絮凝是一种基本过程，用于促进液体或溶液中的小颗粒聚集形成更大的团簇，称为絮凝物。
该过程通常通过添加称为絮凝剂的专用化学品来实现，絮凝剂可促进颗粒结块，并有助于颗粒的碰撞与附着。絮凝在许多行业与自然系统中非常重要，可实现固体与液体的分离以及水和其他液体的纯化。
絮凝与凝结有什么区别？
絮凝和凝结是两个经常一起用于去除杂质和污染物的过程。
凝结需要向水、缓冲液或溶剂中添加化学物质（称为凝结剂），这些化学物质会破坏颗粒的稳定性并导致其聚集在一起。该过程通常会产生称为“絮凝物”的颗粒，但更准确地说是颗粒聚集体。通过沉降或过滤，更容易将聚集体与可溶性成分（通常是水）分离。
絮凝将这些在凝结过程中产生的较小聚集体结合成为更大的聚集体，称为“絮凝物”。该过程通常通过添加絮凝剂实现，絮凝剂是促进颗粒附聚的特种化学品。
实质上，凝结是颗粒聚集的初始步骤，而絮凝是后续步骤，可产生更大且更易于去除的附聚絮凝物。这两个过程对于去除水中或其他可溶性物质中的杂质与污染物至关重要。
步骤1：凝结
凝结剂是一种用于促进悬浮在液体中的细颗粒聚集或结块的试剂。凝结是一种需要添加凝结剂，以中和分散颗粒电荷的化学过程。小的亚微米级生物与化学分子通常带有阻碍聚集与沉降的负表面电荷（1a）。
凝结化学物可吸附颗粒以及中和负电荷。中和（有时滴定至酸性 pH 值）会将颗粒粘接在一起，从而形成稳定且悬浮良好的亚微米凝结剂颗粒，称作微絮体（1b）。
迅速混合有助于有效分散凝结化合物，从而促进颗粒碰撞与团块形成（1c）。连接在一起的颗粒仍然非常小，肉眼无法看到。
步骤2：絮凝
絮凝增加了仍为亚微米级凝结剂团块的尺寸，使其更易于分离。这通常需要轻柔混合，并使用高分子量聚合物或其他离子絮凝剂。絮凝剂吸附凝结剂颗粒，改变表面特性并弥合间隙，以促进絮凝物的形成（2a）。通过拉近颗粒之间的距离，范德华引力的有效范围得到扩大，从而降低絮凝的能垒。这样会导致松散堆积的絮凝物团形成。
絮凝体继续聚集、结合与强化，直至形成可见的悬浮状大絮凝体（2b）。当颗粒重量、粒度以及相互作用的强度适合时，将会发生沉降。大絮凝体对混合操作非常敏感，被强剪切力分离后，很难或无法重新形成大的絮凝体。
雪花或海底沉积物形成过程中会自然发生絮凝现象，不过絮凝也会被特别应用于生物技术、石油、纸浆与造纸、废水处理以及采矿行业。
絮凝为何如此重要？
在行业中的应用
生物制药
高活性哺乳动物全细胞由于大小与分布的缘故，通常易于过滤。但是细菌与酵母系统的微生物细胞的单体细胞单位小的多。低活性与中小粒度的微生物细胞或哺乳动物细胞的生物质负荷会产生大量小细胞碎片，这会堵塞过滤器与降低过滤速率。絮凝用于减少颗粒的总数量，同时增加粒径分布，从而改善过滤，确保高效且经济高效地从上清液中分离细胞材料。如果细胞培养产生多种产物和/或副产物，这些产物与/或副产物在发酵基质的不同细胞结构或微环境中表达，也会应用絮凝。示例包括膜结合、膜间隙或上清液表达，以及吸附到聚合物甚至在乳液等多相捕获中的产物。
水与废水处理
废水中可能含有大量悬浮颗粒物，这些颗粒物通常需要很长时间才能沉淀。絮凝水处理可加速沉淀，确保高效固/液分离。可以快速处理大量废水，通过减少废水储存所需的时间与空间大幅减小对环境的影响。
纸浆与造纸行业
纤维素纤维是纸浆和纸张的主要原料之一，但是此类纤维还需要胶水、浸渍剂和填料来达到合格纸张产品必备的纸张性能。絮凝通常在脱水过程中使用，将纤维、填料和其他添加剂相结合，以确保固体材料的快速分离以及大批量生产。
贵金属开采
产品流中通常含有大量的不同金属，需要分离这些金属才能获得纯净产品。个别金属的选择性沉淀通常伴随着絮凝和沉淀，以确保与剩余液体快速分离。
实现高效絮凝过程的主要注意事项
过程参数与下游性能
絮凝是一项重要的装置操作，需要开发与优化才能高效运行。主要考虑因素与过程参数包括：
- 絮凝剂或凝结剂类型与浓度
- 混合强度、剪切应力与混合时间
- 加样速率、位置与温度
- 固体浓度
- 粒度与颗粒数量
- 下游性能分析：
- 絮凝的完整性（动力学）
- 去除固体的处理时间与工作量
- 液相纯度（包括残留凝结剂的测量）
- 过滤能力与效率
- 滤膜穿透碎屑或副产物
絮凝中的液体
絮凝剂、缓冲剂与表面活性剂
添加絮凝剂
絮凝主要取决于为引发凝结与颗粒絮凝而添加的化学试剂的类型与剂量。次要决定因素包括更传统的物理参数（例如：混合、温度等）。液体絮凝剂稳定性、混合动力学、均匀性与最终浓度的表征在过程表征过程中与在更明显的颗粒工程目标（例如：粒度分布与计数）中同样重要。添加的絮凝剂或赋形剂还应表征其对絮凝结果的影响，以及过程动力学和法规影响。
原位ATR-FTIR与拉曼光谱是功能强大的多属性方法，可以同时实时跟踪与定量多种絮凝剂或赋形剂。将这些光谱数据与颗粒分布和动力学信息相结合，有助于确定所需絮凝剂的的理想用量（通常为最低用量），从而大幅减少下游去除的负担。还可以对缓冲液和表面活性剂进行准确表征与实时控制。
去除絮凝剂
决定在过程中加入絮凝环节是对完全去除所添加絮凝剂、表面活性剂或过程中间体的下游要求进行的重要权衡。此要求通常会导致过程时间增加，并需要额外的分析方法定量或验证不存在任何添加的加工赋形剂。因此，尽量减少絮凝剂、凝结剂、表面活性剂或其他组分的添加量是有利的。
