發(fā)酵工程原理與技術x neia4a

11第六章空氣除菌的工藝及設備22本章講述的內(nèi)容

空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對空氣無菌程度的要求空氣除菌的方法介質(zhì)過濾除菌的機理介質(zhì)過濾除菌的工藝介質(zhì)過濾除菌的設備及計算33第一節(jié)空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對空氣無菌程度的要求一、無菌空氣的概念

發(fā)酵工業(yè)應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低

的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小

機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。44二、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，一般設計時以含量為103~104個／m3進行計算。55三、發(fā)酵對空氣無菌程度的要求

各種不同的發(fā)酵過程，對空氣無菌程度的要求也不同。影響因素是比較復雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。

一般按染菌機率為10-3。來計算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1~2次染菌。66四、空氣含菌量的測定培養(yǎng)法：微生物學中已介紹過

光學法：用粒子計數(shù)器通過微粒對光線的散射作用來測量粒子的大小和含量。77第二節(jié)空氣除菌的方法輻射滅菌加熱滅菌靜電除菌介質(zhì)過濾88一、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。992，應用范圍通常用于無菌室和醫(yī)院手術室。

3，缺點

殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。1010力為0．7MPa。二、加熱滅菌利用壓縮熱進行空氣滅菌的流程圖空氣滅菌后空氣23415滅菌后空氣6710

9

8圖4-1

空氣熱滅菌流程示意圖1-空壓機2-粗過濾器3-保溫層4-貯氣罐5-保溫罐6-列管式冷卻器7-鍋輪壓縮機8-預熱器9-粗過濾器10-空氣吸入塔空氣進口溫度為21°C，出口溫度為187~198°C，壓1111三、靜電除菌

1，原理利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。2，優(yōu)點阻力小，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，缺點設備龐大、一次性投資較大、捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。1212濾材第三節(jié)

介質(zhì)過濾除菌的機理一、定義過濾除菌利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物孔潔凈氣體含微生物的氣體1313443.9×10

-5

英寸又稱"micron"定義微米1

微米(μ)等于:4

10－6

米＝10－3

毫米1414定義小顆粒的相對尺寸人發(fā)直徑裸眼可見最小顆?；ǚ奂t細胞酵母和真菌100

μm80604020108.06.05.0沙雷氏菌假單胞菌3.02.01.00.80.60.50.40.34.0

μm1515小顆粒的相對尺寸鉛筆墨點(40

μm)紅細胞(7μm)大硅膠顆粒(20

μm)酵母細胞(3

μm)典型細菌(0.2μm)1616二、空氣過濾器的功能

一個空氣過濾器的功能是從氣體中去除污染物（微生物）以使達到所需的氣體的無菌程度過濾器的功能過濾器經(jīng)常被認為是一種簡單的網(wǎng)或篩子，

過濾/

分離是在一個平面上進行的。171818過濾器的功能實際上，空氣過濾器的濾材具有深度。“彎曲通道”的結(jié)果對于污染物的去除起到了輔助作用1919過濾器的功能“彎曲通道”存在于：2020三、過濾機理4直接攔截4慣性撞擊4擴散攔截21211，直接攔截4

流體中的基本過濾機制4

本質(zhì)是一種篩分效應，機械攔截顆粒4

例如：一種簡單的篩網(wǎng)可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒2222直接攔截顆粒大于孔徑2323直接攔截絕對截留-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中2424直接攔截2525直接攔截4

當顆粒大于流道孔徑時即被該結(jié)構(gòu)去除4

容污能力可以用彎曲結(jié)構(gòu)提高篩網(wǎng)無此作用2626直接攔截4

通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截0不規(guī)則形狀的顆粒/方向性0多個顆粒同時撞擊到同一個濾孔2727直接攔截不規(guī)則形狀的搭橋2828直接攔截多個小顆粒的搭橋292944攔截在過濾器表面的顆粒堆積成顆粒層當過濾器表面完全被一個厚的顆粒層所覆蓋時，所謂的“濾餅”即已形成了。4

