發(fā)酵工程原理與技術(shù)x neia4a

11第六章空氣除菌的工藝及設(shè)備22本章講述的內(nèi)容

空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無(wú)菌程度的要求空氣除菌的方法介質(zhì)過濾除菌的機(jī)理介質(zhì)過濾除菌的工藝介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算33第一節(jié)空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對(duì)空氣無(wú)菌程度的要求一、無(wú)菌空氣的概念

發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無(wú)菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(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)。此種空氣稱為“無(wú)菌空氣”。44二、空氣中微生物的分布空氣中的含菌量隨環(huán)境不同而有很大差異：一般干燥寒冷的北方空氣中的含菌量較少，而潮濕溫暖的南方則含菌量較多；人口稠密的城市比人口少的農(nóng)村含菌量多；地面又比高空的空氣含菌量多。

各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數(shù)量也隨條件的變化而異，一般設(shè)計(jì)時(shí)以含量為103~104個(gè)／m3進(jìn)行計(jì)算。55三、發(fā)酵對(duì)空氣無(wú)菌程度的要求

各種不同的發(fā)酵過程，對(duì)空氣無(wú)菌程度的要求也不同。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(lái)計(jì)算，即1000次發(fā)酵周期所用的無(wú)菌空氣只允許1~2次染菌。66四、空氣含菌量的測(cè)定培養(yǎng)法：微生物學(xué)中已介紹過

光學(xué)法：用粒子計(jì)數(shù)器通過微粒對(duì)光線的散射作用來(lái)測(cè)量粒子的大小和含量。77第二節(jié)空氣除菌的方法輻射滅菌加熱滅菌靜電除菌介質(zhì)過濾88一、輻射滅菌

1，原理α射線、X射線、β射線、γ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。992，應(yīng)用范圍通常用于無(wú)菌室和醫(yī)院手術(shù)室。

3，缺點(diǎn)

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(lái)保證無(wú)菌室的無(wú)菌程度。1010力為0．7MPa。二、加熱滅菌利用壓縮熱進(jìn)行空氣滅菌的流程圖空氣滅菌后空氣23415滅菌后空氣6710

9

8圖4-1

空氣熱滅菌流程示意圖1-空壓機(jī)2-粗過濾器3-保溫層4-貯氣罐5-保溫罐6-列管式冷卻器7-鍋輪壓縮機(jī)8-預(yù)熱器9-粗過濾器10-空氣吸入塔空氣進(jìn)口溫度為21°C，出口溫度為187~198°C，壓1111三、靜電除菌

1，原理利用靜電引力來(lái)吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的。2，優(yōu)點(diǎn)阻力小，約1.01325×104Pa染菌率低，平均低于10-15％除水、除油的效果好耗電少

3，缺點(diǎn)設(shè)備龐大、一次性投資較大、捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。1212濾材第三節(jié)

介質(zhì)過濾除菌的機(jī)理一、定義過濾除菌利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物孔潔凈氣體含微生物的氣體1313443.9×10

-5

英寸又稱"micron"定義微米1

微米(μ)等于:4

10－6

米＝10－3

毫米1414定義小顆粒的相對(duì)尺寸人發(fā)直徑裸眼可見最小顆?；ǚ奂t細(xì)胞酵母和真菌100

μm80604020108.06.05.0沙雷氏菌假單胞菌3.02.01.00.80.60.50.40.34.0

μm1515小顆粒的相對(duì)尺寸鉛筆墨點(diǎn)(40

μm)紅細(xì)胞(7μm)大硅膠顆粒(20

μm)酵母細(xì)胞(3

μm)典型細(xì)菌(0.2μm)1616二、空氣過濾器的功能

一個(gè)空氣過濾器的功能是從氣體中去除污染物（微生物）以使達(dá)到所需的氣體的無(wú)菌程度過濾器的功能過濾器經(jīng)常被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)或篩子，

