固液分離技術概述與研究趨勢
行業(yè)動態(tài)
1 前言
固液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)過程中，過濾與分離機構是關鍵設備之一，其技術水平的高低，質量的優(yōu)劣直接影響到許多過程實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的可能性、工藝過程的先進性和可靠性、制品質量、能耗、環(huán)境保護等經(jīng)濟和社會效益。
2 固液分離的基本技術與選型設備
從原理上講，固液分離過程可以分為兩大類：一是沉降分離，一是過濾分離。固液分離設備也可以相應地分為兩大類。在此基礎上，根據(jù)推動力和操作特征進一步細分為若干種固液分離設備。品種繁多的固液分離設備使得用戶有較大的選擇范圍，對于任意的固液分離問題，一般總可以找到一種較為合適的固液分離設備。但是，正由于固液分離設備種類很多，而一般用戶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較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足工藝要求的并不少見。如何正確合理地選擇固液分離設備引起了許多學者的重視，在近四十多年時間里國外發(fā)表了大量有關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方法。
3 固液分離技術的一般流程
3.1 明確分離工藝要求
在進行實驗研究前，首先必須弄清所要解決的分離問題，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(wèi)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，半小時后測量清液層高度，確定沉降速度、24小時后測量沉渣容積比。
3.3 確定物料過濾特性
物料過濾特性一般以濾餅增長率表示，可通過布氏漏斗試驗確定。方法是測定過濾一定量樣品所需時間，也可以采用頂部進料葉過濾裝置進行試驗，直接測定濾餅厚度，然后計算濾餅增長率。
3.4 初選固液分離設備
根據(jù)所確定的分離要求和物料分離特性來初選固液分離設備。
4 固液分離技術的概述
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(xù)式、批式等。特點是使固形物顆粒增大，容易沉降，過濾、離心提高因數(shù)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。
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，我們使用時可視具體情況而定：
（1）高速冷凍離心機：適用于粒度小，熱不穩(wěn)定的物質回收，適于實驗室應用。但由于容量小，連續(xù)操作困難，大規(guī)模工業(yè)應用性差。
（2）碟片式離心機：適用于大規(guī)模工業(yè)應用，可連續(xù)，也可批式操作，操作穩(wěn)定性較好，易放大，推廣。缺點是半連續(xù)或批式操作時，出渣清洗煩雜。
（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(xù)操作，易放大，易工業(yè)應用，操作穩(wěn)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：實為離心力作用下的過濾，適于大顆粒固形物的回收，放大容易，操作較簡單、穩(wěn)定，適于工業(yè)應用。缺點是批式操作或半連續(xù)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。
4.3 過濾
過濾是利用過濾介質的孔隙大小進行分離。設備有板框式過濾機、平板（真空）過濾機、真空旋轉過濾機等。特點是設備簡單，操作容易，適合大規(guī)模工業(yè)應用，但分離速度低，分離效果受物料性質變化的影響，勞動強度大。
4.4 萃取
在生物合成工業(yè)上，萃取也是一個重要的提取方法和分離混合物的單元操作，萃取法具有傳質速度快，生產(chǎn)周期短，便于連續(xù)操作，容易實現(xiàn)自動控制，分離效率高，生產(chǎn)能力大等一系列優(yōu)點，所以，應用相當普遍。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行提取，而且近年來又開發(fā)了不使酶等蛋白質失活的雙水相萃取法，已成功地應用了提取甲酸脫氫酶，a-葡萄苷酶等，但因為聚乙二醇、葡聚糖等價格較貴，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(shù)差異進行分離的萃取法。適用于有機化合物及結合有脂質或非極性側鏈的蛋白質，反膠團系統(tǒng)較適于生物活性物質萃取，但萃取條件嚴格，安全性低，活性收率低。
（2）雙水相萃取法：依靠分離物在不相溶性的高分子水溶液形成的兩相中的分配系數(shù)不同而分離，它的特點是：連續(xù)或批式萃取，設備簡單，萃取容易，操作穩(wěn)定，極易放大，適合大規(guī)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分配系數(shù)及萃取專一性，但成本較高，純化倍數(shù)較低，適合粗分離。
