1、第三章 空氣凈化除菌與空氣調(diào)節(jié)1 空氣除菌方法及流程一、通風發(fā)酵對無菌空氣的要求1、空氣中M的分布： 空氣中以細菌和細菌芽胞較多，也有酵母，霉菌和病毒。 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M含量一般為103104個m3。 含量和種類，隨地區(qū),季節(jié)和空氣中灰塵粒子多少及人們的活動情況而異,北方干燥，寒冷含菌量較少，離地面高，含菌量越少；一般每升高10m，空氣中的含菌量就降低一個數(shù)量級；城市含菌量較多，農(nóng)村則較少，一般城市空氣中雜菌數(shù)為30008000個m。 第一章 空氣除菌2、發(fā)酵對無菌空氣的要求 不同微生物，不同發(fā)酵過程對無菌空氣要求不同：菌種繁殖快，發(fā)酵周期短，要求低；培

2、養(yǎng)基起始pH低或發(fā)酵產(chǎn)酸，要求低；培養(yǎng)基營養(yǎng)差，要求低；代謝產(chǎn)物為抗生素或殺菌劑，發(fā)酵后期要求低；染菌率一般按10-3計，即發(fā)酵1000批次，允許污染12個雜菌。二、空氣除菌的方法 滅菌:是指用物理或化學的方法殺滅或去除物料或設(shè)備中所有生命物質(zhì)的過程。（1） 輻射殺菌 紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子能起滅菌的作用。 穿透力低,用于表面消毒和空氣消毒。X射線、射線也可滅菌。（2） 靜電除菌（0.20.8kW/1000m3hr）原理： 利用靜電引力吸附帶電粒子達到除菌效果. 分電離區(qū)、捕集區(qū)：效率8599%，對微小粒子效率低。（3）化學藥劑滅菌： 如甲醛、氯（或次氯酸鈉）、高錳酸鉀、

3、環(huán)氧乙烷、季銨鹽（如新潔爾滅）等。會與培養(yǎng)基中的一些成分產(chǎn)生作用，且不易去除，不適宜用培養(yǎng)基滅菌。（4） 熱殺菌（5） 介質(zhì)過濾除菌利用過濾方法阻攔微生物達到除菌的目的。工業(yè)上制備無菌空氣最經(jīng)濟實用的方法。 介質(zhì)過濾除菌：介質(zhì)過濾除菌是使空氣通過經(jīng)高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，達到除菌的目的。分深層過濾和絕對過濾兩種。 深層過濾：過濾介質(zhì)材料直徑及形成的網(wǎng)格大于微粒直徑，機理復(fù)雜,例傳統(tǒng)棉花、活性炭等。絕對過濾：過濾介質(zhì)材料直徑及形成的網(wǎng)格比微粒直徑小，PVA燒結(jié)材料 、燒結(jié)金屬、微孔濾膜等，將微粒絕對阻截在介質(zhì)中。三、 空氣過濾除菌流程1、空氣除菌流程： 空氣過

4、濾除菌流程是按生產(chǎn)對無菌空氣要求，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制定的，同時還要結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用設(shè)備的特性進行考慮。 生產(chǎn)中制備無菌空氣的過程大致如下： 空氣 高空取氣管 除塵器 空氣壓縮機 貯氣罐 一級冷卻器 油水分離器 二級分離器 除霧氣 加熱器 總過濾器分過濾器 無菌空氣進發(fā)酵罐 2 除菌流程2、對空氣除菌流程的要求：空氣應(yīng)有一定的壓力，過濾器高效，盡量采用新技術(shù)，流程盡可能簡化，動力消耗低，操作簡便，運轉(zhuǎn)費用低。設(shè)備中要用無油潤滑，否則影響過濾效率。 附屬設(shè)備也要盡量用新技術(shù)，提高效率，減少設(shè)備投資、降低運轉(zhuǎn)費用及動力消耗 。 四、空氣除菌流程分析 生物工廠所使用的空氣除菌流程，隨各地的

