第八章 细胞破碎与料液分离过程设备 微生物代谢产物大多分泌到胞外，如大多数小分子代谢物、部分酶蛋白等。但有些目标产物如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等存在于胞内。要分离和提取此类产物，就必须进行细胞破碎，使目标产物转入液相，然后进行细胞碎片的分离。 第一节 细胞破碎设备 细胞破碎的方法很多，一般按是否使用外加力分为机械法和非机械法两类。非机械法有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等。在此我们对非机械法不作进一步讨论，下面介绍一下机械法中常用的细胞破碎设备。 （一）高速珠磨机 珠磨机的工作原理是将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起搅拌，由于研磨作用，使细胞破碎，释放出内含物。图8-1为水平搅拌式珠磨机结构示意图。  如图8-1所示在水平位置的磨室内放置玻璃小珠，装在圆心轴上的圆盘搅拌器高速旋转，使细胞悬浮液和玻璃小珠相互搅拌，在液面出口处，旋转圆盘和出口平板之间的狭缝很小，可阻挡玻璃小珠。从而在珠液分离器的协助下，珠子被挡在破碎室内，而浆液则流出，从而实现连续操作。由于珠磨破碎过程要产生热量，易造成某些活性物质的失活，一般在磨室装有夹套冷却装置。 在珠磨中，细胞的破碎率可用一级速率方程式表示： 对于间歇操作： （8-1） 对于连续操作： （8-2） 其中  （8-3） 式中 ——破碎率，%； ——反应速率常数，； ——破碎时间，； ——平均停留时间，； ——破碎室悬浮液体积，； ——进料速度，。 反应速率常数K与许多操作参数有关，如搅拌转速、料液的循环流速、细胞悬浮液的浓度、玻璃珠的装置和珠径以及温度等。这些参数不仅影响破碎程度，也影响所需要的能量。珠体的大小应以细胞的大小、浓度以及连续操作时不使珠体带出作为选择依据。珠体的装量要适中，装量少时，细胞不易破碎，装量过大时，能耗增大，研磨室热扩散性能降低，引起温度上升。Schutte等人在研究了几种酵母和细菌株的破碎后，提出破碎条件在下列范围内较适宜： 搅拌器的转速 700～1450转/min； 流速 50～500L/h； 细胞悬浮液浓度 30~50%（细胞湿重/体积）； 玻璃小珠装量 70~90%； 玻璃珠直径 0.45~1mm。 （二）高压匀浆器 高压匀浆器是用作细胞破碎的较好的设备。它是由可产生高压的正向排代泵和排出阀组成。高压匀浆器的排出阀简图如图8-2所示。  细胞浆液通过止逆阀进入泵内，利用高压使其在排出阀的小孔冲击，并且高速撞击在撞击环上。细胞在这一系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以及高压到常压的变化，从而造成细胞破裂。 在操作方式上，可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式。对某些较难破碎的细胞如小球菌、链球菌、酵母菌和乳酸杆菌等，应采用多次循环的方式才能达到较高的破碎率。 采用高压匀浆器破碎细胞属于一级反应过程。 破碎的动力学方程可表示为：  （8-4） 式中 ——细胞破碎率； ——与温度等有关的破碎常数； ——悬浮液通过匀浆器的次数； ——操作压力； ——与微生物种类有关的常数。 由上式可知，影响破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器的次数。一般来说，增大压力和增加破碎次数都可以提高破碎率，但压力增大到一定程度后，对匀浆器的磨损较大。 高压匀浆器适用于很多微生物细胞的破碎。例如大肠杆菌、酵母菌等。但对某些微生物，如较小的革兰氏阳性菌、团状或丝状真菌不适用。因为他们会堵塞匀浆器的阀，使操作发生困难。 （三）超声波振荡器 超声波具有频率高、波长短、定向传播等特点，通常在15～25KHz的频率下操作。超声波振荡器有不同的类型，常用的为电声型，它是由发声器和换能器组成，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器又可分为槽式和探头直接插入介质两种型式，一般破碎效果后者比前者好。 超声波对细胞的破碎作用与液体中空穴的形成有关。Douiash指出当超声波在液体中传播时，液体中的某一小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。由于拉力的作用，使液体拉伸而破裂，从而出现细小的空穴。这种空穴泡受到超声波的迅速冲击而迅速闭合，从而产生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性旋涡在悬浮细胞上造成了剪切应力，促使细胞内部液体发生流动，而使细胞破碎。 超声波处理细胞悬浮液时，破碎效率与超声波的声强、频率、液体的温度、压强和处理时间等有关，此外与介质的离子强度、pH值和菌种的性质等也有很大的关联。不同的菌种，用超声波处理的效果也不同，杆菌比球菌易破碎，革兰氏阴性菌细胞比革兰氏阳性菌易破碎，酵母菌效果较差。 第二节 固液分离设备 在生物技术产业中，微生物发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液或各种提取液，常常是由固相与液相组成的。而这种悬浮液的固液分离是生物产品生产过程中经常遇到的重要单元操作之一。其中发酵液由于种类很多，大多数表现为粘度大和成分复杂，其固-液分离最为困难。 固液分离的方法很多，生物工业中运用的方法有分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等。其中最常用的主要是过滤和离心分离。过滤不但是生物产品生产过程中传统的单元操作，而且是目前工业生产中用于固液分离的主要方法。其操作是迫使液体通过固体支撑物或过滤介质，把固体截留，从而达到固液分离的目的。离心分离是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离、浓缩等操作。离心分离对那些固体颗粒很小且黏度很大、过滤速度很慢、甚至难以过滤的悬浮液分离有效，对那些忌用助滤剂的悬浮液的分离，也能得到满意的结果。 不同性状的处理液应选用不同的固液分离方法于设备。在生化物质液固分离时，我们常需考虑的重要参数有：分离粒子的大小和尺寸，介质的黏度，粒子和介质之间的密度差，固体颗粒的含量，粒子聚集或絮凝作用的影响，产品稳定性，助滤剂的选择，料液对设备的腐蚀性，操作规模及费用等。同时在选择分离方法时，还需考虑到它对后续工序的影响，尽量不要带入新的杂质，给后道工序的操作带来更多困难。 一、过滤设备 过滤的原理就是悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒与溶液分离。根据过滤机理不同，过滤又可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。 （1）澄清过滤 当悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上，使滤液得以澄清。 （2）滤饼过滤 当悬浮液通过滤介质时，固体颗粒被介质阻拦而形成滤饼，当滤饼积至一定厚度时就起到过滤作用，此时即可获得澄清的滤液。 过滤介质一般按照不同的过滤操作进行分类。 在澄清过滤中，所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性碳、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。