摘要：概述了碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机的基本原理，介绍了这两种离心机在生物工程中 应用的特点及应用的一些情况，探讨了与国外先进水平的差距。
     关键词：碟式分离机；卧式螺旋沉降离心机；分离；生物工程

     1 前言
     碟式分离机和是高速旋转的 离心分离机械设备。它们利用惯性离心力和物料的比 重差来促进固体颗粒和液体的运动，实现分离目的，可 用于液—固、液—液、液—液—固等二相或三相物料的 分离。两种离心机对应于特定的物料和工艺应用都有 其独特的优点。因其具有分离精度高，单机处理量大， 处理过程连续化、自动化，操作与维修方便，对不同工 艺过程适应性强等特点，在众多经济领域中得到广泛 应用。特别是近些年来，一方面生物工程技术发展迅 速，在缓解能源供应压力、提高医药卫生条件、保护环 境、促进社会与经济的可持续性发展方面发挥着越来 越重要的作用；另一方面由于新技术、新材料的不断应 用，碟式和卧式螺旋沉降离心机的技术水平快速提升， 因而碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机在生物工程中 扮演着越来越重要的角色[1]。
     2 碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机概述
     2．1碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机的分离原理[1]
     碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机都是离心沉降 类离心机，其分离理念都是基于重力沉降而发展起来的。以液—液—固三相分离为例，混合液体在沉淀池内，密度大的固体颗粒在重力作用下缓慢地下沉直至池底，最终混合液体会变得清澈，且密度相对较小的液体在最上层。然而重力沉降分离时间很长，不能满足工业化大生产快速分离和分离结果受控的要求。离心沉降分离恰恰满足了这一点，不同密度互不相溶的液体及固相颗粒进入高速旋转的转鼓内，在强大的离心力场作用下，密度{zd0}的固体颗粒向外运动积聚在转鼓 的周壁，而不同密度互不相溶的液体则在内层形成同心圆环，密度相对较小的液体圆环在内，密度相对较小的液体圆环在外，而分离界面（两种液体圆环接触处）可根据不同物料和分离要求进行调节。这样碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机对不同物料实现了快速高效的分离。
     2．2碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机的分类
     经过多年的发展，为满足不同物料的分离要求，碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机已形成了众多类型。按分离功能来分，碟式分离机可以分为澄清型、浓缩型和澄清浓缩型，卧式螺旋沉降离心机均可以分为脱水型、澄清型和分级型；按结构形式来分，碟式分离机可 分为人工排渣型、自动排渣型、喷嘴型，而每一种还可以再分类，譬如自动排渣型可分为部排型、全排型，内活塞型、外活塞型；喷嘴型又可分为周边喷嘴型、内收喷嘴型、底冲水型、循环型等等。卧式螺旋沉降离心机可分为并流型和逆流型等。
     2．3碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机的适用性
     碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机因各自特点不 同，对物料的适用性也有所区别。就固液两相分离而 论，一般来说，碟式分离机能分离的料液中固体颗粒粒 径为0.1～300μm，料液中固含量(v/v)因机型不同各不 相同，人工排渣型为0.02%～0.1%，自动排渣型为 0.02%～10%，喷嘴型为0.02%～40%；而卧式螺旋沉降 离心机能分离的料液中固体颗粒粒径为2μm～3 mm，料液中固含量(v/v)为0.5%～60%。从分离后的结果来 看，经碟式分离机分离后的轻液澄清透明，而卧式螺旋 沉降离心机分离出来的液相仍含有少量固形物。分离 效果的好坏与物料中的固含量，固液相密度差，固相颗 粒形状、大小，物料黏度，分离温度及分离机的选型与 工艺匹配等等息息相关，要充分重视离心机的选型。
     3 在生物工程中的应用
     由于生物环境的复杂性和生物技术的多样性，生 物技术中工业化规模生产的离心分离基本都是在相当 复杂的液态环境下进行的。生物工程中的物料，如发酵 产物、酵母、蛋白质等，含有非常细小的颗粒，在普通卧 螺机中难以沉降，螺旋也难以将沉降的颗粒输送至转 鼓锥端；自动排渣分离机又受到料液中固含量要求的 制约；喷嘴分离机则有固相带走料液的弊端[2]。为了解 决影响分离机和卧螺机在生物工程中广泛推广应用的 问题，绿洲公司结合四十多年制造离心机所掌握的技 术和经验，应用新材料，进行了大量的试验以确定离心 机的主参数，优化卧螺机的转鼓形状、螺距、进料分布 和转鼓内物料流动形态以降低对物料的剪切力和搅 动；改进碟式分离机的转鼓结构，优化碟片结构，进、出 料区布局，改进传动结构以提高转速及解决由此带来 的振动难题，不断提高离心机的性能以满足生物行业 的需要。目前，绿洲公司生产的生物工程用碟式分 离机的惯性离心力超过11 000 g，卧式螺旋沉降离心 机的惯性离心力超过3 000 g，某些型号超过4 000 g。 这使得碟式分离机为生物技术过程提供了所需的离心 力，能够分离出料液中小于0.5μm的颗粒，同时高离 心力使分离出来的固相更加致密，分离机排出的固相 更干。同时改进后的卧螺机的分离性能和处理能力都 得以大幅度提升，满足生物技术发展的要求。
     需要指出的是，生物技术的多样性和复杂性大大增加了分离纯化设备选型的难度。譬如单就微生物来说，种类多、大小尺寸差别大，且形状各异，其培养液的 流动特性就很复杂[3]。因此分离操作有时是一种型号的碟式分离机就可以了，有时是二到三种碟式分离机组 合或碟式分离机与卧式螺旋沉降离心机组合使用，组合顺序也不尽相同，这要根据具体的物料性质和综合考虑投资成本、生产成本而定。另外相当多的情况下，碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机分离过程是作为超滤、纳滤过程的前处理工序，这两种离心沉降分离设备与超滤、纳滤设备结合使用。
     4 在生物工程中的应用展望
     目前，就碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机相关 的离心分离技术方面，我国与国际先进水平相比，还有 一定的差距。这一方面表现在国内对于离心沉降分离 的机理缺乏深入的研究，一定程度上影响了新产品的 开发速度和技术的先进性。另一方面就已有的这两类 离心沉降设备而言，正朝着高速化、大型化、高度可靠 性、自动化方向发展。国外先进水平的生物工程用碟式 分离机的惯性离心力已超过15 000 g，卧式螺旋沉降 离心机的惯性离心力已超过5 000 g,高的甚至超过了 7 000 g。
     5 结语
     离心分离技术是一项适应性强，能满足生物工程中物料高精纯分离要求的分离技术，具有广阔的发展前景。这类设备的开发、提高和应用，可以提高相关行业的产品质量，提升产品档次，降低投资成本和生产成本，提高市场竞争能力。可以相信，碟式分离机和卧式螺旋沉降离心机配合生物工程工艺，必将在生物工程中发挥更大的作用，获得广泛地应用。
参考文献：
[1][英]A.Rushton,A.S.Word,R.G.Holdich,朱企新，许莉，谭蔚，等 译.固液两相过滤及分离技术[M].北京：化学工业出版社， 2005.
[2]贾士儒.生物工艺与工程实验技术[M].北京：中国轻工业出版 社,2002.
[3]辛秀兰.生物分离与纯化技术[M].北京：科学出版社，2005.