第四章 液―固分离设备生物工业中，一般都需要从发酵液中除去菌体以得到产品，或从培养基中除去未溶解的残余固体颗粒以便后续加工，如啤酒生产中麦汁的过滤，啤酒酵母的过滤分离另外，在提取过程中，也经常遇到晶体与母液的分离问题它们都属于化工单元操作中的液―固分离过程液―固分离设备v 液-固分离设备概述v 过滤设备v 沉降设备v 膜分离设备液固分离设备：1、沉降设备（按推动力不同）：重力沉降、离心沉降2、过滤设备（按推动力不同）：常压过滤机、加压过滤机、真空过滤机和离心过滤机3、膜分离设备：微滤器、超滤器和反渗透器一、过滤原理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，从而实现液―固分离的单元操作v过滤介质: 过滤采用的多孔物质；v滤浆: 所处理的悬浮液；v滤液: 通过多孔通道的液体；v滤饼或滤渣: 被截留的固体物质过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤1、滤饼过滤过程 (cake filtration)v刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊 v开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液 澄清v所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身 ，而非过滤介质。
滤浆(slurry)： 原悬浮液滤饼(filter cake)： 截留的固体物质过滤介质(filtering medium)： 多孔物质滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体过滤操作示意图(滤饼过滤)2、深层过滤过程 (deep bed filtration)v特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部 v过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少 v过滤介质：堆积较厚的粒状床层 v过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上v应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤3、绝对过滤特征是过滤介质的标示孔径小于被截留的固体颗粒Membrane Seperation Equipment：ultra-filtration 4、过滤介质：作用过滤支撑物→Cake要求足够的机械强度 尽可能小的流动阻力 技术特性 对滤液的透过性能截留的固体粒子工业中常用的过滤介质主要有以下几种：1、织物介质：由天然或合成纤维、金属丝等编织而成的滤布、滤网，是工业生产使用最广泛的过滤介质可截留颗粒的最小直径为5~65μm 2、多孔性固体介质：此类介质包括素瓷、烧结金属（或玻璃）或由塑料细粉黏结而成的多孔性塑料管等，能截留小至1~3μm的微小颗颗粒。
3、堆积积介质质：是由各种固体颗颗粒（砂、木炭、石棉粉）或非编织纤维编织纤维 （玻璃棉等）堆积积而成，一般用于处处理含固量很小的悬悬浮液，如水的净净化处处理等4、高分子膜：膜材料的主要特征是孔径小，能截留细细菌等微生物，如流体培养基的无菌过滤过滤 等二、沉降原理沉降是利用液-固间的密度差异，在重力场或离心力场中的速度差而实现液-固分离的过程沉降过程可以理解为流体绕过颗粒的运动，或者是颗粒在流体中的运动沉降力场：重力、离心力沉降操作分类：重力沉降、离心沉降重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程离心沉降（centrifugal settling）: 依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降过滤设备v 常压过滤机v 加压过滤机v 真空过滤机三、板框过滤机板框过滤机是典型的滤饼过滤，主要由若干块滤板和滤框间隔排列而成，板和框之间夹有滤布，当板框压紧之后，即形成若干滤室1、板框压滤机的结构机架、压紧机构和过滤机构2、过滤机构过滤机构v 滤板v 滤框v 滤布v 隔膜板框压滤机板框过滤机板框压滤机外形 1-固定端板 2-滤板 3-滤框 4-活动端板 5-活络接头 6-支承 7-传动齿轮 8-手轮 滤框和滤板 1-滤框 2-滤板 3-滤板外框架 4-滤板栅 5-支撑格筛 6-压盖框滤浆洗水滤板滤框洗板滤布滤液流出的方式有明流和暗流两种。
1、明流：在每个滤板的下方出液孔上装有水阀，滤液直观地从水阀里流出优点：一旦某个滤室的滤布失效，则该水阀流出的滤液不清，即关闭该水阀，停止该滤室的工作，而不影响其他滤室的正常工作2、暗流：每块滤板的下方均设有出液通道孔，若干块滤板的出液孔连成一个出液通道，并由止推板下方的出液孔相连的管道排出优点：滤液收集是封闭的，在无菌过滤、滤液易挥发或不宜暴露在空气中等要求时，则可选择暗流过滤二)板式压滤机常见的是凹腔板式压滤机，也称箱式压滤机全部由滤板并列组合而成滤板通常为凹面形圆盘，滤板两侧各有一凸出的边框每块滤板的两侧覆以滤布，滤布紧贴于板的凸缘平面上板式或板框式压滤特点：v 结构简单v 价格低v 过滤面积大v 耐受压力高v 动力消耗小v 适用于较难处理物料的过滤v 不能连续操作v 劳动强度大v 辅助操作时间长v 滤布易损坏(三)自动板框式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，辅助操作时间短自动板框压滤机的操作过程示意图这种压滤机只有滤板没有滤框，由滤板两侧的凹陷部分组成滤饼室1-油压开关； 2-油压阀； 3-滤板输送电机； 4-减速机； 5-接线盒； 6-齿轮箱； 7-传动轮；8-输送链；9-限位开关；10-活动端板；11-横梁；12-导轨； 13-滤板关闭装置；14-附件；15-滤板 16-张紧轮；17-固定端板；18-滤布振动器； 19-滤板张开装置；20-活动端板滚轮；21-油压缸；22-传动装置箱 Characters：1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→ 滤布清洗连续进行，配有PLC控制，自动 化程度高。
