空氣除菌與空氣調節(jié)設備

第三章空氣除菌與空氣調節(jié)設備

好氧微生物在培養(yǎng)過程中需要消耗大量的氧氣，這些氧氣通常由空氣提供。根據(jù)國家藥品生產(chǎn)質量管理規(guī)范（GMP）的要求，生物制品、藥品的生產(chǎn)場地也需符合空氣潔凈度要求，并有相應的管理手段。第一節(jié)空氣除菌的原理與方法

一.生物工業(yè)對空氣質量的要求1.空氣中微生物的分布地域（南方與北方、城市與鄉(xiāng)村）季節(jié)空氣中雜菌含量及分布空氣中含雜菌一般在103~104（個）/m3。雜菌含量多少與地域、季節(jié)有關，南方多，北方少；低空多，高空少；城市多，農(nóng)村少；夏季多，冬季少。為了獲得含雜菌少的空氣，工廠多采用采風塔（高20多米）采風。無菌空氣要求工廠對空氣除菌，要求達到一定程度，通常設計指標，通風1000罐次，只感染1個雜菌。2.發(fā)酵用無菌空氣的質量標準

（1）連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣；（2）空氣的壓強（表壓）0.2-0.35MPa；（3）進入過濾器之前，空氣的相對濕度小于70％；（4）進入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度稍高（5）壓縮空氣的潔凈度，取失敗率為10－3。3.空氣含菌量的測定（1）光學法－粒子計數(shù)器（0.3～0.5μm)微粒的各種濃度,測得結果是空氣中的灰塵和微生物，不準確（2）培養(yǎng)法－－微生物培養(yǎng)（準確培養(yǎng)的活微生物）二.空氣凈化除菌方法

（一）空氣除菌方法1輻射殺菌

α－射線、χ－射線、β－射線、γ－射線、紫外線、超聲波等從理論上都能破壞蛋白質等生物活性物質，從而起到殺菌的作用。輻射滅菌目前僅用于一些表面的滅菌及有限空間內空氣的滅菌，對于大規(guī)?？諝獾臏缇€無法應用。2熱殺菌空氣進入發(fā)酵罐之前，一般勻需用壓縮機壓縮，提高壓力。利用空氣壓縮時放出的熱量進行保溫滅菌。見流程3.靜電除菌

利用靜電引力吸附帶電粒子而達到除塵滅菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，大多數(shù)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成帶電微粒，但對于一些直徑小的微粒，所帶的電荷很小，當產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對微粒布朗擴散運動的動量時，微粒不能被吸附而沉降，因此靜電除塵對很小的微粒效率較低。4.介質過濾除菌三.介質過濾除菌機理

依靠氣流通過濾層時，基于濾層纖維的層層阻礙，迫使空氣在流動過程中出現(xiàn)無數(shù)次改變氣速大小和方向的繞流運動，從而導致微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗擴散、重力和靜電引力等作用，從而把微生物截留、捕集在纖維表面上，實現(xiàn)過濾目的。下面圖為過濾除菌時各種除菌機理的示意圖。1.慣性撞擊截留作用

當含有微生物顆粒的空氣通過濾層時，空氣流僅能從纖維間的間隙通過，由于纖維縱橫交錯，層層疊疊，迫使空氣流不斷改變運動方向和速度。由于微生物顆粒的慣性大于空氣，因而當空氣流遇阻而繞道前進時，微生物顆粒未能及時改變它的運動方向，而撞擊并被截留于纖維的表面。2.攔截截留作用

當微粒直徑小、質量輕，它隨氣流運動慢慢靠近纖維時，微粒所在主導氣流流線受纖維所阻改變流動方向，繞過纖維前進，并在纖維的周圍形成一層邊界滯留區(qū)，滯留區(qū)的氣流流速更慢，進到滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被黏附截留。攔截截留的截留效率與氣流的雷諾準數(shù)和微粒同纖維的直徑比有關。