過濾/

分離是在一個(gè)平面上進(jìn)行的。171818過濾器的功能實(shí)際上，空氣過濾器的濾材具有深度?！皬澢ǖ馈钡慕Y(jié)果對(duì)于污染物的去除起到了輔助作用1919過濾器的功能“彎曲通道”存在于：2020三、過濾機(jī)理4直接攔截4慣性撞擊4擴(kuò)散攔截21211，直接攔截4

流體中的基本過濾機(jī)制4

本質(zhì)是一種篩分效應(yīng)，機(jī)械攔截顆粒4

例如：一種簡(jiǎn)單的篩網(wǎng)可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒2222直接攔截顆粒大于孔徑2323直接攔截絕對(duì)截留-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中2424直接攔截2525直接攔截4

當(dāng)顆粒大于流道孔徑時(shí)即被該結(jié)構(gòu)去除4

容污能力可以用彎曲結(jié)構(gòu)提高篩網(wǎng)無(wú)此作用2626直接攔截4

通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截0不規(guī)則形狀的顆粒/方向性0多個(gè)顆粒同時(shí)撞擊到同一個(gè)濾孔2727直接攔截不規(guī)則形狀的搭橋2828直接攔截多個(gè)小顆粒的搭橋292944攔截在過濾器表面的顆粒堆積成顆粒層當(dāng)過濾器表面完全被一個(gè)厚的顆粒層所覆蓋時(shí)，所謂的“濾餅”即已形成了。4

濾餅顆粒間的孔隙亦如同一種過濾器，對(duì)細(xì)顆粒的攔截效率通常由此而提高定義濾餅30302，慣性撞擊4

尺寸小于濾材孔徑的顆粒的輔助攔截方式4

流體攜帶的顆粒由于質(zhì)量和線速度而具有直線運(yùn)動(dòng)的慣性4

顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上3131慣性撞擊3232慣性撞擊撞擊到濾材表當(dāng)流體改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，慣性使顆粒面并由于吸附力而停留3333慣性撞擊當(dāng)流經(jīng)過濾介質(zhì)時(shí)流體必須沿彎曲通道行進(jìn)。這將增加過濾機(jī)制的有效性。3434慣性撞擊停留的顆粒減小了濾孔孔徑3535慣性撞擊3636慣性撞擊444顆粒被機(jī)械攔截或被吸附攔截在氣體中比在液體中更有效.對(duì)大于0.5-1.0微米的顆粒很有效.37374范德華力(Van

der

Waals)吸附攔截尺寸小于濾孔的顆粒由于:4

表面相互作用0電荷不同3838吸附表面作用3939３，擴(kuò)散攔截444

氣體分子(作隨機(jī)運(yùn)動(dòng))碰撞小顆?；蜢F滴布朗運(yùn)動(dòng)(Brownian

motion)碰撞的結(jié)果，增加了顆粒碰撞過濾介質(zhì)的機(jī)會(huì)僅在氣體中有效4040擴(kuò)散攔截444氣體過濾器能夠去除尺寸遠(yuǎn)小于液體精度的污染物對(duì)小-細(xì)顆粒(0.1-0.3微米)非常有效如果一個(gè)氣體過濾器在濕潤(rùn)環(huán)境中運(yùn)行，它的去除能力即變?yōu)橐后w精度4141擴(kuò)散攔截4242擴(kuò)散攔截氣體分子作布朗運(yùn)動(dòng)4343擴(kuò)散攔截分散在氣體分子中的小顆?；蜢F滴受到撞擊發(fā)生位移4444擴(kuò)散攔截被隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞的顆粒撞擊到過濾介質(zhì)上并被吸附截留4545擴(kuò)散攔截當(dāng)流經(jīng)過濾介質(zhì)時(shí)流體必須沿彎曲通道行進(jìn)。這將增加過濾機(jī)制的有效性。4646４，小結(jié)過濾介質(zhì)的過濾/分離效率由于直接攔截慣性撞擊擴(kuò)散攔截的共同作用而增強(qiáng)4747過濾機(jī)理總結(jié)直接攔截慣性撞擊擴(kuò)散攔截4848四、過濾介質(zhì)的類型表面過濾介質(zhì):編織網(wǎng)粉末燒結(jié)深度過濾介質(zhì):纖維材料結(jié)構(gòu)棉花活性炭或玻璃纖維有機(jī)合成纖維澆鑄膜結(jié)構(gòu)49491，表面過濾介質(zhì)最嚴(yán)格的定義:4

