第六章空氣除菌的工藝及設(shè)備

第六章

空氣除菌的工藝及設(shè)備

主講教師：雙寶東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本章內(nèi)容空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無菌程度的要求

空氣除菌的方法介質(zhì)過濾除菌的機(jī)理介質(zhì)過濾除菌的工藝介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算第一節(jié)空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無菌程度的要求

一、無菌空氣的概念通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。此種空氣稱為“無菌空氣”。二、空氣中微生物的分布空氣中的含菌量隨環(huán)境不同而有很大差異：一般干燥寒冷的北方空氣中的含菌量較少，而潮濕溫暖的南方則含菌量較多；人口稠密的城市比人口少的農(nóng)村含菌量多；地面又比高空的空氣含菌量多。各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數(shù)量也隨條件的變化而異;一般設(shè)計(jì)時(shí)以含量為103~104個(gè)／m3進(jìn)行計(jì)算。三、發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求各種不同的發(fā)酵過程，對(duì)空氣無菌程度的要求也不同。影響因素是比較復(fù)雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。一般按染菌機(jī)率為10-3來計(jì)算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1~2次染菌。四、空氣含菌量的測(cè)定培養(yǎng)法：微生物學(xué)中已介紹過光學(xué)法：用粒子計(jì)數(shù)器通過微粒對(duì)光線的散射作用來測(cè)量粒子的大小和含量。第二節(jié)空氣除菌的方法

空氣除菌介質(zhì)過濾靜電除菌加熱滅菌輻射滅菌一、輻射滅菌1，原理α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì)，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。2，應(yīng)用范圍通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。3，缺點(diǎn)殺菌效率較低，殺菌時(shí)間較長。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。立式垂直超凈臺(tái)二、加熱滅菌利用壓縮熱進(jìn)行空氣滅菌的流程圖空氣進(jìn)口溫度為21°C，出口溫度為187~198°C，壓力為0．7MPa。三、靜電除菌1，原理利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的。2，優(yōu)點(diǎn)阻力小，約1.01325×104Pa；染菌率低，平均低于10-15％；除水、除油的效果好；耗電少。3，缺點(diǎn)捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施；設(shè)備龐大；一次性投資較大；第三節(jié)介質(zhì)過濾除菌的機(jī)理

濾材孔一、定義過濾除菌：利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物潔凈氣體含微生物的氣體1微米(m)等于:

10－6

米＝10－3

毫米3.9×10-5

英寸又稱"micron"微米小顆粒的相對(duì)尺寸8.040人發(fā)直徑裸眼可見最小顆粒花粉紅細(xì)胞酵母和真菌6.0100mm806020105.0沙雷氏菌假單胞菌

0.43.02.01.00.80.60.50.34.0mm小顆粒的相對(duì)尺寸大硅膠顆粒(20mm)鉛筆墨點(diǎn)(40mm)紅細(xì)胞(7mm)酵母細(xì)胞(3mm)典型細(xì)菌(0.2mm)二、空氣過濾器的功能從氣體中去除污染物（微生物）以使達(dá)到所需的氣體的無菌程度?？諝膺^濾器過濾器經(jīng)常被認(rèn)為是一種簡單的網(wǎng)或篩子，過濾/分離是在一個(gè)平面上進(jìn)行的。實(shí)際上，空氣過濾器的濾材具有深度：“彎曲通道”的結(jié)果對(duì)于污染物的去除起到了輔助作用。“彎曲通道”存在于：三、過濾機(jī)理Text1Text2Text3直接攔截慣性撞擊擴(kuò)散攔截1，直接攔截流體中的基本過濾機(jī)制本質(zhì)是一種篩分效應(yīng)，機(jī)械攔截顆粒例如：一種簡單的篩網(wǎng)可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒。直接攔截絕對(duì)截留-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中直接攔截當(dāng)顆粒大于流道孔徑時(shí)即被該結(jié)構(gòu)去除；容污能力可以用彎曲結(jié)構(gòu)提高；篩網(wǎng)無此作用。直接攔截：不規(guī)則形狀的搭橋通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截不規(guī)則形狀的顆粒/方向性多個(gè)顆粒同時(shí)撞擊到同一個(gè)濾孔直接攔截：多個(gè)小顆粒的搭橋攔截在過濾器表面的顆粒堆積成顆粒層；當(dāng)過濾器表面完全被一個(gè)厚的顆粒層所覆蓋時(shí)，所謂的“濾餅”即已形成了；濾餅顆粒間的孔隙亦如同一種過濾器，對(duì)細(xì)顆粒的攔截效率通常由此而提高。定義：濾餅2，慣性撞擊尺寸小于濾材孔徑的顆粒的輔助攔截方式流體攜帶的顆粒由于質(zhì)量和線速度而具有直線運(yùn)動(dòng)的慣性顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上慣性撞擊慣性撞擊當(dāng)流體改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，慣性使顆粒撞擊到濾材表面并由于吸附力而停留慣性撞擊當(dāng)流經(jīng)過濾介質(zhì)時(shí)流體必須沿彎曲通道行進(jìn)。這將增加過濾機(jī)制的有效性。慣性撞擊：停留的顆粒減小了濾孔孔徑慣性撞擊顆粒被機(jī)械攔截或被吸附攔截；在氣體中比在液體中更有效；對(duì)大于0.5-1.0微米的顆粒很有效。定義：吸附-攔截尺寸小于濾孔的顆粒