当在色谱前后采用ATR-FTIR光谱或拉曼光谱等在线方法时，还可以确定产品、絮凝剂与赋形剂的定量传质测量结果。这可以作为离线分析方法的潜在补充。
了解颗粒机理
絮凝与破碎
原位粒度分布工具让科学家能够跟踪各个粒度等级的趋势，并实时观察在稳态下搅拌的颗粒行为。加入絮凝剂后，细粒数明显下降，大絮凝体数量急剧增加。最终，搅拌器的剪切力将开始破坏絮凝物。大颗粒计数将减少，而小颗粒计数将再次增加。
了解颗粒絮凝机理，有助于找出导致过程性能欠佳、下游生产难题和产品不合格的根本原因。获得详细的原位颗粒数据是有效优化过程、实现质量源于设计（QbD）与高效制造的第一步。
混合强度和剪切作用
絮凝体破碎动力学
絮凝时需轻柔搅拌。由于各种絮凝剂类型的强度不同，因此必须明确适用于特定絮凝剂体系的转速范围。通过原位粒度分布工具可深入了解在絮凝物形成并以不同速度搅拌时，小粒度等级的变化情况。快速搅拌会导致絮凝体破碎，细粒数量几乎能达到絮凝前的水平。缓慢搅拌可使大多数絮凝物保持完好。原位粒度分析仪提供的图像证实了这些发现，并展示了低转速时的较大絮凝体。
优化混合强度和剪切作用是防止絮凝体破碎的成功策略。絮凝体破碎与絮凝目的背道而驰，会导致过滤次数增加，应予以避免。在最佳絮凝点处，过滤速度与滤饼脱水速度最快。此点处出现的任何偏差都会影响运营、产品质量与制造成本。
混合区停留时间（MZRT）
理想窗口
在各行各业中，絮凝过程均以间歇或连续方式运行，无论使用的是动态还是静态混合器。在这两种模式下，其中一个关键过程参数是混合区停留时间（MZRT）。在该情况下，最佳絮凝点是注入絮凝剂后的1分38秒。
使用原位粒度分析仪时，该工具表明，絮凝体已完全形成，絮凝体破碎即将成为主要过程。我们还可以了解各类粒度的趋势，发现最佳絮凝点，以及界定MZRT窗口，在该窗口内，小颗粒数达到可接受的最小值。
在MZRT窗口之外进行操作意味着尚未完全形成絮凝体，或者絮凝体破碎已影响到絮凝体大小和最佳过程性能。由于这两种情况都存在大量自由小颗粒，因此均未达到最佳状态，只有MZRT窗口可保证获得理想产品与过程性能。每个颗粒/絮凝剂体系的MZRT窗口不同，需要根据悬浮物组成、混合强度及絮凝剂类型来调整。
如何选择最佳絮凝剂？
絮凝剂筛选
化工企业不断开发絮凝性能更高的新的创新型絮凝剂。然而，并非每一种絮凝剂均适用于每种颗粒体系。在特定体系内测试与确认性能将确保使用最佳的絮凝剂。粒度分析仪表明：
- 絮凝剂A的絮凝性能较弱，几乎无法减少体系内小颗粒的数量。
- 絮凝剂B可捕获大量小颗粒。然而，絮凝动力学较慢，而且絮凝体破碎率高于最佳絮凝点。
- 絮凝剂C总体性能良好，絮凝动力学迅速，几乎可完全捕获细粒，絮凝稳定性非常显著，超越了最佳絮凝点。
原位粒度分析仪能够实时监测不同絮凝剂的絮凝性能。这样一来，在选择絮凝剂与优化絮凝过程期间，科学家与工程师能根据实际情况做出决策。
絮凝过程优化仪器
- PVM®粒度分析仪 — 研究絮状物的形成、生长与稳定性
- FBRM®粒度分析仪 — 研究不同絮凝剂与过程条件对絮凝物尺寸、形状和结构的影响
- 自动化化学合成反应器 — 精确控制各种过程参数，如温度、pH、混合强度与絮凝剂的添加速率
- 过程开发软件, 建模与仿真 — 预测不同过程条件下絮状物的尺寸、形状与沉降速度
专题文章：连续絮凝 — 抗体收集
过程反馈与正交分析
在能够实现完全持续与统一的产品系列之前，必须开发出高效、灵活以及经济有效的连续清除细胞的方法。作者对利用絮凝结合深度过滤的方式进行细胞分离的这种一体化连续与一次性装置的开发与测试进行了说明。
在添加0.0375% pDADMAC以及放置到管状反应器出口（静态混合）之后，在线进行ParticleTrack测量。ParticleTrack（FBRM）监测絮状物大小，当与时间分辨压力重合时，指示过滤饱和的方法，并利用压力事件进行趋势分析。评估的不同方法以及絮凝剂类型对于药物总产量、纯度以及高分子量指数（HMWI）产生了不同结果。这些结果还展现了与所选絮状物类型造成的粒度离散分布的关联性。
这些数据以之前展现同其他絮凝参数（例如：絮凝试剂浓度、混合力或剪切力、混合共振时间、温度以及整个细胞培养液的起始条件与成分）之间关联性的文献为基础。通过利用絮凝法，成功地减小了所需的深度过滤面积，与非常适合于利用ParticleTrack（FBRM)进行连续抗体收集的传统过滤系统相比，减小幅度达四倍。
Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018b). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting.Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
引文与参考文献
期刊出版物中的絮凝
- Zhang, C., Zhu, Z., & Liu, R. (2023c). The intrinsic relationship between flocculation effect and apparent viscosity of fresh slurry.Construction and Building Materials, 371, 130769. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130769
