近年来，随着生物发酵及生物化工领域新技术的发展，进入食品工业的各种高附加值生物技术产品如雨后春笋，相继出现，行业标准日趋规范。这就对食品级生物产品的分离纯化技术提出了越来越高的要求，但出于行业保密原因，大多数企业对生物工艺及设备选型避而不谈，这无形之中为国内生物行业的良性发展架设了壁垒。本文结合笔者近年来的生产实践，就生物发酵及生物化工行业分离纯化过程硅藻土过滤设备的选型与优化问题进行着重论述。
1 生物工程产生的细胞悬液特点
目标产物浓度普遍较低， 细胞悬浮液中大部分是水和培养基的残留组分； 待分离的生物产物体系是一个成分非常复杂的多组分胶体系统， 是含有细胞、碎片、蛋白质、核酸、脂类、糖类、无机盐类等多种物质的混合物； 分离过程中的操作步骤很容易造成生物制品的生物活性丧失， 一些环境因素如pH 、温度、渗透压、离子强度等的变化也常常造成生物产物的失活， 一些生物大分子也常常由于水分活度的改变而失去活性；生物活性物质本身的性质也不稳定，随着时间的推移， 很容易被微生物污染、水解酶酶解，或受空气氧化等。
2 固液分离与硅藻土过滤
根据生物产品细胞悬液的特点和性质， 分离纯化过程应该尽量迅速，缩短停留时间；控制好操作温度与pH；减少或避免与空气接触受到污染和氧化的机会；提前设计好混合体系中各组分的分离顺序。通常来说， 产品的分离纯化大致需经过固液分离、初步分离、产品提纯等步骤。至于选用何种分离方法，取决于发酵液的特性(粘度、产物浓度、杂质含量等)和所需产品的形式(如结晶状产品、浓缩液、粗制溶液及干燥粉末等)，但是，不论何种发酵液，其产品的固液分离环节常采用过滤和离心分离等化工单元操作完成。在这里，将重点论述过滤这一单元操作。
2．1 过滤单元操作理论
过滤操作是借助于过滤介质， 在一定的压力差作用下，将悬浮液中的固体粒子截留，而与液体分离的技术。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻rB，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻rB是操作压力差的函数，一般可用下式表示：
rB=r(⊿kp)m (1)
式(1)中，r为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m 为压缩性指数，一般取0．5～0．8，对不可压缩性滤饼，m 为0。
由此可见， 滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地、逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0．05MPa，最后的压差(不包括榨滤)也不超过0．3～0．4MPa。如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。
恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计， 恒压 的过滤方程式如下：
q2=2(△p／urBXB)t (2)
式(2)中，q为到瞬间t，通过单位过滤面积的滤液量，m；△P为压力差，Pa；u为滤液黏度，Pa·s；rB为滤饼的质量比阻，m／kg；XB为通过单位体积滤液，所形成的滤渣质量(干重)，kg／m3；t为过滤时间，s。
质量比阻可根据式(2)，利用图解法求得。以t／q为纵轴，以q为横轴所得的直线斜率为M，则rB可按下式计算：
rB=2M△p／(uXB) (3)
根据滤饼的质量比阻值， 可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。
2．2 影响固液分离的因素
发酵液属非牛顿型液体， 其流变特性与许多因素有关，依上述理论所示，影响固液分离的因素主要取决于细胞或菌体的大小和形状，以及介质的黏度。
2．2．1 粒子大小
通常情况下粒子越小， 分离难度越大，费用也越高。若菌体直径达到10um ，固液分离就容易，采用常规过滤，如板框过滤、硅藻土过滤就能达到目的。
2．2．2 悬液黏度
