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 其獨特的優點。因其具有分離精度高，單機處理量大， 處理過程連續化、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展迅 速，在緩解能源供應壓力、提高醫藥衛生條件、保護環 境、促進社會與經濟的可持續性發展方面發揮著越來 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展起來的。以液—液—固三相分離為例，混合液體在沉淀池內，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，不能滿足工業化大生產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，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層形成同心圓環，密度相對較小的液體圓環在內，密度相對較小的液體圓環在外，而分離界面（兩種液體圓環接觸處）可根據不同物料和分離要求進行調節。這樣碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機對不同物料實現了快速高效的分離。

    2．2碟式分離機和臥式螺旋沉降離心機的分類

    經過多年的發展，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，內活塞型、外活塞型；噴嘴型又可分為周邊噴嘴型、內收噴嘴型、底沖水型、循環型等等。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

    由于生物環境的復雜性和生物技術的多樣性，生 物技術中工業化規模生產的離心分離基本都是在相當 復雜的液態環境下進行的。生物工程中的物料，如發酵 產物、酵母、蛋白質等，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 術和經驗，應用新材料，進行了大量的試驗以確定離心 機的主參數，優化臥螺機的轉鼓形狀、螺距、進料分布 和轉鼓內物料流動形態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，優化碟片結構，進、出 料區布局，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 的需要。目前，綠洲公司生產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，滿足生物技術發展的要求。表1是南京中船綠洲機器有限公司開發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，這要根據具體的物料性質和綜合考慮投資成本、生產成本而定。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。這一方面表現在國內對于離心沉降分離 的機理缺乏深入的研究，一定程度上影響了新產品的 開發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，具有廣闊的發展前景。這類設備的開發、提高和應用，可以提高相關行業的產品質量，提升產品檔次，降低投資成本和生產成本，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.