（3）超臨界萃?。核抢媚承┝黧w在高于其臨界壓力和臨界溫度時具有很高的擴散系數(shù)和很低的粘度，但具有與流體相似的密度的性質，對一些流體或固體物質進行萃取的方法。它的特點是：萃取能力大、速度大，且可通過控制操作壓力和溫度，使其對某些物質具有選擇性，正開始應用于生物工程中。缺點是設備條件要求高，規(guī)模較小。
超臨界萃取技術（SFE）是近二三十年發(fā)展起來的一種新型分離技術。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(shù)比液體大100倍，從而其運動速度和溶解過程的傳質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，在臨界點附近，溫度和壓力的微小變化會引起超臨界流體密度的較大變化，由此可調(diào)節(jié)其對物質的溶解能力。由于物質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分離。所選的超臨界流體介質與被萃取物的性質越相似，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行選擇性萃取，從而達到分離的目的。SFE有許多傳統(tǒng)分離技術不可比擬的優(yōu)點，諸如過程易于調(diào)節(jié)、達到平衡的時間短、萃取效率高、產(chǎn)品與溶劑易于分離、無有機溶劑殘留、對熱敏性物質不易破壞等。因此，SFE在眾多領域有著廣闊的應用前景。但由于CO2是一對稱分子，偶極距為0，極化率只有25.6×10-26，且極性隨壓力增大無明顯增加，故用單一的CO2作萃取劑時只表現(xiàn)出對低極性、親脂性化合物較強的溶解能力，大多數(shù)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，即第二類CO2-SFE技術。
（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(xù)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，熱力學穩(wěn)定的系統(tǒng)，若將表面活性劑溶于非極性的有機溶劑中，可使其濃度超過臨界膠束濃度（CMC），便會在有機溶劑內(nèi)形成聚集體，這種聚集體成為反膠束。影響反膠束萃取蛋白質的主要因素有：水相pH值，離子強度，表面活性劑類型，表面活性劑濃度，離子種類等。其萃取蛋白質的應用主要有：分離蛋白質混合物，濃縮a-淀粉酶，從發(fā)酵液中提取胞外酶、直接提取胞外酶，用于蛋白質重性等?？梢?，反膠束萃取技術為蛋白質的分離提取開辟了一條具有工業(yè)開發(fā)前景的新途徑。
（5）凝膠萃取法：凝膠是化學鍵交聯(lián)的高聚物溶脹體，就其化學組成而言，通?？煞譃槿箢悾菏杷杂袡C凝膠；親水性有機凝膠；非溶脹性無機凝膠。其中親水性有機凝膠具有兩大特性：
①凝膠的脹縮特性。即具有交聯(lián)網(wǎng)絡的聚合物凝膠，能吸收比自身重量大數(shù)十倍乃至數(shù)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，小分子物質和無機鹽能進入凝膠，而大分子物質則被排斥，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的濃縮和凈化。
②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，設備與操作簡單，對物料分子不存在機械剪切或熱力破壞等優(yōu)點，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程。
4.5 其他分離方法
其他分離方法有：一般的物理、化學方法，如破碎、干燥等。就干燥來說又有真空干燥、真空冷凍干燥、流化床干燥、噴霧干燥等，過程就不再贅述了。
5 固液分離技術的研究趨勢——高效集成化
從發(fā)展趨勢來看，固液分離技術研究的目的是要縮短整個下游工程的流程和提高單項操作的效率，以前的那種零敲碎打的做法，既費時、費力，效果又不明顯，跟不上發(fā)展的步伐?，F(xiàn)在對整個生物分離過程的研究要有一個質的轉變，并認為可以從兩個方面著手。其一，繼續(xù)研究和完善一些適用于生化工程的新型固液分離技術；其二，進行各種固液分離技術的高效集成化。目前出現(xiàn)的新型單元分離技術，如親和法、雙水相分配技術、逆膠束法、液膜法、各類高效層析法等，就是方向一的研究成果，而作為方向二的高效集成化，目前研究比較熱門的是將雙水相分配技術與親和法結合而形成效率更高，選擇性更強的雙水相親和分配組合技術，將親和色譜及膜分離結合的親和膜分離技術；可以將離心的處理量、超濾的濃縮效能及層析的純化能力合而為一的擴張床吸附技術等。
但就目前看來，有關固液分離技術或過程的高效集成化研究還是很膚淺的，還不能與傳統(tǒng)技術及過程的有效比較，尚未大規(guī)模應用。研究的目標產(chǎn)物液大多是局限在簡單分子，對于基因工程蛋白質及其有重要應用價值的其它生物活性物質的分離則研究得很少，對有關新技術的分離機理、控制因素、模型化等方面的研究也還處于初步摸索階段。但是應該看到研制和發(fā)展生物分離過程的高效集成化技術是改進和優(yōu)化生物下游處理過程的重要手段之一，也是生物工程在二十一世紀得到高度發(fā)展的重要保證，這種集成化技術不僅會加強和改善發(fā)酵液和基因工程菌培養(yǎng)液的分離手段，而且對天然物質中高價值的有效物質提取和分離過程的改進也會有明顯的指導意義和借鑒作用。因此，生物分離過程的高效集成化的現(xiàn)實作用相當重大，潛在的發(fā)展前景是十分美好的。
