空氣過濾除菌（課堂PPT）

1、1第4章 空氣除菌的工藝及設備 空氣中微生物的分布 空氣除菌方法 過濾除菌的機理 空氣過濾除菌的流程 介質(zhì)過濾除菌的設備及計算 食藥微生物檢測食藥微生物檢測https:/ 發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)是利用好氣性微生物進行純種培養(yǎng)，空氣則是微生物生長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入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會迅速大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物；干擾甚至破壞預定發(fā)酵的正常進行，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)酵工程中的一個重要環(huán)節(jié)?？諝鈨艋姆椒ê芏啵鞣N方法的除菌效果、設備條件和經(jīng)濟指標各不相同。實際生產(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，又要盡量簡化除菌流程，以減少設備投資和正常運轉(zhuǎn)的動力消耗。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計滿足生產(chǎn)需要的除菌設備等。 34.1空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對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極低的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。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 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，一般設計時以含量為103104個m3進行計算。4 4.1.3發(fā)酵對空氣無菌程度的要求發(fā)酵對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能力、生長速度、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，能利用無機氮，要求的pH值較低，一般細菌較難繁殖，而酵母的繁殖速度又較快，能抵抗少量的雜菌影響，因此對無菌空氣的要求不如氨基酸、抗生素發(fā)酵那樣嚴格。而氨基酸與抗生素發(fā)酵因周期長短不同，對無菌空氣的要求也不同?？偟膩碚f，影響因素是比較復雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。一般按染菌機率為10-3來計算，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，繁殖時需要較長的調(diào)整期。但是在陰雨天氣或環(huán)境污染比較嚴重時，空氣中也會懸浮大量的活力較強的微生物，它進入培養(yǎng)物的良好環(huán)境后，只要很短的調(diào)整期，即可進入對數(shù)生長期而大量繁殖。一般細菌繁殖一代僅需2030min，如果進入一個細菌，則繁殖15h后，可達109個。如此大量的雜菌必使發(fā)酵受到嚴重干擾或失敗，所以計算是以進入1、2個雜菌即失敗作為依據(jù)的。 6 4.1.4空氣含菌量的測定空氣含菌量的測定 空氣是許多氣態(tài)物質(zhì)的混合物，主要成分是氮氣和氧氣，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地區(qū)，空氣中的菌量較多。據(jù)統(tǒng)計，大城市每立方米空氣中的含菌數(shù)約為300010000個。要準確測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，無菌度不嚴格，可選用離心式通風并經(jīng)適當?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機或高壓離心式鼓風機通風

6、； 而對于密閉式深層好氣發(fā)酵則需要嚴格的無菌度，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)過一個復雜的空氣處理過程。同時，為了克服設備和管道的阻力并維持一定的罐壓，需采用空氣壓縮機。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。但應用較廣泛的還是紫外線，它在波長為226.5328.7nm時殺菌效力最強，通常用于無菌室和醫(yī)院手術室。但殺菌效率較低，殺菌時間較長。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，以達到滅菌目的，這樣太不經(jīng)濟。利用空氣壓縮時產(chǎn)生的熱進行滅菌對于無菌要求不高的發(fā)酵來說則是一個經(jīng)濟合理的方法； 采用加熱滅菌法時，要根據(jù)具體情況適當增加一些輔助措施以確保安全。因為空氣的導熱系數(shù)低，受熱不很均勻，同時在壓縮機與發(fā)酵罐間的管道難免有泄漏，這些因素很難排除，因此通常在進發(fā)酵罐前裝一臺空氣分過濾器。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到除塵、除靜電防塵是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵

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入高壓靜電場時都會被電離變成帶電微粒。但對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，所以靜電除塵對很以靜電除塵對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： (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。 缺點是設備龐大，需要采用高壓電技術，且一次性投資較大；對發(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、有機合成纖維、有機和無機燒結(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，因此過濾機理比較復雜；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 過濾除菌的機理過濾除菌的機理 目前發(fā)酵工廠采用的空氣過濾

