空氣過濾除菌（課堂PPT）

1、1第4章 空氣除菌的工藝及設(shè)備 空氣中微生物的分布 空氣除菌方法 過濾除菌的機(jī)理 空氣過濾除菌的流程 介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算 食藥微生物檢測(cè)食藥微生物檢測(cè)https:/ 發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)是利用好氣性微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，空氣則是微生物生長(zhǎng)和代謝必不可少的條件。但空氣中含有各種各樣的微生物，這些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會(huì)迅速大量繁殖，消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物；干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)率下降，甚至徹底失敗。因此，無菌空氣的制備就成為發(fā)酵工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。空氣凈化的方法很多，但各種方法的除菌效果、設(shè)備條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各不相同。實(shí)際生產(chǎn)中所需的除

2、菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定，既要避免染茵，又要盡量簡(jiǎn)化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力消耗。本章將討論合理選擇除菌方法，決定除菌流程以及選用和設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要的除菌設(shè)備等。 34.1空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無菌程度的要求空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無菌程度的要求 4.1.1無菌空氣無菌空氣 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微生物含量降低在一個(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。滿足發(fā)酵生產(chǎn)的空氣稱為“無菌空氣”。 4.1.2空氣中微生物的分布空氣中微生物的分布 氣候條件 人類活動(dòng) 垂直高度 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

3、條件的變化而異，一般設(shè)計(jì)時(shí)以含量為103104個(gè)m3進(jìn)行計(jì)算。4 4.1.3發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求 各種不同的發(fā)酵過程，由于所用菌種的生長(zhǎng)能力、生長(zhǎng)速度、產(chǎn)物性質(zhì)、發(fā)酵周期、基質(zhì)成分及pH值的差異，對(duì)空氣無菌程度的要求也不同。如酵母培養(yǎng)過程，其培養(yǎng)基以糖源為主，能利用無機(jī)氮，要求的pH值較低，一般細(xì)菌較難繁殖，而酵母的繁殖速度又較快，能抵抗少量的雜菌影響，因此對(duì)無菌空氣的要求不如氨基酸、抗生素發(fā)酵那樣嚴(yán)格。而氨基酸與抗生素發(fā)酵因周期長(zhǎng)短不同，對(duì)無菌空氣的要求也不同。總的來說，影響因素是比較復(fù)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(jī)率為10-3來計(jì)算，即

4、1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許12次染菌。5注意 雖然一般懸浮在空氣中的微生物，大多是能耐惡劣環(huán)境的孢子或芽孢，繁殖時(shí)需要較長(zhǎng)的調(diào)整期。但是在陰雨天氣或環(huán)境污染比較嚴(yán)重時(shí)，空氣中也會(huì)懸浮大量的活力較強(qiáng)的微生物，它進(jìn)入培養(yǎng)物的良好環(huán)境后，只要很短的調(diào)整期，即可進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期而大量繁殖。一般細(xì)菌繁殖一代僅需2030min，如果進(jìn)入一個(gè)細(xì)菌，則繁殖15h后，可達(dá)109個(gè)。如此大量的雜菌必使發(fā)酵受到嚴(yán)重干擾或失敗，所以計(jì)算是以進(jìn)入1、2個(gè)雜菌即失敗作為依據(jù)的。 6 4.1.4空氣含菌量的測(cè)定空氣含菌量的測(cè)定 空氣是許多氣態(tài)物質(zhì)的混合物，主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，還有惰性氣體及二氧化碳和水蒸汽。除氣

5、體外，尚有懸浮在空氣中的灰塵，而灰塵主要由構(gòu)成地殼的無機(jī)物質(zhì)微粒、煙灰和植物花粉等組成。一般城市灰塵多于農(nóng)村，夏天多于冬天，特別是氣候溫和濕潤(rùn)地區(qū)，空氣中的菌量較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大城市每立方米空氣中的含菌數(shù)約為300010000個(gè)。要準(zhǔn)確測(cè)定空氣中的含菌量來決定過濾系統(tǒng)或查定過濾空氣的無菌程度是比較因難的。 74.2 空氣除菌方法空氣除菌方法對(duì)空氣的要求隨發(fā)酵類型不同而異 厚層固體曲需要的空氣量大，壓力不高，無菌度不嚴(yán)格，可選用離心式通風(fēng)并經(jīng)適當(dāng)?shù)目照{(diào)處理(溫、濕)就可以了；酵母培養(yǎng)消耗空氣量大，無菌度也不十分嚴(yán)格，但需要一定壓力以克服發(fā)酵罐的液柱阻力，所以一船采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)或高壓離心式鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)