濾餅顆粒間的孔隙亦如同一種過濾器，對細顆粒的攔截效率通常由此而提高定義濾餅30302，慣性撞擊4

尺寸小于濾材孔徑的顆粒的輔助攔截方式4

流體攜帶的顆粒由于質(zhì)量和線速度而具有直線運動的慣性4

顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上3131慣性撞擊3232慣性撞擊撞擊到濾材表當流體改變運動方向時，慣性使顆粒面并由于吸附力而停留3333慣性撞擊當流經(jīng)過濾介質(zhì)時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。3434慣性撞擊停留的顆粒減小了濾孔孔徑3535慣性撞擊3636慣性撞擊444顆粒被機械攔截或被吸附攔截在氣體中比在液體中更有效.對大于0.5-1.0微米的顆粒很有效.37374范德華力(Van

der

Waals)吸附攔截尺寸小于濾孔的顆粒由于:4

表面相互作用0電荷不同3838吸附表面作用3939３，擴散攔截444

氣體分子(作隨機運動)碰撞小顆粒或霧滴布朗運動(Brownian

motion)碰撞的結(jié)果，增加了顆粒碰撞過濾介質(zhì)的機會僅在氣體中有效4040擴散攔截444氣體過濾器能夠去除尺寸遠小于液體精度的污染物對小-細顆粒(0.1-0.3微米)非常有效如果一個氣體過濾器在濕潤環(huán)境中運行，它的去除能力即變?yōu)橐后w精度4141擴散攔截4242擴散攔截氣體分子作布朗運動4343擴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4444擴散攔截被隨機運動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4545擴散攔截當流經(jīng)過濾介質(zhì)時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。4646４，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散攔截的共同作用而增強4747過濾機理總結(jié)直接攔截慣性撞擊擴散攔截4848四、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合成纖維澆鑄膜結(jié)構(gòu)49491，表面過濾介質(zhì)最嚴格的定義:4

所有濾孔在一個平面上4

依靠直接攔截捕獲顆粒5050表面過濾5151表面或篩網(wǎng)過濾的局限44主要依靠直接攔截。小于孔徑的顆粒將穿過。慣性撞擊無效.4

擴散攔截有微效.52522，深度過濾介質(zhì)最嚴格的定義:4

污染物被介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)捕獲的一種過濾介質(zhì)，濾孔貫穿于整個介質(zhì)厚度。4

調(diào)整流道可以獲得高容污能力5353深度過濾介質(zhì)4顆?？梢栽诒砻姹徊都?，4也可以在介質(zhì)深度被捕集，4因此，提高了容污能力。5454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，同時還要結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用設備的特性進行考慮。

對于一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風機增壓后進入過濾器，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，這就需要比較復雜的空氣除菌流程。55555656一、對空氣除菌流程的要求流程的設備：主設備：空氣壓縮機附屬設備：要求盡量采用新技術，提高效率，減少設備，精簡設備流程，降低設備投資、運轉(zhuǎn)費用和動力捎耗，簡便操作。流程的制訂應考慮：地理、氣候環(huán)境設備條件5757二、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，應維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。氣流速度可由操作來控制；要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設備來保證空氣的相對濕度在50~60％的條件下過濾。1，兩級冷卻、分離、加熱的空氣過濾除菌流程流程的特點是：兩次冷卻，兩次分離，適當加熱。312圖4-3兩極冷卻,加熱除菌流程1-粗過濾器2-壓縮機3-貯罐4,6-冷卻器5-旋風分離器7-絲網(wǎng)分離器8-加熱器9-過濾器58584567895959

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時相對濕度φ

=60%，問第二級冷卻器應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)？?

?PbP

??

?Pbx

=

0

.6226060

查表得知35

C時空氣中的飽和水蒸汽分壓是

5619帕，加熱前冷空氣的相對濕度φ＝100％。

查水蒸汽分壓表知26C水的蒸汽壓為3371帕，就是說第二級冷卻器至少應把空氣冷卻到26

C。6161

對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即可滿足相對濕度φ＝60％而進過濾器。它所要求的條件是：C相對濕查表得知當6

C相對濕度是80％時，或12度60％時，水蒸汽分壓為843.4帕。62622，冷熱空氣直接混合式空氣過濾除菌流程

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)。312456圖4-4冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程

1-粗過濾器2-壓縮機3-貯罐4-冷卻器5-絲網(wǎng)分離器6-過濾器6363流程的分析計算3，高效前置過濾除菌流程特點：無菌程度高657圖4-5高效前置過濾空氣除菌流程1-高效前置過濾器2-壓縮機3-貯罐4-冷卻器5-絲網(wǎng)分離器6-加熱器7-過濾器646414236565第五節(jié)

介質(zhì)過濾除菌的設備及計算一、深層過濾效率和過濾器的計算

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。211η

=

N

N1

?N

2=

1?