表面相互作用電荷不同范德華力(VanderWaals)３，擴(kuò)散攔截氣體分子(作隨機(jī)運(yùn)動(dòng))碰撞小顆?；蜢F滴；布朗運(yùn)動(dòng)(Brownianmotion)碰撞的結(jié)果，增加了顆粒碰撞過濾介質(zhì)的機(jī)會(huì)；僅在氣體中有效。擴(kuò)散攔截氣體過濾器能夠去除尺寸遠(yuǎn)小于液體精度的污染物；對(duì)小-細(xì)顆粒(0.1-0.3微米)非常有效；如果一個(gè)氣體過濾器在濕潤環(huán)境中運(yùn)行，它的去除能力即變?yōu)橐后w精度。擴(kuò)散攔截?cái)U(kuò)散攔截氣體分子作布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散攔截分散在氣體分子中的小顆?；蜢F滴受到撞擊發(fā)生位移擴(kuò)散攔截被隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞的顆粒撞擊到過濾介質(zhì)上并被吸附截留擴(kuò)散攔截當(dāng)流經(jīng)過濾介質(zhì)時(shí)流體必須沿彎曲通道行進(jìn)，這將增加過濾機(jī)制的有效性。４，小結(jié)過濾介質(zhì)的過濾/分離效率由于直接攔截慣性撞擊擴(kuò)散攔截的共同作用而增強(qiáng)過濾機(jī)理總結(jié)直接攔截慣性撞擊擴(kuò)散攔截四、過濾介質(zhì)的類型表面過濾介質(zhì):編織網(wǎng)粉末燒結(jié)深度過濾介質(zhì):纖維材料結(jié)構(gòu)棉花活性炭或玻璃纖維有機(jī)合成纖維澆鑄膜結(jié)構(gòu)1，表面過濾介質(zhì)所有濾孔在一個(gè)平面上依靠直接攔截捕獲顆粒最嚴(yán)格的定義:表面過濾表面或篩網(wǎng)過濾的局限主要依靠直接攔截，小于孔徑的顆粒將穿過。慣性撞擊無效.擴(kuò)散攔截有微效.2，深度過濾介質(zhì)污染物被介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)捕獲的一種過濾介質(zhì)，濾孔貫穿于整個(gè)介質(zhì)厚度；調(diào)整流道可以獲得高容污能力。最嚴(yán)格的定義:深度過濾介質(zhì)顆?？梢栽诒砻姹徊都?，也可以在介質(zhì)深度被捕集，因此，提高了容污能力。深度過濾介質(zhì)第四節(jié)介質(zhì)過濾除菌的工藝

