無菌空氣技術(shù)無菌空氣技術(shù)第一節(jié)空氣中的微生物和除菌方法第二節(jié)空氣的過濾除菌原理和過濾介質(zhì)第三節(jié)空氣過濾除菌的工藝技術(shù)第四節(jié)常用空氣過濾器介紹及檢測第一節(jié)空氣中的微生物和除菌方法空氣中的微生物種類及分布空氣除菌的方法和要求一、空氣中的微生物種類及分布空氣中常見的微生物種類有多種芽孢桿菌、變形桿菌、產(chǎn)氣桿菌、酵母菌和病毒等?？諝庵形⑸飻?shù)量與環(huán)境有關(guān)，地區(qū)、季節(jié)、氣候等都會影響。一般設(shè)計時以含量為103~104個／m3進行計算?？諝庵谐Ｒ娢⑸锓N類及大小微生物寬/μm長/μm產(chǎn)氣桿菌1.0-1.51.0-2.5蠟狀芽孢桿菌1.3-2.08.1-25.8普通變形桿菌0.5-1.01.0-3.0地衣芽孢桿菌0.5-0.71.8-3.3巨大芽孢桿菌0.9-2.12.0-10.0蕈狀芽孢桿菌0.6-1.61.6-13.6枯草芽孢桿菌0.5-1.11.6-4.8金黃色小球菌0.5-1.00.5-1.0酵母菌3.0-5.05.0-19.0病毒0.0015-0.2250.0015-0.28霉?fàn)罘种U菌0.6-1.61.6-13.6二、空氣除菌的方法和要求發(fā)酵工業(yè)應(yīng)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”。標(biāo)準一般是99.99%，空氣滅菌的方法空氣滅菌的方法熱滅菌法輻射滅菌法靜電除菌法介質(zhì)過濾除菌法1、熱滅菌法空氣熱滅菌不需要通過蒸汽或者加熱載體加熱，直接通過空氣壓縮之后的溫度提升即可完成滅菌過程。小型空氣壓縮機2、輻射滅菌法各種射線級超聲波等理論上都能破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)，從而起到殺菌作用。輻射滅菌僅用于表面滅菌和有限空間滅菌。應(yīng)用最廣泛的是紫外線滅菌，常與甲醛蒸汽一起結(jié)合進行滅菌。3、靜電除菌法近年來一些工廠已使用靜電除塵器除去空氣中的水霧、油霧和塵埃，同時也除去了空氣中的微生物。利用靜電引力來吸附帶電的粒子達到除塵滅菌的效果。1-鋼絲（電暈電極）；2-鋼管（沉淀電極）；3-高壓絕緣瓷瓶；4-鋼板；5-空氣入口；6-封頭；7-鋼板；8-法蘭；9-空氣出口。

4、介質(zhì)過濾除菌法讓含菌空氣通過過濾介質(zhì)，以阻截空氣中含有的微生物，從而獲得無菌空氣。原理：將介質(zhì)填充到過濾器中，空氣流過借助于慣性碰撞、阻截、擴散、靜電等作用將塵埃微生物留在介質(zhì)中，達到除菌效果。過濾器有很多種，根據(jù)過濾方式和過濾介質(zhì)的不同可以進行區(qū)分。無菌空氣質(zhì)量要求發(fā)酵用無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣；空氣的壓強（表壓）0.2-0.35MPa；進入過濾器之前，空氣的相對濕度小于70％；進入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度稍高壓縮空氣的潔凈度，取失敗率為10－3。第二節(jié)空氣的過濾除菌原理和

過濾介質(zhì)空氣過濾除菌的原理空氣過濾除菌的介質(zhì)介質(zhì)過濾的效率影響過濾除菌效果的因素提高過濾除菌效率的措施一、空氣過濾除菌的原理介質(zhì)過濾是以大空隙的介質(zhì)過濾層除去較小顆粒，這顯然不是面積過濾（即不是絕對過濾），而是一種滯留現(xiàn)象。這種滯留現(xiàn)象是由多種作用機制構(gòu)成的，主要有慣性碰撞、阻截、布朗運動、重力沉降和靜電吸引等。1、慣性沖擊滯留作用