- Jokinen, L. (2022). Optimising flocculation and cell separation of fermentation broth with in-situ particle size analysis.Theseus. https://www.theseus.fi/handle/10024/744426
- Costine, A., Fawell, P. D., Chryss, A., Dahl, S., & Bellwood, J. (2020b). Development of Test Procedures Based on Chaotic Advection for Assessing Polymer Performance in High-Solids Tailings Applications.Processes, 8(6), 731. https://doi.org/10.3390/pr8060731
- Grabsch, A., Yahyaei, M., & Fawell, P. D. (2020b). Number-sensitive particle size measurements for monitoring flocculation responses to different grinding conditions.Minerals Engineering, 145, 106088. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.106088
- Vajihinejad, V., & Soares, J. B. P. (2018). Monitoring polymer flocculation in oil sands tailings: A population balance model approach.Chemical Engineering Journal, 346, 447–457. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.04.039
- Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018c). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting.Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
- Senczuk, A., Petty, K., Thomas, A. L., McNerney, T. M., Moscariello, J., & Yigzaw, Y. (2016b). Evaluation of predictive tools for cell culture clarification performance.Biotechnology and Bioengineering. https://doi.org/10.1002/bit.25819
- McNerney, T. M., Thomas, A. L., Senczuk, A., Petty, K., Zhao, X., Piper, R., Carvalho, J. G., Hammond, M. D., Sawant, S. G., & Bussiere, J. L. (2015c). PDADMAC flocculation of Chinese hamster ovary cells: enabling a centrifuge-less harvest process for monoclonal antibodies. mAbs, 7(2), 413–428. https://doi.org/10.1080/19420862.2015.1007824
- Cobbledick, J., Nguyen, A. K., & Latulippe, D. R. (2014). Demonstration of FBRM as process analytical technology tool for dewatering processes via CST correlation.Water Research, 58, 132–140. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.03.068