所有濾孔在一個(gè)平面上4

依靠直接攔截捕獲顆粒5050表面過濾5151表面或篩網(wǎng)過濾的局限44主要依靠直接攔截。小于孔徑的顆粒將穿過。慣性撞擊無(wú)效.4

擴(kuò)散攔截有微效.52522，深度過濾介質(zhì)最嚴(yán)格的定義:4

污染物被介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)捕獲的一種過濾介質(zhì)，濾孔貫穿于整個(gè)介質(zhì)厚度。4

調(diào)整流道可以獲得高容污能力5353深度過濾介質(zhì)4顆粒可以在表面被捕集，4也可以在介質(zhì)深度被捕集，4因此，提高了容污能力。5454深度過濾介質(zhì)第四節(jié)

介質(zhì)過濾除菌的工藝

空氣過濾除菌流程是按生產(chǎn)對(duì)無(wú)菌空氣要求具備的參數(shù)，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制訂的，同時(shí)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(jìn)行考慮。

對(duì)于一般要求的低壓無(wú)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。

而一般的深層通氣發(fā)酵，除要求無(wú)菌空氣具有必要的無(wú)菌程度外，還要具有一定的壓力，這就需要比較復(fù)雜的空氣除菌流程。55555656一、對(duì)空氣除菌流程的要求流程的設(shè)備：主設(shè)備：空氣壓縮機(jī)附屬設(shè)備：要求盡量采用新技術(shù)，提高效率，減少設(shè)備，精簡(jiǎn)設(shè)備流程，降低設(shè)備投資、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和動(dòng)力捎耗，簡(jiǎn)便操作。流程的制訂應(yīng)考慮：地理、氣候環(huán)境設(shè)備條件5757二、空氣過濾除菌流程的分析

發(fā)酵廠所使用的空氣除菌流程，隨各地的氣候條件及設(shè)備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。氣流速度可由操作來(lái)控制；要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設(shè)備來(lái)保證空氣的相對(duì)濕度在50~60％的條件下過濾。1，兩級(jí)冷卻、分離、加熱的空氣過濾除菌流程流程的特點(diǎn)是：兩次冷卻，兩次分離，適當(dāng)加熱。312圖4-3兩極冷卻,加熱除菌流程1-粗過濾器2-壓縮機(jī)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-過濾器58584567895959

某除菌流程，空氣壓力為4工程大氣壓，要求空氣加熱到35

C時(shí)相對(duì)濕度φ

=60%，問第二級(jí)冷卻器應(yīng)至少把空氣冷卻到多少度(假定冷卻后空氣中水霧全部分離)？?

?PbP

??

?Pbx

=

0

.6226060

查表得知35

C時(shí)空氣中的飽和水蒸汽分壓是

5619帕，加熱前冷空氣的相對(duì)濕度φ＝100％。

查水蒸汽分壓表知26C水的蒸汽壓為3371帕，就是說(shuō)第二級(jí)冷卻器至少應(yīng)把空氣冷卻到26

C。6161

對(duì)于氣候很干燥的地方，或寒冷的冬天，可將流程簡(jiǎn)化，只用第一冷卻器，將空氣冷卻到35

C即可滿足相對(duì)濕度φ＝60％而進(jìn)過濾器。它所要求的條件是：C相對(duì)濕查表得知當(dāng)6

C相對(duì)濕度是80％時(shí)，或12度60％時(shí)，水蒸汽分壓為843.4帕。62622，冷熱空氣直接混合式空氣過濾除菌流程

特點(diǎn)：可省第二冷卻分離設(shè)備和空氣再加熱設(shè)備，流程比較簡(jiǎn)單，冷卻水用量較少，利用壓縮空氣的熱量來(lái)提高空氣溫度。此流程適用于中等混合量的地區(qū)。312456圖4-4冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程

