1 前言

固液分离是重要的单元操作，是非均相分离的重要组成部分，在国民经济各部门如化工、轻工、制药、矿山、冶金、能源、环境保护等应用非常广泛。在许多生产过程中，过滤与分离机构是关键设备之一，其技术水平的高低，质量的优劣直接影响到许多过程实现工业化规模生产的可能性、工艺过程的先进性和可靠性、制品质量、能耗、环境保护等经济和社会效益。

2 固液分离的基本技术与选型设备

从原理上讲，固液分离过程可以分为两大类：一是沉降分离，一是过滤分离。固液分离设备也可以相应地分为两大类。在此基础上，根据推动力和操作特征进一步细分为若干种固液分离设备。品种繁多的固液分离设备使得用户有较大的选择范围，对于任意的固液分离问题，一般总可以找到一种较为合适的固液分离设备。但是，正由于固液分离设备种类很多，而一般用户对各种设备的性能又缺乏深入了解，所以要在各种分离设备中找出较为合适的设备总是存在不少困难。因设备选型不当而不能满足工艺要求的并不少见。如何正确合理地选择固液分离设备引起了许多学者的重视，在近四十多年时间里国外发表了大量有关固液分离设备选型的文献。详细论述了各种固液分离设备的选型，以及固液分离设备选型的方法。

3 固液分离技术的一般流程

3.1 明确分离工艺要求

在进行实验研究前，首先必须弄清所要解决的分离问题，明确各项分离工艺要求。要考虑对设备选型影响很大的一些因素。诸如卫生要求，有否毒性，是否起泡等。

3.2 确定物料的沉降特性

物料沉降特性可通过量筒沉降试验确定，方法是将物料样品放入量筒中摇匀，然后任其沉降，半小时后测量清液层高度，确定沉降速度、24小时后测量沉渣容积比。

3.3 确定物料过滤特性

物料过滤特性一般以滤饼增长率表示，可通过布氏漏斗试验确定。方法是测定过滤一定量样品所需时间，也可以采用顶部进料叶过滤装置进行试验，直接测定滤饼厚度，然后计算滤饼增长率。

3.4 初选固液分离设备

根据所确定的分离要求和物料分离特性来初选固液分离设备。

4 固液分离技术的概述

4.1 絮凝

絮凝是利用电荷中和及大分子桥联作用形成更大的粒子的原理。设备有连续式、批式等。特点是使固形物颗粒增大，容易沉降，过滤、离心提高因数分离速度和液体澄清度。但它有条件严格，放大困难，引入的絮凝剂可能干扰之后的分离纯化等缺点。

4.2 离心

在离心产生的重力的作用下，颗粒沉降速度加快而沉淀。离心设备有很多种，但各有优缺点，我们使用时可视具体情况而定：

（1）高速冷冻离心机：适用于粒度小，热不稳定的物质回收，适于实验室应用。但由于容量小，连续操作困难，大规模工业应用性差。

（2）碟片式离心机：适用于大规模工业应用，可连续，也可批式操作，操作稳定性较好，易放大，推广。缺点是半连续或批式操作时，出渣清洗烦杂。

（3）管式离心机：批式操作，转速高，固形分离效果较好，含水低，易扩大推广，但容量有限，处理量小，拆装频繁，噪声大。

（4）倾桥式离心机：连续操作，易放大，易工业应用，操作稳定。但对很小颗粒固形物回收困难，设备投资高。

（5）篮式离心机：实为离心力作用下的过滤，适于大颗粒固形物的回收，放大容易，操作较简单、稳定，适于工业应用。缺点是批式操作或半连续操作，转速低，分离效果较差，操作繁重，离心的设备投资高，操作成本高。

4.3 过滤

过滤是利用过滤介质的孔隙大小进行分离。设备有板框式过滤机、平板（真空）过滤机、真空旋转过滤机等。特点是设备简单，操作容易，适合大规模工业应用，但分离速度低，分离效果受物料性质变化的影响，劳动强度大。

4.4 萃取

在生物合成工业上，萃取也是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作，萃取法具有传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现自动控制，分离效率高，生产能力大等一系列优点，所以，应用相当普遍。不仅对抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物常采用有机溶剂萃取法进行提取，而且近年来又开发了不使酶等蛋白质失活的双水相萃取法，已成功地应用了提取甲酸脱氢酶，a-葡萄苷酶等，但因为聚乙二醇、葡聚糖等价格较贵，所以，还未广泛使用，下面对几种萃取方法稍加介绍：

（1）有机溶剂萃取法：依靠有水和有机溶剂中的分配系数差异进行分离的萃取法。适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质，反胶团系统较适于生物活性物质萃取，但萃取条件严格，安全性低，活性收率低。

（2）双水相萃取法：依靠分离物在不相溶性的高分子水溶液形成的两相中的分配系数不同而分离，它的特点是：连续或批式萃取，设备简单，萃取容易，操作稳定，极易放大，适合大规模应用，将离子交换基团，亲和配基，疏水基团结合到高分子载体上形成的萃取剂可改进分配系数及萃取专一性，但成本较高，纯化倍数较低，适合粗分离。

（3）超临界萃取：它是利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时具有很高的扩散系数和很低的粘度，但具有与流体相似的密度的性质，对一些流体或固体物质进行萃取的方法。它的特点是：萃取能力大、速度大，且可通过控制操作压力和温度，使其对某些物质具有选择性，正开始应用于生物工程中。缺点是设备条件要求高，规模较小。

