发酵液的固液分离.
发酵液的处理
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度
2) 絮凝剂分子量
3) 絮凝剂类型
4) 溶液的pH
5) 搅拌速度和时间
6) 助凝剂
A. 絮凝剂浓度
浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸 附饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。
B. 高分子絮凝剂分子量
分子量提高、链增长，可使架桥效果明显，但分子量 不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂
发酵液的预处理和固液分离方法
山东农业大学 孙中涛
预处理和固液分离的目的：
1、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)。
2、除去部分可溶性杂质。
3、改变滤液的性质（降低粘度等），以利于后继操作。
总策略： 1、胞外产物：应尽可能转移到液相中，常 用调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物：首先收集细胞、破壁，生化物 质释放到液相，再分离细胞碎片。 3、通常，以含生化物质的液相为出发点，进 行后继操作。
使蛋白质变性的其它办法：
大幅度改变pH，加酒精、丙酮等有机溶剂 或表面活性剂等。
在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性 范围(pH2—3)或较碱性范围(pH 8—9）使蛋白质 凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
加有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数 量较少的场合。
利用吸附作用除去蛋白质：
举例：
3、采用酶制剂分解黏性物质
如果发酵液中有不溶解的多糖存在，则最好用酶将它转化
为单糖，以提高过滤速度。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过 滤速度加快。
4、染菌发酵液的处理方法
混凝：
阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，同时 具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理，所以可以 单独使用， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力 和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从 而，提高了絮凝效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
发酵液预处理及固液分离方法
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
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转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
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（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
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1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
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过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
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发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
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六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
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带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
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带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
发酵液预处理与固液分离
发酵液的预处理和固液分离方法综述摘要：从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
关键字：预处理固液分离正文：一、发酵液预处理微生物发酵和细胞培养的目标产物主要有菌体、胞内产物和胞外产物三类物质。
从发酵液和细胞培养液中提取所需的生化物质，第一步就需进行预处理，以便于固液分离，使代谢产物后续的分离纯化工序顺利进行。
其原因有三个方面：首先，发酵液多为悬浮液，粘度大，为非牛顿型流体，不易过滤，而所需的生化物质往往只有分布在液相，才能有效地提纯。
并且，在有些发酵液中，菌体自溶，核酸、蛋白质及其他有机粘性物质这三类物质会造成滤液混浊、滤速极慢，必须设法增大悬浮物的颗粒直径，提高沉降速度，以利于过滤；其次，目标产物在发酵液中的浓度通常较低；此外，发酵液的成分复杂，大量的菌丝体、菌种代谢物和剩余培养基会对提取造成很大的影响。
所以，对发酵液进行适当的预处理，从而分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（如细胞碎片、核酸以及蛋白质的沉淀物），并除去部分可溶性杂质和改变发酵液的过滤性能，是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤。
预处理方法要根据发酵产品、所用菌种和发酵液特性来选择。
大多数发酵产品存于发酵液中，少数存于菌体中，而发酵液和菌体中都有产物存在的情形也比较常见。
如果目的产物是胞外产物，则通过离心或过滤实现固液分离，使其转入液相；而对于胞内产物而言，收集细胞是预处理的首要一步。
细胞经破碎或整体细胞萃取使目的产物释放，转入液相，再进行细胞碎片的分离。
如果所需的产物为细胞，离心或过滤所得固相经干燥等过程就可得到菌体。
图1－1为生化产品分离纯化的一般步骤，图中虚线以上为预处理过程示意图。
