生物工業離心分離設備選用原則與設備選型及新發展

齊齊哈爾大學食品與生物工程學院（齊齊哈爾 161006）

在生物加工業中，目的產物的分離方法常用的有機械分離和傳質分離兩大類。實現離心分離操作的機械稱為離心機或離心分離設備，它是通過高速回轉部件產生的離心力實現懸浮液、乳濁液的分離和固相濃縮，液相澄清的分離機械。因多數分離物系中溶質間性質差別較小，即分離因子較小，單級分離效率很低，故多采用多級分離技術，使用2種或2種以上分離原理及技術共同作用，促進分離效率的提高[1-2]。

離心機的種類很多，分類方法也很多，如按離心分離因數可分為：普通分離機，分離因數f＞3 500；中速分離機，分離因數3 500＜f＜50 000；高速分離機，分離因數f＞50 000。按操作性質可分為過濾式分離機和沉降式分離機；按結構可分為上懸式、三足式、管式和碟片式離心機。按分離過程進行方式可分為連續式和間歇式。各類離心分離機的性能見表1。

表1 各類離心分離機的性能

1 離心分離設備的選用原則

選擇離心機類型一般遵循以下原則，主要從兩大方面考慮：一是要了解被分離物料的理化性質；二是要了解各類離心機的特征。

1) 明確被分離物料的性質，是懸浮液還是浮濁液。是懸浮液，可采用過濾式或沉降式離心機；如乳濁液，可選離心分離因數高的管式離心機（或碟片機）。

2) 懸浮液中固相顆粒密度大于液相時，可采用沉降式；反之，固相顆粒的密度小于或等于液相時，只能采用過濾式離心機。

3) 顆粒直徑在19 μm以下時，則采用普通沉降式離心機；如顆粒在100 μm以上時，兩者均可采用。

4) 如濾餅具有可壓縮性時，多采用沉降式；如懸浮液固相含量大于1%時，采用間歇式操作不太合適，因為頻繁開停機對離心機有損害，而采用連續式離心。

5) 分離量大的場合不適合選用管式離心機，螺旋式離心機適用于密度差大，固體含量高的場合。

2 離心分離設備的選用

生物加工過程中越來越多地使用離心機，如酒液澄清、菌體分離等。選擇生物加工中常用的幾種離心機予以介紹。

2.1 離心過濾設備類型與選用

常用離心過濾設備有三足式離心機、上懸式、刮刀卸料式、活塞卸料式、離心卸料式等。

離心過濾離心機的種類及其運轉方式、濾餅形式、卸料方式等見表2。

表2 各種離心過濾離心機參數

2.1.1 三足式離心機選用

三足式過濾離心機是最早出現的一種過濾式離心機，如今仍被廣泛應用于生物工業，由于各種新技術的相繼應用，三足式過濾離心機得到迅速發展，出現許多新型的自動操作的三足式過濾離心機，整個操作在完全自動的周期性循環過程下進行。三足式離心機的轉鼓有過濾和沉降2種類型，國產三足式離心機主要技術參數范圍為內徑300～1 500 mm，高度165～500 mm，轉速600～2 800 r/min，容積8～400 L。根據卸料部位、方式及控制方法可分為SS型、SD型、SGF型，SX、SC、SG等多種型式[3]。三足式過濾離心機被廣泛用于輕工、制藥和微生物化工等部門，用作分離懸浮液的分離操作。表3列出部分三足式離心機的技術參數。

表3 三足式離心機的技術參數

2.1.2 臥式刮刀卸料式離心機選用

臥式刮刀卸料離心機的轉鼓是水平安裝的，轉鼓的一側與傳動軸連接，另一側為中空，裝有卸料斗、刮刀、耙齒等。轉鼓置于外殼中，下部為濾液出口，外殼的前蓋上裝有刮刀的進刀機構及耙齒，進料管（兼作洗滌管）也由此端伸入，進料和洗滌用電磁閥或氣動閥控制。刮刀裝在刀架上，油缸內的活塞通過活塞桿與刀架相連接，作用在活塞上的油壓使刀架沿2根導向柱上下移動，卸料時提升刮刀就可將濾餅從轉鼓內沿卸料斗排出。臥式刮刀卸料離心機的轉鼓直徑240～2 500 mm；離心分離因數250～3 000；轉數450～3 500 r/min。這種離心機既可作為過濾用，也可作為沉降用，操作方便。