3.布朗擴散截留作用

布朗擴散的運動距離短，在較大的氣速、較大的纖維間隙中不起作用，但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中布朗擴散作用增加了微粒與纖維的接觸滯留機會。4重力力沉降5靜電電吸引力力慣性截留留、攔截截和布朗朗擴散的的除菌作作用較大大，重力力和靜電電引力的的作用較較小。氣速與除除菌效率率的關系系：當氣流速速度較小小時，除除菌效率率隨氣流流速度的的增加而而降低，，擴散起起主要作作用；當當氣流速速度中等等時，可可能截流流起主要要作用；；當氣流流速度較較大時，，除菌效效率隨空空氣流速速的增加加而增加加，慣性性沖擊起起主要作作用；如如果氣速速過大ηη又會下下降，可可能是已已撲集的的微粒又又被卷起起的原因因。第二節(jié)空空氣介介質過濾濾除菌設設備及計計算一.介介質過濾濾除菌流流程（一）空氣除菌菌流程的的確定：：1.根據(jù)據(jù)發(fā)酵生生產(chǎn)對無無菌空氣氣的要求求（無菌菌程度、風溫溫、風濕濕及風壓壓）2.采氣氣環(huán)境的的空氣條條件、空空氣性質質3.所用用除菌設設備的特特性（二）空空氣除菌菌流程1.兩級冷卻卻、加熱熱除菌流流程是是一一個比較較完善的的空氣除除菌流程程，可適適應各種種氣候，，尤其適適用于潮潮濕地區(qū)區(qū)。它能充分分地分離離油水，，使空氣氣達到相相對濕度度較低下下進入過過濾器，，提高過過濾效果果.典型空氣氣除菌流流程1.采風風塔2.粗粗濾器3.空壓機機4.貯貯氣罐罐5.一級冷冷卻6.一級油油水7.二二級冷卻卻分離器器8.二級級油水分分離器9.加熱器器10.總總過濾器器345678910212.冷冷熱空氣氣直接混混合式空空氣除菌菌流程特點：省去第二二級冷卻卻器后的的分離設設備和空空氣加熱熱設備，，流程較較簡單，，冷卻水水用量少少。適用用于中等等濕含量量地區(qū)，，不適合合于空氣氣濕含量量高的地地區(qū)。3.高高效前置置過濾空空氣除菌菌流程特點：采采用高效效率的前前置過濾濾設備，，減輕主主過濾器器的負擔。4將空空氣冷卻卻至露點點以上的的流程將空氣冷冷卻至露露點以上上，使進進入過濾濾器的空空氣相對對濕度60－70％以以下。適適用于北北方和內內陸氣候候干燥地地區(qū)。5.利用用熱空氣氣加熱冷冷空氣的的流程利用壓縮縮后的熱熱空氣和和冷卻后后的冷空空氣進行行熱交換換，使冷冷空氣的的溫度升升高，降降低相對對濕度。。特點：對對熱能的的利用合合理，但但加熱面面積要足足夠大才才能滿足要要求。6.一一次冷卻卻和析水水的空氣氣過濾流流程將壓縮空空氣冷卻卻至露點點以下，，析出部部分水分分，升溫溫使相對對濕度為為60％％，再進進入空氣氣過濾器器，采用用一次冷冷卻一次次析水。。二.空氣氣介質過過濾設備備及設計計計算只討論選選擇設備備時的一一些原則則和計算算方法。。原因是是完成同同一任務務的設備備類型很很多。（一）粗粗過濾器器1.安裝裝位置2.常用用型式：：布袋過過濾器、、填料式式過濾器器、油浴浴洗滌和和水霧除除塵等（二）空空壓機：：1.作用：提提供0.2~0.3MPa的的壓力，，大量的的低壓理理想空氣氣2.形式式：渦輪式：：出口壓壓力0.25~0.5MPa，出口口風量較較穩(wěn)定；；往復式：：出口壓壓力不穩(wěn)穩(wěn)定。多多缸穩(wěn)定定。須用用潤滑油油，空氣中帶帶油污粒粒子，須須改善油油污污染染問題。。（三）空空氣儲罐罐：1.作用用：消除除壓縮機機排除空空氣量的的脈沖，，維持穩(wěn)穩(wěn)定空壓。2.安裝裝位置：：緊安在在空壓機機之后3.有關關計算：：V容＝0.1~0.2Vc.Vc—空壓機機排氣量量（四）氣液分離離器：1.作用用：將空空氣中被被冷凝成成霧狀的的水霧和和油霧粒粒子除去。2.種類類：旋風式式、填料料式（利利用填料料攔截－－絲網(wǎng)分分離器，填料料種類很很多－活活性炭、、焦炭、、瓷環(huán)、、金屬網(wǎng)、塑料料網(wǎng)等））（五）空空氣冷卻卻器：1.作用用2.