图1－1 生化产品分离纯化的一般步骤【1】1.1 预处理简述发酵液经过预处理，一些物理性质会改变，从悬浮液中分离固形物的速度随之提高，过滤操作更易进行；在预处理过程中，产物大多转移进入易于后处理的相中（一般为液相）。
生物分离工程复习重点
第二章发酵液的预处理和固液分离的方法一、名词1、凝聚：凝聚作用就是向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集（1mm左右）的现象。
2、絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，形成粗大的絮凝团（10mm）的过程。
絮凝是一种以物理的集合为主的过程。
3、混凝：对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂通常会与无机电解质凝聚剂搭配使用。
在发酵液中首先加入无机电解质凝聚剂，使得悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂，通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥形成絮凝团的过程。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程称为混凝。
4、亲和絮凝：利用絮凝剂和细胞膜表面某种组分间具有的专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
如硼酸盐（四硼酸纳）可与多羟基的糖类化合物（甘露糖醇、山梨糖醇）发生专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
5、凝聚价：电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升）6、过滤：过滤是借助过滤介质，将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。
7、质量比阻：衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻（r B），表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼结构特性有关。
8、离心技术：离心技术是借助离心机旋转所产生的离心力，对具有不同沉降系数或浮力密度的物质进行分离、浓缩和提纯的一项技术；其目的是达到固-液或液-液的分离。
9、分离因子（Z）：离心力/重力加速度(g)的比值，也称为相对离心力(RCF)。
衡量离心程度的一个参数,用于离心机的分类。
10、沉降系数：指单位离心力作用下颗粒沉降的速度。
一般用斯维德贝格单位(Svedbergs) S 表示，1S =10−13s。
11、壁效应：由于溶剂在层析容器周壁附近流动不均匀造成分离区带在边缘部分扩散和弯曲的现象。
发酵液预处理和固液分离
1.2.3 常用的凝聚剂与絮凝剂
➢ 凝聚剂
• 铝盐，铁盐，钙盐，锌盐
➢ 絮凝剂
• 阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺乙酯 ，聚二烯丙基四胺盐。
• 阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素磺酸盐 • 非离子型：聚氧乙烯 • 无机高分子类：聚合铝盐，聚合铁盐 • 天然类：壳聚糖，葡聚糖 • 微生物类
➢ 预处理的目的 • 改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固 液分离器的效率 • 尽可能使物质转入便于后续处理的某一相中 • 去除发酵液中杂质，利于后续各步操作
➢ 预处理的方法 • 加热-加速聚集，去除某些蛋白质 • 调pH-促进聚集作用 • 凝聚和絮凝-增大颗粒有效尺寸，加快沉降速率
2.3.1 板框压滤机
➢ 自动板框过滤机：
是一种较新型的压滤设备，板框的拆装，滤渣的脱落卸出和滤布 的清洗等操作都能自动进行，大大缩短了非生产的辅助时间和减 轻了劳动强度。
板框操作实例-进料
板框操作实例-卸料
2.3.2 鼓式真空过滤机
鼓式真空过滤机能连续操作，并能实现自动化控制，但是压差较 小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。而对菌体较细或粘稠的发酵 液不太适用。
螺旋式
卧式
• 含固量较多 发酵液的主要 分离方式 • 操作温度可 达300度 • 胰岛素，细 胞色素，胰酶
发酵液的预处理
1 发酵液的预处理
➢主要杂质预处理 ➢凝聚与絮凝
2 发酵液固液分离
➢影响固液分离的因素 ➢过滤 ➢固液分离器
3 全发酵液提取
3 全发酵液提取
扩张床技术
两水相技术
膜技术
• 相当于过滤、浓缩和吸附的综合效果 • 连接的配基容量需求大 • 膜污染问题严重
生物工艺学第二章发酵液的预处理与固液分离2
收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、 蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。
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二 常见的固液分离方法
过滤 离心 膜分离 双水相萃取 ATPS 扩张床吸附 EBA
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（一） 过 滤
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的 压力差ΔP作用下，使悬浮液中的液体通过 介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上， 从而实现固液分离的单元操作。
发酵液中的杂质
A.高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）
在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。
B.杂蛋白
常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。 采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力， 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
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为何要对发酵液进行预处理？
固液分离方法主要是过滤和离心。 对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度
大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大， 设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生 膜污染，通量降低。 发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它 有机粘性物质的存在也会影响固液分离。 因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离 速度显得十分必要。