1-粗過濾器2-壓縮機(jī)3-貯罐4-冷卻器5-絲網(wǎng)分離器6-過濾器6363流程的分析計(jì)算3，高效前置過濾除菌流程特點(diǎn)：無(wú)菌程度高657圖4-5高效前置過濾空氣除菌流程1-高效前置過濾器2-壓縮機(jī)3-貯罐4-冷卻器5-絲網(wǎng)分離器6-加熱器7-過濾器646414236565第五節(jié)

介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算一、深層過濾效率和過濾器的計(jì)算

過濾效率：就是濾層所濾去的微粒數(shù)與原來(lái)微粒數(shù)的比值，它是衡量過濾器過濾能力的指標(biāo)。211η

=

N

N1

?N

2=

1?

N

N66661，對(duì)數(shù)穿透定律

研究過濾器的過濾規(guī)律時(shí)，先排除一些復(fù)雜的因素，假定：過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰近纖維的存在而受影響；空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流帶走；過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無(wú)關(guān)；空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。6767

空氣通過單位濾層后，微粒濃度下降量與進(jìn)入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比，即：（1）dL=

KN1–

dN∫68=

K∫dl68將（1）整理，積分?或（2）（3）?

=

KdldNN

1–L0N

2N1dNN1logN

2ln

N1N2N1=

?

KL=

?

K

"

L2，介質(zhì)層厚度的計(jì)算由（2）或（3）得?或（4）（5）

式中的N1可根據(jù)進(jìn)口空氣的菌體濃度、空氣流量及持續(xù)使用時(shí)間算出。如空氣中的原始菌濃度為10000個(gè)／m3，空氣流量為200m3／min，持續(xù)使用2000h，則N1為2.4×1011個(gè)菌，N2一般可假定為10-3個(gè)菌。于是N2／N1＝2.4×1014，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，我們常把N2／N1

＝1015作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。

K值與纖維介質(zhì)的性質(zhì)、直徑、填充率、氣流速度以及菌體大小有關(guān)。6969lnN

1N

2N1N

21K1K

"

logL

=L

=7070對(duì)數(shù)穿透定律的校正參見《發(fā)酵工程與設(shè)備》p95計(jì)算舉例參見《發(fā)酵工程與設(shè)備》p987171二、過濾器的結(jié)構(gòu)1，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(dá)到除菌的目的。7272

過濾器的尺寸主要是確定過濾器的內(nèi)徑D和有效過濾的高度，最后定出整個(gè)過濾器的高度尺寸。過濾器的內(nèi)徑D可以根據(jù)空氣量及流速求出：7373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74742，濾紙過濾器75753，金屬過濾器（1）過濾器外殼圖外殼濾芯接口圖外殼示意圖（2）預(yù)過濾器76氣體預(yù)過濾器結(jié)構(gòu)圖（單芯）氣體預(yù)過濾器結(jié)構(gòu)圖（多芯）76氣體預(yù)過濾器外殼圖7777（3）過濾系統(tǒng)

過濾系統(tǒng)由金屬過濾器、預(yù)過濾器及蒸汽過濾器組成。預(yù)過濾器的作用是將空氣前處理系統(tǒng)中的鐵銹等雜物進(jìn)行預(yù)濾。蒸汽過濾器則是阻擋蒸氣管路中的銹蝕物和鍋爐污垢等雜質(zhì)。上述二種過濾器的功能是保護(hù)金屬過濾器，延長(zhǎng)其使用壽命。7878（4）主要技術(shù)參數(shù)過濾效率：99.9%過濾微粒直徑≥0.2μm

