第三章 空氣除菌20133

第三章空氣除菌

第一節(jié)概述及空氣除菌設(shè)備一空氣除菌的意義：

發(fā)酵要求純種培養(yǎng)

空氣中大量雜菌：103-

104個/m3

空氣微生物的分布：

干燥寒冷北方

<

溫暖濕潤南方，高空

<

低空，農(nóng)村<工業(yè)城市

微生物種類：

以細(xì)菌和細(xì)菌芽孢較多,也有酵母、霉菌和病毒等二好氣性發(fā)酵對空氣無菌度的要求工業(yè)設(shè)計要求:10-3概率意義:經(jīng)過1000次使用周期中有允許一個雜菌通過三空氣除菌的方法:

除去或殺滅加熱滅菌靜電吸附:能耗?。徊东@率低，空氣需干燥介質(zhì)過濾除菌：

過濾介質(zhì):

棉花：阻力大，易受潮活性炭：阻力小，但效率為棉花1/3,與棉花混合使用玻璃纖維：石棉濾板：燒結(jié)材料：相對過濾（深層過濾）：0.5-2.0

μm顆粒物除去

絕對過濾：d<0.45μm氣體多變壓縮公式：T2/T1=（P2/P1）（k-1）/kT2，T1壓縮前后的熱力學(xué)溫度；P2，P1壓縮前后的絕對壓力，P2/P1壓縮比K多變指數(shù)，取1.3四空氣除菌設(shè)備1.空氣加熱殺菌設(shè)備組成(熱殺菌)

空氣壓縮機(jī)保溫維持管空氣儲罐空氣冷卻器作用：可除去水分、油霧、塵埃、微生物超凈工作臺及工作室的預(yù)除菌，配合高效過濾器(highefficiencyfilter)使用2.

靜電除菌除塵設(shè)備：靜電除塵器（staticdustcatcher）

1）深層纖維介質(zhì)（棉花、活性炭、玻璃纖維）過濾器：

填充物順序：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

3.

過濾除菌設(shè)備2)平板式纖維紙過濾器（flatfiberpaperfilter）：

結(jié)構(gòu)：

筒身、頂蓋、濾層、夾板、緩沖層

重要：空氣過濾器的尺寸a.過濾器的直徑D（決定了過濾面積）過濾器的直徑D＝(4V/πvs)1/2

V－空氣經(jīng)過濾器時的體積流量（m3/s）vs－空容器截面的空氣流速（m/s）

（一般取0.1－0.3m/s）b.有效過濾厚度(高度)經(jīng)驗：上下棉花的厚度為總濾層厚度的1/4－1/3,活性炭層占1/3－1/2五典型的過濾除菌空氣凈化流程

空氣除菌的要求：

無菌、無塵、無油、無水、有壓力

1.一級壓縮、兩級冷卻、兩級分離、加熱、除菌流程2.高效前置過濾除菌流程3.熱空氣加熱冷空氣的流程

設(shè)備組成：粗過濾器、空氣壓縮機(jī)、貯罐、冷卻器、分離器、加熱器、過濾器特點：一級壓縮：增加空氣壓力兩次冷卻：使水、油形成霧粒

兩級分離：除去水、油霧粒

加熱：降低空氣濕度，原100％降至50－60％

1.一級壓縮、兩級冷卻、兩級分離、加熱、除菌流程（較完善流程）空氣過濾器大型空氣壓縮機(jī)2.一級壓縮、一級冷卻、一級分離除菌流程設(shè)備組成（高效過濾器）、空氣壓縮機(jī)、貯罐、冷卻器、分離器、加熱器、過濾器等

高效過濾器介質(zhì)為：泡沫塑料（靜電除菌）、超細(xì)纖維特點：適宜于空氣干燥地區(qū)高效過濾器后，空氣無菌度達(dá)99.99%，使經(jīng)過主過濾器的空氣更潔凈，無菌度更高3.熱空氣加熱冷空氣的流程設(shè)備組成：粗過濾器、空氣壓縮機(jī)、熱交換器（貯氣罐）、冷卻器、析水器、過濾器等特點：有效利用熱能，使冷空氣溫度升高，濕度降低