10、設備大多數(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、焦炭和超細玻璃纖維、維尼龍等。對不同的材料、不同規(guī)格、不同填充情況，都會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，棉花纖維所形成的孔隙為2050m；超細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，濾層纖維所形成的網(wǎng)格阻礙氣流直線前進，使氣流無數(shù)次改變運動速度和運動方向，繞過纖維前進。這些改變

11、引起微粒對濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、重力沉降、阻攔、布朗擴散、靜電吸引等作用而將微粒滯留在纖維表面上。17 4.3.1擴散捕集作用擴散捕集作用 直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的運動，稱為布朗擴散。擴散運動的距離很短，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，擴散作用大大增加了微粒與纖維的和較小的纖維間隙中，擴散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機會，從而被捕集。接觸機會，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，當流速過低時，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當空氣流速增至足夠大時，慣性捕集則起當空氣流速增至足夠大時，慣性捕集則起主導作用。主導作用。 纖維的碰撞滯留效率等于零，這時的氣流速度稱為纖維的碰撞滯留效率等于零，這時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)格間隙的真實速度，是空氣在纖維網(wǎng)格間隙的真實速度，它與容器空截面時空氣速度它與容器空截面時空氣速度vs的關系受填充密度的關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，此時的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著下降。但實踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的捕集效率又回升，說明有另一種機理在起作用，這就是攔截捕集作用； 微生物微粒直徑很小，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻，從而改變流動方向，繞過纖維前進，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。攔截捕集作用對微粒的捕集效率與氣流的雷諾準數(shù)和微粒與纖維直徑有關。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。當微粒重力超過空氣作用于其上的浮力時，即發(fā)生一種沉降加速度。當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，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。對于小顆粒只有氣流速度很慢時才起作用。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 干空氣對非導體的物質(zhì)作相對運動摩擦時，會產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，對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。有人測定微生物孢子帶電情況時發(fā)現(xiàn)，約有75

15、的孢子具有l(wèi)60負電荷單位，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被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個范疇，如活性炭的大部分過濾效能應是表面吸附作用。22 上述機理中，有時很難分辨是哪一種單獨起作用。 總的來說： 當氣流速度較大時當氣流速度較大時(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，擴散作用占優(yōu)勢。流速較小時，擴散作用占優(yōu)勢。 而在兩者之間，可能是攔截作用占優(yōu)勢。 以上幾種作用機理在整個過程中，隨著參數(shù)變化有著復雜的關系，目前還未能作準確的理論計算。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機增壓后進入過濾器，經(jīng)一、二次過濾除菌而制得。如無菌室、超凈工作臺等用作層流技術的無菌空氣就是采用這種簡單流程。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； (1)首先將進入空壓機的空氣粗濾，濾去灰塵、沙土等固體顆粒。這樣還有利于空壓機的正常運轉(zhuǎn)，提高空壓

17、機的壽命； (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)為防止往復壓縮機產(chǎn)生脈動，和一般的空氣供給一樣，流程中需設置一個或數(shù)個貯氣罐； (4)空氣過濾器一般采用二臺總過濾器(交叉使用)和每個發(fā)酵罐單獨配備分過濾器相結(jié)合的方法，以達到無菌。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行壓縮前過濾，然后進入空氣壓縮機。從空氣壓縮機出來的空氣(一般壓力在0.2MPa以上，溫度120160C)，先冷卻至適當溫度(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，各種設備系圍繞兩個目的：一是提高壓縮前空氣的質(zhì)量(潔凈度)；另一個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)報道，吸氣口每提高305m，微生物數(shù)量減少一個數(shù)量級。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；(2)粗過濾器吸入的空氣在進入壓縮機前先通過粗過濾器過濾，可以減少進入空氣壓縮機的灰塵和微生物，減少往復式空氣壓縮機活塞和氣缸的磨損，減輕介質(zhì)過濾除菌的負荷。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）一級空氣冷卻器用30C左右的水，把從壓縮機出來的120C或150C的空氣冷卻到4050C左右；（2）二級空氣冷卻器用9C冷凍水或1518C地下水，把4050C的空氣冷卻到2025C。冷卻后的空氣，其相對濕度提高到100%，由于溫度處于露點以下，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