2.2 碟片式離心機類型與選用

碟片式離心機是應用最廣泛的分離機械之一，也是生物工業中用量最多的離心分離機械。

碟片式離心機其內部結構特點是轉鼓內裝有錐形碟片，碟片數50～180片，錐角60°～120°，碟片一般用0.8 mm不銹鋼制成，碟片間的間隙0.5～1.5 mm，由于數量眾多的碟片及很小的碟片間距，增大沉淀面積，縮短沉降距離，因而碟片式離心機具有較高分離效率。

碟片式離心機按排渣方式的不同，可分為人工排渣、噴嘴排渣和自動排渣等形式，這種分類能更好反映出各種碟片式離心機的結構特征，見表4。

表4 碟式分離機的基本技術參數

2.2.1 人工排渣碟片式離心機選用

人工排渣碟片式離心機是指在每批分離澄清完成之后，或沉渣積存至一定質量之后，停機并用人工清除鼓內沉渣的一種離心機。轉鼓由圓柱形筒體、錐形頂蓋及鎖緊環組成，轉鼓中間有底部為喇叭口的中心管料液分配器，中心管及喇叭口常有縱向筋條，使液體與轉鼓有相同的角速度。中心管料液分配器圓柱部分套有錐形碟片，在碟片束上有分隔碟片，其頸部有向心泵。現代的這種離心機，轉鼓內多可容納沉渣60～80 kg，如果被澄清的懸浮液內懸浮物濃度較高，則運轉很短時間就要停機清除沉渣，這顯然是不經濟的[4]。因此，這種機器適用于懸浮固體濃度較低的場合（＜5%），固體顆粒的直徑大于0.5 μm，小于500 μm的液-固系懸浮液，這種離心機在發酵工業中應用有較久的歷史，廣泛用于啤酒、葡萄酒、麥芽汁的澄清。

特點：結構簡單，價格便宜，沉渣密實，可用于澄清作業。缺點：間歇操作，勞動強度大。

2.2.2 噴嘴排渣碟片式離心機選用

這種機器的特點是在運轉的同時，懸浮固體物以被增濃的漿體狀態，從轉鼓周圍均勻分布的噴嘴中連續排出。在酵母廠中用于酵母培養液的增濃有很久歷史，又稱酵母離心機。轉鼓底都有沿圓周分布的濃縮液出口通道數量2～24個，每條的出口端旋上一只噴嘴，噴嘴口徑0.5～3.2 mm。由于排渣含液量較高，因此多用料液的濃縮，適用于顆粒直徑0.1～100 μm，進料液固體含量＜25%的懸浮液。濃縮液流量也相應加大，但其中固體物濃度低。一般可使面包酵母培養液的酵母增濃5～7倍，以絕干酵母計的濃度為60～80 g/L。

特點：生產連續，產量大；產品為濃縮液。缺點：噴嘴易磨損，需經常更換，操作要保持平衡，防止噴嘴堵塞。

2.2.3 自動排渣碟片式離心機選用

自動排渣碟片式離心機被廣泛用于生物加工業發酵液菌體分離，也應用于酒類、果汁、麥芽汁的澄清。在化工、醫藥、食品等工業都有應用。

待澄清的液體如麥芽汁從中央進液管進入鼓芯快速回轉的轉鼓底部，折而向上從碟片芯的周圍平行進入各碟片間隙，在慣性離心力的作用下，重度不同的麥芽汁與凝固物分離。轉鼓在正常運轉中，根據定時器的操縱，定期自動把底向下開啟一定距離，在轉鼓的最大直徑處打開一條狹窄的環隙，沉渣達到一定數量時，停止進料，同時換入洗滌水，沉渣與洗滌水一起在慣性離心力作用下，從此拋出并從周圍的匯集管里排出機外，各處又復位，整個過程只有幾秒鐘，上述過程均由程序機構次序控制[5]。該離心機的進料和分離液的排出是連續的，濃度過高會使環隙啟閉過于頻繁。分離因數5 000～15 000，它適用于懸浮固體物直徑大于0.5 μm、小于500 μm的情況，能分離最小顆粒0.5 μm，最大生產能力可達60 m3/h[6-7]。

