1、第四章 無菌空氣的制備,本章內容,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 第三節(jié) 空氣過濾除菌的工藝技術,第一節(jié) 空氣中的微生物和除菌方法,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、產氣桿菌、酵母菌和病毒等。 空氣中微生物數(shù)量與環(huán)境有關，地區(qū)、季節(jié)、氣候等都會影響。 一般設計時以含量為103104個m3進行計算。 空氣中塵埃數(shù)（x/m3）與細菌數(shù)（y/m3）的關系： y=0.003x-2.6,二、空氣除菌的方法和要求,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。

2、 無菌空氣的標準一般是99.99% 空氣滅菌的方法,熱滅菌法 輻射滅菌法 靜電除菌法 介質過濾除菌法,1. 熱滅菌法,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完成滅菌過程。,空氣壓縮機,200 15.1 s 250 5.1 s 300 2.1 s 350 1.05 s,原理：加熱后微生物體內的蛋白質（酶）氧化變性 不同溫度下殺死空氣中微生物所需時間,2. 輻射滅菌法,射線、X射線、射線、射線、紫外線、超聲波照射 原理：破壞蛋白質，破壞生物活性物質 輻射滅菌僅用于表面滅菌和有限空間滅菌。 應用最廣泛的是紫外線滅菌，常與甲醛蒸汽一起結合進行滅菌。,3. 靜電除菌法,近年來一些

3、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。 原理：靜電引力吸附帶電的粒子 靜電除塵滅菌器,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. 介質過濾除菌法,讓含菌空氣通過定期滅菌的干燥過濾介質，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中，達到除菌效果。 過濾器有很多種，根據過濾方式和過濾介質的不同可以進行區(qū)分（填充床/膜）。,第二節(jié) 空氣的過濾除菌原理和過濾介質,一、空氣

4、過濾除菌的原理 二、空氣過濾除菌的介質 三、介質過濾的效率 四、影響過濾除菌效果的因素 五、提高過濾除菌效率的措施,一、空氣過濾除菌的原理,絕對過濾/相對過濾 介質過濾：以大空隙的介質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（相對過濾）。 這種滯留現(xiàn)象是由多種作用機制構成的，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,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。 微生物等顆粒：由于具有一定質量，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

5、到纖維表面上，由于摩擦、粘附作用，被滯留在纖維表面上。,2. 攔截滯留作用,微生物等顆粒隨空氣以一定速度流動，在接近纖維時： 氣流：速度在臨界速度以下，顆粒不再由于慣性碰撞而滯留。 顆粒：粒徑小，質量輕，氣流繞過纖維時仍隨氣流運動，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，在滯留區(qū)內氣流速度更慢，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。,3. 重力沉降作用,再小的微粒也有重力 當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。 一般它是與攔截滯留作用相配合的，即在纖維的邊界滯留區(qū)內，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕獲效率。,

6、4. 布朗擴散截留作用,布朗運動：直徑小于1 m的微粒在很慢的氣流中能產生一種不規(guī)則的直線運動。,使較小的顆粒凝聚為較大顆粒，隨即可能產生重力沉降或被過濾介質攔截截留；,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濾層時，由于摩擦作用而產生誘導電荷 當菌體所帶電荷與介質電荷相反時，即發(fā)生靜電吸附作用 一般認為慣性撞擊截留、攔截截留和布朗運動截留的作用較大，重力和靜電引力作用較小。,二、空氣過濾除菌的介質,1. 過濾介質的條件 多孔性 化學穩(wěn)定性 足夠的機械強度，使用壽命長,2. 常用的過濾介質：,4）超細玻璃纖維絲：利用高質量的無堿玻璃采用噴制法制成的 1 1.5

7、 m的細絲；,1）棉花：宜選用纖維細長、疏松的新棉花；,2）活性炭：直徑3 mm ,長5 10 mm, 圓柱狀，有較大的表面積，通過物理吸附作用吸附微生物；,3）玻璃纖維：直徑819 m；,二、空氣過濾除菌的介質,5）紙類過濾介質：玻璃纖維紙，多層使用 ； 6）微孔濾膜類過濾介質：直徑小于0.5 m，甚至小于0.1 m，能將空氣中的細菌真正濾去，也是絕對過濾。,常見過濾介質,三、介質過濾效率,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 ，是衡量過濾設備過濾能力的指標。,= 1P,N1 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 過濾后與過濾前

8、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、過濾介質的種類和規(guī)格（纖維直徑）、介質的填充密度、過濾介質層厚度以及所通過的空氣氣流速度等因素有關。 在一定條件下（包括氣流速度、溫度、介質種類、填充密度、雜菌種類等），通過單位高度介質層后，雜菌濃度的下降量與進入此介質層的雜菌量成正比。即：,dN / dL = KN0,dN / 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) （cm1）,上式整理并積分，可得：,ln,Ns N0,= 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 =

9、,1 K,ln,N0 Ns,N0 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) （cm1）, 常數(shù)K值與氣流速度、纖維直徑、介質填充密度以及空氣中顆粒大小等有關。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, 過濾效率隨濾層厚度的增加而增加。,四、影響過濾除菌效果的因素,1. 纖維直徑,在其他條件相同時，介質纖維直徑越小，形成的網格越細密、層數(shù)越多，過濾效率越高。,2. 介質填充厚度：,3. 介質填充密度,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

10、氣流速度增加而降低；當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。,對數(shù)穿透定律,五、提高過濾除菌效率的措施,1. 減少進口空氣的含菌量； 2. 設計和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率高的過濾介質； 3. 設計合理的空氣預處理設備，以達到除油、水和雜質的效果； 4. 降低進入空氣過濾器的空氣的相對濕度，保證過濾介質在干燥狀態(tài)下工作。,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備； 需要精簡工藝流程，降低設備投資等； 工藝設計要選擇好吸風條件、加強除水設備、降低負荷、提高空氣無菌程度。 流程：吸入空氣 前過濾 空氣壓縮機

11、冷卻 除油、水 加熱 空氣過濾器 無菌空氣,第三節(jié) 空氣過濾除菌的工藝技術,1. 粗過濾器,作用：捕集較大的灰塵顆粒,要求：過濾效率高，阻力小 （阻力大則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 旋風分離式過濾器,二、空氣的預處理,空氣預處理的目的：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。 前過濾（粗過濾器） 空氣壓縮（空氣壓縮機） 壓縮空氣的冷卻（熱交換器） 壓縮空氣除水、油（氣液分離器）,2. 空氣壓縮機,小型空壓機,大型空壓機,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,

12、雙吸式,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（200240），潤滑油被燒成炭渣。,3. 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的炭化或燃燒；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,4. 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：旋風分

13、離器和絲網分離器,旋風分離器,利用氣流從切線方向進入容器，在容器內形成旋轉運動時產生的離心力場來分離重度較大的微粒。,絲網分離器,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 將空氣冷卻至露點以上的流程 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. 旋風分離器 7. 絲網分離器 8. 加熱器 9. 總過濾器,空氣從采氣口進入過濾系統(tǒng)前，先經過粗過濾器過濾，再進入空氣壓縮機，經壓縮升溫后的空氣經過兩次冷卻后，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