.,第五章發(fā)酵工程的滅菌與空氣除菌,設備、基質(zhì)和空氣的凈化,.,第三節(jié)空氣的除菌,空氣凈化的方法、原理和流程,.,發(fā)酵過程空氣除菌的必要性,絕大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵均是利用好氧微生物進行純種培養(yǎng)，氧氣的供給量很大。空氣中微生物很多，如不設法除去，則必定會造成發(fā)酵過程的染菌。例如：一個通氣量為40m3/min的發(fā)酵罐，一天所需的空氣量高達5.76104m3，假如所用的空氣中含菌量104/m3，那么一天將有5.75108個微生物細胞進入發(fā)酵罐。,.,一、發(fā)酵使用的凈化空氣的標準,空氣中微生物的情況主要微生物：細菌及其芽孢濃度的影響因素：地區(qū)、高度、季節(jié)等發(fā)酵工業(yè)對空氣無菌程度的要求不同工業(yè)有區(qū)別一般要求：10-3發(fā)酵工廠的空氣潔凈度等級,.,二、空氣預處理,空氣預處理的目的一是對進入空氣過濾器的空氣進行預處理，達到合適的空氣狀態(tài)（溫度、濕度、油水）；二是對空氣進行過濾處理，以除去微生物顆粒，滿足生物細胞培養(yǎng)需要。空氣凈化系統(tǒng)流程如圖5-11所示。,.,圖5-11空氣除菌設備流程圖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)除沫器；8加熱器；9空氣過濾器,空氣預處理過程,來自采風塔,.,二、空氣預處理,采風塔設立采風塔的原理高度每上升10m，空氣中微生物量下降一個數(shù)量級，因此，空氣吸入口一般都選在比較潔凈處，并盡量提高吸入口的高度，以減少吸入空氣的塵埃含量和微生物含量。一般位置采風塔一般選擇在當?shù)氐纳巷L口地點，并遠離塵埃集中處，高度一般在10m左右?？山ㄔ诳諌簷C房的屋頂上。,.,二、空氣預處理,粗過濾器指空氣進入空氣壓縮機前的前置過濾器。作用：濾去空氣中顆粒較大的塵埃，減少進入空氣壓縮機的灰塵和微生物含量。減少空壓機的磨損，延長其壽命，并可減輕主過濾器的負荷。特點要求：過濾效率高，阻力小，容灰量大。主要設備：濾袋、填料、油浴、水霧。,.,二、空氣預處理,布袋過濾器,將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，緊套于焊在進氣管的骨架上，并縫緊所有會造成短路的空隙。氣流流量一般為22.5m3/（m2min），空氣阻力大約為6001200Pa。濾布現(xiàn)多采用合成纖維制的，要定期換洗。,圖5-12機械振動袋式除塵器,.,二、空氣預處理,填料式粗過濾器,一般用油浸鐵絲網(wǎng)、玻璃纖維或其他合成纖維等作填料，過濾效果比布袋過濾稍好，阻力損失也較小，但結(jié)構(gòu)較復雜，占地面積也較大，內(nèi)部填料經(jīng)常洗換才能保持一定的過濾作用，操作比較麻煩。,圖5-13微孔陶瓷管式粗過濾器,.,二、空氣預處理,油浴洗滌裝置,空氣進入裝置后通過油層洗滌，空氣中的微粒被油黏附而逐漸沉降于油箱底部而除去。這種裝置的洗滌除菌效果好，阻力也不很大但耗油量較多。,圖5-14油浴洗滌裝置,1-濾網(wǎng)2-加油斗,空氣入口,.,二、空氣預處理,水霧除塵裝置,空氣從設備底部進入，經(jīng)上部噴下的水霧洗滌，將空氣中的灰塵、微生物微粒黏附沉降，從器底排出，帶有微細小水霧的潔凈空氣經(jīng)上部過濾網(wǎng)過濾后排出。對直徑大于5m的粒子可基本去除。,圖5-15水霧除塵裝置,.,二、空氣預處理,空氣壓縮機空氣壓縮機(AirCompressor,AC)是將原動機(通常是電動機)的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置。目前常用的空壓機有往復式(活塞式)和渦輪式兩種?？諝饨?jīng)壓縮后，溫度會顯著上升，壓縮比愈高，溫度也愈高。空壓機是整個發(fā)酵生產(chǎn)線空氣管線的壓力來源，同時還有一定的空氣殺菌作用。,.,當活塞式壓縮機的曲軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿的傳動，活塞便做往復運動，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會發(fā)生周期性變化?