N

N66661，對數(shù)穿透定律

研究過濾器的過濾規(guī)律時，先排除一些復雜的因素，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；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。6767

空氣通過單位濾層后，微粒濃度下降量與進入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比，即：（1）dL=

KN1–

dN∫68=

K∫dl68將（1）整理，積分?或（2）（3）?

=

KdldNN

1–L0N

2N1dNN1logN

2ln

N1N2N1=

?

KL=

?

K

"

L2，介質(zhì)層厚度的計算由（2）或（3）得?或（4）（5）

式中的N1可根據(jù)進口空氣的菌體濃度、空氣流量及持續(xù)使用時間算出。如空氣中的原始菌濃度為10000個／m3，空氣流量為200m3／min，持續(xù)使用2000h，則N1為2.4×1011個菌，N2一般可假定為10-3個菌。于是N2／N1＝2.4×1014，在設計空氣過濾器時，我們常把N2／N1

＝1015作為設計指標。

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。6969lnN

1N

2N1N

21K1K

"

logL

=L

=7070對數(shù)穿透定律的校正參見《發(fā)酵工程與設備》p95計算舉例參見《發(fā)酵工程與設備》p987171二、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)，以達到除菌的目的。7272

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：7373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74742，濾紙過濾器75753，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）預過濾器76氣體預過濾器結(jié)構(gòu)圖（單芯）氣體預過濾器結(jié)構(gòu)圖（多芯）76氣體預過濾器外殼圖7777（3）過濾系統(tǒng)

過濾系統(tǒng)由金屬過濾器、預過濾器及蒸汽過濾器組成。預過濾器的作用是將空氣前處理系統(tǒng)中的鐵銹等雜物進行預濾。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金屬過濾器，延長其使用壽命。7878（4）主要技術參數(shù)過濾效率：99.9%過濾微粒直徑≥0.2μm

過濾介質(zhì)：預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，進口壓力0.1MPa時，初始壓降小于0.01MPa。79795，膜過濾（1）示意圖8080（2）系統(tǒng)組成蒸汽過濾器預過濾器（粗）除菌過濾器（精）8181預過濾器

形式：以管式、袋式、折疊式為主，也可以是填充床式、浮動床式的過濾器，以及離心機、真空機等過濾器材。

預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、高的容塵量和變動幅度小的過濾精度和效率。過濾介質(zhì)：玻璃纖維復合氈（聚丙烯纖維復合氈）。技術參數(shù)：–過濾精度:0.3-0.5μm–過濾效率:95%-99.9%–初始壓差:≤0.005MP–工作溫度:≤80℃–可耐最大壓差:0.08MPa8282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。）除菌過濾應具備的特點：①高的過濾精度;②大的通過量;③能耐反復的消毒操作;④強的疏水性;⑤足夠的使用強度。技術參數(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160次各級過濾的配置–各級過濾的配置問題主要有通過量與精度兩個方面，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，壓縮機的前置過濾器精度一般為＞5μm，壓縮機后的除油過濾器，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。83838484消毒問題濾芯（器）消毒是一個日常操作工序。濾芯常見的消毒方法有蒸汽、熱水和化學試劑消毒三種。蒸汽消毒要注意選擇飽和蒸汽，一則是可以可靠殺死細菌，二則是可通過控制壓力來調(diào)節(jié)溫度。蒸汽消毒對于疏水濾芯來說相對是簡單的，但對親水濾芯特別是膜材料耐溫度不高的濾芯來說，操作方法是至關重要的8585空氣過濾器的操作要點

為了使空氣過濾器始終保持干燥狀態(tài)，當過濾器用蒸氣滅菌時，應事先將蒸汽管和過濾器內(nèi)部的冷凝水放掉，滅菌蒸汽的壓力應保持在0．17~0．2MPa(表壓)。開始時先將夾套預熱(有的空氣過濾器無夾套則不需預熱)，然后將蒸汽直接沖入介質(zhì)