5、氣候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。 空氣的相對濕度在50%60%條件下過濾效率高。 （）兩級分離、冷卻、加熱的空氣除菌流程P375特點：兩次冷卻兩次分離，第一次冷至3035，大部分水、油凝結(jié)成較大霧粒，且濃度較高，用選風分離器分離；第二次冷至2025 ，使空氣進一步析出細小水霧、油霧粒子，采用絲網(wǎng)分離器，提高分離效果。 適當加熱：空氣經(jīng)冷卻除水后相對濕度100，采用加熱方法，將相對濕度提高到5060。流程例某除菌流程，空氣壓力為4atm（表壓），要求空氣加熱到35時，相對濕度=60%，問第二級冷卻器應(yīng)至少把空氣冷卻到多少度？（假

6、設(shè)冷卻后的空氣中不含水霧）解：查表35時空氣中的飽和水蒸汽分壓=5619Pa，加熱前冷空氣的相對濕度1=100%，加熱前后空氣濕含量沒有發(fā)生變化，X1X2，加熱前后壓力不變。 所以： X1 0.6221 ps1 1 1 ps1 X2 0.622 2ps2 1 2 ps2 因P1=P2 所以 1 ps1 2ps2 又1 100 ps12ps20.656193371Pa查水蒸汽分壓表得知26水的蒸汽壓力為3371Pa，即第二級冷卻器至少應(yīng)把空氣冷卻到26。（3）高效前置過濾除菌流程 為了提高空氣的無菌程度，可采用高空采風。一般每升高10m，空氣中微生物含量減少一個數(shù)量級。在高空吸風的同時，也可采用

7、高效的前置過濾方法，即在壓縮機前設(shè)置一臺高效過濾器，降低過濾器負荷，提高空氣的無菌程度。前置過濾器可用泡沫塑料（即靜電除菌）、超細纖維紙為過濾介質(zhì)，并串聯(lián)使用。99.99%0.50.20.5 (4)冷凍干燥機流程冷干機具有將空氣中的油水冷凝并除去的作用，可取代兩級冷卻、分離、加熱流程中兩級冷卻器及分離器，使流程簡化。該流程多配備三級不同等級過濾器，可滿足要求；特點：流程簡單、適合各種氣候，占地小，操作方便，但只適用中、小型工廠。五、過濾除菌流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)（1）、粗過濾器預(yù)：安裝在進口， 除去其雜質(zhì)，尤其是硬度較大的灰塵，降低氣缸磨損。布袋式：絨布較好，空氣流量22.5m3/minm2.填料式:

8、 油浴洗滌裝置：易帶油 水霧洗滌裝置空氣12m/s空氣粗濾器又除塵器 ，一般空壓機的附件，在空壓機的空氣進口處，有的單獨設(shè)置。其結(jié)構(gòu)為一個內(nèi)裝過濾介質(zhì)的方形或園形器體。 除菌設(shè)備（2）、空氣壓縮機： 空氣壓縮機 供給發(fā)酵用的無菌空氣，需要克服過濾介質(zhì)的阻力，管道、彎頭的阻力和發(fā)酵液的液柱壓力，同時，維持發(fā)酵罐正壓，空氣壓力一般提高到3.54.0kg/cm2（表壓）。無油潤滑空壓機：活塞環(huán)采用聚四氟乙烯 往復(fù)式：耗油較多，多淘汰；渦輪式：流量大，出氣均勻，無易損件0.20.25MPa螺桿式：因占地小出氣平穩(wěn)受歡迎，技術(shù)要求高0.35 分離器直徑：D=4V/s V通過過濾器時空氣的體積流量m3/s

9、 ； s空容器截面的空氣流速，按絲網(wǎng)間隙中空氣實際流速的75%計，m/s； K=0.067 l霧沫密度，g :空氣密度實際流速： =K l-g/ g （5）、空氣換熱器（冷卻器 、加熱器 ）空氣經(jīng)壓縮，氣溫可達144C左右，而發(fā)酵生產(chǎn)所需空氣的溫度為3034C左右，故需將空氣冷卻或加熱。 常用的類型：立式列管式熱交換器、 沉浸式熱交換器 、 噴淋式熱交換器等。 熱空氣夾帶的油水蒸汽經(jīng)冷凝，由器底排除。 空氣給熱系數(shù)低，一般設(shè)計時要采取適當措施：提高空氣流速510m/s；經(jīng)常改變空氣流向，提高湍流程度。 （6）、過濾器：設(shè)兩級，總過濾器遠， 分過濾器近 2 過濾除菌設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)和計算 傳統(tǒng)的深

