碟式分離機和臥式離心機在生物工程中的應用

                                 王友強1,2

（1.四川大學化學工程學院，四川成都610065；2.南京中船綠洲機器有限公司，江蘇南京210039）

    摘要：概述了碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機的基本原理，介紹了這兩種離心機在生物工程中 應用的特點及應用的一些情況，探討了與國外先進水平的差距。

    關鍵詞：碟式分離機；臥式螺旋沉降離心機；分離；生物工程

    中圖分類號：TQ051.8+4文獻標識碼：B文章編號：1005-8265（2009）04-0041-03

    1 前言

    碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機是高速旋轉的 離心分離機械設備。它們利用慣性離心力和物料的比 重差來促進固體顆粒和液體的運動，實現(xiàn)分離目的，可 用于液—固、液—液、液—液—固等二相或三相物料的 分離。兩種離心機對應于特定的物料和工藝應用都有 其獨特的優(yōu)點。因其具有分離精度高，單機處理量大， 處理過程連續(xù)化、自動化，操作與維修方便，對不同工 藝過程適應性強等特點，在眾多經(jīng)濟領域中得到廣泛 應用。特別是近些年來，一方面生物工程技術發(fā)展迅 速，在緩解能源供應壓力、提高醫(yī)藥衛(wèi)生條件、保護環(huán) 境、促進社會與經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展方面發(fā)揮著越來 越重要的作用；另一方面由于新技術、新材料的不斷應 用，碟式和臥式螺旋沉降離心機的技術水平快速提升， 因而碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機在生物工程中 扮演著越來越重要的角色[1]。

    2 碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機概述

    2．1碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機的分離原理[1]

    碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機都是離心沉降 類離心機，其分離理念都是基于重力沉降而發(fā)展起來的。以液—液—固三相分離為例，混合液體在沉淀池內(nèi)，密度大的固體顆粒在重力作用下緩慢地下沉直至池底，最終混合液體會變得清澈，且密度相對較小的液體在最上層。然而重力沉降分離時間很長，不能滿足工業(yè)化大生產(chǎn)快速分離和分離結果受控的要求。離心沉降分離恰恰滿足了這一點，不同密度互不相溶的液體及固相顆粒進入高速旋轉的轉鼓內(nèi)，在強大的離心力場作用下，密度最大的固體顆粒向外運動積聚在轉鼓 的周壁，而不同密度互不相溶的液體則在內(nèi)層形成同心圓環(huán)，密度相對較小的液體圓環(huán)在內(nèi)，密度相對較小的液體圓環(huán)在外，而分離界面（兩種液體圓環(huán)接觸處）可根據(jù)不同物料和分離要求進行調(diào)節(jié)。這樣碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機對不同物料實現(xiàn)了快速高效的分離。

    2．2碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機的分類

    經(jīng)過多年的發(fā)展，為滿足不同物料的分離要求，碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機已形成了眾多類型。按分離功能來分，碟式分離機可以分為澄清型、濃縮型和澄清濃縮型，臥式螺旋沉降離心機均可以分為脫水型、澄清型和分級型；按結構形式來分，碟式分離機可 分為人工排渣型、自動排渣型、噴嘴型，而每一種還可以再分類，譬如自動排渣型可分為部排型、全排型，內(nèi)活塞型、外活塞型；噴嘴型又可分為周邊噴嘴型、內(nèi)收噴嘴型、底沖水型、循環(huán)型等等。臥式螺旋沉降離心機可分為并流型和逆流型等。

    2．3碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機的適用性

    碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機因各自特點不 同，對物料的適用性也有所區(qū)別。就固液兩相分離而 論，一般來說，碟式分離機能分離的料液中固體顆粒粒 徑為0.1～300μm，料液中固含量(v/v)因機型不同各不 相同，人工排渣型為0.02%～0.1%，自動排渣型為 0.02%～10%，噴嘴型為0.02%～40%；而臥式螺旋沉降 離心機能分離的料液中固體顆粒粒徑為2μm～3 mm，料液中固含量(v/v)為0.5%～60%。從分離后的結果來 看，經(jīng)碟式分離機分離后的輕液澄清透明，而臥式螺旋 沉降離心機分離出來的液相仍含有少量固形物。分離 效果的好壞與物料中的固含量，固液相密度差，固相顆 粒形狀、大小，物料黏度，分離溫度及分離機的選型與 工藝匹配等等息息相關，要充分重視離心機的選型。