空氣過濾除菌流程是按生產(chǎn)對(duì)無菌空氣要求具備的參數(shù)，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制訂的，同時(shí)還要結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用設(shè)備的特性進(jìn)行考慮。對(duì)于一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過濾器，經(jīng)一、二次過濾除菌而制得。而一般的深層通氣發(fā)酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還要具有一定的壓力，這就需要比較復(fù)雜的空氣除菌流程。一、對(duì)空氣除菌流程的要求流程的設(shè)備：主設(shè)備：空氣壓縮機(jī)附屬設(shè)備：要求盡量采用新技術(shù)，提高效率，減少設(shè)備，精簡設(shè)備流程，降低設(shè)備投資、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和動(dòng)力捎耗，簡便操作。流程的制訂應(yīng)考慮：地理、氣候環(huán)境設(shè)備條件二、空氣過濾除菌流程的分析發(fā)酵廠所使用的空氣除菌流程，隨各地的氣候條件及設(shè)備條件不同而有很大的差別。要保持過濾器有比較高的過濾效率，應(yīng)維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。

—?dú)饬魉俣瓤捎刹僮鱽砜刂?；—要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設(shè)備來保證空氣的相對(duì)濕度在50~60％的條件下過濾。1，兩級(jí)冷卻、分離、加熱的空氣過濾除菌流程流程的特點(diǎn)是：兩次冷卻，兩次分離，適當(dāng)加熱。某除菌流程，空氣壓力為4工程大氣壓，要求空氣加熱到35?C時(shí)相對(duì)濕度φ=60%，問第二級(jí)冷卻器應(yīng)至少把空氣冷卻到多少度(假定冷卻后空氣中水霧全部分離)？查表得知35?C時(shí)空氣中的飽和水蒸汽分壓是5619帕，加熱前冷空氣的相對(duì)濕度φ＝100％。查水蒸汽分壓表知26?C水的蒸汽壓為3371帕，就是說第二級(jí)冷卻器至少應(yīng)把空氣冷卻到26?C。對(duì)于氣候很干燥的地方，或寒冷的冬天，可將流程簡化，只用第一冷卻器，將空氣冷卻到35?C即可滿足相對(duì)濕度φ＝60％而進(jìn)過濾器。它所要求的條件是：查表得知當(dāng)6?C相對(duì)濕度是80％時(shí)，或12?C相對(duì)濕度60％時(shí)，水蒸汽分壓為843.4帕。2，冷熱空氣直接混合式空氣過濾除菌流程特點(diǎn)：可省第二冷卻分離設(shè)備和空氣再加熱設(shè)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)。流程的分析計(jì)算3，高效前置過濾除菌流程特點(diǎn)：無菌程度高第五節(jié)介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算

一、深層過濾效率和過濾器的計(jì)算過濾效率：就是濾層所濾去的微粒數(shù)與原來微粒數(shù)的比值，它是衡量過濾器過濾能力的指標(biāo)。1，對(duì)數(shù)穿透定律研究過濾器的過濾規(guī)律時(shí)，先排除一些復(fù)雜的因素，假定：過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰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，不再被氣流帶走；過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)；空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體?？諝馔ㄟ^單位濾層后，微粒濃度下降量與進(jìn)入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比，即：（1）

將（1）整理，積分（2）或（3）2，介質(zhì)層厚度的計(jì)算

由（2）或（3）得（4）或（5）式中的N1可根據(jù)進(jìn)口空氣的菌體濃度、空氣流量及持續(xù)使用時(shí)間算出。如空氣中的原始菌濃度為10000個(gè)／m3，空氣流量為200m3／min，持續(xù)使用2000h，則N1為2.4×1011個(gè)菌，N2一般可假定為10-3個(gè)菌。于是N2／N1＝2.4×1014，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，我們常把N2／N1

＝1015作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。K值與纖維介質(zhì)的性質(zhì)、直徑、填充率、氣流速度以及菌體大小有關(guān)。對(duì)數(shù)穿透定律的校正參見《發(fā)酵工程與設(shè)備》p95計(jì)算舉例參見《發(fā)酵工程與設(shè)備》p98二、過濾器的結(jié)構(gòu)1，深層棉花、活性炭過濾器立式圓筒形，內(nèi)部填充過濾介質(zhì)，以達(dá)到除菌的目的。過濾器的尺寸主要是確定過濾器的內(nèi)徑D和有效過濾的高度，最后定出整個(gè)過濾器的高度尺寸。過濾器的內(nèi)徑D可以根據(jù)空氣量及流速求出：