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目前最常见：聚丙烯酰胺类絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺， 用于食品和医药工业时应谨慎。
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2）天然有机高分子絮凝剂
发酵产品分离纯化的一般过程
发酵产品分离纯化的一般过程
首先，在发酵生产过程中，微生物或酵母等生物体产生的目标产物通常存在于发酵液中。
为了提取这些目标产物，首先需要将微生物细胞破碎。
这可以通过机械破碎、超声波破碎或化学方法来实现。
细胞破碎后，产物与发酵液中的其他组分混合在一起。
接下来是固液分离的步骤，通过离心、过滤或沉淀等方法将产物与发酵液中的固体颗粒或其他杂质分离开来。
这一步骤可以去除细胞残渣、蛋白质、DNA、RNA等杂质，从而得到相对纯净的目标产物。
随后是蛋白质纯化的过程，通常使用离子交换层析、凝胶过滤层析、亲和层析等方法，将目标产物与其他蛋白质分离开来，以获得更纯净的产物。
在蛋白质纯化的基础上，还需要进行浓缩和干燥的步骤。
浓缩可以通过膜分离、冷冻干燥等方法，将产物的体积减小，浓缩产物中的目标物质。
最后，干燥可以将产物转化为固体形式，延长其保存期限。
总的来说，发酵产品的分离纯化过程是一个复杂的过程，需要经过多个步骤，包括细胞破碎、固液分离、蛋白质纯化、浓缩和干燥等，以获得纯净的目标产物。
这些步骤需要根据具体的产物特性和生产要求进行选择和优化，以确保最终获得高纯度的发酵产品。
酶生产的下游工艺—固液分离
机 转鼓内壁上。堆积在转鼓内壁上的固相靠螺旋推向转
鼓的锥形部分，从排渣口排出。
离心设备
工作任务（二）离心及离心设备
倾 析 式 离 心 机
离心设备
工作任务（二）离心及离心设备
倾
• 优点：具有操作连续、适应性强、应用范围广、 结构紧凑和维修方便等优点，特别适合于含固
析
形物较多的悬浮液的分离。
式
• 缺点：这种离心机的分离效果较差，因而不适
过
河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。
滤
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
过滤介质为滤布，当悬浮液通过滤 布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐
滤 形成滤饼(或称滤渣)。当滤饼达到一 饼 定厚度时起过滤作用，这种方法叫做 过 滤饼过滤或滤渣过滤。 滤
适合于固体含量 >0.1g／100ml的 悬浮液的过滤分离。
滤
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
过滤介质：硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃
澄
珠、塑料颗粒等，也有用烧结陶瓷、烧结金
清 过 滤
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。
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
澄
适合范围：于固体含量少于0.1g／l00ml、颗
清
粒直径在5～100μm的悬浮液的过滤分离，如
特点：
心
区带内的液相介质密度小于样品物质颗粒的密度。
适宜分离密度相近而大小不同的固相物质。
工作任务（二）离心及离心设备
离心的方法
密 度 梯 度 离 心
密度梯度离心示意图
（a）离心前 （b）离心后
工作任务（二）离心及离心设备
离心的方法
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• 转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约900-1300， 圆筒缓慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每 一空间相继与分配头中的3个室相通，可顺序进 行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。 即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣 及再生区3个区域。
常见的固液分离方法
（一）过滤 常规过滤 错流过滤 （二）离心分离 （三）发酵液不经固液分离直接提取 分离
过 滤 filtration
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力 差ΔP作用下，使悬浮液中的液体通过介质的 孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实 现固液分离的单元操作。 –过滤介质filter medium : 过滤采用的多孔 物质； –滤浆filter pulp : 所处理的悬浮液； –滤液filtrate : 通过多孔通道的液体； –滤饼或滤渣 filter cake:被截留的固体物质。
滤饼过滤：
•当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐 渐形成滤饼（滤渣）。 •在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的 过滤作用 •适合于固体含量大于0.1%的悬浮液的过滤分离。
过滤推动力：
• • • • 悬浮液自身压强差、重力 悬浮液的—外加压力 过滤介质的—抽真空 离心力
过滤阻力：
• 介质阻力：可视为平变，且一般过滤初较明显 • 滤饼阻力: » 滤饼厚度：随过滤进行而增加 » 滤饼特性：颗粒形状、大小。 • 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。
• 自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度 上限制了它的应用和发展。
转筒真空过滤机结构
转筒，扇形格(18格)； 滤室； 分配头； 动盘(18个孔，分别 与扇形格的18个通道相 连)； 定盘(三个凹槽：滤 液真空凹槽、洗水真空 凹槽、压缩空气凹槽， 分别将动盘的18个孔道 分成三个通道)； 滤浆槽。
过滤介质-多孔固体介质
如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工 成板状或管状，孔隙很小且耐腐蚀，常用于过 滤含有少量微粒的悬浮液。
固液分离过滤设备
按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机 按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤 典型过滤设备：