在澄清过滤中，过滤介质起着主要的过滤作用。 在滤饼过滤中，过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉板、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。 按照过滤推动力的差别，习惯上把过滤机分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三种。 （一）常压过滤机 此类过滤机由于推动力太小，在工业中很少用。但在啤酒厂麦芽糖化的过滤仍采用这种压力差很小的平底筛过滤机。 啤酒麦芽汁中有大量的细小悬浮液以及破碎的大麦皮壳。后者沉降形成的麦槽层便成了过滤介质层。麦槽层中形成无数的曲折毛细孔道，只要这些细小的悬浮颗粒在毛细孔道中流速适当，它们就被毛细管壁所捕捉。实践证明，当麦芽汁的通透率在270～360L/（m2·h）的范围内，可以获得澄清度合格的麦芽汁。 （二）加压过滤机 1．自动板框压滤机 板框过滤机是一种传统的过滤设备，在发酵工业中广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌和细菌等多种发酵液的固液分离。 旧板框过滤机的缺点是需人工排除滤饼和洗换滤布。设备笨重，间歇操作，卫生条件差。然而具有过滤结构简单，单位体积的过滤面积大，装置紧凑等优点。 自动板框过滤机是一种较新型的压滤设备，它使板框的拆装、滤饼的脱落卸出和滤布的清洗等操作都自动进行，大大缩短了间歇时间，并减轻劳动强度。 图8-3为IFP型自动板框过滤机。该板框过滤机的板框在构造上与传统的无多大差别，唯一不同是板与框的两边侧上下有四只开孔角耳，构成液体或气体的通路。滤布不需要开孔，是首尾封闭的。 悬浮液从板框上部的两条通道流入滤框。然后，滤液在压力的作用下，穿过在滤框前后两侧的滤布，沿滤板表面流入下部通道，最后流出机外。清洗滤饼也按照此路线进行。 洗饼完毕后，油压机按照既定距离拉开板框，再把滤框升降架带着全部滤框同时下降一个框的距离。然后推动滤饼推板，将框内的滤饼向水平方向推出落下。滤布由牵动装置循环行进，并由防止滤布歪行的装置自动修位，同时洗刷滤布。最后，使滤布复位，重新夹紧，进入下一操作周期。 根据钟碧良等人的报道采用分散控制的思想并用PLC（可编程控制器）实现板框过滤机的联动控制。该联动控制能实现手动、自动和任意两台板框过滤机联动操作，提高了板框过滤机的自动化程度。实际使用表明，该系统性能稳定可靠，使用简单，维护方便，并可延长板框过滤机的使用寿命，减轻工人劳动强度。 目前食品、化肥、制药、水处理、有机化工等行业广泛采用板框式压滤机，但是它存在过滤质量不稳定，消耗大，环境和物料被污染等等的问题。  2．硅藻土过滤机 硅藻土是藻类硅藻的化石，是一种较纯的二氧化硅矿石。可用作绝缘材料、清洁剂和过滤介质。硅藻土过滤的特点是，可以不断地添加助滤剂，使过滤性能得到更新、补充，所以过滤能力强。 硅藻土过滤机被广泛用于啤酒生产中的冷凝固物地分离和成熟啤酒地过滤。它还多用于葡萄酒、清酒及其他含有低浓度细微蛋白质胶体粒子悬浮液地过滤。一般按所要滤除的颗粒大小，选择不同粒度分布的硅藻土作预涂层。 硅藻土过滤机型号很多，其设计的特点是体积小，过滤能力强，操作自动化。硅藻土过滤机一般分为三种类型：板框过滤机、叶片式过滤机和柱式过滤机。 （1）板框式硅藻土过滤机 该过滤机是比较早期的产品，但由于操作方便并且稳定，至今仍流行。其结构与上述的板框过滤机没有多大差别，也是滤板和滤框的交替排列，只是再过滤介质前置有涂有硅藻土的金属丝网罢了。 （2）叶片式硅藻土过滤机 叶片式硅藻土过滤机有可分为两种：垂直叶片式硅藻土过滤机和水平式硅藻土过滤机。 ①垂直式硅藻土过滤机 垂直硅藻土过滤机主要包括以下几个部分：顶部为快开式顶盖，底部有一条水平的滤液汇集总管，两者之间垂直排列了许多扁平的滤叶。每张滤叶的下部有一根滤液导出管，将其内腔与滤液汇集总管连接。 正反两面紧覆着细金属网的滤框。其骨架是管子弯制成的长方形框。中央平面上夹着一层大孔格粗金属丝网，在其两面紧覆以细金属丝网（400-600目）。作为硅藻土涂层支持介质。 过滤时顶盖紧闭，将啤酒与硅藻土的混合液泵送入过滤器，以制备硅藻土涂层。混合液中的硅藻土颗粒被截留在滤叶表面的细金属网上面，啤酒则穿过金属网，流进滤叶内腔，然后在汇集总管流出。浊液反流，直到流出的啤酒澄清为止。此时表明，预涂层制备完毕，接着可以过滤啤酒。 过滤结束后，压出器内啤酒，然后反向压入清水，使滤饼脱落，自底部卸出。 ②水平叶式硅藻土过滤机 该过滤机在垂直空心轴上装有许多水平排列的滤叶。滤叶内腔与空心轴内腔相通，滤液从滤叶内腔汇集空心轴，然后从底部排出。 滤叶的上侧是一层细金属丝网，作为硅藻土预涂层的支持介质，中央夹着一层大孔格粗金属丝网，作为细金属丝网的支持物。滤叶下侧则是金属薄板。 其操作方式与垂直叶片式硅藻土过滤机大致相同，只是在过滤结束后，它在反向压入清水后，还开动空心转轴，在惯性离心力作用下，更容易卸除滤饼。  （3）柱式硅藻土过滤机 柱式滤管是柱式硅藻土过滤机的主体部分。柱式过滤机使用柱式滤管（见图8-6）作为过滤介质，它是由不锈钢材料制成的，关键部件是将一个个不锈钢圆环套在Y形的金属棒上。不锈钢圆环的底面扁平，顶面有8个突起的扇形，扇形突起的高度为：0.05-0.08mm，Y形的金属棒上开有三条U形槽，两头车有螺纹。在Y形的金属棒上将一不锈钢圆环扁平底面与另一不锈钢圆环突起的有扇形顶面依次一一套合后，用带内螺纹的端盖和过滤机管板连接接头分别旋在开槽的中心柱两头螺纹上，将套在Y形的金属棒上的不锈钢圆环位置固定。调节端盖与管板连接接头之间的距离可适当的控制不锈钢圆环之间的间隙，达到调节柱式滤管过滤精度的目的。  在柱式过滤机的柱式滤管上制备硅藻土涂层时，将悬浮液所含硅藻土和液体作垂直于柱式滤管面的同向流动。硅藻土沉积在柱式滤管（不锈钢圆环）的外表面之上形成预涂层，悬浮液中的液体在过滤推动力作用下穿过预滤层，滤液沿中心Y形棒的凹型槽沟排出机外，再携带硅藻土进行循环直到滤液澄清为止。 在进行正常过滤时，相当混浊的啤酒作垂直于柱式滤管面的同向流动，啤酒中剩余的酵母菌、胶体沉淀物及存在的细菌沉积在柱式滤管外表面上预涂层的表面，啤酒在过滤推动力作用下穿过柱式滤管，沿凹型槽沟排出机外。 该机的优点是滤层在柱上，不易变形脱落，滤柱为圆形，其过滤表面积会随滤层的增加而增加。 （三）真空过滤机 1．真空转鼓过滤机 在大规模生物工业生产中，真空转鼓过滤机是常用的过滤设备之一。它具有自动化程度高，操作连续，处理量大的特点。非常适合于固体含量较大（%）的悬浮液的分离。在发酵工业中，它对霉菌、放线菌和酵母菌发酵液的过滤较有成效。 这种过滤机把过滤洗饼、吹干、卸饼等各项操作在转鼓的一周期内依次完成。 图8-8为真空转鼓过滤机的工作原理图。这种过滤机的主要元件是转鼓。其内维持一定的真空度，与外界大气压的压差即为过滤推动力。在过滤操作时，转鼓下部浸没于待处理的料液中。当转鼓以低速旋转时(一般为)，滤液就穿过过滤介质而被吸入转鼓内腔，而滤渣则被过滤介质阻截，形成滤饼。当转鼓继续转动，生成的滤饼依次被洗涤、吸干、刮刀卸饼。若滤布上预涂硅藻土层，则刮刀与滤布的距离以基本上不伤及硅藻土层为宜。最后通过再生区，压缩空气通过分配阀的Ⅳ室进入再生区，吹落堵在滤布上微粒，使滤布再生。对于预涂硅藻土层或刮刀卸渣时要保留滤饼预留层的场合，则不用再生区。  2．无格式转鼓真空过滤机 它是在标准型转鼓真空过滤机基础上开发的新机种，其特点是：没有空格室、整个转鼓内腔都是真空状态、结构简单、单位面积过滤能力大、反吹管与滤液管隔开、洗涤能力强、效率高。