生化工程设备-第二篇-第二章-过滤、离心与膜分离设备-第二节-过滤设备

第二篇第二章过滤、离心与膜分离设备--第二节-过滤设备第二节过滤设备按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三类。常压过滤效率低，仅适用于易分离的物料，加压和真空过滤设备在生物工业中被广泛采用。一、板框式及板式压滤机第二章过滤、离心与膜分离设备(一)板框式压滤机板框式压滤机主要由许多滤板和滤框间隔排列而组成。如图2-2-5所示。板和框多做成正方形，角端均开有小孔(图2-2-6)，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。为此，滤板的两面制成沟槽，并分别与洗水孔道和滤液出口相通。滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种，其结构与作用有所不同。每台板框压滤机有一定的总框数，其数目由生产能力和悬浮液固体浓度确定，最多可达60个，需要框数少时，可插入育板以切断滤浆流通的孔道。过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打人框内，如图2-2-7（1）所示，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。滤液在引出方式上有明流与暗流之分。前者适用于一般场合，如发酵液的过滤，后者则用于滤液需保持无菌，不与空气接触等场合。洗涤滤饼时，洗水经由洗水通道进入滤板与滤布之间。由于关闭洗涤板下部的滤液出口，洗水便横穿滤框两侧的滤布及整个滤框厚度的滤饼，最后由非洗涤板下部的滤液出口排出[图2-2-7（2）]。由于洗水通过滤饼的厚度为最终过滤操作时的一倍，而洗水通过的过滤面积仅为过滤操作时的1/2。因此，洗涤速率仅为最终过滤速率的1/4。洗涤结束后，旋开压紧装置并将板框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组装，进行下一循环操作。常用的板框压滤机有BMS、BAS、BMY及BAY等类型。其中B表示扳框压滤机、M表示明流、A表示暗流、s表示手动压紧、Y表示液压压紧，代号后面的数字表示过滤面积、滤框规格及框的厚度。表2-2-4所示为部分国产板框压滤机规格。滤板和滤框一般由铸铁铸成，也可由硬橡胶、塑料等制成。无菌过滤时，一般应采用不锈钢制造。板框压滤机的最大操作压力可达1000kPa，通常使用压力为300~500kPa。发酵液过滤时，处理量为15~25L/(m2•h)。(二)板式压滤机较常见的是凹腔板式压滤机(图2-2-8)，也称箱式压滤机，它全部由滤板并列组合而成，即滤板具有板和框的双重作用。滤板通常为凹面形圆盘，滤板两侧各有一凸出的边框，这样当两块滤板合拢时，中间的内腔即形成滤箱。每块滤板的两侧覆以滤布，利用螺旋活接头将滤布紧贴于板的凸缘平面上，这样可将滤箱空间分隔成滤布与板面间的滤液空间及滤布处部的滤浆空间。过滤时，料液经滤板的中央进料孔进入滤浆空间，滤渣沉积于滤布上形成滤饼，而滤液穿过滤布进入板面的沟槽内，并从下部的孔道流出。板框式硅藻土过滤机与典型的板框式压滤机没有本质上的差别，只是以硅藻土过滤介质代替滤布，它使用特制的多孔隙滤纸板夹持在板和框之间，作为硅藻土层的支撑物，每一过滤周期结束后需更换新的滤纸板和硅藻土。板式或板框式压滤机结构简单。价格低，过滤面积大，耐受压力高，动力消耗小，适用于较难处理物料的过滤，故使用较广泛。但这种压滤机不能连续操作，劳动强度大，辅助操作时间长，滤布易损坏。目前已研制出半自动和全自动压滤机。(三)自动板框压滤机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.图2-2-9所示为IFP型自动板框压滤机的操作过程示意图。其结构与普通板框压滤机大体相同。只是板与框各有4个角孔，滤布是首尾封闭的整体，并配有自动控制操作系统。过滤时，悬浮液从板框上部两个角孔形成的通道并行庄入滤框，滤液穿过滤框两侧的滤布，沿滤板表面的沟槽流入下部角孔形成的通道，滤饼则在滤框内形成。洗涤滤饼也按过滤流向进行。洗饼完毕，油压机将板框拉开，并使滤框下降。然后开动滤饼推板，框内滤饼将以水平方向推出落下。传动装置带动环形滤布绕一系列转轴旋转，以达到洗涤滤布的目的，最后使滤框复位，重新夹紧，完成一个操作周期。全部操作可在10min内完成。自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了它的应用和发展。（四）板框压滤机工艺计算1.物料衡算设待处理悬浮液最为m(kg)，其固相浓度为x1(%，质量分数)，经过滤分离后得湿滤渣为m1(kg)，其湿度为x2，（%，质量分数)，获得滤液为V(rn3)，密度为ρ(kg/m3)。则总物料衡算m=m1+Vρ(2-2-11)滤液物料衡算m(l-x1)..m1x2=Vρ(2-2-12)滤渣物料衡算mx2=m1(l-x2)(2-2-13)由此计算得每批操作的滤液量、滤渣量及滤渣中的液体含量。用以选择压滤机。2.板框压滤机选择及台数•板框压滤机的滤箱体积为：•Vp=NABH(2-2-14)•式中Vp——板框压滤机的滤箱体积，m3•A，B，H——分别为滤框的有效高度、宽度及厚度，m•N——滤框数目•若发酵液体积为VF(m3)，其湿滤渣体积与发酵液体积之比为E，滤箱的填充系数为K，则压滤机的台数为：压滤机的选择应考虑以下两个方面:首先尽可能选用较薄的滤框。因为框的厚度愈大，液体穿过滤饼层的路程就愈长，阻力也就愈大，过滤速度相应减小，并且滤饼的湿度较大，洗涤困难，致使收率下降。