第九章空氣除菌

第九章空氣除菌1、概述空氣除菌的目的及重要性在好氧深層培養(yǎng)中，微生物細(xì)胞的繁殖代謝需要溶解氧，因?yàn)橛醒跹趸瘜ι矬w來說是能量放出最多的途徑。在該過程中脫去了很多H，H經(jīng)電子傳遞鏈，最后被O2吸收，所以要提供氧?，F(xiàn)在深層培養(yǎng)都是純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基接種之前都經(jīng)過滅菌，通入的氧氣也應(yīng)是無菌的。通入的氧氣（空氣）的量有多大？

舉例：一個50m3的發(fā)酵罐，裝填系數(shù)0.7，通氣量0.8vvm，170h周期，那么每個培養(yǎng)周期需通入：170×60×0.8×0.7×50=2.86×105m3空氣?？諝庵形⑸锏臄?shù)量與環(huán)境條件有關(guān)。城市空氣中微生物的密度較高，農(nóng)村和山區(qū)則較低，工廠附近又以主風(fēng)向上游密度較低。地平面空氣含微生物比高空多。

空氣中微生物的分布

空氣中微生物的含量和種類，隨地區(qū)、季節(jié)和空氣中灰塵粒子多少，以及人們的活動情況而異。就種類而言，通常細(xì)菌芽孢、霉菌孢子居多；空氣中的微生物一般附著在塵埃、霧滴上；一般每升高10米，空氣中的含菌量就降低一個數(shù)量級；城市的空氣中含菌量較多，農(nóng)村的空氣中含菌量較少，一般城市空氣中雜菌數(shù)為3000~8000個／米３。生物工業(yè)生產(chǎn)對空氣質(zhì)量的要求

生物工業(yè)生產(chǎn)中對空氣質(zhì)量的要求是：無菌、無灰塵、無雜質(zhì)、無水、無油、溫度、濕度、正壓等要求；

生物工業(yè)生產(chǎn)中對無菌空氣的無菌程度要求是：一般要求1000次使用周期中只允許有一個菌通過，即經(jīng)過濾后空氣的無菌程度為N=10-3?？諝獬椒?/p>

加熱滅菌：采用加熱手段（電、蒸汽、空壓機(jī)）將空氣加熱到滅菌溫度進(jìn)行滅菌。靜電除菌：被電離的空氣離子在向電極快速移動過程中撞擊上空氣中的塵埃、菌體后，使菌體、塵埃移向電極，最終沉降吸附在電極上，以達(dá)到除塵除菌的目的。介質(zhì)過濾除菌：實(shí)際使用時根據(jù)具體發(fā)酵選用除菌方式，一般常用過濾除菌的方法。

2、空氣凈化除菌的方法與原理(1)加熱滅菌空氣熱滅菌流程示意圖1-空氣壓縮機(jī)2-粗過濾器3-保溫管4-貯氣罐5-保溫罐6-列管式冷卻器7-渦輪壓縮機(jī)8-預(yù)熱器9-粗過濾器10-空氣吸入塔(2)

靜電除菌電極鋼絲鋼管絕緣瓶鋼板空氣出口封頭管板法蘭空氣進(jìn)口靜電除塵器裝置圖管式靜電除菌器

介質(zhì)過濾除菌是使空氣通過經(jīng)高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，而達(dá)到除菌的目的。目前生物工業(yè)生產(chǎn)中最常用、適用的空氣除菌方法。常用的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、超細(xì)玻璃纖維、石棉濾紙、PVA（聚乙烯醇）燒結(jié)材料過濾介質(zhì)、燒結(jié)金屬過濾介質(zhì)等。(3)介質(zhì)過濾除菌介質(zhì)過濾除菌機(jī)理慣性碰撞滯留作用

阻攔滯留作用布朗擴(kuò)散作用重力沉降作用靜電吸附作用

介質(zhì)過濾機(jī)理1）慣性碰撞作用當(dāng)微生物等顆粒隨空氣以一定的速度流動，在接近纖維時，氣流碰到纖維而受阻，空氣就改變運(yùn)動方向繞過纖維繼續(xù)前進(jìn)。但微生物等顆粒由于具有一定的質(zhì)量，在以一定速度運(yùn)動時具有慣性，碰到纖維時，由于慣性作用而離開氣流碰在纖維表面上，由于摩擦、粘附作用，被滯留在纖維表面上，這叫做慣性滯留作用。當(dāng)氣流達(dá)到一定速度時，它是介質(zhì)過濾除塵的主要作用。氣流寬度b，纖維直徑df，單纖維的慣性碰撞捕集效率，用η1表示，即η1=b/df單一纖維的流動模型2）阻截作用

在氣流速度在臨界速度以下，由于速度很低時，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，在滯留區(qū)內(nèi)氣流速度更慢，在滯留區(qū)內(nèi)的顆粒緩慢接近纖維，并與之接觸，由于摩擦、粘著作用而被滯留，這種作用稱為阻截作用。3）布朗擴(kuò)散運(yùn)動

