第三章 空氣除菌 修訂

生化工程

第三章空氣除菌

主要內(nèi)容：

1、空氣除菌的目的及預(yù)處理；

2、空氣過濾設(shè)計(jì)；

3、深層過濾計(jì)算

重點(diǎn)：空氣過濾的原理及設(shè)計(jì)

難點(diǎn)：深層過濾的計(jì)算第三章空氣除菌1、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?duì)生物體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。第三章空氣除菌通入的氧氣（空氣）的量有多大？舉例：一個(gè)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(gè)培養(yǎng)周期需通入：

170×60×0.8×0.7×50=2.86×105m3空氣空氣中微生物的數(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。

每m3大氣中約含有103～104個(gè)微生物，而每提高2.5米,空氣中的微粒數(shù)可減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

103～104個(gè)微粒/m3的濃度，與布滿工業(yè)塵埃的空氣相比是小的。例如：鑄鐵車間的風(fēng)管空氣含塵埃顆粒數(shù)約為

7.6×1010微粒/m3

空氣中的微粒多為細(xì)菌及孢子，也有真菌、酵母和病毒。其大小從幾個(gè)微米到幾百微米不等。小的微生物附在空氣中的塵埃上，灰塵的尺寸約為0.6微米。在工程上如何解決向培養(yǎng)液提供大量無菌空氣的問題？工業(yè)上利用過濾方法制備大量無菌壓縮空氣，用過濾介質(zhì)阻隔微生物。第一節(jié)

空氣的預(yù)處理，1、流程空氣貯罐冷卻器冷卻器加熱器粗濾器：高空20-30m空氣壓縮機(jī)FreshMediaFeedDissolveO2SensorThermocoupleInletAirFlowExitGasFlowAcid/baseAntifoampHSensorLevelSensorAgitatorSparserExitLiquidFlowQ，N0

Q，N旋風(fēng)分離器絲網(wǎng)分離器空氣預(yù)處理流程旋風(fēng)分離器絲網(wǎng)除霧器空氣過濾器空氣過濾器注意提高空氣壓縮前空氣的潔凈度主要措施：提高空氣吸氣口的位置和加強(qiáng)吸入空氣的前過濾。20-30米高空采風(fēng)；在吸氣口處設(shè)置空氣粗過濾器：常用布袋過濾器。第一節(jié)

空氣的預(yù)處理

2、空氣壓縮、冷卻、加熱過程中狀態(tài)參數(shù)的變化（1）壓縮壓縮機(jī)的工作循環(huán)：恒壓吸氣、壓縮和恒壓排氣過程組成。氣體經(jīng)壓縮后，分子密度增大，分子的距離縮短，分子的碰撞增加，分子原有的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，若熱量沒有向外界傳出，則氣體溫度升高，這種壓縮過程稱為絕熱壓縮過程。氣體的壓縮程度越大，則氣體溫升越高。第一節(jié)

空氣的預(yù)處理

2、空氣壓縮、冷卻、加熱過程中狀態(tài)參數(shù)的變化式中T1、T2是空氣壓縮前后的絕對(duì)溫度P1、P2是空氣壓縮前后的絕對(duì)壓強(qiáng)CP：定壓比熱 CV：定容比熱

K=

絕熱指數(shù)，空氣為1.4（1）壓縮下面看空氣壓縮后T2升高的情況

例15℃的空氣由1×105Pa被壓縮到3×105Pa（絕壓）T2=T1、=394K=121℃如果壓縮比更大，壓縮空氣的溫度就更高。壓縮比P2/P12.06.08.010.0絕熱壓縮氣體溫度（℃）85217257292等溫壓縮過程：若壓縮過程中氣體放出的熱量能全部排出外界，使氣體壓縮前后的溫度相等。實(shí)際壓縮的多變過程：實(shí)際上氣體在壓縮過程中，壓縮氣體產(chǎn)生的熱量必然有一部分排到外界，不能達(dá)到絕熱壓縮；也不可能全部排到外界而達(dá)到等溫過程，實(shí)際的壓縮過程稱之為多變過程，它介于絕熱過程與等溫過程之間。高溫壓縮空氣直接通入空氣過濾器的后果：（1）引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒。（2）增大反應(yīng)罐的降溫負(fù)荷，給培養(yǎng)溫度的控制帶來困難。措施：用列管式冷卻器進(jìn)行冷卻。第一節(jié)