2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料 过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行 速度采用变频无级调速，对不同物料有广 泛的适应性滤饼的压缩性和助滤剂随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大滤饼的压缩性对压强差有较大影响1、不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，类滤饼称为不可压缩滤饼2、可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼助滤剂有些滤渣具有可压缩性，有些则带有胶体粒子，因而易把滤布堵塞，影响过滤速度，此时可以在料液中加入一定量的助滤剂，以利过滤助滤剂由细小的、不可压缩的惰性颗粒组成，这种颗粒具有多孔不规则表面，质地轻而硬常见的助滤剂如硅藻土、珠光岩粉、炉渣粉等简单示意图架桥现象深层过滤板框压滤机的选型和计算板框过滤机的型号：通常有BMS、BAS、BMY、BAY类型BMS 40/635-25板框压滤机明流手动压紧过滤面积滤框规格框厚度型号过过 滤滤 面 积积 /m2框内尺寸 /mm滤滤 饼饼 厚度 /mm滤滤 板数 量/ 个滤滤框 数量/ 个滤滤室 容积积 /L过虑过虑 压压力 /MPa电电 机功 率 /kW整机 质质量 /kgBAY4/450-30U4450×45030910600.61.1893BMY15/630-30U15630×6303018192260.51.51368BAY30/800-30U30800×8003023244600.51.52550BAY40/800-30U40800×8003030315950.51.52767BAY60/800-30U60800×8003046479020.51.53450BAY70/800-30U70800×80030545510560.51.53830表4-3 部分板框压滤机型号及主要参数板框压滤机的台数计算——滤饼估算法N =VF· i K VP=VF· i K nabcVF—需要处理的悬浮液体积，m3；VP—压滤机最大容渣体积，m3；K—板框内滤渣充填系数，0.6~0.85；a、b、c—框内侧高、宽、厚，m；N—板框选用的最少台数。
过滤时间的计算V—过滤速度，m3/（m2·h），单位时间、单位面积获得的滤液体积；A—板框的总过滤面积，m2；τ=VF（1 – i ）VNA=VF（1 – i ）VN·2nab练习题：选用板框过滤机对黑曲霉糖化酶发 酵液进行过滤，每批处理发酵液100m3， 其固形物含量为10%，试验测得过滤速 度为0.02m3/（m2·h）板框充填系数为 0.8，现有BMY60/800-30U，试确定板框 过滤机的台数及预测过滤时间返回二、真空过滤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v 转筒真空过滤机v 带式真空过滤机预涂过滤机GD型过滤机结构：p转筒，扇形格(18格)； Ø 滤室； Ø 分配头； ü 动盘(18个孔，分别与扇形 格的18个通道相连)； ü 定盘(三个凹槽：滤液真空 凹槽、洗水真空凹槽、压缩 空气凹槽，分别将动盘的18 个孔道分成三个通道)； p金属网； p滤布；p滤浆槽工作过程转筒真空过滤机结构示意图动盘定盘转筒金属网滤布滤饼搅拌器洗涤喷头料浆槽刮刀2 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）110987 6 54321817161514131112动盘转筒及分配头的结构工作过程定盘18格分成6个工作区Ø 1区(1~7格)：过滤区；Ø 2区(8~10格)：滤液吸干区；Ø 3区(12~13格)：洗涤区；Ø 4区(14格)：洗后吸干区；Ø 5区(16格)：吹松卸渣区；Ø 6区(17格)：滤布再生区。
l过滤区(1~2区)，f 槽; l洗涤区(3~4区)，g槽 ;l干燥卸渣区(5~6区)，h 槽;f 槽h 槽g 槽Ø 自动连续操作；Ø 适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆；Ø 真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有为0.1MPa)，对于 滤饼阻力较大的物料适应能力较差转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程 中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等 项操作整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:特点：工作过程Ø 过滤区; Ø 洗涤区; Ø 干燥卸渣区转筒真空过滤机： 过滤面积:1、5、20 m2 and 40 m2，the largest 50 m2； 型号:GP ———刮刀卸料，GP-x——为绳索卸料； 直径：0.3～4.5 m； 长度：0.3—6 m； 滤饼厚度：≦40 mmCharacters：Advantages：吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作，生产能力大，劳动强度小；Disadvantages：辅助设备多，投资大，推动力小（真空过滤），滤饼湿度大ü (二)带式真空过滤机的结构与操作连续水平真空带式过滤机是一种自动化程度高的新型过滤设备，该机以滤布或滤网为介质，使料浆水平布置于过滤介质之上，充分利用料浆重力和真空吸力实现固液分离。
连续水平真空带式过滤机可适用于多种浓度条件下的物料，过滤效率高，因而被诸多工业部门优先采用 连续水平带式真空过滤机工艺流程图A.加料装置 B.洗涤装置 C.纠偏装置 D.洗布装置 E.切换阀 F.排液分离器 G.返水泵 H.真空泵HEFGA BBB特 点： Ø 喂料、过滤、洗涤、脱渣、滤布再生可连续自动完成，自动化程度高 Ø 对过滤性差，粘度高的物料，可实现薄层快速过滤 Ø 采用PLC控制，便于远程及集中控制 Ø 采用纠偏，解决了滤布的跑偏及打折 返回Others：v 转盘真空过滤机v 真空翻斗式过滤三 、离心过滤（centrifugal filter）Ø结构：1.悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge) 转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图p转鼓(上有小孔，亦称悬框)；Ø 滤网；Ø 滤布；p机架 Ø原理：由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出离心过滤机（centrifugal filter）。