2011生物工程設備PPT課件

1、1,第二章 發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備,2,3,4,5,絕大多數工業(yè)微生物發(fā)酵都是利用好氧性微生物進行深層懸浮純種培養(yǎng)過程，在培養(yǎng)過程中需要連續(xù)通入大量無菌空氣，以供生產菌生長和合成產物之用。,6,第一節(jié) 供發(fā)酵工廠使用的無菌空氣質量指標,1. 壓縮空氣的壓強 0.20.35MPa 2.空氣流量 根據發(fā)酵罐的體積確定 3.空氣的溫度 壓縮空氣的溫度比發(fā)酵溫度高10 4.相對濕度 進入總過濾器的壓縮空氣相對濕度控制在 60%-70% 5.潔凈度 壓縮空氣中含菌量降至零或達到潔凈度100級,7,8,第二節(jié) 壓縮空氣的預處理及工藝流程設計,一、壓縮空氣預處理的目的 為了保證總過濾器內過濾介質的干

2、燥，不應因壓縮空氣中夾帶的水滴、油滴受潮引起介質的結團變形而失效，因此在進入總過濾器之前要把壓縮空氣中夾帶的水滴、油滴除去。,9,第二節(jié) 壓縮空氣的預處理及工藝流程設計,二、壓縮空氣的冷卻 空氣壓縮過程，壓強與溫度關系 式中，T1、T2為壓縮前后的絕對溫度，K；p1、p2為壓縮前后空氣的絕對壓強，pa；一般發(fā)酵工廠凈化系統設計時取K=1.3,10,例1 20的大氣經空氣壓縮機的壓縮，空壓機空氣出口壓強為表壓0.2MPa，問此時壓縮空氣的溫度是多少？ 解： T1=273+20=293K p1=0.101MPa p2=0.301MPa ，K取1.3 因此從壓縮機輸出的高溫壓縮空氣必須進行適當冷卻，

3、再進入總過濾器進行除菌處理。,11,三、壓縮空氣的除水原理及壓縮空氣預處理系統的工藝流 程設計 1.壓縮空氣的除水原理 壓縮空氣冷卻到露點，即有水分析出，為了防止壓縮空氣把析出的水分帶入總過濾器，必須在空氣進入總過濾器之前把其夾帶的水分除掉。 空氣的相對濕度、空氣中的水分分壓與空氣中濕含量的關系如下：,為空氣相對濕度，%；x為空氣中濕含量，kg/kg(水汽/干空氣)；pw為空氣中的水氣分壓，pa；ps為與空氣同溫度的水的飽和蒸氣壓，pa；p為空氣的總壓強,12,若空氣的濕含量x、溫度t不變，空氣壓強越大相對濕度也越大。 壓縮空氣在預處理過程中無相變，即x1=x2，下式成立：,為空氣壓縮前后相對

4、濕度，%；ps1和ps2分別為與空氣同溫度的水的飽和蒸氣壓，pa；p1和p2為壓縮前后空氣的絕對壓強，pa。,13,例2 空壓機吸入溫度為20，相對濕度80%的空氣當壓縮到0.2MPa（表壓），溫度為120，問（1）此時壓縮空氣的相對濕度為多少？（2）若將上述壓縮空氣冷卻到有水析出時，問冷卻到多少攝氏度（露點）？ 解：（1）查空氣20時ps1=2340Pa,120時ps2=198653Pa 此時空氣的相對濕度為2.8%. （2）當空氣達到露點，即 由ps2查t2=34.5，即冷卻到34.5時開始有水析出。,14,例3 若將例2的壓縮空氣冷卻至25（壓強不變），求（1）其濕含量是多少？（2）每千

5、克干空氣能析出多少水？查得25時ps=3.1677kPa。 解（1）濕含量為 （2）已知： 每千克干空氣能析出水=x1-x2=0.0117-0.00661=0.0051kg,15,例4 若將例3中已析出水分的壓縮空氣加熱到35（壓強保持不變），問其相對濕度為多少？查得35時ps=5.623kPa 解： 由此例題，將析出水的壓縮空氣加熱可以降低其相對濕度，防止過濾器的過濾介質因受潮而失效，因此進入總過濾器前的壓縮空氣加熱，控制相對濕度在60%-70%之間。,16,第三節(jié) 壓縮空氣預處理系統的設備,17,空氣中微生物的分布,空氣中微生物的含量和種類，隨地區(qū)、季節(jié)、空氣中灰塵粒子多少以及人們的活動情