    3 在生物工程中的應用

    由于生物環(huán)境的復雜性和生物技術的多樣性，生 物技術中工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的離心分離基本都是在相當 復雜的液態(tài)環(huán)境下進行的。生物工程中的物料，如發(fā)酵 產(chǎn)物、酵母、蛋白質(zhì)等，含有非常細小的顆粒，在普通臥 螺機中難以沉降，螺旋也難以將沉降的顆粒輸送至轉 鼓錐端；自動排渣分離機又受到料液中固含量要求的 制約；噴嘴分離機則有固相帶走料液的弊端[2]。為了解 決影響分離機和臥螺機在生物工程中廣泛推廣應用的 問題，綠洲公司結合四十多年制造離心機所掌握的技 術和經(jīng)驗，應用新材料，進行了大量的試驗以確定離心 機的主參數(shù)，優(yōu)化臥螺機的轉鼓形狀、螺距、進料分布 和轉鼓內(nèi)物料流動形態(tài)以降低對物料的剪切力和攪 動；改進碟式分離機的轉鼓結構，優(yōu)化碟片結構，進、出 料區(qū)布局，改進傳動結構以提高轉速及解決由此帶來 的振動難題，不斷提高離心機的性能以滿足生物行業(yè) 的需要。目前，綠洲公司生產(chǎn)的生物工程用碟式分 離機的慣性離心力超過11 000 g，臥式螺旋沉降離心 機的慣性離心力超過3 000 g，某些型號超過4 000 g。 這使得碟式分離機為生物技術過程提供了所需的離心 力，能夠分離出料液中小于0.5μm的顆粒，同時高離 心力使分離出來的固相更加致密，分離機排出的固相 更干。同時改進后的臥螺機的分離性能和處理能力都 得以大幅度提升，滿足生物技術發(fā)展的要求。表1是南京中船綠洲機器有限公司開發(fā)的在生物工程中成功應用的部分機型。

             

    需要指出的是，生物技術的多樣性和復雜性大大增加了分離純化設備選型的難度。譬如單就微生物來說，種類多、大小尺寸差別大，且形狀各異，其培養(yǎng)液的 流動特性就很復雜[3]。因此分離操作有時是一種型號的碟式分離機就可以了，有時是二到三種碟式分離機組 合或碟式分離機與臥式螺旋沉降離心機組合使用，組合順序也不盡相同，這要根據(jù)具體的物料性質(zhì)和綜合考慮投資成本、生產(chǎn)成本而定。另外相當多的情況下，碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機分離過程是作為超濾、納濾過程的前處理工序，這兩種離心沉降分離設備與超濾、納濾設備結合使用。

    4 在生物工程中的應用展望

    目前，就碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機相關 的離心分離技術方面，我國與國際先進水平相比，還有 一定的差距。這一方面表現(xiàn)在國內(nèi)對于離心沉降分離 的機理缺乏深入的研究，一定程度上影響了新產(chǎn)品的 開發(fā)速度和技術的先進性。另一方面就已有的這兩類 離心沉降設備而言，正朝著高速化、大型化、高度可靠 性、自動化方向發(fā)展。國外先進水平的生物工程用碟式 分離機的慣性離心力已超過15 000 g，臥式螺旋沉降 離心機的慣性離心力已超過5 000 g,高的甚至超過了 7 000 g。

    5 結語

    離心分離技術是一項適應性強，能滿足生物工程中物料高精純分離要求的分離技術，具有廣闊的發(fā)展前景。這類設備的開發(fā)、提高和應用，可以提高相關行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品檔次，降低投資成本和生產(chǎn)成本，提高市場競爭能力。可以相信，碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機配合生物工程工藝，必將在生物工程中發(fā)揮更大的作用，獲得廣泛地應用。

參考文獻：

[1][英]A.Rushton,A.S.Word,R.G.Holdich,朱企新，許莉，譚蔚，等 譯.固液兩相過濾及分離技術[M].北京：化學工業(yè)出版社， 2005.

[2]賈士儒.生物工藝與工程實驗技術[M].北京：中國輕工業(yè)出版 社,2002.

[3]辛秀蘭.生物分離與純化技術[M].北京：科學出版社，2005.