質(zhì)或非極性側鏈的蛋白質(zhì)，反膠團系統較適于生物活性物質(zhì)萃取，但萃取條件嚴格，安全性低，活性收率低�；幢泵禾繋煼秾W(xué)院化學(xué)系的鄧凡政，石影，馬麗華對Ｆｅ3+、Ａｌ3+、Ｍｇ2+、Ｃａ2+的非有機溶劑萃取分離進(jìn)行了研究，水溶性高聚物的水溶液在無(wú)機鹽存在下能分成兩相，并提出了用此現象分離金屬離子的某些條件。利用高聚物水溶液的非有機溶劑萃取分離與傳統的有機溶劑萃取分離相比，具有不揮發(fā)、無(wú)毒、安全、分離速度快、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，為萃取分離法開(kāi)拓了新的應用前景。（2）雙水相萃取法：依靠分離物在不相容性的高分子水溶液形成的兩相中的分配系數不同而分離，它的特點(diǎn)是：連續或批式萃取，設備簡(jiǎn)單，萃取容易，操作穩定，極易放大，適合大規模應用，將離子交換基團，親和配基，疏水基團結合到高分子載體上形成的萃取劑可改進(jìn)分配系數及萃取專(zhuān)一性。但成本較高，純化倍數較低，適合粗分離。Ｍｏｄｌｉｎ等[8]利用新型的ＵＣＯＮ50-ＨＢ-5100/羥丙基淀粉(ＰＥＳ)溫度誘導雙水相體系從菠菜中提取上述兩種蛻皮甾族化合物。Ｍｉｓｈｉｍａ等[9]報道了用ＰＥＧ6000-Ｋ2ＨＰＯ4-Ｈ2Ｏ的雙水相體系對黃芩苷和黃芩素進(jìn)行萃取實(shí)驗,由于黃芩苷和黃芩素都有一定的憎水性,被主要分配在富含ＰＥＧ的上相,且分配系數Ｋ隨結線(xiàn)長(cháng)度ＴＬＬ增加近似表現為Ｌｎｋ-ＴＬＬ的線(xiàn)形關(guān)系,兩種物質(zhì)的Ｋ值最大可達30和35,分配系數隨溫度升高而降低,且黃芩苷的降幅比黃芩素大。李偉等[10]考察了黃芩苷在伴有溫度誘導效應的ＥＯＰＯ/ＫＨＰ雙水相系統中的分配行為,并實(shí)驗分析了添加鹽對黃芩苷分配狀態(tài)的影響。上述兩法的設備有：攪拌混合或柱混合離心分離機，離心萃取機，逆流萃取儀等。

（3）超臨界萃�。核�是利用某些流體在高于其臨界壓力和臨界溫度時(shí)具有很高的擴散系數和很低的粘度，但具有與流體相似的密度的性質(zhì)，對一些流體或固體物質(zhì)進(jìn)行萃取的方法。它的特點(diǎn)是：萃取能力大、速度大，且可通過(guò)控制操作壓力和溫度，使其對某些物質(zhì)具有選擇性，正開(kāi)始應用于生物工程中。缺點(diǎn)是設備條件要求高，規模較小。超臨界萃取技術(shù)的原理及特點(diǎn)超臨界萃取技術(shù)(supercriticsl fluidextraction,SFE),是近二三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型分離技術(shù)。超臨界流體具有許多與普通流體相異的特性,如其密度接近于液體的密度,這就使得其對液體、固體物質(zhì)的溶解能力與液體溶劑相當;其粘度卻接近于普通氣體,自擴散系數比液體大100倍,從而其運動(dòng)速度和溶解過(guò)程的傳質(zhì)速率比液體溶劑提高很多。超臨界流體還具有很強的可壓縮性,在臨界點(diǎn)附近,溫度和壓力的微小變化會(huì )引起超臨界流體密度的較大變化,由此可調節其對物質(zhì)的溶解能力。由于物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度隨其密度增大而增大,所以萃取完成后稍微提高體系溫度或降低壓力,以減小超臨界流體的密度,就可以使其與待分離物質(zhì)分離。所選的超臨界流體介質(zhì)與被萃取物的性質(zhì)越相似,對它的溶解能力就越強。因此,正確選擇不同的超臨界流體作萃取劑,可以對多組分體系進(jìn)行選擇性萃取,從而達到分離的目的。SFE有許多傳統分離技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn),諸如過(guò)程易于調節、達到平衡的時(shí)間短、萃取效率高、產(chǎn)品與溶劑易于分離、無(wú)有機溶劑殘留、對熱敏性物質(zhì)不易破壞等,因此,ＳＦＥ在眾多領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。但由于CO2是一對稱(chēng)分子,偶極距為0,極化率只有25.6×10-26,且極性隨壓力增大無(wú)明顯增加,故用單一的CO2作萃取劑時(shí)只表現出對低極性、親脂性化合物較強的溶解能力,大多數極性較強的組分則難溶于超臨界狀態(tài)下的CO2之中,于是研究者們又提出了在超臨界CO2中加入極性溶劑的混合超臨界流體萃取技術(shù),即第二類(lèi)CO2-SFE技術(shù)。