過濾介質(zhì)：預(yù)過濾器為中空玻璃纖維或高效過濾紙，蒸汽過濾器為聚四氟乙烯,金屬過濾器為金屬粉末鎳冶煉而成。最大工作壓力：0.8MPa工作溫度：預(yù)過濾器≤130℃蒸汽過濾器≤130℃金屬過濾器≤130℃

氣體阻力：在額定流量下，進(jìn)口壓力0.1MPa時(shí)，初始?jí)航敌∮?.01MPa。79795，膜過濾（1）示意圖8080（2）系統(tǒng)組成蒸汽過濾器預(yù)過濾器（粗）除菌過濾器（精）8181預(yù)過濾器

形式：以管式、袋式、折疊式為主，也可以是填充床式、浮動(dòng)床式的過濾器，以及離心機(jī)、真空機(jī)等過濾器材。

預(yù)過濾器一般選用深層過濾器，在使用過程中要求有低的壓降、高的容塵量和變動(dòng)幅度小的過濾精度和效率。過濾介質(zhì)：玻璃纖維復(fù)合氈（聚丙烯纖維復(fù)合氈）。技術(shù)參數(shù)：–過濾精度:0.3-0.5μm–過濾效率:95%-99.9%–初始?jí)翰?≤0.005MP–工作溫度:≤80℃–可耐最大壓差:0.08MPa8282除菌過濾器形式以板框式、管式、折疊式為主

過濾介質(zhì)：微過濾膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌過濾應(yīng)具備的特點(diǎn)：①高的過濾精度;②大的通過量;③能耐反復(fù)的消毒操作;④強(qiáng)的疏水性;⑤足夠的使用強(qiáng)度。技術(shù)參數(shù)–過濾精度：0.01μm–過濾效率：99.9999%–工作溫度：<60°C–可耐最大壓差：0.4MPa（25°C，正向）–蒸汽滅菌：125°C±2°C，每次30min，可達(dá)160次各級(jí)過濾的配置–各級(jí)過濾的配置問題主要有通過量與精度兩個(gè)方面，不同的物料處理流程是有區(qū)別的。例如：在無(wú)菌空氣的處理中，壓縮機(jī)的前置過濾器精度一般為＞5μm，壓縮機(jī)后的除油過濾器，出氣含油量要求≤3×10~6mg/ml，總過濾器的過濾精度一般為0.5μm，過濾效率95%左右，預(yù)過濾器的過濾精度為0.3μm，過濾效率約99%，除菌過濾器的精度為0.01μm，過濾效率99.9999%以上。83838484消毒問題濾芯（器）消毒是一個(gè)日常操作工序。濾芯常見的消毒方法有蒸汽、熱水和化學(xué)試劑消毒三種。蒸汽消毒要注意選擇飽和蒸汽，一則是可以可靠殺死細(xì)菌，二則是可通過控制壓力來(lái)調(diào)節(jié)溫度。蒸汽消毒對(duì)于疏水濾芯來(lái)說(shuō)相對(duì)是簡(jiǎn)單的，但對(duì)親水濾芯特別是膜材料耐溫度不高的濾芯來(lái)說(shuō)，操作方法是至關(guān)重要的8585空氣過濾器的操作要點(diǎn)

為了使空氣過濾器始終保持干燥狀態(tài)，當(dāng)過濾器用蒸氣滅菌時(shí)，應(yīng)事先將蒸汽管和過濾器內(nèi)部的冷凝水放掉，滅菌蒸汽的壓力應(yīng)保持在0．17~0．2MPa(表壓)。開始時(shí)先將夾套預(yù)熱(有的空氣過濾器無(wú)夾套則不需預(yù)熱)，然后將蒸汽直接沖入介質(zhì)