此外，滤框愈厚，每批操作得到的过滤面积小，过滤时间便相应增加。其次，压滤机台数的确定应从投算、布置、操作等全面考虑，一般以选择较大规格者为适宜。3.过滤面积及生产能力计算过滤操作通常有恒速过滤、恒压过滤或加压变速过滤等形式。其计算均基于过滤基本方程：二、真空过滤机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。生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机。(一)转筒真空过滤机的结构与操作转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，其操作流程如图2-2-10所示，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒(图2-2-11)，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布。圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，每个空间都以单独孔道通至筒轴颈端面的分配头上，分配头内沿径向隔离成3个室，它们分别与真空和压缩空气管路相通。转筒下部浸入浆槽中，浸没角90°~130°圆筒缓慢旋转时(转速约0.5~2r/min)，筒内每一空间相继与分配头中的1、2、3室相通(见图2-2-12)，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区3个区域。①过滤区。圆筒内下部的空间与料浆相接触，由于在这个区中的空间与真空管连通，于是滤液被吸人筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中，而固体粒子则被吸附在滤布的表面形成滤饼层。为防止滤浆中固体沉降，在料液槽中装置摇摆式搅拌器。②洗涤及脱水区。当圆简从料浆槽中转出后，由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤，由于此区也与真空管路相遇，于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内，并经分配头号|至洗水贮罐中。为了避免滤饼层裂缝，可在此区上安装一滚压轴以提高脱水效果，防止空气从裂缝处大量流人筒内而影响真空度。③卸渣及再生区。经洗涤和脱水的滤饼层继续旋转进入此区。由于此区与压缩空气管路连通，于是压缩空气从圆筒内向外穿过滤布面将滤饼吹松，随后由刮刀将其刮除。刮掉滤饼后的滤布继续吹以压缩空气，以吹净残余滤渣，使滤布再生。转筒真空过滤机的过滤面积有1、5、20m2及40m2等不同规格，目前国产的最大过滤面积约50m2，型号有GP及GP-x型，GP型为刮刀卸料，GP-x裂为绳索卸料。直径。0.3~4.5m，长度0.3~6m。滤饼厚度一般保持在40mm以内，对于难于过滤的胶状料液，厚度可小于10mm。对于菌丝体发酵液，过滤前在滚筒面上预涂一层50~60mm厚的硅藻士。过滤时，可调节滤饼刮刀将滤饼连同一薄层硅藻士一起刮去，每转一圈，硅藻土约刮去0.1mm，这样可使过滤面不断更新。转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作，生产能力大，劳动强度小，但辅助设备多，投资大，且由于真空过滤，推动力小，最大真空度不超过80kPa，一般为0.27~67kPa，滤饼湿含量大，通常为20%~70%。除真空转筒过滤机外，还有转盘真空过滤机，真空翻斗式过滤机等。转盘真空过滤机及其转盘的结构、操作原理与转筒真空过滤机类似，每个转盘相当于一个转筒。过滤面积可以大到85m2，(二)转筒真空过滤机的生产能力(一)小型过滤实验装置到目前为止，工业规模生产中有关的过滤工艺、设备选型及工艺设计等问题，还不能仅从理论上得到解决。必须进行实验研究，即用简单的过滤实验装置对滤饼的压缩特性、操作参数、发酵液预处理、滤液澄清度、滤饼洗涤等进行研究，是工业生产中过滤设备设计和过程放大十分重要的问题。最简单的过滤实验装置是采用布氏漏斗进行过滤试验(图2-2-13)，过滤前可对料液进行预处理，如添加絮凝剂、助滤剂或加热处理，实验时可控制过滤压力差与大生产的过滤操作压力一致，并维持其他操作条件相同，这样就可用实验结果估算大规模过滤所需的时间等。布氏漏斗虽然简单，但实验操作不灵活，可靠性较差，因此，可采用滤叶过滤实验装置。由于转鼓式过滤机的处理量较大，在实验室进行小规模试验有许多困难。因此，实验室常用滤叶进行转鼓过滤机的模拟试验，即采用已知过滤面积的单叶片过滤装置，如图2-2-14所示。该装置的关键部件是过滤叶片和调节真空系统。滤叶安装在搅拌罐内，待过滤的悬浮液一次加入搅拌罐，刻度漏斗能随时读出滤液体积。实验开始前，先选择适宜的助滤剂在滤叶上形成一定厚度的预涂层。开启抽真空系统调节到规定的真空度，将滤叶浸没于悬浮液中，开始过滤操作，并记录不同操作时刻的滤液量，操作过程中，不断搅拌料液使之均匀。待滤饼达一定厚度后，提起滤叶使之离开液面.继续抽真空抽吸滤饼中的液体。然后将滤叶转移浸没于洗涤液中洗涤滤饼，最后收集滤饼，测定体织等.根据实验数据可求得实验条件下的过滤速率.(二)过滤过程的放大采用小型过滤装置研究过滤过程放大时，应维持实验所用悬浮液的特性与实际生产过滤时相同。若料液染菌，温度变化、细胞自溶等都会改变料液的物性，从而使实验结果失真，放大过程失败。另外，还应维持小型实验装置尽可能与工业生产设备的类型相同。由过滤微分方程式(2-2-1)知，过滤在恒速条件下进行时，若忽略过滤介质阻力，则式（2-2-1）简化为：