空氣的預(yù)處理

2、空氣壓縮、冷卻、加熱過程中狀態(tài)參數(shù)的變化（2）、壓縮空氣的冷卻及除水除油復(fù)習(xí)概念：相對(duì)濕度φ，濕含量X（濕度）空氣中水蒸汽分壓與同溫度時(shí)的飽和水蒸汽壓力之比稱為相對(duì)濕度φ。PW：空氣中水蒸汽的分壓PS：同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓每1kg干空氣中所含有的水蒸汽的kg數(shù)稱為空氣的濕含量。濕含量（濕度）=φ=

（2）、壓縮空氣的冷卻及除水除油

φ=

如果將φ<1的濕空氣冷卻，開始一段時(shí)間X不變，則PW也不變，但由于飽和水蒸汽壓PS隨空氣溫度下降而下降，因此相對(duì)濕度逐漸增大。當(dāng)相對(duì)濕度φ下降為1時(shí)，空氣中的水蒸汽已飽和，這時(shí)的溫度稱為:

露點(diǎn)。如果氣體溫度繼續(xù)下降，空氣中的水蒸汽開始冷凝成水，空氣的相對(duì)濕度保持為1，濕含量X則開始下降，所以冷卻過程可分為二段。

第一段T↓第二段：T↓φ↓φ=1 φ=1 X不變 X下降 等濕冷卻 減濕冷卻

壓縮空氣經(jīng)冷卻會(huì)有水析出，混在空氣中，如果使用活塞式空氣壓縮機(jī)，空氣中還混雜有油滴（油作潤滑作用），為了保證空氣過濾器的效能，必須除去空氣中的水分和油滴。分水的方法：（1）旋風(fēng)分離器分離：較大的水滴（2）絲網(wǎng)除霧器：小的水滴（直徑5m）用不銹鋼絲網(wǎng)、銅網(wǎng)或塑料網(wǎng)填充。旋風(fēng)分離器絲網(wǎng)除霧器第一節(jié)

空氣的預(yù)處理

2、空氣壓縮、冷卻、加熱過程中狀態(tài)參數(shù)的變化(3)、空氣的加熱目的：降低空氣相對(duì)濕度，防止過濾介質(zhì)被打濕?？刂瓶諝鉅顟B(tài)參數(shù)：

φ下降到50～60%，

T升高到發(fā)酵溫度

X不變第二節(jié)典型空氣除菌流程

（1）一級(jí)壓縮，二次冷卻，一次加熱流程

（2）一級(jí)壓縮，一次冷卻流程空氣（t0、x0、φ0）（t1、x1、φ1）（t2=35℃、x2、φ2=60%）x0=x1=x2，這樣的流程是否可行？

在北方的冬天，空氣的濕含量低，可以進(jìn)行一級(jí)壓縮，一級(jí)冷卻的流程，可以節(jié)約大量冷卻水和加熱蒸汽。

（3）節(jié)能流程

為達(dá)到節(jié)約能源的目的，將一部分壓縮后的空氣冷卻到相對(duì)濕度100%，然后用部分未冷卻的熱空氣混合，達(dá)到要求的濕度和溫度。T0

X0φ0壓縮T1

X1φ1T2

X2φ2T3X3φ3減X冷卻35℃-50℃60%

100%采用這個(gè)流程時(shí)，要進(jìn)行物料平衡和熱量平衡計(jì)算，合理控制這兩部分的比例，比例還要隨氣候條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第三節(jié)

空氣過濾設(shè)計(jì)空氣過濾器使用的過濾介質(zhì)，按其孔徑大小可分為二類：1)

絕對(duì)過濾介質(zhì)：絕對(duì)過濾介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌和孢子，當(dāng)空氣通過時(shí)微生物被阻留在介質(zhì)的一側(cè)。2)

深層過濾介質(zhì)：深層過濾介質(zhì)的截面孔隙大于微生物，為了達(dá)到所需的除菌效果，介質(zhì)必須有一定的厚度，因此稱為深層過濾介質(zhì)。深層過濾介質(zhì)深層過濾介質(zhì)除菌的機(jī)理主要是：（1）纖維介質(zhì)對(duì)顆粒的攔截，（2）顆粒的慣性沖撞，（3）布朗擴(kuò)散等因素。目前在我國的工廠和實(shí)驗(yàn)室，多采用深層過濾介質(zhì)制備無菌空氣。一、深層過濾原理

深層過濾介質(zhì)有一定厚度，介質(zhì)的截面上孔隙比過濾要除去的顆粒大得多。塵埃顆粒直徑0.5~2m。細(xì)菌0.1~0.3m，介質(zhì)的截面纖維孔隙：16~25m（df=16m，裝填密度為8%。為什么能除去雜菌呢？纖維深層隨機(jī)排列。