；钊綁嚎s機的活塞從氣缸蓋處開始運動時，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進氣管，推開進氣閥而進入氣缸，直到工作容積變到最大時為止，進氣閥關(guān)閉；活塞式壓縮機的活塞反向運動時，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當氣缸內(nèi)壓力達到并略高于排氣壓力時，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運動到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當活塞式壓縮機的活塞再次反向運動時，上述過程重復出現(xiàn)。總之，活塞式壓縮機的曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復一次，氣缸內(nèi)相繼實現(xiàn)進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環(huán)。,圖5-16往復式(活塞式)空壓機工作原理,.,隨著機軸傳遞給葉片的動能，氣體在葉片驅(qū)使下高速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生離心力，機內(nèi)氣體在離心力作用下，沿葉片流道向葉片出口甩出。從葉片出口流出的高速氣體，在蝸殼流道內(nèi)速度逐漸變慢，壓力逐漸升高,圖5-17渦輪式空壓機工作原理,并沿排出口排出。與此同時，葉片入口處的氣體減少，壓力降低,形成出入口壓差，也就連續(xù)吸入新的氣體。,.,二、空氣預處理,空氣貯罐空氣貯罐是一個裝有安全閥、壓力表的空罐殼體?？諝赓A罐的作用消除壓縮機排出空氣量的脈動；利用重力沉降作用分離部分油霧；,.,二、空氣預處理,空氣冷卻器壓縮空氣降溫的必要性防止過濾介質(zhì)碳化降低培養(yǎng)裝置降溫負荷冷卻降濕避免過濾器受潮空氣冷卻器的種類列管式空氣冷卻器板式空氣冷卻器空氣冷卻器的工作流程一般兩級串聯(lián),.,二、空氣預處理,氣液分離器氣液分離器的作用除油除水氣液分離器的種類利用離心力進行沉降的旋風分離器利用慣性進行攔截的介質(zhì)過濾器絲網(wǎng)除沫器進一步分離油水(小油滴、霧滴),.,二、空氣預處理,空氣的加熱加熱的必要性防止主過濾器受潮加熱要求溫差在1015左右加熱設備各種換熱器(主要是列管式換熱器),.,三、空氣凈化的方法,（一）熱殺菌電熱和蒸汽熱殺菌能耗不大可行采用空氣壓縮機同時完成熱殺菌可行空壓機出口溫度可達187198，壓力為0.7MPa只要維持一定的時間即可缺點設備耐熱性要求提高能耗有所提高，設備投資也有一定加大（二）輻射殺菌大規(guī)?？諝獾臏缇€不能采用此種方法。,.,三、空氣凈化的方法,（三）靜電除菌靜電除菌是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵滅菌的目的。原理：特點：優(yōu)點是節(jié)能，處理量大，設備投資少缺點是對小粒子去除率低應用：輔助，配合高效過濾器使用,.,三、空氣凈化的方法,（四）過濾除菌過濾除菌法是讓含菌空氣通過過濾介質(zhì)以阻截空氣中所含微生物，而取得無菌空氣的方法。是目前也是未來發(fā)酵工業(yè)空氣除菌的主流方法。過濾除菌的過濾介質(zhì)材料棉花、活性碳或玻璃纖維，有機合成纖維、有機、無機和金屬燒結(jié)材料等過濾除菌的原理絕對過濾：微孔濾膜，孔徑小于細菌直徑。如醋酸纖維素微孔濾膜，聚四氟乙烯微孔濾膜等。,.,三、空氣凈化的方法,深層過濾：以纖維（棉花、玻璃纖維、尼龍等）或顆粒狀（活性碳）介質(zhì)為過濾層，空隙一般較大，靠靜電、擴散、慣性和阻截等作用將細菌截留在濾層中。深層過濾：用超細玻璃纖維（紙）、石棉板、燒結(jié)金屬板、聚乙烯醇、聚四氟乙烯等為介質(zhì)，濾層較薄，但孔徑一般還是大于細菌直徑。