10、層過濾設(shè)備，濾層厚度一般為12米，過濾介質(zhì)一般是棉花、活性炭，也有玻璃纖維、焦炭等。對不同材料，不同規(guī)格以及填充情況不同，都會得到不同的過濾效果。 1、深層過濾原理（機理） 3 除菌原理1、深層過濾原理（機理） 空氣中的微生物粒子大小在0.52m之間，過濾介質(zhì)棉花纖維直徑約為1620m 。充填系數(shù)為8%時，棉花纖維所形成網(wǎng)格的孔隙為2050 m ，微粒隨氣流通過濾層時， 如何將直徑小的微粒阻截？（）、慣性沖擊滯留作用機理棉纖維直徑為df的斷面，當微粒隨氣流以一定的速度垂直向纖維 方向運動時，空氣受阻即改變運動方向， 繞過纖維前進，而微粒由于它的運動 慣性較大，未能及時改變運動方向隨主導氣流前進

11、，于是微粒直沖到纖維的表面，由于磨擦粘附，微粒就滯留在纖維表面上，即為慣性沖擊滯留作用。 過濾效率: 1=b/df 實踐證明： 捕集效率1是微粒慣性力的無因次準數(shù)的函數(shù)， 即：1=f（ ） =cpdp2/18df c：層流滑動修正系數(shù)。氣速是影響捕集效率重要因素,下降，慣性力下降， 下降到一定程度，b=0， =1/16，此時1=0。臨界氣速Cdp（m）1 2 3 419 m13 m8 m1 m臨界氣速臨界氣速隨纖維直徑和微粒直徑變化情況Vc=Vs/（1-a）a為填充密度Vs空截面氣速（）、攔截滯留作用機理 氣流速度降到臨界速度時捕集效率顯著下降，但隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的捕集效率又

12、有回升。 （）、布朗擴散作用機理：（）、重力沉降作用機理 ：（）、靜電吸附作用機理以及表面吸附作用機理 ： 函數(shù)關(guān)系 對數(shù)穿透定律： 空氣通過單位慮層后，微粒濃度下降與進入空氣微粒濃度呈正比， -dN/dL=KN dN/dL：單位慮層慮去的微粒數(shù)，個/m整理積分：lg（N2/N1）=-KL 對數(shù)穿透定律，它表示進入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對數(shù)是濾層厚度的函數(shù)K過濾常數(shù)決定與過濾介質(zhì)的性質(zhì)和操作情況（1/厘米） ，K = K lge 過濾常數(shù)，測定K值較困難，可通過過濾效率為90%時的濾層厚度為對比基準。為了實驗和計算的方便，可采用過濾效率為0.9時的濾層厚度作為對比基準：lgN1/

13、N2=L/L90 K=1/ L902相關(guān)問題 對數(shù)穿透定律的校正;過濾壓力降（自學）例、設(shè)計一臺通風量50m3/min的棉花活性炭過濾器，空氣壓力0.4MPa絕壓,已知棉纖維直徑=16um,填充系數(shù)8%,空氣的線速度0.1m/s.若進入過濾器的空氣含菌量5000個/m3,要求因空氣引起的倒罐率為1/1000,發(fā)酵周期78h,工作溫度40,氣溫平均20 ,試計算過濾器的尺寸.由d=16um, a=8%, =0.1m/s 查P381表3-1-2得 K =13.5/mN1=5000507860= 1.2x109 個/罐; N2=10-3 個/罐 L=-1/K lg(N2/N1) =-1/13.5lg