图8-9为无格式转鼓真空过滤机的设备图。 转鼓的下部浸入滤浆中，通过调节溢流板，使转鼓的浸没率控制在28%～32%之间。整个转鼓内腔保持连续真空状态，滤液透过滤布进入转鼓内腔，再由吸入管和中心管吸入端排出机外。由于转鼓连续转动，附在其表面的滤饼转出液面进入洗涤区洗涤，当转鼓转至反吹阀吹气口时，受到中心管反吹端脉冲压缩空气的作用，滤布受振，滤饼进入出料口，由于转鼓连续转动，使得吸附、淋洗、喷雾、吸干以及吹脱等工序连续完成。 3．滤布循环行进式（RCF）转鼓真空过滤机 RCF转鼓真空过滤机在普通转鼓式真空过滤机的基础上在其转鼓的表面再安装了一条由转鼓驱动的首尾闭合的滤布带。它和普通的转鼓式真空过滤机一样，在真空过滤区形成的滤饼，依次经过洗涤、吸干、空气反吹等操作程序后，行进的滤布载着吹松的滤饼通过滤饼剥离滚筒，因行进方向的转折，使滤饼脱离滤布。滤布在行进过程中从正反两方面受到洗刷而再生。当然该设备不适用于对于预涂硅藻土层的场合。见图8-10。  4．其它过滤设备 生物陶瓷膜过滤器是一种新型的过滤设备。据WU Weizhong 等人报道，该设备在处理富营养水的处理方面作用显著。它可以有效处理藻类物质，氮化合物，有效降低CODMn 值。 二、过滤设备选择与使用 过滤设备种类繁多，对某一生产过程可能有好几种设备适用，这就对准确选择一台合理的过滤设备产生巨大的困难。此外，生产规模和过程是否连续也影响设备的选型。因此，有人提出应根据物料的过滤特性和模型实验结果，进行技术的综合评价，以便确定一种工艺上合理，投资和操作费用最经济的设备。以下是几条过滤机选用的基本原则。 1．根据物料的过滤性能，初步确定选择哪种推动力的设备。在过滤设备选型之前，应对所需过滤的物料进行过滤性能测试。包括料浆的含固率、比重、固体颗粒的平均粒径和粒度分布、颗粒的沉降速度、滤饼的平均比阻力系数和滤饼的含湿率、滤饼的可压缩性系数、过滤介质的选择和它与滤饼的剥离性能。如果测得的物料平均比阻力系数小于1×1011(米/公斤·质)时，我们常常选用真空过滤设备，当平均比阻力系数为1×1011~1×1013（米/公斤·质）时常常使用加压过滤设备。 2．根据处理物料的化学性质，检查所选择的过滤机类型是否正确。例如对于易挥发，易燃物料一般不使用真空过滤设备。这是因为真空条件下液相物料挥发量增加，从而在真空系统中要增加冷凝器，而此时加压过滤设备就比较简单了。另外，有毒或有放射性的物料，一般应当选择可以进行密闭操作的过滤设备。 3．根据工艺过程的特点和生产规模可对选择的过滤设备进行筛选。一般当生产规模大时，应选择连续式，劳动强度小的设备。对生产规模小的或本身是间歇操作的，那么选用间歇操作的过滤机可以节省设备费用和操作费用。同时我们还要考虑所选择过滤设备的单机最大过滤面积，因为在处理量大而设备单机面积有限时，同时要使用许多台过滤设备往往不合适。 4．根据对滤饼的纯度或母液回收率等要求来确定过滤机类型。为提高滤饼洗涤效率，一般可以使用过滤面是水平的设备。因为水平放置的过滤面在过滤时形成的滤饼厚度比较均匀，所以在洗涤时各点的滤饼阻力相近而有利于洗涤水的均匀分布，保证所有的滤饼在洗涤时有等量的洗涤水通过，从而达到均匀洗涤的效果。 5．根据对滤饼含湿率的要求，决定是否选用带有机械挤压过程的设备。如果滤饼具有较高的可压缩性，又要求生产较低含湿率的滤饼时，可以使用带有机械挤压过程的过滤设备。例如：具有皮膜挤压装置的板框过滤机，皮膜挤压管式压滤机等。对于滤饼可压缩性系数低而又要求滤饼含湿率低时，对加压设备可以用压缩空气吹干的方法，对真空过滤设备可以用增加抽干时间的方法来降低滤饼的含湿率。 6．根据所选择的设备，物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算，以确定设备的大小，投资费用，操作费用。若有几种设备可供选择，则在此基础上可以进行技术经济评价，以确定一种最佳的选择。 三、离心分离设备 在液相非均一系的分离过程中，利用离心力来达到液-液分离、液-固分离或液-液-固分离的方法统称为离心分离。离心分离可分为三种形式——离心沉降、离心过滤和超离心。 （1）离心沉降 利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作； （2）离心过滤 利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作； （3）超离心 利用不同溶质颗粒在液体中各种部分分布的差异，分离不同相对密度液体的操作。 前两类设备从其形式来看，主要区别在于前者的转鼓是无孔的，而后者的转鼓是有孔的，并且采用过滤介质，通常采用滤布作为过滤介质。从作用原理上来看，两者的分离原理也截然不同。 离心分离是常用的分离发酵液的方法，与压滤相比较，它具有分离速度快，效率高，操作时卫生条件好等优点。适合于大规模的分离过程。但是，离心分离的设备投资费用高，能耗较大。 （一）离心沉降 1．离心沉降原理 离心沉降的基础是固体的沉降。当固体粒子在无限连续流体中沉降时，受到两种力的作用，一种是连续流体对它的浮力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。当这两种力达到平衡时，固体粒子将保持匀速运动。 对直径为的球形粒子（大多数生化分离上处理的对象都可以看成为球形粒子），作用在它上面的浮力可以表示为：  （8-5） 式中 ——粒子直径； 、——粒子、流体密度； ——重力加速度； ——粒子体积。 根据Stockes定律，悬浮在介质中的球形粒子所受的粘滞力可表示为：  （8-6） 式中 ——连续流体的黏度； ——粒子的运动速度； ——阻滞系数； ——粒子在运动方向上的投影面积。 其中不是常数，它取决与雷诺数的变化，对球形粒子，根据实验得知： 当：；；时  （8-7）  对于生化溶质来说，可以满足的要求，所以：  （8-8） 当粒子以匀速运动沉降时，， 所以最终匀速沉降速度为：  （8-9） 从（8-9）式可以看出，最终沉降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子和流体的密度差成正比，而与流体黏度成反比。就是说，粒子的沉降速度仅仅是液体性质及粒子本身特性的函数。 如果粒子在离心力场中沉降，则重力加速度应换成，即：  （8-10） 式中 ——旋转角速度（）； ——粒子离转轴中心的距离。 式（8-10）是离心沉降的基本公式。从式中可以看出，沉降速度与的二次方成正比，因此只要根据要求改变或提高，使粒子快速旋转，就可获得比重力沉降或过滤时高得多的分离效果。可用离心分离因数来定量评价： 重量为（）的物体旋转时，当其圆周速度为（），旋转半径为（），则产生的离心力为  （8-11） 式中 ——重力加速度，m/s； ——转数，r/min； ——旋转直径，m。 如果以旋转角速度ω（弧度/秒）表示，并取旋转加速度与重力加速度之比称为“离心分离因数”，以表示。则  （8-12） 离心分离因数是代表离心机特点的重要参数，它表示离心力场的大小。值越大，离心力越大，即愈有利于分离。增加转鼓的半径及转数均可以增大分离因数。但转鼓材料因自重和内含物（料液）的离心力而产生的应力与D2及n2成正比。 σ（）∞∞ （8-13） 由上式可知，增加直径虽然增大了值，但其应力则也随着的增加按比例增加。在高速旋转的情况下，由于受到转鼓材料强度的限制，不能无限制的增大转鼓直径。同时由式(8-12)也可以看出，分离因数与的平方和的一次方成正比，因此，要提高分离因数，增加转鼓转数比增加转鼓直径要有利的多。 