,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,（一）介質(zhì)過濾除菌的材料棉花棉花是最早使用的過濾介質(zhì)，纖維直徑大約20m以纖維較長的、新的、未脫脂的棉花為好裝填密度約150200kg/m3設備：深層過濾器,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,玻璃纖維概念玻璃纖維(GlassFiber)是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉的混合物，是以廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制成。纖維直徑幾到幾十m不等。填充密度充填系數(shù)一般6%10%過濾效率與填充密度、厚度、纖維直徑都有關(guān)系特點阻力損失小，過濾效果好，但對人有刺激,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,活性炭概念：是利用木炭、竹炭、各種果殼和優(yōu)質(zhì)煤等作為原料，通過物理和化學方法對原料進行破碎、過篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加工制造而成，由于其多孔結(jié)構(gòu)而具有物理吸附和化學吸附的雙重特性。顆粒直徑：若干毫米特點：阻力低，過濾效率也低，常配合其它介質(zhì)使用。,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,超細玻璃纖維紙用無堿玻璃纖維制成，直徑僅12m。使用：不散裝，而是做成0.251mm厚的纖維紙使用特點：網(wǎng)格空隙小，過濾效率高缺點是機械強度差，且極易吸濕強化處理酚醛樹脂處理以增加機械強度硅酮處理以防潤濕,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,燒結(jié)材料過濾介質(zhì)燒結(jié)材料的概念燒結(jié)材料是在高溫下，固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多孔體，此即燒結(jié)材料。過濾原理形成的介質(zhì)具有微孔通道，起到微孔過濾的作用。常用材料及性能鈦錳合金金屬粉末燒結(jié)體、燒結(jié)陶瓷等孔徑510m，過濾效果中等,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,新型過濾介質(zhì)即絕對過濾所用的超濾膜(微孔濾膜)。微孔直徑只有0.10.45m，去除細菌率可達100%。使用：折疊成濾芯使用同粗過濾器聯(lián)合使用性能與傳統(tǒng)過濾器相比，性能優(yōu)越。,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,（二）介質(zhì)過濾除菌的原理深層過濾的機制比絕對過濾要復雜，因為過濾介質(zhì)的孔徑要大于被過濾為物質(zhì)。其過濾機理概括起來有四種：直接攔截微生物顆粒是很小的，深層過濾器對其的過濾截留機制遠比平面過濾要復雜。深層過濾器可以像膜過濾器一樣在其表面直接攔截直徑比較大的顆粒。通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,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動的慣性，顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上即慣性撞擊作用。在慣性撞擊中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。慣性撞擊作用對大于1.0微米的顆粒的截留很有效。擴散攔截僅在氣體中有效，是氣體分子布朗運動(Brownianmotion)碰撞小微粒的結(jié)果，使其呈現(xiàn)不規(guī)則運動，增加了其碰撞過濾介質(zhì)的機會。,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,氣體過濾器的過濾精度要好于液體過濾器，擴散攔截起了決定性作用。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。