6、況而異。 北方氣候干燥、寒冷，空氣中的含菌量較多;離地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空 氣中的含菌量就降低一個數量級； 城市的空氣中含菌量較多，農村的空氣中含菌量較少，一般城市空氣中雜菌數為30008000個/米3 空氣中的微生物種類以細菌和細菌芽孢較多，也有酵母、霉菌和病毒。 這些微生物大小不一，一般附著在空氣中的灰塵或霧滴上，空氣中微生物的含量一般為103104個/米3。 灰塵粒子的平均大小約0.6m左右，所以空氣除菌主要是去除空氣中的微粒(0.6-1m ）,18,空氣除菌的方法,（一）熱殺菌 （二）靜電除菌 （三）介質過濾除菌 （四）輻射殺菌,19,（一）熱滅菌法,熱空氣進入培養(yǎng)

7、系統之前，一般均需用壓縮機壓縮，提高壓力。所以，空氣熱滅菌時所需的溫度可直接利用空氣壓縮時溫度升高而實現。 空氣壓縮后溫度能達到200度以上，保持一定時間后，便可實行干熱殺菌。 利用空氣壓縮時所產生的熱量進行滅菌的原理對制備大量無菌空氣有特別意義。,20,（二）靜電除菌,原理：利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵滅菌 目的。 優(yōu)點 阻力小，約1.013104Pa 染菌率低，平均低于10-15 可除去空氣中的水霧、油霧、塵埃，同時也除去微生物。除水、除油的效果好 耗電少 缺點 設備龐大、一次性投資較大、靜電除塵滅菌對很小的微粒效率較低。,21,22,（三）介質過濾除菌,濾材,孔,介質過濾除菌是使

8、空氣通過經高溫滅菌的介質過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質層中，而達到除菌的目的。 是大多數發(fā)酵廠廣泛采用的方法。,23,空氣過濾除菌原理,一般只有過濾介質的間隙小于顆粒直徑，才能起到過濾作用。而在空氣介質過濾除菌過程中過濾介質的間隙往往大于顆粒（微生物）直徑。當氣流通過濾層時由于濾層纖維網格的層層阻礙，迫使氣流無數次改變運動速度和運動方向而繞過纖維前進，從而導致微粒對濾層纖維產生慣性沖擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、靜電吸附等作用而把微生物滯留在纖維表面。,24,、布朗擴散截留作用：,直徑小于1m的微粒在運動中往往產生一種不規(guī)則的布朗運動，使微粒間相互凝集成較大的粒子，從而發(fā)生重力沉降或

9、被介質截留。但是這種作用只有在氣流速度較低時才較顯著。,25,微粒隨空氣氣流向前運動，當氣流為層流時，隨氣流運動的粒子在接近纖維表面的部分由于與過濾介質接觸而被纖維吸附捕集，這種作用稱之為阻攔截留。 空氣流速愈小，纖維直徑愈細，阻攔截留作用愈大。但是在介質過濾的除塵除菌中，阻攔截留并不起主要作用。,、阻攔截留：,26,空氣氣流流速大時，氣流中的微粒具有較大的慣性力。當微粒隨氣流以一定速度向纖維垂直運動因受纖維阻擋而急劇改變運動方向時，由于微粒具有的慣性作用使它們仍然沿原來方向前進碰撞到纖維表面，產生摩擦粘附而使微粒被截留在纖維表面，這種作用稱慣性碰撞截留。 截留區(qū)域的大小決定于微粒運動的慣性力

10、，所以，氣流速度愈大，慣性力越大，截留效果也愈好。此外，慣性碰撞截面作用也與纖維直徑有關，纖維愈細，捕集效果愈好。慣性碰撞截留在介質除塵中起主要作用。,、慣性碰撞截留：,27,慣性碰撞截留,28,、重力沉降作用機理,重力沉降是一個穩(wěn)定的分離作用，當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就容易沉降。 就單一的重力沉降情況下，大顆粒比小顆粒作用顯著，對于小顆粒只有在氣流速度很慢時才起作用。 一般它是與攔截作用相配合的，即在纖維的邊界滯留區(qū)內，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率。,29,、靜電吸附作用機理,干空氣對非導體的物質相對運動磨擦時，會產生誘導電荷，纖維和樹脂處理過的纖維，尤其是一些

11、合成纖維更為顯著。 懸浮在空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，如枯草桿菌孢子20%帶正電荷，20%帶負電荷，15%中性，這些帶電的微粒會受帶異性電荷的物體所吸引而沉降。 此外，表面吸附也歸屬于這個范疇，如活性炭的大部分過濾效能應是表面吸附的作用。,30,當空氣流過介質時，上述五種除菌機理同時起作用，不過氣流速度不同，起主要作用的機理也就不同。當氣流速度較小時，除菌效率隨氣流速度的增加而降低，此時擴散起主要作用；當氣流速度中等時，可能是截留起主要作用。當氣流速度較大時，除菌效率隨空氣流速的增加而增加，此時慣性沖擊起主要作用；如果空氣流速過大，除菌效率又下降，則是由于已被捕集的微粒又被湍動的氣流