根据分离因数的大小，可将离心机分为： ①常速离心机 <3000（一般为600~1200）； ②中速离心机 =30000~50000； ③高速离心机 ≥50000； ④超速离心机 >2 x 105。 2．离心沉降设备 沉降式离心机包括实验室用得瓶式离心机和工业上转鼓离心机，其中无孔转鼓离心机又有管式、多室式、碟片式和卧螺式等几种类型。 （1）瓶式离心机 这是一类结构最简单的实验室常用的低、中速离心机，转速一般在3000-6000，其转子常为外摆式。操作一般在室温下进行，也有配冷却装置的冷冻离心机。 （2）多室式离心机 多室式离心机的转鼓内又若干同心圆组成若干同心环状分离室，这样可以加长分离液体的流程，使液层减薄，以增加沉降的面积，减少沉降的距离，同时还具有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降在靠近内部的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流口或由向心泵排出。多室式离心机的出渣比较困难，一般在运转一端时间后，待分离液澄清度不符合要求时，停机清理。这种离心机由3~7个分离室，离心力强度为2000-8000，处理能力为2.5~10m3/h。适合处理直径大于0.1μm的颗粒，固相浓度小于5%的悬浮液。 （3）管式离心机  为提高分离效果，必须增加颗粒所受的离心力，但是，离心机转速的增加，转鼓直径必 须更小，否则，转鼓面所受到的应力对强度极为不利。根据力学原理，设计了一种高速管式离心机。转速可达15000-50000r/min，转筒直径为45-150mm。显然，由于其转筒容量有限，处理量比较小。这类离心机可分为两类，一种是GF型，用于处理乳浊液而进行的液-液分离操作，另一类是GQ型，用于处理悬浮液而进行液-固分离的澄清操作。用于液-液分离操作是连续的，而用于澄清操作的是间歇的。澄清操作时沉积在转鼓壁上的沉渣有人工排除。 管式高速离心机是由转鼓、分离盘、机壳、机架、传动装置等组成。  操作时，将待处理的料液在一定的压力下由进料管经底部中心轴进入鼓底，靠圆形挡板分散与四周，受到高速离心力作用而旋转向上，轻液则位于转筒的中央，呈螺旋形运转，向上移动。重液相则靠近筒壁，至分离盘时，轻液相则沿轻液孔道进入集液槽后排出收集。固体则在离心力场的作用下沉积于鼓壁上，达到一定数量后，停机人工除渣。 管式高速离心机设备简单，操作稳定，分离纯度高，可用于液-液分离和微粒较小的悬浮液分离，分离效果也较好，常用于微生物菌体和蛋白质的分离，但生产能力较低。表8-1为GF-105型和 GF-150型管式离心机的技术规格。 表8-1 管式离心机的技术规格 型号 名称 GF-105型 GF-150型  转鼓直径，mm 105 150  高，mm 750 750  转速，r/mm 15000 13500  液面上沉降面积，m2 0.071 0.118  液面处分离因素 13000 15835  鼓壁处分离因素 3780 5400  转鼓壁厚，mm 5 7.5   操作体积，L 6.3 11   装卸限度，kg 10 15   电机功率，kw 2.8 7   分离乳浊液 连续操作 连续操作  分离悬浊液 间歇操作 间歇操作  （4）碟片式离心机 碟片式离心机是在1877年有瑞典的德拉伐氏所发明。它是在管式离心机的基础上发展起来的。在转鼓中加入许多重迭的碟片，使颗粒的沉降距离缩短，分离效率大为提高。  碟式离心机一般具有坚固的外壳，底部凸出，与外壳铸在一起，壳上有圆锥形盖，由螺帽紧固在外壳上。壳由高速旋转的倒锥形转鼓带动，其内设有数十片乃至上百片，锥角为到的锥形碟片。碟片一般用0.8mm的不锈钢或铝制成形。一般碟片之间的间隙为0.5~2.5mm。在转鼓直径最大处（mm）的地方，装有直径为mm的喷嘴。各碟片有孔若干，各孔的位置相同，于是各碟片相互重叠时形成一个通道。 发酵醪由转鼓中心进入高速旋转的转鼓内，因固-液比重不同，在碟片空隙内受到离心力的作用下，将发酵醪分成固液两相。比重轻的清液有规律地沿碟片的上表面的碟片轴心方向移动，在轻液出口处排出。而比重大的浓缩物或菌体，则有规律的沿着上一碟片的底表面下滑到碟片外边缘，经转鼓壁上的喷嘴喷出。从而达到离心分离的目的。 一般根据排出固体的方法可以将碟片式离心机分为以下几大类。 a.人工排渣的碟片式离心机 这是一种间歇式离心机，机器运行一段时间后，转鼓壁上聚集的沉渣增多，而分离液澄清下降到不符合要求时，则听机，拆开转鼓，清渣，然后再进行运转。这种离心机适用于进料中固相浓度很低的场合（<1%~2%），但是，能达到很高的离心分离因数。特别适用于分离两种液体并同时除去少量固体，也可用于澄清作业，如用于抗生素的提取、疫苗的生产、梭状芽孢杆菌的收集以及维生素、生物碱淄类化合物。 b.喷嘴排渣碟片式 这是一种连续式离心机，其转鼓呈双锥型，转鼓周边有若干喷嘴，一般为2~24个，喷嘴孔径为0.5~3.2mm，由于排渣的含液量较高，具有流动性，故喷嘴排渣碟片式离心机多用于浓缩过程，浓缩比可达5-20。这种离心机的转鼓直径可达900mm，最大处理量为300m3/h，适用于颗粒直径为0.1~100μm、体积浓度小于25%的悬浮液。 c.活塞排渣碟片式离心机 这种离心机利用活门启闭排渣孔进行断续自动排渣。位于转鼓底部的环板状活门在操作式可上下移动，位置在上时，关闭排渣口，停止卸料；下降时则开启排渣口卸渣。排渣时可以不停机。这种离心机的离心强度范围5000-9000，最大处理能力可达40 m3/h，适合处理颗粒直径为0.1~500μ，固液密度差大于0.01g/cm3、固相含量小于10%的悬浮液。 d.活门排渣的喷嘴碟片式离心机 这是近年来开发的机型，它和相同直径的活塞机相似。其速度可增加23%-30%，故可使分离因数达15000左右，这是其它碟片式离心机所不能及的。表8-2是几种碟片式离心机的技术规格。 表8-2 几种碟片式离心机的型号和技术规格 型号 技术规格 DP-400J 离心机 D-350 离心机 DH-350Y 自动排渣离心机  转鼓内径 400 350 350  碟片数目 75-79 80 114  转速，r/min， 6500 6000 6500  最大分离因数 9200 7050 -  碟片锥角度 - 70 80  碟片间隙，mm 0.6 0.5 0.5  喷嘴直径，mm 1.2-1.3 1.0-1.2   喷嘴数目，个 12 8 12个排渣口  生产能力，m3/h 12 8 1  电动机功率，kW 13 10 7.5  （5）沉降式螺旋卸料离心机 沉降式螺旋卸料离心机是一种连续操作的分离设备，各工序在同一时间内连续进行，不需要控制机构，整个操作期间内功率消耗是均匀而无波动的。这是一种效率高、适应性强，应用广的离心机。 沉降式螺旋卸料离心机的转动部分是由转鼓和螺旋两个部件组成的。转鼓两端水平支撑在轴承上，螺旋两端用两个止推轴承装在转鼓内，螺旋于转鼓内壁间有微量间隙。转鼓一段装有三角皮带轮，由电动机带动，螺旋与转鼓间用一差动变速器使二者维持约1%的转差。料液由中心管加入，进料位置约在螺旋的中部，其前面部分为沉降区，后面部分为甩干区。在离心力作用下，固形物被沉降在转鼓壁上，液体由左侧溢流孔排出，固体则由螺旋从大端推向小端，同时被甩干，落入外壳的排渣口排出。固体在甩干区可以洗涤。调节溢流挡板上溢流口的位置、转鼓转速和进料速度可以改变固形物的湿含量和液体的澄清度，生产能力也随着进料速度而改变。  除了卧式螺旋卸料离心机外，还有立式的，立式用于需耐压的场合并有较高的分离因数。转鼓有圆柱形、圆锥形和锥柱形三种。其中圆锥形有利于固相脱水，圆柱形有利于液相澄清，锥柱形则可兼顾两者的特点，是常用的转鼓形式。 