當(dāng)微生物等顆粒隨空氣以一定速度流動，在接近纖維時，氣流碰到纖維而受阻，空氣就改變運動方向繞過纖維繼續(xù)前進。但微生物等顆粒由于具有一定質(zhì)量，在以一定速度運動時具有一定慣性，碰到纖維時，由于慣性作用而離開氣流碰到纖維表面上，由于摩擦、粘附作用，被滯留在纖維表面上。這種現(xiàn)象稱作慣性沖擊滯留作用慣性沖擊滯留作用纖維能滯留微粒的寬度區(qū)域b與纖維直徑df之比，稱為單纖維的慣性沖擊捕獲效率，可用

1表示：纖維滯留微粒的寬度b的大小由微粒的運動慣性所決定；微粒的運動慣性越大，它受氣流換向干擾越小，b值就越大。

1=

bdf慣性沖擊滯留作用

氣流速度下降到微粒的慣性力不足以使微粒脫離主導(dǎo)氣流對纖維產(chǎn)生碰撞，即在氣流的任一處，微粒也隨氣流改變方向而繞過纖維前進，即b=0，纖維的碰撞滯留效率等于0，這時的氣流速度稱為慣性碰撞的臨界速度vc。vc=Vs1－

Vs

—

容器截面的空氣速度；

—

介質(zhì)填充密度慣性碰撞的臨界速度受填充密度的影響2、攔截滯留作用

當(dāng)氣流速度在臨界速度以下，顆粒不再由于慣性碰撞而滯留。但是，顆粒質(zhì)量很小，在氣流繞過纖維時，顆粒仍然隨氣流運動，在氣流速度低時，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，在滯流區(qū)內(nèi)氣流速度更慢，進入滯留區(qū)的顆粒緩慢接近纖維，并與之接觸，由于摩擦、粘附作用而被滯留。這就是阻截（攔截）滯留作用

在介質(zhì)過濾除菌中并非主要作用

攔截滯留作用對微粒的捕獲效率

2與氣流的雷諾準數(shù)和微粒與纖維的直徑比相關(guān)攔截滯留作用

雷諾準數(shù)是一個無因次數(shù)群，是流體流動狀態(tài)各方面因素的綜合體現(xiàn)，是許多化工過程計算的必需參數(shù)。

3、布朗運動

直徑小于1m的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的直線運動，即布朗運動。

使較小的顆粒凝聚為較大顆粒，隨即可能產(chǎn)生重力沉降或被過濾介質(zhì)截留；

氣流速度大時，凝聚現(xiàn)象為慣性碰撞所取代4、重力沉降作用

再小的微粒也有重力；

當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就會沉降。

對于小顆粒而言，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(nèi)，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕獲效率。5、靜電吸引作用

許多微生物和孢子都帶有電荷

具有一定速度的氣流通過介質(zhì)濾層時，由于摩擦作用而產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷

當(dāng)菌體所帶電荷與介質(zhì)電荷相反時，即發(fā)生靜電吸附作用二、空氣過濾除菌的介質(zhì)常用的過濾介質(zhì)：4）超細玻璃纖維絲利用高質(zhì)量的無堿玻璃采用噴制法制成的1–1.5m的細絲；1）棉花宜選用纖維細長、疏松的新棉花；2)活性炭3mm,長5–10mm,圓柱狀，有較大的表面積，通過物理吸附作用而吸附微生物。；3）玻璃纖維

8–19m；活性炭玻璃纖維二、空氣過濾除菌的介質(zhì)5）紙類過濾介質(zhì)指玻璃纖維紙，屬于深層過濾技術(shù)；6）微孔濾膜類過濾介質(zhì)