很小的顆粒如噬菌體等直徑<1um的菌體，在流動速度很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則直線運(yùn)動，稱為布朗擴(kuò)散運(yùn)動。只在氣流速度很慢和很小的纖維間隙才起作用。

4）重力沉降：當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就沉降。在空氣介質(zhì)過濾除菌方面，此作用可以不考慮。

5）靜電吸附：很多微生物都帶電荷（譬如枯草芽孢桿菌孢子中20％帶正電荷，15％帶負(fù)電荷）；當(dāng)氣流通過介質(zhì)濾層時，由于摩擦作用而產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，特別是纖維表面和用樹脂處理的纖維表面產(chǎn)生電荷更加顯著。當(dāng)菌體所帶電荷與介質(zhì)所帶電荷相反時，就能產(chǎn)生靜電吸引作用。(c)擴(kuò)散(b)阻攔滯留作用(a)慣性作用碰撞纖維被阻截(d)重力(e)靜電空氣過濾空氣微粒隨氣流通過濾層時，由于濾層纖維的層層阻礙，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運(yùn)動速度和方向的繞流運(yùn)動，引起微粒與濾層纖維間產(chǎn)生慣性沖擊、攔截、布朗擴(kuò)散、重力沉降、靜電引力等作用把微粒滯留在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)過濾的目的。過濾效率：

過濾效率就是濾層所濾去的微粒數(shù)與原來微粒數(shù)的比值，它是衡量過濾設(shè)備過濾能力的指標(biāo)。3、空氣介質(zhì)過濾除菌設(shè)備及計算穿透率（P）為：過濾效率：：過濾前空氣中的微粒數(shù)；：過濾后空氣中的微粒數(shù)；：穿透率；：過濾前空氣中的微粒數(shù)；將上式變形后積分：

這就是對數(shù)穿透定律，表示進(jìn)入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對數(shù)是濾層厚度的函數(shù)，過濾常數(shù)K的值與空氣流速、纖維充填密度和直徑、空氣中微粒大小等因素有關(guān)。

對數(shù)穿透定律

四點(diǎn)假定：

(1)過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其他鄰近纖維的存在而受影響；(2)空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流卷起帶走；(3)過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)；(4)空氣中微粒在濾層中的遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。

空氣過濾壓力降的計算式中

L—過濾層厚度，m；ρ—空氣密度，kg/m3；α—介質(zhì)填充系數(shù)；

v—空氣在介質(zhì)間隙中的流速，m/s；v＝vs/(1-α);

vs—空截面氣速，m/s；

df—纖維直徑，m；m—實(shí)驗(yàn)指數(shù)，對不同的過濾介質(zhì)，如棉花介質(zhì)，

m＝1.45；19μm玻璃纖維，m＝1.35；8μm玻璃纖維，m＝1.55；c—阻力系數(shù)，棉花介質(zhì)c≈100/Re;玻璃纖維介質(zhì)c≈52/Re。過濾阻力提高過濾效率的措施

1.減少進(jìn)口空氣的含菌數(shù)?？梢詮囊韵聨讉€方面著手：

(1)加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的衛(wèi)生管理，減少環(huán)境空氣中的含菌量；

(2)提高空氣進(jìn)口位置（高空采風(fēng)），減少空氣進(jìn)口含量；

(3)加強(qiáng)壓縮前的空氣預(yù)過濾。

2.設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器。3.降低進(jìn)入總過濾器空氣的相對濕度。主要從以下幾個方面入手：(1)采用無油潤滑空壓機(jī)；(2)加強(qiáng)空氣的冷卻，去油水；(3)提高進(jìn)入總過濾器的空氣溫度，降低其相對濕度。過濾介質(zhì)和過濾器的結(jié)構(gòu)過濾介質(zhì)1.棉花2.玻璃纖維3.活性碳4.超細(xì)玻璃纖維紙5.石棉濾板6.燒結(jié)材料過濾介質(zhì)：如PVA7.新型過濾介質(zhì)：如PVDF、PTFE過濾器的結(jié)構(gòu)－纖維介質(zhì)深層過濾器深層纖維介質(zhì)空氣過濾器進(jìn)氣口壓緊架出氣口纖維介質(zhì)換熱夾套活性炭