12、夾帶返回到空氣中。下圖表示氣流速度與單纖維除菌效率的關系。,31,（四）輻射滅菌法,最常用的是用紫外光線進行無菌室滅菌。它的主要作用是使微生物的DNA分子產生胸腺嘧啶二聚體，導致細胞死亡。 紫外線有很強的殺菌力，但穿透力很弱，一張薄紙即可完全擋住紫外線，因此待滅菌物品必須置于紫外光直接照射下，而且在一定范圍內作用強度與距離平方成反比。 此外，紫外線對人體組織有一定刺激作用，眼睛、皮膚受照射后會產生某些癥狀，所以工作人員在無菌室操作時應關閉紫外燈。,32,33,發(fā)酵生產中制備無菌空氣的大致過程,壓縮空氣預處理系統的設備流程,34,兩級冷卻、加熱除菌流程,3035度 大部分的水、油都結成較大的霧粒

13、，且濃度較大，可在此分離,2025度 分離直徑較小的霧粒,空氣濕度由100%降至50%60%,該流程適宜于潮濕地區(qū),35,36,特點：可省第二冷卻分離設備和空氣再加熱設備，流程比較簡單，冷卻水用量較少，利用壓縮空氣的熱量來提高空氣溫度。 此流程適用于中等混合量的地區(qū)。,冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程,37,特點：無菌程度高,高效前置過濾空氣除菌流程,38,利用熱空氣加熱冷空氣的流程,39,吸風塔,空氣壓縮機車間建在上風向口； 吸風塔的高度大于等于10米； 為了防止雨水灌入，頂部設計有防雨罩。,粗過濾器,作用：安裝在空壓機前，主要捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機受磨損，同時也減輕總過濾器的負荷。

14、選型：過濾效率高、阻力小，以免增加空壓機的吸入負荷和降低空壓機的排氣量。 型式：布袋過濾、填料式過濾、油浴洗滌和水霧除塵。,粗過濾器,（1）水霧除塵器 過濾效率：50%70%（對0.5m粒子） 55%88%（對1.0m粒子） 90%99%（對5m粒子） 設計要點：洗滌室內空氣流速不能太 大，一般在12m/s的范圍，否則帶出 水霧太多 ，會影響壓縮機，降低排氣 量。,水霧除塵器 1-濾網 2-噴霧器,粗過濾器,（2） 油浴洗滌空氣裝置 優(yōu)點：分離效果比較好，阻力小。 缺點：耗油量大。,油浴洗滌空氣裝置 1-濾網 2-加油斗 3-油鏡 4-油層,空氣壓縮機 根據發(fā)酵工藝所需的空氣流量、克服壓縮輸送

15、過程的阻力和克服發(fā)酵罐的液柱高度所需的壓強來選用空氣壓縮機型號。目前在發(fā)酵工廠使用的壓縮機分為：渦輪式空氣壓縮機、往復式空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機。,渦輪式空氣壓縮機,電機直接帶動渦輪，靠渦輪高速旋轉時所產生的“空穴”現象，吸入空氣并使其獲得較高的離心力，使部分動能轉變?yōu)殪o壓后輸出 渦輪式空氣壓縮機具有體積和重量都小而流量很大、供氣均勻、運轉平穩(wěn)、易損部件少、維護方便等特點，是非常理想的生物加工過程供氣設備。,45,離心式空氣壓縮機,適用于生物加工過程的離心式空氣壓縮機是低壓渦輪空氣壓縮機，出口壓力一般為0.250.5MPa。 低壓離心空氣壓縮機有單級和多級，后者還可以分段。段與段間有中間冷

16、卻設備。 輸氣量一般在100m3/min以上，最大的可達12000m3/min。,46,渦輪式空氣壓縮機,適用于生物加工過程的離心式空氣壓縮機是低壓渦輪空氣壓縮機，出口壓力一般為0.250.5MPa。 低壓離心空氣壓縮機有單級和多級，后者還可以分段。段與段間有中間冷卻設備。 輸氣量一般在100m3/min以上，最大的可達12000m3/min。,47,往復式空氣壓縮機,活塞在汽缸內的往復運動而將空氣吸入和壓出； 出口壓力不夠穩(wěn)定，產生空氣的脈動。 單缸和多缸，多缸中又有V形、W形、L形、H形對置式等汽缸排列形式 出口壓力：高壓（8100MPa）、中壓（18MPa）、低壓（1MPa以下） 低壓小