卧式螺旋卸料沉降机式一种全速旋转、连续进料、分离和卸料的离心机，其最大离心力强度可达6000，操作温度可达300℃，操作压力一般为常压，处理能力范围0.4~60m3/h，适合处理颗粒粒度为2μm~5mm、固相浓度为1%~50%、固液密度差大于0.05g/cm3的悬浮液。 （二）离心过滤 1．离心过滤原理 离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。其工作原理见图8-15所示。  以间歇离心过滤为例，料液首先进入装有过滤介质的装鼓中，然后被加速到转鼓旋转速度，形成附着在转鼓壁上的液环，与沉降式离心机一样，粒子受到离心力而沉降，过滤介质阻碍粒子通过，形成滤饼。接着，悬浮液的固体颗粒截留而沉积下来，滤饼表面生成了澄清液，该滤液透过滤饼层和过滤介质向外排出。 离心过滤一般分成三个阶段。 （1）滤饼形成 悬浮液进入离心机，在离心机的作用下液体通过过滤面排出，滤渣形成滤饼，其过滤速度可按很压过滤方程式计算。 （2）滤饼压缩 滤饼中的固体物质逐渐排列紧密，空隙减小，空隙间的液体逐渐排出，滤饼体积减小。这时过滤推动力为滤饼对液体的压力和液体所受到的离心力。 （3）滤饼压干 此时滤饼层的结构已经排列地非常紧密，其毛细组织中的液体被进一步排出。液体受到离心力和固体颗粒的压力，由于越靠近转鼓壁出处的压力越大，所以越靠近转鼓壁的滤饼越干。 2．离心过滤设备 常用的离心过滤设备有三足式离心机、卧式刮刀卸料离心机和卧式活塞推料离心机，另外还有连续沉降-过滤式螺旋卸料离心机。 （1）三足式离心机 三足式离心机是常用的过滤式离心机，立式有孔转鼓悬挂于三根支足上，所以习惯上称它为三足式。人工卸料的三足式离心机的结构见图8-16。转鼓由主轴连接传动装置，它们通过滚动轴承装于轴承座上，轴承座与外壳均固定在底盘上，并用三根摆杆悬挂于三根支足的球面座上，球面的作用是不影响摆动，通过调节摆杆下的螺母调正底盘的水平度。摆杆上套有压缩弹簧以承受垂直方向的动载荷。电动机也装在底盘上，当机身摆动时，电动机也随之摇动。三个支足安装在同一底板上以便于整体安装。在传动皮带轮上还装有离心式离合器和刹车装置。 三足式离心机的悬挂点比机体重心高，保证了机器的稳定性，压缩弹簧可以减轻垂直方向的振动。主轴是很短的，所以结构紧凑，机身高度小，便于从上方加料和卸料。转鼓内壁通常采用滤布。由于三足式离心机操作平稳，没有陡震，占地比过滤设备小，故在工业上用得很广泛。 三足式离心机可用于分离中等粒度（0.1～１）和较细粒度（0.01～0.1）的悬浮液，以及分离粒状和结晶状物料。这种离心机可获得含水量较低的滤饼，适用于过滤周期长，处理量不大的场合。滤饼可以很好地洗涤，人工卸料的离心机其滤渣颗粒不会被破坏。此种离心机具有操作筒单，适应性强的优点。 三足式离心机也有沉降式，用作沉降时转鼓无孔，并有较高的转速和分离因数。   （2）卧式刮刀卸料离心机 卧式刮刀卸料离心机肘转鼓是水平安装的，转鼓的一侧与传动轴连接；另一侧为中空，装有卸料斗、刮刀、耙齿等。它的结构见图8-17所示。 转鼓置于外壳中，下部为滤液出口，外壳的前盖上装有刮刀的进刀机构及耙齿，进料管（兼作洗涤管）也由此端伸入，进料和洗涤用电磁阀或气动阀控制。刮刀装在刀架上，油缸内的活塞通过活塞杆与刀架相连接，作用在活塞上的油压使刀架沿两根导向柱上下移动，卸料时提升刮刀就可将滤饼从转鼓内沿卸料斗排出。 这种离心机可以作过滤用，也可以作沉降用。用作过滤时，转鼓内装有两层筛网，下面一层为衬网，表面一层为滤布。在每次卸渣后、进料前都要清洗筛网。每个操作循环包括：洗网、加料、洗涤、甩干和卸料五个工序。用作沉降时，没有洗网工序，操作更为简单。 卧式刮刀卸料离心机的转鼓直径为240～2500；离心分离因数为250～3000；转数450～3500转/分。适用于固相颗粒范围为5微米～10微米，固相浓度5～60%。 （3）卧式活塞推料离心机 卧式活塞推料离心机的转鼓的内部结构和工作过程见图8-18。  转鼓内装有滤网，料液从进料管进入，经锥形分配盘在离心力的作用下分配到过滤面上液体经过滤网与鼓壁上的小孔而甩出，固体颗粒则在网上形成滤饼。与分配盘装一起的推料盘与转鼓中心轴的推杆连接，推杆的另一端与液缸的活塞连接，借液压不断往复运动。推料盘、分配盘和转鼓一起旋转，当推料盘移动时，将滤渣沿轴线排出鼓外。 该离心机的加料、分离和洗涤都是连续的，转鼓的滤饼厚度由限料环与滤网内径之差决定，限料环的大小可以根据需要调换。 （4）翻袋式离心机 翻袋式离心机是当今制药业、食品加工业、化学工业及原料加工业中的理想离心过滤设备。常规离心机只适用于分离和提纯那些使用切刮方法进行卸料的产品，且在转鼓内必然会形成残余滤渣层而造成物料的较大损失或晶粒的破坏。而“翻袋式”则完全克服了上述缺点，这是目前世界上使物料损失小、提纯度高、洗涤效果佳、产品余湿量小的一种离心过滤设备，特别适用于制药与化工行业。 其工作原理见图8-19所示：固定输入管(1)用来输送悬浮液和蒸汽，从出口(2)进入离心机转鼓内腔(3)，传动轴(4)由内轴和外轴组成，且与输入管(1)同轴。壳体(5)与传动轴外轴相连，而内轴则与转鼓盖内盘(6)相连，转鼓盖外盘(7)通过8根连杆(8)与传动轴(4)连接。内外轴以同样速度旋转，同时内轴可按(14)的方向移出使滤布外翻[图(b)]，所需动力可靠液压或全机械(螺旋推进)方式提供。此时滤布(9)则在内盘(6)的周边与壳体(5)的周边展开成圆筒状，传动轴转速减慢，转鼓壁表面的物料沿箭头(15)方向被离心甩出。  （三）超离心法 超离心法就是根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩和提纯的方法。它在生物化学、分子生物学以及细胞生物学的发展中起了重要作用。利用超离心技术中的差速离心、等密度梯度离心等方法，已成功分离出各种亚细胞物质，如线粒体、溶酶体和肿瘤病毒等。超离心法是现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析和制备手段。 超离心机技术中，由于使用的离心机类型也是无孔转鼓，所以，其属于离心沉降的范畴。 （四）离心机的选择与使用 在选择生产上所用的离心机时，我们往往是根据经验方法来有效的选择最佳的离心机。在选择离心机的类型时，我们首先要根据物料性质来选择沉降式还是过滤式。当悬浮液中固相颗粒的密度大于液相时，可以采用沉降式（两者的密度差3%时容易分离）；反之，固相颗粒的密度小于或等于液相时只能采用过滤式。当颗粒直径小于1微米时，可以采用高速离心机（管式或碟片式）；当颗粒的直径在19微米以下时，则采用普通沉降式离心机，如果采用过滤式则造成滤饼太薄，固体颗粒损失大。100微米以上的颗粒，两者都可以使用。对结晶体采用离心过滤，脱水效率是很高的。当所形成的滤饼具有压缩性质时，一般采用沉降式，因为采用过滤式效果很低。对沉降式离心机，如果悬浮液中固相浓度大于1%时，采用间歇式操作不是很适合，它将引起卸料操作过于频繁，所以一般采用连续式。管式离心机虽然具有很好的沉降性能，但其容量小，产量小，不适合处理大量的料液。螺旋卸料沉降式离心机适用于密度差大，固体浓度高的场合。各种离心机的操作性能如表8-3所示。 