6、； 而對(duì)于密閉式深層好氣發(fā)酵則需要嚴(yán)格的無菌度，必須經(jīng)過除菌措施，由于空氣中含有水分和油霧雜質(zhì)，又必須經(jīng)過冷卻、脫水、脫油等步驟，因此，無菌空氣的制備須經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的空氣處理過程。同時(shí)，為了克服設(shè)備和管道的阻力并維持一定的罐壓，需采用空氣壓縮機(jī)。8空氣除菌的方法 4.2.1輻射滅菌輻射滅菌 射線、X射線、射線、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。但應(yīng)用較廣泛的還是紫外線，它在波長(zhǎng)為226.5328.7nm時(shí)殺菌效力最強(qiáng)，通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。但殺菌效率較低，殺菌時(shí)間較長(zhǎng)。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。9 4.2.2加熱滅菌加熱

7、滅菌 雖然空氣中的細(xì)菌芽孢是耐熱的，但溫度足夠高也能將它破壞。例如懸浮在空氣中的細(xì)菌芽孢在218C下24s就被殺死。但是如果采用蒸汽或電熱來加熱大量的空氣，以達(dá)到滅菌目的，這樣太不經(jīng)濟(jì)。利用空氣壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱進(jìn)行滅菌對(duì)于無菌要求不高的發(fā)酵來說則是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的方法； 采用加熱滅菌法時(shí)，要根據(jù)具體情況適當(dāng)增加一些輔助措施以確保安全。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)低，受熱不很均勻，同時(shí)在壓縮機(jī)與發(fā)酵罐間的管道難免有泄漏，這些因素很難排除，因此通常在進(jìn)發(fā)酵罐前裝一臺(tái)空氣分過濾器。1011 4.2.3靜電除菌靜電除菌 靜電防塵是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除靜電防塵是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵

8、、除菌的目的菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，其孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)時(shí)都會(huì)被電離變成帶電微粒。但對(duì)于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，則微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對(duì)很以靜電除塵對(duì)很小的微粒效率較低。小的微粒效率較低。1213 用靜電除菌凈化空氣有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)阻力小，約1.01325104Pa； (2)染菌率低，平均低于1015； (3)除水、除油的效果好； (4)耗電少。 缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，需要采用高壓電技術(shù)，且一次性投資較大；對(duì)發(fā)酵工業(yè)來說，其捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。 144.2.4介質(zhì)過濾介質(zhì)過濾 介質(zhì)過濾是目前發(fā)酵工業(yè)上常使用的

9、空氣除菌方法。它采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻截流過的空氣中所含的微生物，從而制得無菌空氣。常用的過濾介質(zhì)有棉花；活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無機(jī)燒結(jié)材料等。由于被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小，一般只有0.52m，而過濾介質(zhì)的材料一般孔徑都大于微粒直徑幾倍到幾十倍，因此過濾機(jī)理比較復(fù)雜；隨著工業(yè)的發(fā)展，過濾介質(zhì)逐漸由天然材料棉花過渡到玻璃纖維、超細(xì)玻璃纖維和石棉板、燒結(jié)材料(燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料)、微孔超濾膜等。而且過濾器的形式也在不斷發(fā)生變化，出現(xiàn)了一些新的形式和新的結(jié)構(gòu)，把發(fā)酵工業(yè)中的染菌控制在極小的范圍。154.3 過濾除菌的機(jī)理過濾除菌的機(jī)理 目前發(fā)酵工廠采用的空氣過濾