種類類：列管管式、沉沉浸式、、噴淋式式（六）空空氣過濾濾器（設設計適用用的過濾濾器）1.空氣除菌菌效率（（衡量過過濾設備備的過濾濾效能的的指標））：濾層所所濾去去的微微粒與與原來來微粒粒數(shù)的的比值值。N1—_過濾前前空氣氣的微微粒數(shù)數(shù)；N2—過濾后后空氣氣的微微粒數(shù)數(shù)2.穿透率率影響過過濾效效率的的因素素很多多：微微粒的的大小小、過過濾介介質的的種類類和規(guī)規(guī)格、、介質質的填填充密密度、、過濾濾介質質厚度度及所所通過過的空空氣氣氣流速速度有有關。。3.空空氣過過濾除除菌的的對數(shù)數(shù)穿透透定律律（過過濾規(guī)規(guī)律））研究空空氣過過濾器器的過過濾規(guī)規(guī)律時時為了了簡化化做了了四個個假定定條件件下：：（1）流流經(jīng)過過濾介介質的的每一一纖維維的空空氣流流態(tài)并并不因因其它它臨近近纖維維的存存在而而受影影響；；（2）空空氣中中的微微粒與與纖維維表面面接觸觸后即即被吸吸附，，不再再被氣氣流卷卷起帶帶走；；（3）過過濾器器的過過濾效效率與與空氣氣中微微粒的的濃度度無關關；（（4））空氣氣中微微粒在在濾層層中的的遞減減均勻勻，即即每一一纖維維層除除去同同樣百百分率率的微微粒數(shù)數(shù)。在這些些假定定條件件前提提下發(fā)發(fā)現(xiàn)，，空氣氣通過過單位位濾層層后，，微粒粒下降降的濃濃度與與進入入空氣氣的微微粒濃濃度成成正比比。即對數(shù)數(shù)穿透透定律律對數(shù)穿穿透定定律：：空氣通通過濾濾層，，其微微粒數(shù)數(shù)隨著著濾層層的厚厚度逐逐漸降降低，，即：：N－濾濾層中中空氣氣的微微粒濃濃度，，個/m3.L–過過濾濾介質質的厚厚度，，m。。dN/dL-----單單位濾濾層除除去的的微粒粒數(shù)，，個/m3.K---過過濾常常數(shù)L過濾介質N1N2對數(shù)穿穿透定定律公公式揭揭示了了深層層介質質過濾濾除菌菌時進進入濾濾層的的空氣氣微粒粒濃度度與穿穿過濾濾層的的微粒粒濃度度之比比的對對數(shù)是是濾層層厚度度的函函數(shù)。。常數(shù)K值與與多個個因素素有關關，如如纖維維種類類、纖纖維直直徑、、填充充密度度、空空氣流流速、、空氣氣中微微粒的的直徑徑等，，通常?？蛇x選擇特特定的的條件件通過過實驗驗方法法求得得。課課本381頁表3－1－2，3－1－3等K—過過濾常常數(shù)（（m-1）與過濾濾介質質種類類、纖纖維直直徑、、風速速、填填充密密度（（填充充系數(shù)數(shù)）有有關。。當以上上條件件一定定時，，K為為常數(shù)數(shù)。積積分后后：K值通通過實實驗求求出：：對df=16μm的棉花花纖維維，填填充系系數(shù)8%，在不不同風風速下下測得得K′空氣流流速υ0(m/s)0.050.100.51.02.03.0K′(1/m)19.313.510.019.5132232對df=14μm的玻璃璃纖維維，填填充系系數(shù)8%，在不不同風風速下下測得得K′空氣流流速υs（m/s）0.030.150.30.921.523.15K′(1/m)56.725.219.329.4150605K值由由計算算求出出：4）深層過過濾阻阻力（（壓力力降））計算算L-過過濾層層厚度度（m)ρ––空氣密密度（（kg/m3)α––介質填填充系系數(shù)υo–空氣在在介質質空隙隙中的的流速速（m/s)υo=υs/(1－α)υs-空罐罐截面面氣速速（m/s)df–介質質纖維維直徑徑（m）m––實驗驗指數(shù)數(shù)，棉棉花m=1.45；；19μm玻璃纖纖維,m=1.358μm玻璃纖纖維,m=1.55C––阻力力系數(shù)數(shù)，棉棉花C=100/Re;玻璃纖纖維C=52/Re5)深深層過過濾器器直徑徑計算算Q-通通風量量（m3/s)(注注意：：總過過濾器器一般般用2~4個并并聯(lián)，，Q是是單個個的通通風量量）。。