表8-3 各种离心机的操作性能的比较 操作目的 离心机形式 澄清 增稠 脱水 洗涤 分级 3相分离 （液-液-固分离）  过滤式离心机        网孔转鼓 振动式 活塞推料 2 1 1 0 0 0 3 3 3 3 0 3 0 0 0 0 0 0  沉降式离心机        圆筒形转鼓 人工卸渣型碟式 活塞排渣型碟式 喷嘴排渣型碟式 连续沉降式螺旋卸料 连续沉降-过滤式螺旋卸料 2 3 3 3 3 3 1 0 1 3 3 0 1 1 0 1 3 3 0 0 0 0 1 3 0 0 1 3 3 2 1 3 3 3 3 0   第三节 膜分离技术与设备 在1784年，A.Melkt就发现水能自发的扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，从此就开始了对膜渗透的研究。在1918年，Zsigmondy制成了微孔滤膜。在20世纪40年代，人们发现了基于渗析原理的人工肾。50年代，离子交换膜问世，人们开始对电渗析进行大量的研究，并且在工业上也获得了广泛的应用。60年代，醋酸纤维素非对称膜问世，对膜分离技术的发展起了极大的推动作用。70年代，又出现了一大批耐高温，耐酸碱的非醋酸纤维膜，拓宽了膜分离应用范围。目前，膜分离已广泛应用于食品、化工、生物发酵、制药、环保等诸多领域。 膜分离过程的实质是小分子物质透过膜，而大分子物质被截留。因此，膜必须是半透膜。膜分离的推动力可以是多种多样的，一般有浓度差、压力差、电位差等。我们常见的膜分离过程有透析、反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析、气体透过等。下面我们介绍一下反渗透、纳滤、超滤、微滤四种。 一、反渗透膜分离技术与设备 （一）反渗透膜分离技术的基本原理 1．反渗透过程 在相同的外压下，当溶液与纯溶剂为半透膜隔开时，纯溶剂会通过半透膜使溶液变淡的现象称为渗透。当在单位时间内，溶剂分子进入溶液内的数目要比溶液内的溶剂分子通过半透膜进入纯溶剂内的数目多时，溶剂通过半透膜渗透到溶液中，使得溶液体积增大，浓度变稀。当单位时间内溶剂分子从两个相反的方向穿过半透膜的数目彼此相同时，我们称之为渗透平衡。渗透必须通过一种膜进行，这种膜只能允许溶剂分子通过，而不容许溶质分子通过，因此称为半透膜。 当半透膜隔开溶液与纯溶剂时，加在原溶液上的额外压力使原溶液恰好能阻止纯溶剂进入溶液，我们称此压力为渗透压。在通常情况下，溶液越浓，溶液的渗透压越大。如果加在溶液上的压力超过了渗透压，则溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动，此过程叫做反渗透。在此过程中，溶质也不是百分之百的不通过，也有少量溶质透向纯溶剂。 2．反渗透膜分离机理 反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关。反渗透时水透过膜的机理有各种不同解释。如吸附-毛细孔流理论和溶解-扩散理论。 （1）溶解-扩散模型 Lonsdale和Riley等人提出溶解-扩散理论来解释反渗透现象。该理论将反渗透膜的活性表面皮层看作为致密无孔的膜，并假设溶质和溶剂都能溶解于均质的非多孔膜表面层内。膜中溶解量的大小服从亨利定律，然后各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜，在膜下游解吸。溶解度的差异、溶质和溶剂在膜相中扩散性的差异影响它们通过膜的能量大小。其具体过程分为三步：第一步，溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解；第二步，溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散式（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层；第三步，溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。 在以上的过程中，一般假设第一步，第三步进行得很快，此时透过速率取决于第二步，即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散通过膜。 气体混合物或液体混合物通过膜的选择性而得到分离，而物质的渗透能力，不仅取决于扩散系数，并且还决定于其本身在膜中的溶解度。 溶解-扩散模型最适用于均相的、高选择性的膜，能适合无机盐的反渗透，也适用于气体混合物的分离，但是对有机物常不能适用。 （2）优先吸附－毛细孔流理论 将Gibbs方程应用在高分子多孔膜上，当水溶液与高分子多孔膜接触时，如果膜的化学性质使膜对溶质负吸附，对水优先吸附(正吸附)，则在膜与溶液界面附近的溶质浓度会急剧下降，在界面上就会形成一层被膜吸附的纯水层（厚度为t），在外界压力作用下，若将该纯水层通过膜表面的毛细孔，这就由可能获得纯水。 纯水层厚度： （8-14） 式中 ——为溶液中溶质的活度系数； Ｃ——溶液的摩尔浓度。 此式表明纯水层的厚度与溶液性质及膜表面的化学性质有关。根据计算，纯水层的厚度约为５～10×10-10m，相当于1～2个水分子层，已知水分子的有效直径约５×10-10m。对一毛细孔而言，膜表面毛细孔直径为纯水层厚度的两倍时，将能够得到最大流量的纯水，此时该毛细孔径称为“临界孔径”。从理论上讲，所谓研制最佳的膜就是使孔径为2的毛细孔尽可能多出现，从而获得最佳纯水流量。 此外，当毛细孔孔径大于临界孔径，溶液就会从细孔的中心部位通过而产生溶质的泄漏。 优先吸附－毛细孔流理论确定了膜材料的选择和反渗透膜制备的指导原则，即膜材料对水优先选择吸附，对溶质要选择排斥，膜的表面层应当具备有尽可能多的有效直径为纯水层厚度为2倍的细孔，这样的膜才能获得最佳的分离效果和最大的透水速度。Sourirajan 等人正是基于上述理论，在1960年，开发出一种用于海水脱盐的、高流速、高脱盐率的多孔醋酸纤维素反渗透膜，奠定了实用反渗透发展的基础。  （二）反渗透膜设备 各种膜分离装置主要包括膜组件和泵。所谓膜组件是将膜以某种形式制成一定构型的元件，然后将元件置于压力容器，并提供给水、浓水和产品水的通道。目前，工业上常用的反渗透膜组件形式主要有板框式、管式、螺旋卷式及中空纤维式四种类型。 1．板框式反渗透膜组件 板框式是一传统的反渗透膜组件。它是由板框式压滤机衍生而来的。它们的区别在于板框式过滤机的过滤介质是帆布、棉饼等，而这里所用的是膜，在结构设计上也不尽相同。例如平板式反渗透组件的结构设计要求耐很高的压力。同其他组件形式相比，平板式的最大特点是制造组装比较简单，膜的更换、清洗、维护比较容易。 平板式组件的基本构造是膜，原液流道和透过液流道，彼此相互交替重叠压紧。该装置结构紧凑。处理量的增大，可以通过改变膜的层数来调整，膜越多，则处理量越大。由于组装简单、比较坚固，对于压力变动或现场作业的可靠性较大。 平板式组件的优点是：平板式组件的原液流道截面积较大，压力损失较小，原液的流速可以高达1～5m/s。因此原液即使含有一些杂质异物也不易堵塞流道，对处理对象的适应面较广，并且对预处理的要求较低。将原液流道隔板设计成各种形状的凹凸波纹可以使流体易于实现湍流。 存在问题是：平板膜组件对膜的机械强度要求比较高。由于膜的面积可以大到0.4，如果没有足够的强度就很难安装、更换。此外，液体湍流时造成的波动，也要求膜有足够的强度才能耐机械振动。密封边界线长也是这种形式的主要缺点之一。因此，装置越大，对各零部件的加工精度要求也就越高，尽管组装结构简单，但相应增加了成本。 板框式反渗透膜组件从结构形式上分类有如下两种。 （1）系紧螺栓式 如图8-21所示，这种系紧螺栓式板框反渗透膜的组件，首先是将圆形承压板、多孔支撑板和膜粘结成脱盐板，然后将一定数量的这种脱盐板堆积起来，并用“O”形环密封，最后用上、下头盖以系紧螺栓固定组成。原水由上头盖的进口流经脱盐板的分配孔在膜面上曲折流动，再从下头盖的出口流出。