17、型（1m3/min）是單缸，大多數是雙缸二級壓縮的：空氣先進入第一級（低壓）汽缸經壓縮和冷卻后進入第二級（高壓）汽缸進行壓縮，然后排出，以L形的設計最為普遍，額定出口壓力為0.8MPa，可在0.40.8MPa的范圍內進行調節(jié) 。,48,49,50,51,52,53,54,55,56,空氣貯罐,安全閥,人孔,57,空氣貯罐作用,消除壓縮機排出空氣時的脈動，維持穩(wěn)定的空氣壓力； 使高溫空氣在貯罐里停留一定的時間，起到部分殺菌作用； 利用重力沉降作用分離部分油、水。,58,冷卻器,（1）一級空氣冷卻器 用30左右的水，把從壓縮機出來的120 或150 的空氣冷卻到4050 左右。 （2）二級空氣冷卻

18、器 用9 冷凍水或1518地下水，把4050 的空氣冷卻到2025 。冷卻后的空氣，其相對濕度提高到100%，由于溫度處于露點以下，其中的油、水即凝結為油滴和水滴。,59,空氣除菌中除去水霧油霧的原因： （1）水霧油霧導致傳熱系數降低，給空氣冷卻帶來困難。 （2）如果油霧的冷卻分離不干凈，帶入過濾器會堵塞 過濾介質的纖維空隙，增大空氣壓力損失。 （3）黏附在纖維表面，可能成為微生物微粒穿透濾層 的途徑，降低過濾效率，嚴重時還會浸潤介質而 破壞過濾效果。,60,油、水分離設備,冷卻后的壓縮空氣，會有來自空壓機的潤滑油，尤其是往復式空壓機。如果冷卻溫度低于露點，空氣中還會有水和油。所以在冷卻器后面

19、安置了氣液分離設備，除去空氣中的水和油，以保護過濾介質。 利用離心力沉降的旋風分離器 利用慣性攔截的介質分離器,61,油、水分離設備,初級分離水滴或油滴設備采用旋風分離器，其對10m直徑的水滴除去效率在60%70%，除去3040m大小粒子的效率在90%左右。 若要除去25m大小的水滴或油滴采用金屬絲網除沫器。 在發(fā)酵工廠一般采用旋風分離器作為粗除水器，在其后安裝金屬絲網除沫器作為精細除水器。,62,空氣過濾器,過濾效率 過濾除菌效率就是濾層所濾去的微粒數與原來微粒數的比值，是衡量過濾設備的過濾效能的指標： 式中 N1過濾前空氣中微粒含量，個/m3； N2過濾后空氣中微粒含量，個/m3； 過濾前

20、后空氣中微粒濃度的比值，即穿透濾層的微粒濃度與原微粒濃度的比值，稱為穿透率。,64,空氣過濾器,對數穿透定律 假定： 流經過濾介質的每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它 臨近纖維的存在而受影響； 空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再 被氣流卷走； 過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關； 空氣中微粒在濾層中的遞減均勻，即每一纖維薄 層除去同樣百分率的微粒數。 在上述假定條件下，空氣通過單位濾層后，微粒濃度下 降與進入空氣微粒濃度成正比。,空氣過濾器,式中 N空氣中微粒濃度，個/m3 L濾層厚度； dN/dL單位濾層除去的微粒數，個/m K過濾常數，1/m 把上式整理并積分得： 深層介質過濾除菌的

21、對數穿透定律 或,空氣過濾器,為了實驗和計算方便，可采用過濾效率為0.9時濾層 厚度L90作為對比基準，有： 即 故得 從上式可見，可把常數 K理解為過濾效率為90%時所 需濾層的倒數。因此，可以依據一系列的L90實驗數據， 設計新過濾器。,67,空氣過濾器,df=16 m玻璃纖維的L90,空氣過濾器, 過濾壓力降 過濾壓力降可以由下面經驗公式計算： （Pa） 式中 L過濾層厚度，m 空氣密度kg/m3 介質充填系數 v空氣實際在介質間隙中的速度，m/s vs過濾器空罐空氣流速,m/s,69,空氣過濾器,df纖維直徑m m實驗指數 棉花介質 m=1.45 19m玻璃纖維 m=1.35 8m玻璃