一、深層過濾原理

深層除菌的機(jī)理，有許多學(xué)者研究過，現(xiàn)在普遍認(rèn)為：慣性碰撞，攔截和布朗擴(kuò)散因素是深層過濾能夠除菌的主要因素，總的過濾因素是這三種效率之和。η0=η1+η2+η3擴(kuò)散機(jī)制攔截慣性沖撞重力靜電外加電場(chǎng)1、慣性沖撞機(jī)制（η1

）（大顆粒）氣流中運(yùn)動(dòng)的顆粒，質(zhì)量，速度，具有慣性，當(dāng)微粒隨氣流以一定的速度向著纖維垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣受阻改變方向，繞過纖維前進(jìn)，微粒由于慣性的作用，不能及時(shí)改變方向，便沖向纖維表面，并滯留在纖維表面。η1式中：微粒密度

μ：空氣粘度

V：微粒流速

dp：微粒直徑

df：纖維直徑

C：修正系數(shù)操作參數(shù)是V，η1隨V的增大而增大。當(dāng)φ=1/16，η1=0此時(shí)的空氣流速叫臨界流速VcVη1

10-4

10-3

10-2

10-1

VC

2、阻截（截留）機(jī)制（η2）

（小顆粒）阻截機(jī)制對(duì)阻截小顆粒比較有效。細(xì)菌的質(zhì)量小，緊隨空氣流的流線前進(jìn)，當(dāng)空氣流線中所攜帶的顆粒和纖維接觸時(shí)被捕集。截留微粒的捕集效率幾乎完全取決于微粒的直徑，和氣流速度關(guān)系不大。

η2=

NR=

NRe

=

dfuρ/μ

氣流雷諾數(shù)

η2=NR=dp/df

，NRe

=

dfuρ/μVη2

10-2

3、布朗擴(kuò)散機(jī)制碰撞:微小的顆粒之間，顆粒與空氣分子之間。碰撞→布朗運(yùn)動(dòng)→與纖維介質(zhì)相撞→被捕集。顆粒直徑越小，氣流速度越小，擴(kuò)散捕集效率越高，反之則小。設(shè)顆粒位置移動(dòng)為2X0，那么在2X0范圍內(nèi)都可以碰撞到纖維，用2X0代替阻截效率η2計(jì)算式中的dp。那么,2Xo怎么求？它是什么值的函數(shù)呢?η3=

DBM：微粒擴(kuò)散系數(shù)

K：Boltzmann波爾曼常數(shù)1.41×10-24kg·m/kT：絕對(duì)溫度DBM=CKT/3πμdp

C：修正系數(shù)=1+

3、布朗擴(kuò)散機(jī)制平均自由程M：氣體分子量；ρ：氣體密度。

Vη3

還有其它一些機(jī)制，象布朗擴(kuò)散和攔截的聯(lián)合作用機(jī)制，重力沉降機(jī)制，但以上三種機(jī)制是最重要的。設(shè)計(jì)深層過濾器時(shí)，以η0最低為設(shè)計(jì)點(diǎn)。10-1

10-2

10-310-4

η0

η1

η2

η3

VcVη0=η1+η2+η3

二、深層過濾計(jì)算

概念：菌體穿透率

不同的培養(yǎng)過程，鑒于其所使用的菌種不同，生長能力、生長速度、培養(yǎng)周期、培養(yǎng)基組成等的不同，對(duì)空氣滅菌的要求不同，但一般仍可按10-3的染菌機(jī)率，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。Q0，N0

Q，N二、深層過濾計(jì)算

要解決的問題是：處理空氣量為Q時(shí)，含菌個(gè)數(shù)No的空氣要達(dá)到N=10-3，需要的介質(zhì)層厚度L=？Q0，N0

Q，N

那么與L的關(guān)系怎樣？有學(xué)者作了實(shí)驗(yàn)：測(cè)定與L之間的關(guān)系。

lnLSlope=Kln=-KL對(duì)數(shù)穿透定律：

L：濾床厚度、K：與纖維捕集效率有關(guān)的系數(shù)對(duì)數(shù)穿透定律的四點(diǎn)假設(shè)：1)

過濾器中過濾介質(zhì)中，每一根纖維周圍的空氣流態(tài)并不因其它臨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，不再被空氣帶走。3)

過濾器中的過濾效率與空氣中的微粒的濃度無關(guān)。4)

空氣中微粒在濾層中的減遞均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。