2.3 管式離心機選用

管式分離機是高分離因數的離心機，分離因數可達15 000～65 000。管式分離機有澄清型和分離型2種，結構上有密閉式和開式2種結構。

特點：適用于含固量低于1%，固相粒度小于5 μm，黏度較大的懸浮液澄清，或用于輕液與重液相密度差小、分散性很高的乳濁液及液-液-固三相混合物的分離；結構上簡單，體積小，運轉可靠，操作維修方便。缺點：單機轉筒容量有限，處理量偏小[8-9]。

管式分離機可分為2類：一種是GF型，主要處理乳濁液，液-液分離；另一種是GQ型，用于處理懸浮液，液-固分離。液-液分離是連續性，液-固分離是間歇性，沉渣需人工清除。管式離心機型號由兩部分組成：一部分類型代號；另一部分是轉鼓內徑。如GQ 150，其中150即轉鼓直徑150 mm。表5是部分管式離心機的技術規格。

表5 部分管式離心機的技術規格

圖1 高速刮刀卸料離心分離機

圖2 高速活塞排料離心分離機

2.4 其他類型離心機選用

生物工業中用的其他類型的分離機，有多室式離心機、螺旋卸料離心機等，螺旋卸料離心機可分為臥式螺旋卸料離心機、立式螺旋卸料離心機和臥式螺旋卸料沉降/過濾復合離心機等機型[10]。其中，臥式螺旋卸料離心機應用最為廣泛，該機的轉動部分是由轉鼓和螺旋2個部件組成，轉鼓兩端水平支撐在軸承上，螺旋兩端用2個止推軸承裝在轉鼓內，螺旋與轉鼓內壁間有微量間隙。轉鼓一端裝有三角皮帶輪，由電動機帶動，螺旋與轉鼓間用一差動變速器使二者維持約1%的轉差。料液由中心管加入，進料位置約在螺旋的中部，在離心力作用下固形物被沉降在轉鼓壁上，液體由左側溢流孔排出，固體則由螺旋從大端推向小端，同時被甩干，落入外殼排渣口排出。

為滿足生物技術和制藥工業等領域分離的特殊需求，離心分離設備制造廠相繼開發一系列特殊專用機型，包括食品醫藥行業潔凈度要求的GMP離心機、細黏物料分離需要的雙錐筒螺旋離心機和SPT螺旋板分離機、生物制藥的高速刮刀卸料離心分離機（見圖1）和APD高速活塞排料離心分離機（見圖2）等[11]。

3 結語與展望

國內生物技術領域離心分離設備與國外尚有差距，為盡快縮小與國外的差距，在技術上應瞄準世界先進水平，少走彎路，經過消化吸收與創新，創造具有中國特色的高新技術產品。離心分離設備的技術發展趨勢是高效、節能、專用化、大型化，對發展方向進行展望。

1) 向多功能節能方向發展。隨著醫藥生物工程發展，為節能和防止貴重制品的污染，需求集反應、過濾、分離、干燥功能和節能減排為一體的設備。

2) 向全自動化智能方向發展。為提高生產率和適應特殊場合，需求全自動化連續作業的設備，向電腦控制、機器人操作方面發展，隨著自動控制和傳感技術發展，許多先進的自動控制手段已被引入離心機中，并對離心機運行過程中的各項參數，如溫度、流量、速度、振幅和噪音等進行全方位的測量，如無人操作碟型分離機等。

3) 向機型專用化、多樣化方向發展。為對高壓縮性、高分散性、高黏性、高精度的難分離物料、微粒子進行有效的分離和復雜物系提純，需研制新型專用設備，包括專用新技術的應用，即專用化、多樣化機型。