6）深深層過過濾器器的安安裝結結構孔板金屬絲絲網(wǎng)麻布棉花活性碳碳例題:設計一一臺通通風量量為10m3/min的的棉花花過濾濾器，，空氣氣壓強強為392KPa(絕對對壓力力），，通入入過濾濾器的的空氣氣含菌菌量是是5000個/m3，發(fā)酵酵周期期100小小時，，要求求發(fā)酵酵1000罐漏漏入一一個雜雜菌，，工作作溫度度30℃。。解:選選用16μm棉花作作過濾濾介質質，填填充系系數(shù)為為8%，空氣氣流速速υo=0.1m/s。由由表查查的過過濾常常數(shù)K=13.5m-1。過濾器器直計計算(D)：下標1為空空氣壓壓縮前前的空空氣狀狀態(tài)，，下標標2為為壓縮縮進入過過濾器器的空空氣狀狀態(tài)。。壓力損損失(▽P)計算算：υo=υs/(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s）進入過過濾器器密度度：空氣黏黏度查查得：：μ=18.6×10-6Pa·S引起染染菌的的主要要途徑徑：（1））缺少少正規(guī)規(guī)的操操作流流程方方案；；（2））使用用濕的的滅菌菌過濾濾器；；（3））冷卻卻盤上上的銷銷孔的的污染染；（4））設計計不合合理的的空氣氣排放放系統(tǒng)統(tǒng)；（5））不恰恰當?shù)氐丶尤肴肴揪挠陀秃拖輨﹦?；?））閥門門的泄泄漏；；密封封設施施不嚴嚴密。。提高過過濾除除菌效效率的的措施施減少進進口空空氣的的菌數(shù)數(shù)：加強生生產(chǎn)場場地的的衛(wèi)生生管理理，選選擇壓壓縮空空氣站站為上上風口口，提提高采采風位位置，，加強強空氣氣預處處理。。設計和和安裝裝合理理的空空氣過過濾器器，選選用除除菌效效率高高的過過濾介介質。。設計計合合理理的的空空氣氣預預處處理理設設備備，，達達到到除除油油、、水水和和雜雜質質的的目目的的。。降低低進進入入空空氣氣過過濾濾器器的的空空氣氣的的相相對對濕濕度度，，保保證證過過濾濾介介質質在在干干燥燥的的狀狀態(tài)態(tài)下下工工作作。。使用用無無油油壓壓縮縮機機加加強強冷冷卻卻和和去去油油、、水水，，提提高高空空氣氣溫溫度度，，以以降降低低相相對對濕濕度度。。（七七））過過濾濾介介質質棉花花棉花花都都用用作作深深層層過過濾濾，，一一般般選選纖纖維維細細長長、、疏疏松松的的新新鮮鮮棉棉花花。。棉棉花花纖纖維維直直徑徑一一般般在在16~21μm，填填充充密密度度130~150kg/m3（也也稱稱表表觀觀密密度度、、虛虛密密度度））。。棉棉花花的的真真實實密密度度1520kg/m3，虛虛密密度度與與真真實實密密度度比比值值稱稱填填充充系系數(shù)數(shù)。。填填充充系系數(shù)數(shù)在在8%左左右右。。玻璃璃纖纖維維纖維維直直徑徑在在3~20μm，常常用用的的20μm左右右，，填填充充系系數(shù)數(shù)8%。超細細玻玻璃璃纖纖維維纖維維直直徑徑在在1~1.5μm，用用作作紙紙的的方方法法，，做做成成0.25~1mm厚厚的的纖纖維維紙紙，，孔孔隙隙網(wǎng)網(wǎng)格格直直徑徑0.3~5μm，0.3μm能達達到到據(jù)據(jù)對對過過濾濾除除菌菌。。在在實實驗驗室室常常用用超超細細玻玻璃璃纖纖維維紙紙作作空空氣氣過過濾濾除除菌菌介介質質。。石棉棉濾濾板板（（3~5mm）常用用作作分分過過濾濾器器。。燒結結材材料料燒結結材材料料種種類類很很多多，，有有燒燒結結金金屬屬、、燒燒結結陶陶瓷瓷、、燒燒結結塑塑料料。。3.1.3過過濾濾除除菌菌機機理理1））單單纖纖維維機機理理慣性性沖沖擊擊（（碰碰撞撞））慣性性沖沖擊擊捕捕集集效效率率慣性性準準準準數(shù)數(shù)當此時時的的氣氣流流速速度度復習習題題1.名名詞詞解解釋釋：：（（1））空空氣氣過過濾濾除除菌菌效效率率（2））深深層層過過濾濾除除菌菌穿穿透透定定律律（3））空空氣氣過過濾濾除除菌菌穿穿透透率率2.介介質質過過濾濾空空氣氣除除菌菌流流程程的的確確定定應應根根據(jù)據(jù)那那些些要要求求？？