- Li, Z. J., Pizzelli, K., Romero, J., Chrostowski, J., Evangelist, G., Hamzik, J., Soice, N., & Cheng, K. W. E. (2013a). Clarification of recombinant proteins from high cell density mammalian cell culture systems using new improved depth filters.Biotechnology and Bioengineering, 110(7), 1964–1972. https://doi.org/10.1002/bit.24848
- Senaputra, A., Jones, F., Fawell, P. D., & Smith, P. (2014). Focused beam reflectance measurement for monitoring the extent and efficiency of flocculation in mineral systems.Aiche Journal, 60(1), 251–265. https://doi.org/10.1002/aic.14256
- Govoni, S., & Keiser, B. (2001b). Monitoring Flocculation of Newsprint in the Laboratory and on a Paper Machine.ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/289334218_Monitoring_Flocculation_of_Newsprint_in_the_Laboratory_and_on_a_Paper_Machine
- Blanco, A., Fuente, E., Alonso, A., & Negro, C. (2010). Optimal use of flocculants on the manufacture of fibre cement materials by the Hatschek process.Construction and Building Materials, 24(2), 158–164. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2007.06.017
- Uncles, R., Bale, A., Stephens, J., Frickers, P., & Harris, C. (2010). Observations of Floc Sizes in a Muddy Estuary.Estuarine Coastal and Shelf Science, 87(2), 186–196. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2009.12.018
- Owen, A., Fawell, P. D., & Swift, J. (2007). The preparation and ageing of acrylamide/acrylate copolymer flocculant solutions.International Journal of Mineral Processing, 84(1–4), 3–14. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2007.05.003
常见问题解答
关于絮凝的常见问题
絮凝的定义是什么？
絮凝是液体中的小颗粒聚集在一起，形成较大团块（称为絮凝物）的过程。这可以自然发生，也可以通过添加某些称为絮凝剂的化学物质发生。在自然絮凝中，受制于重力、布朗运动或静电力等多种因素，液体中的小颗粒可能会聚集在一起。当这些颗粒发生碰撞并粘接在一起时，它们开始形成较大的物质，最终会从液体中沉淀出来。
还可以通过添加絮凝剂诱导絮凝，絮凝剂是促进絮凝物形成的物质。这些化学物质通过中和颗粒表面的电荷产生作用，让颗粒相互吸引并形成较大的团块。絮凝剂通常用于废水处理、采矿与其他需要将固体与液体分离的行业。絮状物形成后，可通过多种方法（如沉降、过滤或离心）将其与液体分离。与絮凝前相比，产生的液体通常更清澈，更易于处理。
什么是水处理中的絮凝？
凝结-絮凝过程通常用于废水处理，以去除浊度与细菌。絮凝促使悬浮颗粒结合在一起，形成称为“絮凝物”的大团聚颗粒。这些絮凝物很容易漂浮到表面或沉积在底部，提供了一种加速分离的高效且经济有效的方式。
凝结与絮凝有什么区别？
凝结与絮凝是两个截然不同的过程，它们依次用于克服保持悬浮颗粒稳定的作用力。通过凝结将颗粒的电荷中和，但它们会结合在一起并通过絮凝变大，因此更容易将其从液体中去除。阅读更多关于絮凝与凝结的信息。
什么是絮凝悬浮液？
絮凝悬浮液是指固体颗粒在液体中的混合物或分散体，其中颗粒聚集在一起并形成较大的团簇或聚集体，称为絮凝物。这些絮凝物通过微弱的物理力（例如范德华力或颗粒之间的桥接）保持在一起，而不是均匀分布在整个液体中。悬浮液中形成的絮凝物会导致固体颗粒沉降或分离，因此更容易从液相中去除或过滤。絮凝通常用于不同行业，包括废水处理、采矿与化学加工，以促进悬浮固体从液体中的分离与澄清。