填充物的裝填順序如下：

孔板→鐵絲網(wǎng)→麻布→棉花→麻布→活性碳→麻布→棉花→麻布→鐵絲網(wǎng)→孔板

2，濾紙過濾器3，金屬過濾器（1）過濾器外殼圖外殼濾芯接口圖外殼示意圖

（2）預(yù)過濾器

氣體預(yù)過濾器結(jié)構(gòu)圖（單芯）

氣體預(yù)過濾器結(jié)構(gòu)圖（多芯）氣體預(yù)過濾器外殼圖

（3）過濾系統(tǒng)過濾系統(tǒng)由金屬過濾器、預(yù)過濾器及蒸汽過濾器組成。預(yù)過濾器的作用是將空氣前處理系統(tǒng)中的鐵銹等雜物進(jìn)行預(yù)濾。蒸汽過濾器則是阻擋蒸氣管路中的銹蝕物和鍋爐污垢等雜質(zhì)。上述二種過濾器的功能是保護(hù)金屬過濾器，延長其使用壽命。（4）主要技術(shù)參數(shù)

過濾效率：99.9%過濾微粒直徑≥0.2μm過濾介質(zhì)：預(yù)過濾器為中空玻璃纖維或高效過濾紙，蒸汽過濾器為聚四氟乙烯,金屬過濾器為金屬粉末鎳冶煉而成。最大工作壓力：0.8MPa工作溫度：預(yù)過濾器≤130℃蒸汽過濾器≤130℃金屬過濾器≤130℃氣體阻力：在額定流量下，進(jìn)口壓力0.1MPa時(shí)，初始?jí)航敌∮?.01MPa。5，膜過濾（1）示意圖

（2）系統(tǒng)組成蒸汽過濾器預(yù)過濾器（粗）除菌過濾器（精）預(yù)過濾器形式：以管式、袋式、折疊式為主，也可以是填充床式、浮動(dòng)床式的過濾器，以及離心機(jī)、真空機(jī)等過濾器材。預(yù)過濾器一般選用深層過濾器，在使用過程中要求有低的壓降、高的容塵量和變動(dòng)幅度小的過濾精度和效率。過濾介質(zhì)：玻璃纖維復(fù)合氈（聚丙烯纖維復(fù)合氈）。技術(shù)參數(shù)：過濾精度:0.3-0.5μm過濾效率:95%-99.9%初始?jí)翰?≤0.005MP工作溫度:≤80℃可耐最大壓差:0.08MPa

除菌過濾器形式以板框式、管式、折疊式為主過濾介質(zhì)：微過濾膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌過濾應(yīng)具備的特點(diǎn)：①高的過濾精度;②大的通過量;③能耐反復(fù)的消毒操作;④強(qiáng)的親水性或疏水性;⑤足夠的使用強(qiáng)度。

技術(shù)參數(shù)過濾精度：0.01μm過濾效率：99.9999%工作溫度：<60°C可耐最大壓差：0.4MPa（25°C，正向）蒸汽滅菌：125°C±2°C，每次30min，可達(dá)160次各級(jí)過濾的配置各級(jí)過濾的配置問題主要有通過量與精度兩個(gè)方面，不同的物料處理流程是有區(qū)別的。例如：在無菌空氣的處理中，壓縮機(jī)的前置過濾器精度一般為＞5μm，壓縮機(jī)后的除油過濾器，出氣含油量要求≤3×10~6mg/ml，總過濾器的過濾精度一般為0.5μm，過濾效率95%左右，預(yù)過濾器的過濾精度為0.3μm，過濾效率約99%，除菌過濾器的精度為0.01μm，過濾效率99.9999%以上。消毒問題濾芯（器）消毒是一個(gè)日常操作工序。濾芯常見的消毒方法有蒸汽、熱水和化學(xué)試劑消毒三種。蒸汽消毒要注意選擇飽和蒸汽，一則是可以可靠殺死細(xì)菌，二則是可通過控制壓力來調(diào)節(jié)溫度。蒸汽消毒對(duì)于疏水濾芯來說相對(duì)是簡單的，但對(duì)親水濾