超临界萃取技术（SFE）是近二三十年发展起来的一种新型分离技术。超临界流体具有许多与普通流体相异的特性，如其密度接近于液体的密度，这就使得其对液体、固体物质的溶解能力与液体溶剂相当；其粘度却接近于普通气体，自扩散系数比液体大100倍，从而其运动速度和溶解过程的传质速率比液体溶剂提高很多。超临界流体还具有很强的可压缩性，在临界点附近，温度和压力的微小变化会引起超临界流体密度的较大变化，由此可调节其对物质的溶解能力。由于物质在超临界流体中的溶解度随其密度增大而增大，所以萃取完成后稍微提高体系温度或降低压力，以减小超临界流体的密度，就可以使其与待分离物质分离。所选的超临界流体介质与被萃取物的性质越相似，对它的溶解能力就越强。因此，正确选择不同的超临界流体作萃取剂，可以对多组分体系进行选择性萃取，从而达到分离的目的。SFE有许多传统分离技术不可比拟的优点，诸如过程易于调节、达到平衡的时间短、萃取效率高、产品与溶剂易于分离、无有机溶剂残留、对热敏性物质不易破坏等。因此，SFE在众多领域有着广阔的应用前景。但由于CO2是一对称分子，偶极距为0，极化率只有25.6×10-26，且极性随压力增大无明显增加，故用单一的CO2作萃取剂时只表现出对低极性、亲脂性化合物较强的溶解能力，大多数极性较强的组分则难溶于超临界状态下的CO2之中，于是研究者们又提出了在超临界CO2中加入极性溶剂的混合超临界流体萃取技术，即第二类CO2-SFE技术。

（4）反胶束萃取法：反胶束或逆胶束是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的纳米尺度的一种聚集物。反胶物溶液是透明的，热力学稳定的系统，若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，可使其浓度超过临界胶束浓度（CMC），便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体成为反胶束。影响反胶束萃取蛋白质的主要因素有：水相pH值，离子强度，表面活性剂类型，表面活性剂浓度，离子种类等。其萃取蛋白质的应用主要有：分离蛋白质混合物，浓缩a-淀粉酶，从发酵液中提取胞外酶、直接提取胞外酶，用于蛋白质重性等。可见，反胶束萃取技术为蛋白质的分离提取开辟了一条具有工业开发前景的新途径。

（5）凝胶萃取法：凝胶是化学键交联的高聚物溶胀体，就其化学组成而言，通常可分为三大类：疏水性有机凝胶；亲水性有机凝胶；非溶胀性无机凝胶。其中亲水性有机凝胶具有两大特性：

①凝胶的胀缩特性。即具有交联网络的聚合物凝胶，能吸收比自身重量大数十倍乃至数百倍的溶剂而溶胀。对于一种溶液，凝胶按各组分的分子大小选择性地吸收，小分子物质和无机盐能进入凝胶，而大分子物质则被排斥，因此可将凝胶作为固态萃取剂，用于对溶液中大分子物质的浓缩和净化。

②相变特性。即在某一物化条件下，吸水凝胶可突然收缩而释放出所吸收的水或其他溶剂，使其体积发生急剧的、大幅度的变化。这一性质不仅使凝胶在萃取操作中便于再重复使用，而且可能导致的多种潜在用途。由于凝胶萃取具有能耗小，萃取剂易再生，设备与操作简单，对物料分子不存在机械剪切或热力破坏等优点，故适用于从稀溶液中提取有机物或生物制品，如淀粉脱水，发酵液中的抗生素的提取以及遗传工程菌中蛋白质的提取等，还可能在一定程度上替代膜分离和凝胶层析等过程。

4.5 其他分离方法

其他分离方法有：一般的物理、化学方法，如破碎、干燥等。就干燥来说又有真空干燥、真空冷冻干燥、流化床干燥、喷雾干燥等，过程就不再赘述了。

5 固液分离技术的研究趋势——高效集成化

从发展趋势来看，固液分离技术研究的目的是要缩短整个下游工程的流程和提高单项操作的效率，以前的那种零敲碎打的做法，既费时、费力，效果又不明显，跟不上发展的步伐。现在对整个生物分离过程的研究要有一个质的转变，并认为可以从两个方面着手。其一，继续研究和完善一些适用于生化工程的新型固液分离技术；其二，进行各种固液分离技术的高效集成化。目前出现的新型单元分离技术，如亲和法、双水相分配技术、逆胶束法、液膜法、各类高效层析法等，就是方向一的研究成果，而作为方向二的高效集成化，目前研究比较热门的是将双水相分配技术与亲和法结合而形成效率更高，选择性更强的双水相亲和分配组合技术，将亲和色谱及膜分离结合的亲和膜分离技术；可以将离心的处理量、超滤的浓缩效能及层析的纯化能力合而为一的扩张床吸附技术等。

但就目前看来，有关固液分离技术或过程的高效集成化研究还是很肤浅的，还不能与传统技术及过程的有效比较，尚未大规模应用。研究的目标产物液大多是局限在简单分子，对于基因工程蛋白质及其有重要应用价值的其它生物活性物质的分离则研究得很少，对有关新技术的分离机理、控制因素、模型化等方面的研究也还处于初步摸索阶段。但是应该看到研制和发展生物分离过程的高效集成化技术是改进和优化生物下游处理过程的重要手段之一，也是生物工程在二十一世纪得到高度发展的重要保证，这种集成化技术不仅会加强和改善发酵液和基因工程菌培养液的分离手段，而且对天然物质中高价值的有效物质提取和分离过程的改进也会有明显的指导意义和借鉴作用。因此，生物分离过程的高效集成化的现实作用相当重大，潜在的发展前景是十分美好的。