10、設(shè)備大多數(shù)是深層過濾器和玻璃纖維過濾紙過濾器，所用的過濾介質(zhì)一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纖維、焦炭和超細(xì)玻璃纖維、維尼龍等。對(duì)不同的材料、不同規(guī)格、不同填充情況，都會(huì)得到不同的過濾效果。16空氣溶膠的過濾除菌原理與通常的過濾原理不一樣，一方面是由于空氣溶膠中氣體引力較小，且微粒很小，常見懸浮于空氣中的微生物粒子在052m之間，深層過濾所用的過濾介質(zhì)-棉花的纖維直徑一般為16 20m，填充系數(shù)為8時(shí)，棉花纖維所形成的孔隙為2050m；超細(xì)玻璃纖維濾板因纖維直徑很小，為115m。微粒隨氣流通過濾層時(shí)，濾層纖維所形成的網(wǎng)格阻礙氣流直線前進(jìn)，使氣流無數(shù)次改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)。這些改變

11、引起微粒對(duì)濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、重力沉降、阻攔、布朗擴(kuò)散、靜電吸引等作用而將微粒滯留在纖維表面上。17 4.3.1擴(kuò)散捕集作用擴(kuò)散捕集作用 直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的距離很短，在較大的氣流速度和較大熱纖維間隙中是不起作用的，但在很慢的氣流速度在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中，擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的和較小的纖維間隙中，擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機(jī)會(huì)，從而被捕集。接觸機(jī)會(huì)，從而被捕集。 18 4.3.2慣性捕集作用慣性捕集作用 慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用，其大小取決于顆粒的動(dòng)能和纖維的阻力，也就是取決于氣流的流速。慣性慣性

12、力與氣流流速成正比，力與氣流流速成正比，當(dāng)流速過低時(shí)，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當(dāng)空氣流速增至足夠大時(shí)，慣性捕集則起當(dāng)空氣流速增至足夠大時(shí)，慣性捕集則起主導(dǎo)作用。主導(dǎo)作用。 纖維的碰撞滯留效率等于零，這時(shí)的氣流速度稱為纖維的碰撞滯留效率等于零，這時(shí)的氣流速度稱為慣性碰慣性碰撞的臨界速度撞的臨界速度vc。vc是空氣在纖維網(wǎng)格間隙的真實(shí)速度，是空氣在纖維網(wǎng)格間隙的真實(shí)速度，它與容器空截面時(shí)空氣速度它與容器空截面時(shí)空氣速度vs的關(guān)系受填充密度的關(guān)系受填充密度的影響。的影響。 臨界速度臨界速度vc的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。194.3.3攔截捕集作用攔截捕集作

13、用 氣流速度降低到慣性捕集作用接近于零時(shí)，此時(shí)的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時(shí)，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著下降。但實(shí)踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對(duì)微粒的捕集效率又回升，說明有另一種機(jī)理在起作用，這就是攔截捕集作用； 微生物微粒直徑很小，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在的主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻，從而改變流動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)，而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢，進(jìn)到滯流區(qū)的微粒慢惕靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱為攔截捕集作用。攔截捕集作用對(duì)微粒的捕集效率與氣流的雷諾準(zhǔn)數(shù)和微粒與纖維直徑有關(guān)。20 4.3.4重力沉降作用重力

14、沉降作用 微粒雖小，但仍具有重力。當(dāng)微粒重力超過空氣作用于其上的浮力時(shí)，即發(fā)生一種沉降加速度。當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就發(fā)生沉降現(xiàn)象。就單一重力沉降而言，大顆粒比小顆粒作用顯著，一般50m以上的顆粒沉降作用才顯著。對(duì)于小顆粒只有氣流速度很慢時(shí)才起作用。重力沉降作用一般是與攔截作用相配合，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捕集作用。21 4.3.5靜電吸附作用靜電吸附作用 干空氣對(duì)非導(dǎo)體的物質(zhì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，對(duì)于纖維和樹脂處理過的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。有人測(cè)定微生物孢子帶電情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，約有75

15、的孢子具有l(wèi)60負(fù)電荷單位，15的孢子帶有514正電荷單位，其余10則為中性，這些帶電荷的微粒會(huì)被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過濾效能應(yīng)是表面吸附作用。22 上述機(jī)理中，有時(shí)很難分辨是哪一種單獨(dú)起作用。 總的來說： 當(dāng)氣流速度較大時(shí)當(dāng)氣流速度較大時(shí)(約大于約大于0.1m/s)，慣性捕集是主要的。，慣性捕集是主要的。除菌效率隨氣流速度增加而增加 流速較小時(shí)，擴(kuò)散作用占優(yōu)勢(shì)。流速較小時(shí)，擴(kuò)散作用占優(yōu)勢(shì)。 而在兩者之間，可能是攔截作用占優(yōu)勢(shì)。 以上幾種作用機(jī)理在整個(gè)過程中，隨著參數(shù)變化有著復(fù)雜的關(guān)系，目前還未能作準(zhǔn)確的理論計(jì)算。234.4 空氣過濾除菌的流程空