擴散攔截對直徑在0.1微米以下的小顆粒攔截效果最好，擴散攔截需要較低的氣流速度才能發(fā)揮作用。其他輔助過濾作用重力沉降作用。當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時微粒就沉降，在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)，重力沉降作用提高了攔截效率。靜電吸引作用。介質(zhì)與空氣摩擦起電，而微生物粒子也大多帶有少量電荷，相反即相吸。,.,四、介質(zhì)過濾除菌的材料及原理,介質(zhì)過濾除菌機理總結(jié)在各種機制中，直接攔截、慣性撞擊和擴散攔截的作用是主要的。在三種主要的過濾機制中，氣流速度較大時慣性撞擊發(fā)揮主要作用，氣流速度較小時則以擴散攔截為主，兩者的分界稱臨界氣流速度。直接攔截的效果基本不受氣流速度影響。,.,五、空氣凈化的工藝流程,空氣過濾效率和過濾器各種參數(shù)在過濾流程選擇前要進行精確計算以作為重要依據(jù)，并要結(jié)合各種實際情況考慮選擇。空氣壓縮冷卻過濾流程,1粗過濾器；2壓縮機；3貯罐；4冷卻器；5總過濾器,.,五、空氣凈化的工藝流程,特點：流程簡單，設備少適用：北方寒冷干燥地區(qū)兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程,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)除沫器；8加熱器；9主過濾器,.,五、空氣凈化的工藝流程,特點：兩次冷卻、兩次分離、適當加熱，高效但設備較多。適用：基本適用于各個地區(qū)。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主過濾器,.,五、空氣凈化的工藝流程,特點：一次冷卻分離，有前置高效過濾器適用：無菌要求高的發(fā)酵工廠,本章結(jié)束,Thanks,.,表5-11不同條件下1m3的含菌量（引自周德慶，微生物學教程）,.,表5-12環(huán)境空氣潔度等級,注：潔凈室空氣潔凈度等級的檢驗，應以動態(tài)條件下測試的塵粒數(shù)為依據(jù)。對于空氣潔凈度為100級的潔凈室內(nèi)大于等于5微米塵粒的計算應進行多次采樣。當其多次出現(xiàn)時，方可認為該測試數(shù)值是可靠的。采用9cm平板暴露30min，37培養(yǎng)24h得結(jié)果。,塵粒數(shù)以塵埃粒子計數(shù)器檢測。,.,圖5-9一種激光塵埃粒子計數(shù)器及其性能參數(shù),現(xiàn)在還有更簡便的檢測儀器。,.,圖5-10另一種手持式激光塵埃粒子計數(shù)器,.,圖5-18各種旋風分離器,.,圖5-19各種介質(zhì)過濾氣液分離器,.,絲網(wǎng)除沫器：由金屬絲網(wǎng)編織成的嵌合在罐體內(nèi)的除水除油過濾層。,.,圖5-20各種列管式換熱器,.,表5-13殺菌溫度與所需時間之間的對應關(guān)系,熱殺菌流程1壓縮機；2貯罐；3保溫層,.,圖5-21靜電除塵滅菌器示意圖1升壓變壓器；2整流器；3沉淀電極；4電暈電極,通電后，在集塵電極和電暈線間建立了不均勻電場，接近空氣擊穿場強時空氣電離，自由粒子運動中碰撞塵埃粒子使之載荷，集塵附著，最后振動抖落于灰斗。,.,濾材,孔,過濾除菌利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物,.,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。,.,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,.,圖片來自中華網(wǎng),圖5-22玻璃纖維,圖片來自中華網(wǎng),.,表5-14玻璃纖維的過濾效率,.,加裝超細玻璃纖維紙的平板過濾器,.,金屬粉末燒結(jié)濾芯青銅過濾芯過濾杯濾帽,金屬燒結(jié)氈纖維放大,燒結(jié)金屬斷面圖,圖5-22燒結(jié)金屬材料,.,表5-15傳統(tǒng)過濾介質(zhì)(上)與微孔濾膜(下)的比較,.,.,常見的折疊濾芯型膜過濾器及其構(gòu)造,.,小顆粒的相對尺寸,.,膜過濾器可以看做是簡單的平面過濾,而深層過濾