生物工程设备-过滤离心膜分离

第八章过滤离心与膜分离设备前言过滤速率的强化发酵液的预处理过滤介质选择过滤设备板框式及板式压滤机真空过滤机离心分离设备分离原理与分离因数常用离心机结构及选型膜分离设备膜分离方法膜分离设备第一节过滤分离操作过滤：以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而使固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的单元操作。过滤是分离悬浮液最普遍和最有效的单元操作之一一过滤速率的强化1.发酵液的预处理目的：增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体黏度，实现有效分离。方法：1.加热2.凝聚和絮凝3.加入盐类除去高价无机离子4.调节pH5.加入助滤剂一过滤速率的强化2.过滤介质选择过滤介质特性：截留固体粒子和对滤液的透过性。常用过滤介质：1.织物介质(滤布)：由棉、毛、麻等织成的天然纤维滤布和合成纤维滤布2.粒状介质：硅藻土、珍珠岩石、细砂、活性碳、白土3.多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等。二过滤介质选择和操作条件优化过滤分类：按粒经不同，分为过滤及超滤。以微孔滤膜为介质的叫微滤，用滤膜分离的操作叫超滤按过滤推动力分类：有加压、减压、常压过滤及离心过滤按滤材截留粒子的方式分为表面过滤、深层过滤按料液与颗粒的流动方向分为截留过滤、错流过滤1.板框式压滤机板框压滤机结构图三过滤设备板框过滤机Plateshifter1500x1500FilterPressClothwashing1.板框式压滤机横穿洗涤法1.板式压滤机凹腔板式压滤机2.自动板框压滤机2.自动板框压滤机IFP自动板框压滤机工作原理图降框、卸饼及洗刷滤布3.加压叶滤机4.真空过滤机4.真空过滤机转筒真空过滤机4.真空过滤机4.真空过滤机转筒结构及工作原理动画演示水平回转翻盘式真空过滤器4.真空过滤机5.其他过滤设备离心过滤机带式压滤机Screwpress螺旋压滤机螺旋压滤机第二节过滤设备一）小型过滤试验装置将式在恒温恒压下积分得：二）过滤过程的放大由过滤方程知，若忽略过滤介质阻力：于是有：对于不可压缩滤饼RqxpddqoopRqpxqoo2Rqxpddqooqxpqoo122121221ooppqq12oo第二节过滤设备则：或：上式中1.2分别表示小型试验装置和工业规模生产的操作条件恒压条件下，过滤方程为：则：或2121221ppqq2121221221ppAAVVpRqpxqoo221212qqpxqqoo21212AVAVpxVAVAoo小型过滤实验装置及过滤的放大小型过滤实验装置及过滤的放大第三节离心分离一离心技术分类用途分类1)、分析性：超速离心机2)、制备性：A、实验室用；B、工业用工业应用分类1)、管式离心机2)、多室离心机（管式离心机的变形）3)、碟式离心机：Ａ、人工排渣式,Ｂ、喷嘴排渣式,Ｃ、活塞排渣式4)、螺旋卸料沉降离心机5)、离心过滤6)、三足式离心机1管式离心机2螺旋卸料沉降离心操作：立式，卧式应用：A、高浓度的大颗粒的固液分离(达50%,2um-5mm)，如淀粉精制和污水处理。卧式螺旋卸料过滤离心机卧式螺旋沉降离心机打开外罩的双锥筒体离心机SGZ型三足式刮刀卸料自动离心机并流离心机逆流离心机离心设备的选择基本参数选择颗粒d,固液差,基本型号固体物浓度亚型产物热稳定性低温离心流量Q,规模规格、台数气溶胶,活cell密封灭菌设计二离心分离设备的放大一。以等效时间放大等效时间是依据离心力和离心时间的乘积来估计离心分离的难易程度式中：te—离心机等效时间，sro---特征半径，通常为转鼓半径,mT---分离时间，s且为离心机的分离因数，上式可写成：可见等效时间可理解为离心分离因素与分离时间的乘积二。以几何特性参数放大对管式离心机，可推得几何特征参数为：tgrwtoe2fgrwo2tftegwlrC222式中：Z----碟片数目r2---碟片外半径,mr1---碟片内半径，mα----碟片半锥角可见，几何特性参数C不是微粒性质的函数，而是与离心机的特性有关，C的单位和面积单位相同，可理解为离心沉降所需要的面积碟片式离心机的几何特性参数为;式中Z---碟片数目r2----碟片外径，mr1----碟片内半径，mα-----碟片半锥角进行离心机选型时，首先应该选择那些能满足几何特性参数C的离心机，以保证分离过程中所需要的微粒沉降速度v1和分离能力Q值ctgrrgZC3132232第四节膜分离技术按动力本质分以静压力差为推动力的过程微滤（microfiltration,MF)超滤（ultrafiltration,UF）反渗透（reverseosmosis,RO)纳滤（nanofiltration,NF)以蒸汽分压为推动力的过程膜蒸馏（membranedistillation,MD)渗透蒸发（pervaporation,PV）以浓度差为推动力的过程渗析（dialysis,D)以电位差为推动力的过程电渗析（electrodialysis,ED)一.膜分离技术的类型膜分离法与物质大小的关系。膜的分类二膜分离方法常见的膜分离过程有渗透、透析、电渗析、反渗透、微过滤、超滤、气体透过等。膜进料浓缩液稀释液浓缩液渗透膜进料纯化液杂质渗析液进料透析膜盐水进料浓缩液水反渗透膜进料水微过滤膜进料浓缩液水超滤膜进料贫气富气气体透过1超滤原理：筛分应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；B、Pro浓缩，C、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。