16、氣過濾除菌的流程 4.4.1空氣凈化的工藝要求空氣凈化的工藝要求空氣過濾除菌流程是生產(chǎn)對(duì)無菌空氣要求具備的參數(shù)(如無菌程度、空氣壓力、溫度等)，并結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用空氣除菌設(shè)備的特性，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制訂的。1.要求的低壓無菌空氣要求的低壓無菌空氣可直接采用一般鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過濾器，經(jīng)一、二次過濾除菌而制得。如無菌室、超凈工作臺(tái)等用作層流技術(shù)的無菌空氣就是采用這種簡(jiǎn)單流程。242.供給發(fā)酵用的無菌空氣，供給發(fā)酵用的無菌空氣，需要克服介質(zhì)阻力、發(fā)酵液靜壓力和管道阻力，故一般使用空壓機(jī)； (1)首先將進(jìn)入空壓機(jī)的空氣粗濾，濾去灰塵、沙土等固體顆粒。這樣還有利于空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高空壓

17、機(jī)的壽命； (2)將經(jīng)壓縮后的熱空氣冷卻，并將析出的油、水盡可能地除掉。常采用油水分離器與去霧器相結(jié)合的裝置； (3)為防止往復(fù)壓縮機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，和一般的空氣供給一樣，流程中需設(shè)置一個(gè)或數(shù)個(gè)貯氣罐； (4)空氣過濾器一般采用二臺(tái)總過濾器(交叉使用)和每個(gè)發(fā)酵罐單獨(dú)配備分過濾器相結(jié)合的方法，以達(dá)到無菌。254.4.2過濾除菌的一般流程過濾除菌的一般流程空氣過濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進(jìn)行壓縮前過濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。從空氣壓縮機(jī)出來的空氣(一般壓力在0.2MPa以上，溫度120160C)，先冷卻至適當(dāng)溫度(2025C)除去油和水，再加熱至3035C，最后通過總空氣過濾器和分過濾器(有的不用

18、分過濾器)除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空氣；在空氣處理工藝過程中，各種設(shè)備系圍繞兩個(gè)目的：一是提高壓縮前空氣的質(zhì)量(潔凈度)；另一個(gè)是去除壓縮空氣中所帶的油和水。261提高壓縮前空氣的質(zhì)量提高壓縮前空氣的質(zhì)量 主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強(qiáng)吸入空氣的壓縮前過濾。(1)空氣吸氣口提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。據(jù)報(bào)道，吸氣口每提高305m，微生物數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于空氣中的微生物數(shù)量因地區(qū)、氣候而不同；因此吸氣口的高度也必須因地制宜，一般以離地面510m為好。在吸氣口處需要設(shè)置防止顆粒及雜物吸入的篩網(wǎng)(也可以裝在粗過濾器上)，以免損壞空氣壓縮機(jī)；(2)粗過濾器吸入的空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)前先通過粗過濾器過濾，可以減少進(jìn)入空氣壓縮機(jī)的灰塵和微生物，減少往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞和氣缸的磨損，減輕介質(zhì)過濾除菌的負(fù)荷。常用的粗過濾器有油浸鐵絲網(wǎng)、泊浸鐵環(huán)和泡沫塑料等。272去除壓縮空氣中所帶的油和水去除壓縮空氣中所帶的油和水 （1）一級(jí)空氣冷卻器用30C左右的水，把從壓縮機(jī)出來的120C或150C的空氣冷卻到4050C左右；（2）二級(jí)空氣冷卻器用9C冷凍水或1518C地下水，把4050C的空氣冷卻到2025C。冷卻后的空氣，其相對(duì)濕度提高到100%，由于溫度處于露點(diǎn)以下，其中的油、水即凝結(jié)為油滴和水滴；（3）空氣貯罐用以沉降大的油滴和水滴及