实验室用抽滤装置 板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机
17板框压滤机源自优点 过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少， 对不同过滤特性的发酵液适应性强。 它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力 降可以超过0.1MPa,这是真空过滤器无法达到 的。
缺点
不能连续操作，设备笨重，劳动强度大， 卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。
自动板框式压滤机
• 自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操 作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间 短。
过滤速度的强化
1．降低滤饼比阻力rB • 一切能够降低rB的方法：如添加电解质、絮凝 剂、凝固剂助滤剂等。 2．降低滤液黏度μ • 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、 絮凝、调PH、选择合适的放罐时间。 3．降低悬浮液中悬浮固体的浓度 • 过滤速度与获得滤饼体积成反比。因此应尽可 能降低培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的 浓度）。 4. 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。
过滤介质选择
• 过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应 具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力。 合理选择过滤介质： • 过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过 滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维 滤布所能截留的最小粒子约10μm，硅藻土为 lμm，超滤膜可小于0.5μm。 • 过滤介质的透过性：是指在一定的压力差下， 单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量， 它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。
发酵液的固液分离
固液分离的目的
• 收集胞内产物的细胞或菌体，分离 除去液相
• 收集含生化物质的液相，分离除去 固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎 片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝 体等）。
影响发酵液固液分离的因素
• 1）发酵液中悬浮离子的大小
2）发酵液的黏度viscosity ： 固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液 分离越困难。影响粘度的因素： 菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、 动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘 度也提高。 培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细胞破碎 或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应 控制，发酵放罐时间要适宜。 培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉 作碳源，粘度都会升高。 此外，某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增 大。 发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和 消沫油加入，都会使粘度增大。
1）实验室用抽滤装置
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2）板框压滤机
plate and frame filter
• 板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或 进料贮槽中的气压。 广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、
酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。
适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。
板框压滤机
• 包括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔， 装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框 的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及 滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出 的通道。
过滤介质-织物介质
• 又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤 维滤布和合成纤维滤布。 • 其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是 纤维的特性、编织纹法和线型。
过滤介质-粒状介质
有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。 最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质： ①一般不与酸碱反应，化学性能稳定； ②形状不规则，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面； ③无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力 变化。 硅藻土过滤介质通常有三种用法： （1）作为深层过滤介质。硅藻土过滤层具有曲折的 毛细孔道，借筛分、吸附和深层效应作用除去悬浮 液中的固体粒子，截留效果可达到1μm。 （2）作为预涂层。在支持介质的表面上预先形成一 层较薄的硅藻土预涂层，用以保护支持介质的毛细 孔道不被滤饼层中的固体粒子堵塞。 （3）用作助滤剂。