MoraesMD等[10]用10%CH3OH-CO2超臨界體系萃取西番蓮科植物中的黃酮類(lèi)化合物,并與傳統溶劑提取法進(jìn)行了比較。LopezavilaV等用15%C2H5OH- CO2超臨界體系進(jìn)行了胡椒屬植物中內酯類(lèi)化合物的萃取研究。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

（4）反膠束萃取法：反膠束或逆膠束是表面活性劑分散于連續有機相中自發(fā)形成的納米尺度的一種聚集物。反膠物溶液是透明的，熱力學(xué)穩定的系統，若將表面活性劑溶于非極性的有機溶劑中，可使其濃度超過(guò)臨界膠束濃度（CMC），便會(huì )在有機溶劑內形成聚集體，這種聚集體稱(chēng)為反膠束。影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素有：水相pH值，離子強度，表面活性劑類(lèi)型，表面活性劑濃度，離子種類(lèi)等。其萃取蛋白質(zhì)的應用主要有：分離蛋白質(zhì)混合物，濃縮α-淀粉酶，從發(fā)酵液中提取胞外酶、直接提取胞內酶，用于蛋白質(zhì)重性等，可見(jiàn)，反膠束萃取技術(shù)為蛋白質(zhì)的分離提取開(kāi)辟了一條具有工業(yè)開(kāi)發(fā)前景的新途徑。如Rahaman等采用濃度為0.25mol/Ｌ的AOT/異辛烷反膠束溶液,研究了從全發(fā)酵液中提取和提純堿性蛋白酶的方法.通過(guò)優(yōu)化過(guò)程參數,凈化因子可高達6.三級錯流操作時(shí),酶的提取率為50%,利用這一技術(shù)可使純化和濃縮一步完成.Ｇ¨oklen等通過(guò)實(shí)驗控制ｐＨ值和kcl濃度,成功地實(shí)現了核糖酸酸酶α、細胞色素Ｃ和溶菌酶的分離,分離前后的HPLC圖譜表明反膠束萃取分離酶是非常有效的.Van’TRiet實(shí)現了α 淀粉酶的連續萃取和反萃操作,可使α 淀粉酶濃縮8倍.初步顯示了這一技術(shù)在工業(yè)上有著(zhù)巨大的應用前景.STChou等用AOT/異辛烷從雞蛋中提取溶菌酶,雞蛋蛋白用0 05mol/Ｌ含0 1 mol /LKCl的磷酸緩沖液(pH9 2)稀釋10倍,水相與同體積的含0 05mol/LAOT的異辛浣液混合,在10℃下保持50min,萃取后,含溶菌酶的反膠束體系再與等體積的含1molＫＣｌ的0 05mol磷酸緩沖液(pH11 8)混合,30℃下45 min.提取出的蛋白活性為天然狀態(tài)的90%,酶活力達7 3×104ｕ/mg,較絕.(11)（5）凝膠萃取法：凝膠是化學(xué)鍵交聯(lián)的高聚物溶脹體，就其化學(xué)組成而言，通�？煞殖扇�大類(lèi)：（1）疏水性有機凝膠；（2）親水性有機凝膠；（3）非溶脹性無(wú)機凝膠。其中親水性有機凝膠具有兩大特性：（一）凝膠的脹縮特性，即具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的聚合物凝膠，能吸收比自身重量大數十倍及至數百倍的溶劑而溶脹。對于一種溶液，凝膠按各組分的分子大小選擇性地吸收，小分子物質(zhì)和無(wú)機鹽能進(jìn)入凝膠，而大分子物質(zhì)則被排斥，因此可將凝膠作為固態(tài)萃取劑，用于對溶液中大分子物質(zhì)的濃縮和凈化。（二）相變特性。即在某一物化條件下，吸水凝膠可突然收縮而釋放出所吸收的水或其他溶劑，使其體積發(fā)生急劇的，大幅度的變化。這一性質(zhì)不僅使凝膠在萃取操作中便于再重復使用，而且可能導致的多種潛在用途。由于凝膠萃取具有能耗小，萃取劑易再生，設備與操作簡(jiǎn)單，對物料分子不存在機械剪切或熱力破壞等優(yōu)點(diǎn)，故適用于從稀溶液中提取有機物或生物制品，如淀粉脫水，發(fā)酵液中的抗生素的提取以及遺傳工程菌中蛋白質(zhì)的提取等，還可能在一定程度上替代膜分離和凝膠層析等過(guò)程。如中國科學(xué)院化工冶金研究所利用酸敏型(12)和電敏型聚丙烯酰胺類(lèi)凝膠(13)濃縮了淀粉酶和葡聚糖，就取得了良好的效果。

4.5 其他分離方法
固液分離技術(shù)其他分離方法如，一般的物理、化學(xué)方法，如破碎、干燥等。就干燥來(lái)說(shuō)又有真空干燥、真空冷凍干燥、流化床干燥、噴霧干燥等。