14、 (10-3 / 1.2x109)=P1=0.1MPa, P2=0.4MPa 1=50m3/min=0.83m3/s2= 1P1T2/P2T1=0.22m3/s D= 4 2/ = 4x0.22/0.1 =1.67(m) 調(diào)整3提高過濾效率的措施 A 減少進口空氣的含菌數(shù)：（1）加強衛(wèi)生管理，減少環(huán)境空氣中的含菌量； （2）提高空氣進口位置，減少空氣進口含菌量； （3）加強壓縮前的空氣預(yù)過濾。 B 設(shè)計和安裝合理的空氣預(yù)過濾器。 C 降低進入總過濾器空氣的相對濕度：（1）采用無油潤滑空氣壓縮機； （2）加強壓縮空氣的冷卻，去油去水； （3）提高進入總過濾器的空氣溫度，降低其相對濕度。 3、過濾

15、介質(zhì)和過濾器的結(jié)構(gòu) 過濾介質(zhì)是過濾除菌的關(guān)鍵，其好壞影響介質(zhì)的消耗量，動力消耗（壓力降），操作勞動強度，維護管理等，決定設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸以及運轉(zhuǎn)過程的可靠性。 1常用過濾介質(zhì)A 棉花：要求新鮮，纖維長而疏松，填充均勻，最后壓緊，不得使用脫脂棉。裝填密度150200kg/m3。B玻璃纖維： df819,a610， 它的阻力損失小。C活性炭：D=3mm， L=5-10 mm該介質(zhì)過濾強度高，表面積大，空隙大，阻力小，過濾效率低，只有棉花阻力的1/12，一般與棉花配合使用。D超細玻璃纖維紙： df11.5網(wǎng)格0.55 用無堿玻璃，噴吹成絲狀纖維，再以造紙法做成。屬高氣速過濾，氣流速度越高，效率越高。

16、但其強度小，易斷，多用于分過濾器。 可采取措施：木漿纖維，但效率較低； 環(huán)氧樹脂；多層復(fù)合使用?？稍黾訌姸?，厚度0.25mmm/s PVA高速過濾介質(zhì),氣速1.0m/s時,效率達99.999%耐120、30min反復(fù)殺菌，可用1年。 E、石棉濾板：20石棉，80其它纖維，厚度 35mm，纖維短，直徑粗，效率高。 特點：不怕水，受潮不易穿孔和折斷。 F、燒結(jié)材料過濾介質(zhì)：高效金屬、燒結(jié)陶瓷等。 G、微孔濾膜過濾介質(zhì) :主要有聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯，耐高溫反復(fù)殺菌。如核孔膜，屬絕對過濾，效率99.9999%。 Milipore公司:孔徑0.10.22,小于細菌直徑; Domnick-Huntev

17、公司:0.01,小于噬菌體直徑. 耐121C反復(fù)蒸汽殺菌,公認的最安全、保險。（2）過濾器的結(jié)構(gòu) (圖下頁) A 棉花活性炭過濾器棉花是最常用的過濾介質(zhì)，通常要用纖維不太長的原棉，它具有一定的彈性，幾經(jīng)濕熱滅菌，干燥后仍能保持原有的疏松狀態(tài)。過濾阻力較活性炭大1012倍。 活性炭常被加工成粒狀，其過濾效率比棉花低，但阻力小，吸附力強（可吸附空氣中有害物質(zhì)，如油、水）常與棉花一起使用，減少過濾層的阻力。一般棉花的填充密度為150200kg/m3，活性炭40450kg/m3。 過濾器結(jié)構(gòu)棉花、活性炭過濾器結(jié)構(gòu)圖 彈簧壓緊裝置 殼體 過濾介質(zhì) 壓緊花板 壓緊螺桿壓緊支座彈簧套彈簧B 圓筒型PVA空氣