小于0.5m，甚至小于0.1m，能將空氣中的細菌真正濾去，也是絕對過濾。三、介質(zhì)過濾效率

濾層所濾去的微粒數(shù)與原有微粒數(shù)之比稱為過濾效率，用

表示，是衡量過濾設(shè)備過濾能力的指標(biāo)。

=

N1

－N2N1=1－N2N1=1－PN1—

過濾前空氣中的微粒含量（個）；

N2

—

過濾后空氣中微粒含量（個）；

N2/N1

—

過濾后過濾前空氣中微粒數(shù)的比值，稱為穿透率P

空氣過濾器的過濾效率主要與微粒的大小、過濾介質(zhì)的種類和規(guī)格（纖維直徑）、介質(zhì)的填充密度、過濾介質(zhì)層厚度以及所通過的空氣氣流速度等因素有關(guān)。

在一定條件下（包括氣流速度、溫度、介質(zhì)種類、填充密度、雜菌種類等），通過單位高度介質(zhì)層后，雜菌濃度的下降量與進入此介質(zhì)層的雜菌量成正比。即：dN/dL=－KN0dN/dL

—

單位濾層所除去的微粒數(shù)（個/cm）；L

—

濾床厚度（cm）；K

—

過濾常數(shù)或除菌常數(shù)（cm－1）上式整理并積分，可得：lnNsN0=－KL對數(shù)穿透定律—表示進入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層微粒數(shù)之比的對數(shù)是濾層厚度的函數(shù)。L=

1KlnN0NsN0

—

過濾前空氣中的微粒含量（個）；Ns—

過濾后空氣中微粒含量（個）；K

—

過濾常數(shù)或除菌常數(shù)（cm－1）

常數(shù)K值與氣流速度、纖維直徑、介質(zhì)填充密度以及空氣中顆粒大小等有關(guān)。K值可通過實驗測得，也可通過計算求得。

若令Ns=0，則L=∞，事實上也不可能；一般取Ns=0.001

對數(shù)穿透定律表達式說明介質(zhì)過濾不能長期獲得100%的過濾效率，即經(jīng)過濾的空氣不是長期無菌，只是延長空氣中帶菌微粒在過濾器中滯留的時間。過濾介質(zhì)使用時間長，滯留的帶菌微粒就有可能穿過。所以過濾器必須定期滅菌。四、影響過濾除菌效果的因素1）纖維直徑介質(zhì)過濾效率與介質(zhì)纖維直徑關(guān)系很大，在其他條件相同時，介質(zhì)纖維直徑越小，過濾效率越高。2）介質(zhì)填充厚度3）介質(zhì)填充密度增加填充密度，可提高過濾效率4）空氣流速在空氣流速很低時，過濾效率隨氣流速度增加而降低；當(dāng)氣流速度增加到臨界值后，過濾效率隨氣流速度增加而提高。五、提高過濾除菌效率的措施減少進口空氣的含菌量；設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率高的過濾介質(zhì)；設(shè)計合理的空氣預(yù)處理設(shè)備，以達到除油、水和雜質(zhì)的效果；降低進入空氣過濾器的空氣的相對濕度，保證過濾介質(zhì)在干燥狀態(tài)下工作。第三節(jié)空氣過濾除菌的工藝技術(shù)對空氣過濾除菌工藝流程的要求空氣的預(yù)處理空氣過濾除菌工藝流程一、對空氣過濾除菌工藝流程的要求需要空氣壓縮機提供具有足夠能量的空氣；需要具有高效的過濾除菌能力的設(shè)備；需要精簡工藝流程，降低設(shè)備投資等；工藝設(shè)計要選擇好吸風(fēng)條件、加強除水設(shè)備、降低負荷、提高空氣無菌程度?？諝鈮嚎s機小型空壓機大型空壓機排出壓力：一般2～4kg/cm2工作的基本原理：打氣筒如何工作？

空壓機的壓縮過程是依靠汽缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運動而進行的（故稱往復(fù)式）