淡水透过膜，经多孔支撑板后，于承压板的侧面管口引出。承压板可由耐压、耐腐蚀材料，如环氧-酚醛玻璃钢模压制而成，或由不锈钢、铜等材料制成。支撑材料的主要作用是支撑膜使其不被压破，以及为淡水提供通道。支撑材料可选用各种工程塑料、金属烧结板，也可选用带有沟槽的模压酚醛板等非多孔材料。  （2）耐压容器式 该组件是把多层脱盐板堆积组装后，放入耐压容器中而成的。原水从容器的一端进入，浓水由容器的另一端排出。耐压容器内的大量脱盐板是根据设计要求进行串、并联联结，其板数是从进口到出口依次递减，目的是保持原水流速变化不大并减轻浓差极化现象。 以上两种板框式膜组件各有特点。系紧螺栓式结构简单、紧凑，安装、拆卸及更换膜均较方便。其缺点是对承压板材的强度要求较高，由于板需要加厚，从而膜的填充密度较小。而耐压容器式因靠容器承受压力，所以对板材的要求较低，可做得很薄，从而膜的填充密度较大，但安装、检修和换膜等均不方便。一般情况下，为了改善膜表面上原水的流动状态，降低浓差极化，上述两种形式的组件均可设置导流板。 应当指出的是，板框式反渗透膜组件和其他形式的对比，由于缺点较多，目前在工业上已较少应用。 2．管式反渗透膜组件 管式反渗透器有内压式、外压式、单管和管束式等几种。 图8-22（ａ）为内压单管式膜组件。管状膜里以尼龙布，滤纸一类的支撑材料并装与多孔的不锈钢管或者用玻璃纤维增强的塑料承压管内，膜管的末端做成喇叭形，然后以橡皮垫圈密封。在压力作用下，料液从管内流过，透过膜所得产品水收集在管子外侧。为进一步提高膜的装填密度，也可采用同心套管组装方式。图8-22（ｂ）所示为管束状膜组件。 图8-23所示为外压型管式膜组件。它的结构与内压型管式的相反，它是将膜装在耐压多孔管外，或将铸膜液涂刮在耐压微孔塑料管外，水从管外透过膜进人管内。外压式由于需要耐高压的外壳，且进水流动状况又差，一般少用。  管式组件的优点是：流动状态好，流速易控制。另外，安装、拆卸、换膜和维修均较方便，能够处理含有悬浮固体的溶液，机械清除杂质也较容易，而且，合适的流动状态还可以防止浓差极化和污染。 管式反渗透膜组件的不足之处是：与平板膜相比，管膜的制备比较难控制。如果采用普通的管径（1.27cm），则单位体积内有效膜面积的比率较低，此外，管口的密封也比较困难。 3．中空纤维式膜组件 中空纤维型膜设备的特点是：具有在高压下不产生形变的强度，纤维直径较细，一般外径为50～100μm，内径为15～45μｍ。图8-24为中空纤维反渗透膜组件的结构。  中空纤维反渗透器的组装方法是，把几十万（或更多）根中空纤维弯成“Ｕ”形并装入圆柱型耐压容器内，纤维束的开口端密封在环氧树脂的管板中。在纤维束的中心轴处安置一个原水分配管，使原水径向流过纤维束。纤维束外面包以网布，以使形状固定，并能促进原水形成滞流状态。淡水透过纤维管壁后，沿纤维的中空内腔流经管板而引出，浓原水在容器的另一端排出。 高压原水在中空纤维外面流动是因为纤维壁可承受的内向压力要比外向抗张力大，即使纤维强度不够，也只能被压瘪，或者中空部分被压实、堵塞，但不会破裂，因而防止了产品水被原水污染的可能。 中空纤维式装置的主要优点是：单位体积内有效膜表面积比率高，故可采用透水率较低，而物化稳定性好的尼龙中空纤维。该膜不需要支撑材料，寿命可达５年，这是一种效率高、成本低、体积小和重量轻的反渗透装置。 中空纤维式装置的主要缺点是：中空纤维膜的制作技术复杂，管板制作也较困难，同时不能处理含悬浮固体的原水。 4．螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件是由美国Gulf General Atomics（缩写为GGA）公司于1964年开发研制成功的。这种膜的结构是双层的，中间为多孔支撑材料，两边是膜，其中三边被密封成膜袋状，另一个开放边与一根多孔中心产品收集管密封连接，在膜袋外部的原水侧再垫一网眼型间隔材料，也就是把膜－多孔支撑体－膜—原水侧间隔材料依次叠合，绕中心产品水收集管紧密地卷起来形成一个膜卷，再装入圆柱型压力容器里，就成为一个螺旋卷组件，见图8-25。  在实际应用中，把几个膜组件的中心管密封串联起来构成一个组件，再安装到压力容器中，组成一个单元，供给水（原水）及浓缩液沿着与中心管平行的方向在网眼间隔层中流动，浓缩后由压力容器另一端引出。产品水则沿着螺旋方向在两层膜间的膜袋内的多孔支撑材料中流动，最后流入中心产品水收集管而被导出（见图8-26）。  为了增加膜的面积，可以通过增加膜的长度，但膜长度的增加有一定的限制。因为随着膜长度增加，产品水流入中心收集管的阻力就要增加。为了避免这个问题，可以在膜组件内装几叶膜，以增加膜的面积，这样做的好处是不会增加产品水流动的阻力。 5．毛细管型膜组件 毛细管型膜组件由许多直径为0.5～1.5mm的毛细管组成，其结构如图8-27所示。料液从每根毛细管的中心通过，透过液从毛细管壁渗出，毛细管由纺丝法制得，无支撑。  6．槽式膜组件  槽式膜组件如图8-28所示。该反渗透膜组件由聚丙烯或其他塑料挤压而成的槽条，直径为3左右，上有3～4条槽沟，槽条表面织编上涤纶长丝或其他材料，再涂刮上铸膜液，形成膜层，并将槽条的一端密封，然后将几十根到几百根槽条组装成一束，装入耐压管中，形成一个槽条式反渗透单元。将一系列单元组件装配起来，就组成反渗透装置。 表8-4 各种反渗透装置的主要优缺点 类型 优点 缺点 应用范围  板框式 结构紧凑，可以使用强度较高的平板膜，保留体积小，能耗介于管式与螺旋卷式之间。能承受高压，性能稳定，换摸方便， 死体积大，易堵塞，不宜清洗，易浓差极化，设备费用较大。膜的堆积密度小 适于建造产水百吨/天以下的水厂及产品的浓缩提纯 已商品化  管式 料液流速可调范围大，浓差极化较易控制，流道畅通，压力损失小，易安装，易清洗，易拆换，无死角，适合处理含悬浮固体较多的体系。 单位体积膜面积小，设备体积大，安装成本高，管口密封较困难 适于建造中小型水厂，及医药化工产品的浓缩提纯 已商品化  毛细管式 毛细管一般可由纺丝法制得，无支撑，价格低，组装方便，料液流动状态容易控制，单位体积膜面积大 操作压力受到一定限制，系统对操作条件的变化比较敏感，料液必须适当预处理 中小型工厂产品的浓缩提纯 已商品化  螺旋卷式 结构紧凑，单位体积膜面积很大，组建产水量大，工艺较成熟，设备费用低。可用用强度好的平板膜 浓差极化不易控制，易堵塞，不易清洗，换膜困难，不宜在高压下操作。 适用大型水厂 已商品化  中空纤维式 单位体积膜面积大，保留体积小，不需外加支撑材料，设备费用低，能耗少 膜容易堵塞，不易清洗，原料液的预处理要求高，单根纤维损坏时需换整个膜件。 适用大型水厂 已商品化  槽条式 单位体积膜面积较大，设备费用低，组装方便，换摸方便，容易放大 运行经验少 已商品化  （三）反渗透膜装置的防护 1．料液的预处理 常采用的预处理方法有如下几种。 （1）凝聚与絮凝 天然水体中的浊度成分主要是粘土矿物与有机物的结合体颗粒，按分散程度考虑属胶体范围。这类胶体颗粒粒径微小，带有负电荷，能长期均匀地分散在水中。通过向料液中投加某些药剂，使水中的一些难以沉淀的颗粒相互聚集增大，最终形成絮凝体，再通过沉淀及过滤即可处理掉。 （2）过滤 过滤就是为了进一步截留水中悬浮杂质，从而使水变得澄清。可使用具有一定大小、形状的颗粒材料如石英砂等形成滤料层进行水的过滤。这种滤料过滤对水中悬浮物、浊度、BOD、COD、重金属、细菌、病毒均有不同程度的去除。 对于反渗透进水，除了需预先对原水进行粒状滤料过滤外，还有必要使用精密过滤器，以除去水中微量的悬浮杂质。常用的滤芯滤料过滤器去除微粒的最小粒径为５μｍ。 （３）活性炭吸附 活性炭中有大量的孔隙，因此有巨大的吸附表面积，所以吸附能力强，而且对有机物和无机物都有效。它可以有效的去除水中多余的氯、色度和一些有机物。 （４）软化 当水源的水硬度较大，为了防止膜结垢，就需要对水软化。可采用加入软化剂如磷酸氢二钠等对水进行软化，也可采用离子交换法使水中钙和镁离子的浓度降低。 （５）除铁离子 反渗透进水对水中铁的含量有严格的限制。根据铁在水中存在形式及价态可分别采用不同方法加以去除。如当水中溶解氧的浓度很低和水中ｐＨ值较低时，水中的铁离子为二价铁，并常以Fe(HCO3)2形式存在，可采用曝气法或锰砂过滤法除去水中的铁。 另外，在反渗透系统中，为了防止反渗透膜的微生物污染，对进水要进行氯化处理。 2．膜的清洗 （1）物理清洗方法 简单的方法是采用水力学清洗方法，主要是反冲洗。即以一定的频率交加压，减压和改变流向。这在一定程度上使膜的透水性得到恢复。对受有机物污染的膜，可用水和空气混合流体在低压下冲洗，也可达到效果。 （2）化学清洗方法 化学清洗所采用的药剂可分为氧化剂（NaCl、I2、H2O2、O3）、还原剂（如HCHO）、螯合剂（EDTA、SHMP）、酸（HNO3、H3PO4、HCl、H2SO4、草酸、柠檬酸）、碱（NaOH、NH4OH）、酶（蛋白酶、淀粉酶）、表面活性剂（离子或非离子型）等。 二、纳滤膜分离技术与设备 （一）纳滤膜分离的特点 纳滤（ＮＦ）是介于反渗透与超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术。能从溶液中分离出相对分子量为300-10000的物质的膜分离过程。纳滤膜在分离应用中表现出两个显著特性：（1）对水中的分子量为数百的有机小分子成分具有分离性能；（2）对无机盐有一定的截留作用。物料的荷电性，离子价数和浓度对膜的分离效应有很大影响。从结构上来看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。根据其第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥有1nm左右的微孔结构，故称为“纳滤”。 （二）纳滤膜分离机理 NF膜与RO膜均为无孔膜，通常认为其传递机理为溶解——扩散方式。但NF膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制，同时也受电势梯度的影响，即NF膜的符为与其荷电性能，以及溶质荷电状态和相互作用都有关系。 （三）纳滤膜设备 纳滤膜装置主要有板框式、管式、螺旋式和中空纤维式四种，与反渗透相同在此不再赘述。 三、超滤膜分离技术与设备 （一）超滤膜分离原理与操作模式 超滤是一种筛分过程。溶液在静压力的作用下，通过超滤膜，在常压和常温下收集透过液，溶液中一个或几个组分在截留中富集，高浓度的溶液留在膜的高压端。膜分离过程是分离物质的大小来进行的。由于超滤膜的孔径在0.001—0.02μm之间，大于该范围的分子，微粒胶团、细菌等均截留在高压侧，反之，则透过膜存在于渗透液中。 虽然超滤的分离机理被认为是一种筛分分离过程，但是，其膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。超滤过程中溶质的截留主要有以下三种：膜表面的机械截留、在膜孔中停留而被除去、在膜表面及膜孔内的吸附。 超滤膜的材料主要有醋酸纤维、聚砜、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和尼龙等高分子材料。 超滤膜的操作模式可分为重过滤和错流过滤两大类。常用的超滤操作模式分以下几种： （1）间歇错流操作 将加料液从贮罐连续地泵送到超滤膜装置，通过该装置再回到贮罐及装置进口处，随着溶剂被滤出，贮罐中料液的液面将低，浓度升高。 （2）单级连续操作 单级连续操作是将料液从贮罐泵送到一个大的循环系统管线中，这个大循环系统是一个大泵将循环液在超滤膜系统中进行循环，再从这个循环系统的管线中将浓缩液连续不断的取出，并维持加料与出料的流速相等。 （3）多级连续操作 多级连续操作往往采用两个或两个以上的单级连续操作。每一级在一个固定的浓度下操作，从第一到最后一级，料液的浓度是逐渐增加的，最后的一级就是浓缩产品的浓度。从贮罐进料时须加一水泵，但以后则依靠小的压差从前一级进入下一级。 （二）超滤膜设备 超滤膜设备主要有平行叶片式、板式、卷筒式、中空纤维式。其中板式、卷筒式、中空纤维式在反渗透膜中已详尽讲述，在此不再赘述。我们简单介绍一下平行叶片式超滤器。平行叶片式超滤器见图8-29所示。由两片平行膜，将其三边密封，形成膜套，支撑在一纸板的多孔材料上。多个膜套平行的连接在同一个头上，形成一个组合单元。透过膜的超滤液可以流向这个单元的头部。料液纵向的流过组合单元与膜套平行。  四、微滤膜分离技术与设备 （一）微滤膜分离原理 微滤是以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶物浓缩过滤的操作。微滤膜孔径为0.025-4μm。一般微滤膜孔分布均匀，可以将大于孔径的微粒、微生物截留在滤膜表面，适合于过滤悬浮的微生物和微粒。 一般认为微滤的分离机理为筛分机理，其过滤行为与膜的物理结构和过滤对象的物理化学特性有关。现以悬浮液中固液分离为例说明微孔滤膜截流作用。 （1）过筛截留 指膜具有截留比其孔径大或孔径相当的微粒等杂质的作用。 （2）吸附截留 微滤膜也可以通过物理或化学吸附的方法将尺寸小于孔径的固体微粒截留。 （3）架桥截留 固体颗粒在膜孔入口处起架桥作用而使颗粒截留。 （4）网络截留 指微粒不是留在膜的表面，而是将微粒截留在膜的内部。一般是通过膜孔的曲折而形成。 （5）静电截留 当分离悬浮液中的颗粒带电时，可以采用荷相相反的微滤膜。这样可以采用孔径比微粒稍大的微滤膜，既可达到分离效果，又可增大通量。 （二）微滤膜材料 微滤膜材料主要有：纤维素酯类、再生纤维、聚酰胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯，聚丙烯、聚碳酸酯等。 微滤膜由于本身性脆易碎，机械强度差，在实际应用中需将他贴在多孔支撑体上。 （三）微滤膜设备 微孔滤膜由于本身性脆易碎，机械强度较差，因而在实际使用时，必须把它衬贴在平滑的多孔支撑体上，最常用的支撑体是以烧结不锈钢或烧结镍等制成的，其他还有尼龙布或丝绸等，但需以密孔筛板作支撑。 和反渗透、超滤一样，工业用微滤的组件也有板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维、普通筒式及折叠筒式等多种结构。根据操作方式又可分为高位静压过滤，减压过滤和加压过滤。 工业上应用的微孔过滤设备主要为板框式；对于大量液体的过滤，可采用一种折叠型筒式过滤装置，其特点是单位体积中的膜面积大，因而过滤效率高，常见的微滤滤芯为长245mm，外径70mm，内径25mm，滤膜呈折叠状。这种形式的滤器与其他滤材的滤器（如滤纸、滤布、砂棒及烧结的多孔材料滤器）相比，具有体积小、孔隙率大、过滤面积大、滤速快、强度高、滤孔分布均匀、使用寿命长等特点；实验室用最简单的微孔过滤设备和普通的吸滤装置相同，当需要收集滤液时，可用吸滤管代替吸滤瓶，滤筒的上下两部分可由不锈钢或塑料等制成，用螺纹旋紧或夹子夹紧，中间有聚四氟乙烯的Ｏ形垫圈，此外，也可采用玻璃滤筒用夹钳固定的形式。 在过滤前，微孔滤膜一般要用适当的液体浸润，最好将滤膜先漂放在溶液的表面，让它自然浸润沉降，以将滤膜空穴中的空气赶出，充分发挥滤膜的有效过滤面积。其次，在加入滤样前，应以相应的溶液吸滤，以清洗滤膜。