超滤超滤原理进口料液透过膜的溶液超滤膜出口溶液被截留物质透过膜的物质超过滤原理示意图2渗透蒸发原理：由于膜的选择性，渗透气化法依据溶剂与溶质，或溶质之间透过膜的速度相互不同，使混合物得到分离。渗透蒸发分离示意图(真空气化)液相室气相室膜真空泵冷凝液冷凝器液相室气相室膜冷凝液冷凝器惰性气体惰性气体净化利用渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫)3反渗透应用：A、海水淡化，B、超纯水制备，C、抗生素和氨基酸等浓缩D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。4电渗析电透析(Electro-dialysis,ED)原理：在透析的基础上加上直流电，极大加快离子的透析速度。操作：用途：样品快速脱盐。＋＋＋＋＋＋－－－－－－1C1C1C1C1C1CNaNaNaNaNaNa12345阳膜阴膜阳膜阴膜阴极阳极浓缩室淡化室浓缩室图13－39电渗析过程原理示意图电渗析基本原理电渗析电渗析中的传递过程与伴随过程电渗析离子交换膜的选择透过性空隙作用磺酸型阳膜的空隙结构作用静电作用和扩散作用离子交换膜的选择透过性电渗析电渗析装置基本结构膜•工业应用膜应具有的条件：1.较大的透过性；2.较高的选择性；3.机械强度好、耐热、化学性能稳定；4.不被细菌污染膜材料pH范围使用的上限温度适用膜类型醋酸纤维3～840～45反渗透膜聚丙烯2～1045～50超滤膜聚烯烃1～1345～50超滤膜聚砜1～1380超滤膜聚醚砜1～1390超滤膜几种常用膜的适用范围•几种常用膜三膜材料的种类三膜材料的种类无机材料种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径0.1um微滤膜和截留10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称复合材料种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。四膜结构特征1）常见膜均质膜非对称性膜微孔对称性膜1）常见膜铝膜纳米管膜聚酰胺转相膜2）膜分类非对称膜对称膜（致密表皮层）（细孔表皮层）（多孔支撑层）各种膜组件五膜组件适用范围:A、UF、MF，B、适合于处理悬浮液较高的料液。1管式膜组件1管式膜组件应用：A、UF、MF、PV，B、适合于处理悬浮液较高的料液。2平板式膜组件2平板式膜组件•板式膜过滤器透过水透过水1原水浓缩水透过水2341—双头螺栓；2—橡胶密封圈；3—膜；4—多孔性板板框式膜装置3螺卷式膜组件应用：A、RO、UF、MF，B、适用于低固体含量的料液。应用：A、毛细管式：UF、MF、PV，B、中空纤维式(能耐高压)：RO，DS(大规模透析，人工肾)，C、适合于处理低固体含量的料液。4中空纤维式膜分离器5动态压力过滤器应用：MF、UF、RO、酶反应等型式优点缺点管式易清洗、无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力较大中空纤维式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低（小于0.25MPa）动力消耗较低料液需要预处理，单根纤维损坏时，需调换整个模件螺旋卷绕式单位体积中所含有过滤面积大，换新膜容易料液需要预处理，压力降大，易污染，清洗困难平板式保留体积小，能量消耗介于管式和螺旋卷绕式之间死体积大各种膜装置性能的比较6膜分离装置6膜分离装置6膜分离装置六膜技术的应用1)、细胞培养基的除菌；2)、发酵液或培养液中细胞的收集和除去；3)、细胞破碎后碎片的除去；4)、标产物部分纯化后的浓缩或滤除小分子溶质；5)、最终产品的浓缩和洗滤除盐；6)、蛋白质的回收、浓缩和纯化7)、制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热源水；8)、膜生物反应器。应用实例废水处理用水处理SanitaryceramicsystemsStainlesssteelmembranesystemElectrodialysisstacksfornitrateremovalindrinkingwater(3320m3/day).Electrodialysissystemforthedesaltingofaminoacidsolutions.Electrodialysisplantprocessskidsforsugarjuicedemineralization.Electrodialysisfortartaricstabilizationofwine:Tartaricwinestabilizationplant(9000L/hour).BipolarMembraneElectrodialysisBipolarmembraneelectrodialysisstacksfortheproductionofanorganicacid.UFTubularSystems12膜的污染和清洗膜清洗A、试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。B、原则：去污能力好，对膜无损害，成本最低。C、方法：反向清洗，试剂置换，化学降解消化。E、预防：膜的预处理(用乙醇浸泡聚砜膜)，料液预处理(调pH，预过滤)，开发抗污染膜，临界压力操作等。Thankyouforyourjoin