其工作過程分3步：吸氣→壓縮→排氣空壓機工作原理示意圖吸氣閥排氣閥活塞汽缸排氣閥吸氣閥單吸式雙吸式空壓機工作原理◆

活塞來回一次，完成一次工作循環(huán)（吸氣→壓縮→排氣）◆

沖程：活塞每來或回一次的距離◆

余隙：在實際壓縮過程中，活塞并不壓到汽缸的最底部；一般占汽缸總體積的3～8%?！?/p>

氣缸冷卻：水冷和風(fēng)冷；水冷更常用曲軸帶動活塞工作多級壓縮要得到壓力較高的壓縮空氣，單靠一級壓縮是不能完成的；因氣體被壓縮會產(chǎn)生大量的熱，氣體溫度上升，氣體的壓縮比（氣體壓縮后與壓縮前的壓力比）愈大，則氣體的溫度上升越高，當(dāng)壓力比達到一定數(shù)值時，氣體的溫度達到壓縮機潤滑油的閃點（200～240℃），潤滑油被燒成炭渣。同時，氣體溫度越高，所消耗的動能也越大。在多級壓縮中，每級的壓力比都較低，逐級提高壓力比，而且在每級壓縮后，有級間冷卻器把前一級壓縮的氣體冷卻到第一級吸入時的溫度，故消耗功率低。二、空氣的預(yù)處理空氣預(yù)處理的目的：提高壓縮前空氣的潔凈度和去除壓縮后空氣中所帶的油和水。1.提高壓縮前空氣的潔凈度（1）提高空氣吸氣口的位置（2）在空氣入口處設(shè)置粗過濾器——捕集較大的灰塵顆粒，并保護空壓機。高空取氣管為遠離地面幾十米的管子。每升高10米，空氣中雜菌降低一個數(shù)量級。因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。粗過濾器作用：主要是捕集較大的灰塵顆粒

要求：過濾效率高，阻力?。ㄗ枇Υ髣t增加空壓機的吸入負荷，降低壓縮空氣的排出量）

型式：布袋式過濾器、油浴洗滌過濾器水霧除塵過濾器、填料式過濾器旋風(fēng)分離式過濾器壓縮空氣的冷卻空氣在壓縮后濕含量不變，在其未經(jīng)冷卻時，由于溫度很高，所以相對濕度很小，但當(dāng)其冷卻時，相對濕度急劇增大。這一點對空氣除菌是不利的，因為壓縮后的空氣必須冷卻，而冷卻后的空氣相對濕度將增加，很有可能達到飽和而有水滴析出，從而打濕空氣過濾介質(zhì)。空氣露點空氣露點：使水蒸氣達到飽和時的溫度。測得露點溫度，就可以從水蒸氣的飽和含量表中查得其水蒸氣含量。由于溫度降低過程中水蒸氣含量并沒有改變，因此，測定露點實際上就是測定了空氣中的絕對濕度。如果露點越低，表示空氣中的水分含量越少。夜間空氣溫度降低時，空氣中的水分會有一部分析出，形成露水或霜。這說明在水蒸氣含量不變的情況下，由于溫度的降低，能夠使空氣中原來未達飽和的水蒸氣可變成飽和蒸氣，多余的水分就會析出。測得露點溫度，就可以從水蒸氣的飽和含量表中查得其水蒸氣含量。由于溫度降低過程中水蒸氣含量并沒有改變，因此，測定露點實際上就是測定了空氣中的絕對濕度。如果露點越低，表示空氣中的水分含量越少。壓縮空氣的冷卻過高溫度的壓縮空氣如果直接進入空氣過濾器，有可能引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒；且增大了發(fā)酵罐的降溫負荷；高溫空氣還會增加發(fā)酵液水分的蒸發(fā)，影響微生物的生長。冷卻器類型：立式列管式熱交換器、沉浸式熱交換器、噴淋式熱交換器壓縮空氣除水和除油使用氣液分離器除去壓縮后的濕空氣。氣液分離器型式：旋風(fēng)分離器和絲網(wǎng)分離器旋風(fēng)分離器