固液分离速度通常与黏度成反比，黏度越大固液分离越困难。培养液黏度的大小受很多因素影响： 细胞或菌体的种类和浓度是一个重要因素，通常丝状菌、动物或植物细胞悬浮液黏度较大，浓度增大、黏度也提高。培养液(发酵液)中蛋白质、核酸大量存在，会使黏度明显增大，通常细胞破碎或细胞自溶后，胞内的蛋白质、核酸、酶等大量释放，黏度都特别大。因此，细胞破碎的程度应控制，发酵放罐的时间要适宜。培养基成分也是影响黏度的一个因素，如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，黏度都会升高。此外，某种染菌发酵液(如染细菌)，则黏度会增大。发酵过程的不正常处理也会影响黏度， 如发酵后期加消沫油或发酵液中含大量过剩的培养基，都会使黏度增大。
2．2．3 发酵液的pH、温度、压力和加热时间
除上述两个因素外，发酵液的pH、温度、压力和加热时间都会影响固液分离。通常调节发酵液不同的pH，固液分离速度会不同。加热会促使蛋白质凝固、黏度降低。有利于固液分离，但要考虑生化物质稳定性，加热温度、压力和时间必须控制好。
2．3 硅藻土过滤
2_3．1 硅藻土的结构及特性
硅藻土是一种硅质生物沉积岩，或者说是一种硅藻遗体沉积物。其物质组分主要为硅藻， 矿物成分为一种有机成因的硅藻蛋白石。硅藻中的SiO2是含有与之紧密伴生的其他组分的一种独特类型的硅藻氧化硅，这是有益组分；其次为粘土矿物，如水云母、高岭石、蒙脱石等。还有混入的碎屑矿物，例如石英、长 、黑云母等．也常含有有机质以及盐类，这些物质则是有害组分。据上述组分含量的不同把矿石分为4种类型：硅藻土、含粘土硅藻土、粘土质硅藻土、硅藻粘土等，其中以硅藻土(硅藻含量大于90％ ，粘土矿物含量小于5％ ，矿物碎屑1％ 左右)质量最佳，属于优质矿石。
硅藻土中的硅藻有许多不同的形状(天然硅藻土的显微结构如图1所示)，如圆盘状、针状、筒状、羽状等。纯净的硅藻土呈白色、土状，含杂质时则呈灰白、黄、灰、绿以至黑色。由于硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性，所以它是一种性能优良的工业助滤剂。用硅藻土作助滤剂，可以滤除液体中的固体颗粒、悬浮物质、胶体粒子及细菌，起到滤清和净化液体的作用。
2-3．2 硅藻土过滤
硅藻土过滤操作属饼层过滤，是以硅藻土作为过滤介质，预涂成膜后，靠膜过滤使水澄清，它是一种预涂型过滤器，故必须要有一个预涂阶段。这样，预涂、过滤、反冲洗是硅藻土过滤的一般工艺过程。
3 硅藻土过滤设备
目前，市场上的硅藻土过滤设备品种繁多，归纳起来有如下几种通用设备，见表1。
4 设备选型与优化
由以上对硅藻土设备的分析可知，w K 系列硅藻土过滤机是最原始的硅藻土过滤设备， 由于过滤效率低、人工劳动强度较大，目前大多数企业已不再使用该设备；ZL 系列烛式硅藻土过滤机是现代最广泛采用的一种新型过滤设备， 在多数中小生物发酵企业广泛使用。
通过生产实践， 我们发现使用卧式或烛式硅藻土过滤机过滤后的液体中会出现许多微小的悬浮杂质。经过反复查找原因， 这是由于硅藻土预涂层断裂、脱落，导致微小的硅藻土、活性碳及杂质穿透过滤网进入液体中，从而使液体变得浑浊，降低了过滤效果。另外，卧式、烛式硅藻土过滤机清洗非常麻烦，特别是烛式过滤机， 反冲洗时， 由干烛杆长达800-1200mm， 反冲过来的清水从烛杆的上方直接流走，而下方达不到清洗的目的， 否则要将烛杆取下逐条刷洗，才能达到清洗干净的目的。这样废时又废力，成本也提高，特别是过滤质量很难保证。而FL系列、IJTG 系列立式过滤机由于过滤片采用复合致密过滤网， 且过滤片完全改变了原始的安装法，确保硅藻土不会脱落，更不会断裂，并且各部位冲洗彻底而不需拆装。但FL系列与UFG 系列相比，后者由于滤叶垂直安装，双面过滤，在同等容积下结构紧凑、过滤面积更大，因过滤时硅藻土定量添加而使运行更平稳， 处理能力较FL系列增长近一倍，大大提高了生产效率，劳动强度明显降低，该立式自动过滤机深受大中型生物化工企业的青睐。综上所述，对于中小生物发酵企业选用ZL系列烛式硅藻土过滤机较经济， 而对于那些大中型生物企业，笔者建议首选处理能力大、自动化水平高、运行稳定性强的LTG 系列立式硅藻土过滤机。