纖維介質(zhì)主要有棉花、玻璃纖維、超細(xì)玻璃纖維。

空氣過濾器的尺寸：式中qv－空氣流過濾器時的體積流量，m3/s;

vs－空截面空氣流速，m/s。過濾器的結(jié)構(gòu)－纖維介質(zhì)深層過濾器填充物安裝順序：孔板－鐵絲網(wǎng)－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－鐵絲網(wǎng)－孔板彈簧壓緊裝置過濾器的結(jié)構(gòu)－平板式纖維紙過濾器纖維紙平板過濾器由罐體、頂蓋、濾層、夾層和緩沖層構(gòu)成。過濾器的結(jié)構(gòu)管式過濾器接迭式低速過濾器新型過濾器的結(jié)構(gòu)－JPF空氣過濾器過濾器的結(jié)構(gòu)－YUD-Z空氣過濾器過濾器的計算例：試設(shè)計一臺通風(fēng)量為10m3/min的棉花過濾器，空氣壓力為392kPa(絕對壓力＝表壓+大氣壓)，進(jìn)入空氣過濾器的空氣含菌量是5000個／m3，要求因空氣原因引起的倒罐率為0.1%（即1000次發(fā)酵周期漏進(jìn)一個雜菌），發(fā)酵周期100h。工作溫度為30℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?8070Pa，當(dāng)?shù)貧鉁貫?0℃。計算空氣過濾器的尺寸(過濾介質(zhì)厚度和過濾器直徑)。解:選用棉花纖維直徑df

=16μm，填充系數(shù)α=8%，空氣流度vs

=0.1m/s；過濾常數(shù)K=0.31/cm。（1）計算過濾層厚度：每批發(fā)酵通風(fēng)過濾前含菌總數(shù)為：N1=5000×10×60×100＝3×108（個）過濾后含菌數(shù)為N2=10-3個∴過濾層厚度L為：（2）計算過濾器直徑D

進(jìn)口空氣壓強(qiáng)p1＝98070Pa

過濾工作壓強(qiáng)p2＝392000Pa

通氣量V1=10m3/min=0.17m3/s

過濾器空氣流量(狀態(tài)方程p1v1/T1=P2V2/T2)為：

故過濾層直徑為：

制備無菌空氣的大致過程4、空氣介質(zhì)過濾除菌設(shè)備無菌空氣空氣高空取氣管除塵器空氣壓縮機(jī)貯氣罐一級冷卻器油水分離器二級冷卻器除霧器加熱器過濾器空氣除菌流程的要求

設(shè)備要求盡量采用新技術(shù)，提高效率，減少設(shè)備，精簡設(shè)備投資、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和動力消耗，簡便操作。流程的制訂就根據(jù)所在的地理、氣候環(huán)境和設(shè)備條件而考慮?？諝獬鞒虄杉壚鋮s、分離、加熱的空氣除菌流程前置高效過濾除菌流程前置高效過濾除菌流程1-高效過濾器；2-空壓機(jī)；3-貯罐；4-冷卻器；5-絲網(wǎng)分離器；6-加熱器；7-過濾器冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程提高壓縮前空氣的潔凈度（1）提高空氣進(jìn)氣口的位置（高采風(fēng)口），為遠(yuǎn)離地面幾十米的管子。每升高10米，空氣中雜菌降低一個數(shù)量級。因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。（2）在空氣入口處設(shè)置粗過濾器（預(yù)過濾）

——捕集較大的灰塵顆粒，并保護(hù)空壓機(jī)。（3）加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的衛(wèi)生管理，減少環(huán)境空氣中的含菌量。1、粗過濾器粗過濾器安裝在空氣壓縮機(jī)前，主要起捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機(jī)受磨損，同時也減輕總過濾器的負(fù)荷。常用的粗過濾器有：布袋過濾、填料式過濾、油浴洗滌和水霧除塵等?？諝饨橘|(zhì)過濾除菌設(shè)備油浴洗滌空氣裝置粗過濾器水霧除塵裝置2、空氣貯罐

作用：消除壓縮機(jī)排出空氣量的脈沖，維持穩(wěn)定的空氣壓力，同時也可以利用重力沉降作用分離部分油霧。安全閥壓力表排氣管人孔進(jìn)氣管排污口壓縮空氣的除油除水

冷卻降溫后的空氣濕度增大，會使過濾介質(zhì)受潮失效。兩類設(shè)備旋風(fēng)分離器——利用離心力進(jìn)行沉降，對于10m以上的微粒分離效率較高。絲網(wǎng)分離器——利用慣性進(jìn)行攔截，分離效率較高，能除去2～5m的細(xì)小顆粒。

3、汽液分離器

作用：將空氣中被冷凝成霧狀的水霧和油霧粒子除去的設(shè)備。一般常用的有旋風(fēng)式和填料式。旋風(fēng)分離器填料式分離器是利用各種填料如焦炭、活性炭、磁環(huán)、金屬絲網(wǎng)、塑料絲網(wǎng)等的慣性攔截作用分離空氣中水霧或油霧。絲網(wǎng)分離器汽液分離器空氣壓縮和壓縮空氣的冷卻（1）空氣壓縮：克服輸送過程中過濾介質(zhì)的阻力并維持一定的氣流速度。（2）壓縮后空氣溫度顯著上升，需冷卻。

因?yàn)閴嚎s后的高溫空氣能引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒增大發(fā)酵罐的降溫負(fù)荷增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā)一般用列管式冷卻器進(jìn)行冷卻。4、空氣冷卻器

常用的類型有：立式列管式熱交換器、沉浸式熱交換器、噴淋式熱交換器和板翹式熱交換器等。5、空氣過濾器