利用氣流從切線方向進入容器，在容器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運動時產(chǎn)生的離心力場來分離重度較大的微粒。絲網(wǎng)分離器利用填料的慣性攔截三、空氣過濾除菌工藝流程兩級冷卻、加熱除菌流程冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程高效前置過濾空氣除菌流程利用熱空氣加熱冷空氣的流程一次冷卻和析水的空氣過濾流程兩級冷卻、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(fēng)分離器7--絲網(wǎng)分離器8--加熱器9--總過濾器

空氣從采氣口進入過濾系統(tǒng)前，先經(jīng)過粗過濾器過濾，再進入空氣壓縮機，經(jīng)壓縮升溫后的空氣經(jīng)過兩次冷卻后，再被加熱和過濾。冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程經(jīng)粗過濾和壓縮后的空氣，從儲罐出來后分兩部分，一部分進入冷卻器，冷卻到低溫，經(jīng)分離器分離油水之后與另一部分未處理的高壓空氣混合，再進入過濾器。1--粗過慮器2--壓縮機3--貯罐4--冷卻器5--絲網(wǎng)分離器6---總過濾器高效前置過濾空氣除菌流程采用高效率的前置過濾設(shè)備，利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經(jīng)過中、高溫過濾器后，再進入空壓機，降低主過濾器的負荷。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--總過濾器注意事項空氣取氣口伸向高空，背風(fēng)取氣。空氣進入空壓機前，要先經(jīng)過粗過濾器。否則空氣中的塵埃顆粒就會直接進入到空壓機的汽缸內(nèi)，與汽缸發(fā)生摩擦造成汽缸磨損。汽缸就會產(chǎn)生縫隙而漏氣，從而影響空壓機的工作效率。空壓機出來的壓縮空氣需要布置貯氣罐。空壓機出來的壓縮空氣是一個脈沖狀態(tài)的氣流，但是在介質(zhì)過濾器的過濾要求是一個穩(wěn)態(tài)流體?？諝赓A罐，可以把壓縮機出來的脈沖壓縮空氣流態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)。壓縮空氣進入介質(zhì)過濾器前要適當(dāng)加熱至空氣露點溫度以上。結(jié)露析出水分、油漬時壓縮空氣處于飽和狀態(tài)，相對濕度100%，果直接進入過濾器，就會很容易濕潤過濾介質(zhì)，引起空氣除菌不徹底。加熱，使壓縮空氣的相對濕度下降到60%左右，才能進入過濾器。介質(zhì)過濾器要定期拆洗、殺菌。介質(zhì)過濾不能長期獲得100％的過濾效率。滅菌后的過濾介質(zhì)一定要用空氣吹干后再投入使用。無菌空氣在進入發(fā)酵罐前要經(jīng)過分過濾器。無菌空氣制備流程線路較長，比較容易在管路中出現(xiàn)二次污染，為了避免二次污染帶到發(fā)酵罐，在發(fā)酵罐前設(shè)置分過濾裝置。過濾器壁不要形成氧化層，氧化鐵是多孔物質(zhì)，帶菌空氣可從中穿過。過濾器壁外要有保溫層，否則壁內(nèi)易形成冷凝水，使介質(zhì)受潮而失效，加劇器壁的氧化生銹。注意氣流速度和壓力的變化，防止突然開大流量或降低壓力，介質(zhì)上邊和下邊的空氣壓差過大或氣流沖力過大造成介質(zhì)層的翻動移位或破壞?？刂坪糜退蛛x器液位，及時排放分離掉的油水，避免器內(nèi)液位過高而引起氣體帶液，降低分離器的分離效率。防止空氣冷卻器漏水，操作中控制冷卻水壓力不超過空氣壓力。第四節(jié)常用空氣過濾器介紹及檢測過濾器介質(zhì)目前我國的制藥廠發(fā)酵裝置使用的空氣過濾器的過濾介