22、纖維 m=1.55 C阻力系數(是Re的函數） 當以棉花作為過濾介質時，C100/Re 當以玻璃纖維作為介質時，C52/Re,70,空氣過濾器, 過濾介質 對過濾介質的要求：吸附性強、阻力小、空氣流量大、 耐干熱。 常用的過濾介質：棉花（未脫脂）、活性炭、玻璃 纖維、超細玻璃纖維紙、化學纖維等。,71,空氣過濾器,棉花（未脫脂）：傳統的過濾介質，工業(yè)規(guī)模和實驗室均 使用。棉花纖維直徑一般為1621m，裝填密度達 150200kg/m3為好。 玻璃纖維：普通玻璃纖維直徑為819 m，強度低，充填系數采用6%10%，它的阻力比棉花小。硅硼玻璃纖維，可得較細直徑（0.30.5 m）的高強度纖維，用其

23、制成23mm厚的濾材，可濾除0.01m的微粒，可除去噬菌體和所有的微生物。,72,空氣過濾器,活性炭：比表面積大，主要通過吸附作用截留微生 物。其粒子間隙大，對空氣阻力比棉花??； 強度低、破碎后增大氣流阻力，一般裝在兩 層棉花中使用，用量為總濾層的1/31/2。 超細玻璃纖維紙：直徑為11.5 m,所形成的網格孔隙 為0.55 m,比棉花小1015倍,故有較高的過濾 效率。但抗?jié)裥圆?、強度差?空氣過濾器,燒結材料過濾介質：燒結聚合物，如聚乙烯醇過濾板PVA。微孔多，間隙中等，過濾效率高，且耐高溫。屬高氣流速度型，對流速十分敏感。 新型過濾介質材料： 可耐蒸汽殺菌的膜材PVDF（聚偏氟乙烯）和

24、PTFE（聚四氟乙烯）；可以濾除噬菌體的膨化PTFE。,74,空氣加熱器,分離油、水以后的空氣的相對濕度仍然為100，當溫度稍微下降時(例如冬天或過濾器阻力下降很大時)就會析出水來，使過濾介質受潮。因此，還必須使用加熱器來提高空氣溫度，降低空氣的相對濕度(要求在60以下)，以免析出水來。,空氣過濾器, 過濾器的結構及計算 a 纖維介質深層過濾器 結構參數：直徑D和有效濾層高L 式中 q空氣流經過濾器時的體積 流量，m3/s vs空截面空氣流速,m/s。一 般取0.10.3 m/s 。,深層纖維介質空氣過濾器 1-進氣口 2-壓緊架 3-出氣口 4-纖維介質 5-換熱夾套 6-活性炭,空氣過濾器

25、,過濾器的有效介質高度L，按 對數穿透定律計算。 上下棉花層厚度為總過 濾層的1/41/3； 中間活性炭層占總過濾 層的1/31/2。 充填物的安裝順序： 孔板鐵絲網麻布棉花 麻布活性炭棉花鐵絲網 孔板,過濾介質彈簧壓緊裝置 1-殼體 2-過濾介質 3-壓緊孔板 4-壓緊螺桿 5-壓緊支座 6-彈簧套 7-彈簧,空氣過濾器,b 纖維紙平板過濾器：適應充填薄層的過濾板或過濾紙結構參數計算： （m） 式中 V通過過濾器的空氣 體積流量，m3/s vs通過過濾介質時的 空氣流速，對于高速超細纖維紙可取1.01.5m/s,對于石棉 過濾板取0.81.0m/s,纖維紙平板過濾器,5、空氣過濾器,JPF多

26、濾芯膜折疊空氣過濾器 1-濾芯 2-過濾器體 3-濾芯固定孔板 4-進氣口 5-排污口 6-空氣出口,JPF多濾芯膜折疊空氣過濾器,c,5、空氣過濾器, 過濾器的計算舉例 試設計一臺通風量為10m3/min的棉花過濾器。空氣壓強為392kPa（絕對壓力），進入 過濾器的空氣含菌量是5000個/m3，發(fā)酵周期 為100h，要求倒罐率為0.1%（即1000次發(fā)酵 周期漏進一個雜菌），工作溫度為30。棉花纖維直徑16m,充填系數=8%,空氣流速vs=0.1m/s。,空氣過濾器,a、計算濾層厚度L 查得過濾常數K=13.5/m 根據對數穿透定律計算過濾層厚度: 每批發(fā)酵通風過濾前含菌總數為: N1=50001060100=3108(個) 過濾后含菌數為10-3個 代入求得過濾層厚度:,81,空氣過濾器,b、 計算過濾器直徑D： 進口空氣壓強 p1=98070Pa 過濾工作壓強 p2=392000Pa 通氣量 V1=