18、過濾器 120 ，30min殺菌不變形 平板型PVA過濾層斷面 C 絕對過濾薄膜管式過濾器彩色圖 噬菌體孔徑0.10.22m細菌Milipro 公司：孔徑0.22 m孔徑0.01m,可除全部噬菌體英國Domnik Huntev公司生產(chǎn)耐120反復(fù)殺菌.核工業(yè)部的微孔金屬過濾器JLS,鎳質(zhì)管0.3m效率99.9999%0.3以上粒子 (3)、棉花活性炭過濾器的填裝方法孔板 金屬絲網(wǎng) 麻布織品棉花麻布織品活性炭麻布織品棉花麻布織品金屬絲網(wǎng)孔板3 空氣調(diào)節(jié)一、生物工業(yè)對空氣調(diào)節(jié)的要求生物工業(yè)不論是用微生物、動植物細胞或酶等作生物催化劑，還是生產(chǎn)食品原料或藥物原料，都需要潔凈的環(huán)境、適宜的溫度及一定壓

19、力的空氣。例發(fā)酵車間除要求空氣一定潔凈程度外，還需強化通風降溫；包裝車間要求更高潔凈度100級，25C，4060%相對濕度；基因工程菌在發(fā)酵、產(chǎn)物分離提取的車間需要密閉成負壓，防止重組菌株泄漏到環(huán)境中。4 空氣調(diào)節(jié)二、空氣增濕和減濕的原理和方法（一）濕空氣的性質(zhì)1、濕含量濕度：空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量與所含絕干空氣質(zhì)量之比。單位：kg水蒸氣/kg干空氣。2、相對濕度：濕空氣中水蒸氣的分壓與同溫度下水的飽和蒸汽壓之比，是表示濕空氣飽和程度的量。3、熱焓量：濕空氣的熱焓量包括絕干空氣的熱焓量和水蒸氣的熱焓量。 空氣增濕或減濕是空氣與水兩相間傳質(zhì)傳熱同時進行的過程。（二）空氣增濕減濕原理 設(shè)空氣的濕含

20、量，熱焓為I，經(jīng)調(diào)節(jié)后濕含量變化值，熱焓的變化值為I，則I/=I2- I1/2- 1它表示單位濕含量的變化所引起的熱焓量的改變 100% 7 I 12加熱等濕 13加熱增濕231空氣增濕的機理：MN為相界面，界面上空氣的濕含量i，空氣主體濕含量，濕球溫度ti， 水分 i就是ti下飽和空氣的濕含量，因存 潛熱在= i- ，空氣不斷增濕；同時 顯熱 氣溫高于水溫，熱量從空氣傳遞到水，放出顯熱自身降溫，水吸收顯熱升溫，但水汽化后把潛熱帶到空氣中，兩部分熱量傳遞方向相反，可視為等焓過程?？諝鉁p濕機理：P397-398水空氣MN三、空氣增減濕的方法1、增濕方法：向空氣中直接噴蒸汽； 向不飽和空氣中直接噴

21、大量水； 空氣混合增濕發(fā)芽室內(nèi)外空氣混合。2、空氣減濕的方法：噴淋低于該空氣露點溫度的冷水；用熱交換器將空氣冷卻到露點以下，析出水分；空氣壓縮后，冷卻至初溫；用吸附劑吸收空氣中水分；與干燥空氣混合減濕。四、空調(diào)設(shè)備：P400通風式發(fā)芽的空調(diào)設(shè)備有兩種：立式、臥式立式：空調(diào)室前設(shè)風機，室內(nèi)設(shè)若干噴嘴、立式隔板及瀉水池。臥式：與上基本相同，空調(diào)室前后設(shè)空氣分布板和擋水板，一般配2個發(fā)芽箱。風機薩拉丁發(fā)芽箱靜電除菌裝置無菌空氣無菌空氣：指通過除菌處理使空氣中含菌量降低到零或極低，使污染的可能性降至極小的空氣。一般染菌幾率按10-3來計算。金屬燒結(jié)過濾材料A干熱滅菌：160保溫1h。主要針對必須保持干燥的實驗器具或材料（培養(yǎng)皿、接種針、固定化細胞用的載體材料等）。B 濕熱滅菌 120維持2030 min濕熱滅菌為最基本的滅菌方法，因為蒸汽穿透能力強，而且在冷凝時放出大量的冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺滅微生物。但如果