空氣過濾設(shè)計流程（P54）第二節(jié)過濾除菌機(jī)制重要概念：

絕對過濾：過濾介質(zhì)孔隙小于微生物而進(jìn)行的過濾方式。

微孔濾膜：0.1～0.5μm（細(xì)菌1μm左右）

深層過濾：一定厚度的過濾介質(zhì)，孔徑一般大于細(xì)菌，卻能達(dá)到過濾細(xì)菌的效果。1.慣性碰撞滯留作用2.阻攔滯留作用3.布朗擴(kuò)散作用

深層過濾的機(jī)理1.慣性碰撞滯留作用：一定質(zhì)量的顆粒隨氣流運動，由于慣性力作用碰撞到纖維，摩擦、黏附作用被停滯于纖維表面。

微生物等顆粒隨空氣以一定速度流動；微生物慣性作用而離開氣流碰在纖維表面上臨界氣速vc:氣流速度低于此速，慣性碰撞滯留作用忽略與纖維直徑df，顆粒直徑dp，顆粒密度ρ，氣體物理性質(zhì)有關(guān)

V>vc

纖維的捕獲效率(η1)隨氣流速度增大而增大，但流速過大易帶走顆粒；

V<vc

顆粒慣性小,慣性碰撞滯留作用忽略不計。

慣性碰撞滯留效率(η1)2）阻攔滯留作用：當(dāng)V<vc

時，顆粒與纖維接觸被阻攔滯留的現(xiàn)象。顆粒質(zhì)量很小，氣流繞過纖維時顆粒仍隨氣流運動；

氣流速度低時，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，此區(qū)內(nèi)氣流速度更慢；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。

阻攔滯留效率(η2)主要決定于：顆粒直徑dp3.布朗擴(kuò)散作用：

微小顆粒在流速緩慢的氣流中發(fā)生布朗運動，與介質(zhì)碰撞而捕獲。很小的顆粒在流動速度很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則直線運動，稱為布朗擴(kuò)散。微粒愈小，分子運動的速度愈大?？諝饬魉俚蜁r，分子運動比較顯著，微小粒子被除去的機(jī)會增加；重點：擴(kuò)散捕獲效率(η3)決定于：纖維孔隙和氣流速度V

（4）重力沉降作用小顆粒，只有當(dāng)氣流速度很低時當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就沉降。空氣的介質(zhì)過濾除菌方面，這一作用小。

（5）靜電吸附作用

一定速度的氣流通過介質(zhì)濾層時，由于摩擦作用而產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷當(dāng)菌體所帶的電荷與介質(zhì)的電荷相反時，就發(fā)生靜電吸引作用。介質(zhì)過濾除菌方面，這一作用小。

單個纖維的總捕獲效率η＝η1+η2+η3不同條件下的過濾作用機(jī)理不同（1）氣流速度當(dāng)氣流速度小，慣性碰撞作用不明顯，以沉降和布朗運動現(xiàn)象為主，除菌效率隨氣流速度增大而降低；當(dāng)氣流速度增大到某值時，除菌效率最小，此速度除為臨界速度。當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加，慣性碰撞代替沉降和布朗運動，除菌效率隨著氣流速度增加而提高。（2）顆粒大小

微粒在0.5μm以下時幾乎無慣性碰撞現(xiàn)象。

第三節(jié)空氣過濾器的計算一.介質(zhì)穿透率和過濾效率穿透率：空氣殘留的顆粒數(shù)與空氣中原有顆粒數(shù)之比

P=Ns/N0

N0－空氣中原有顆粒數(shù)Ns－空氣中殘留的顆粒數(shù)過濾效率：介質(zhì)捕獲的顆粒數(shù)與空氣中原有顆粒數(shù)之比

η＝(N0-Ns)/N0＝1-P

二.對數(shù)穿透定律1)

空氣過濾時，顆粒數(shù)N隨濾床厚度L的增加而遞減。

也符合一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，即：

－dN/dL=KN

(1)積分后得：ln（Ns/N0）＝－KL

也可為：lnP＝－KL

K－過濾常數(shù)(cm-1)，與氣流速度V,纖維直徑df，顆粒直徑dp和纖維填充密度有關(guān)L－濾層厚度（cm）

2)過濾層厚度：L＝－ln（Ns/N0）/Kk值的獲得K（過濾常數(shù)）與空氣流速v，介質(zhì)種類、填充系數(shù)、介質(zhì)直徑df

、顆粒直徑dp等有關(guān)。1.實驗測定

直徑為16μm的棉花纖維，當(dāng)填充系數(shù)α＝8％

時，空氣流速v取以下值時的K值：空氣流速V(m/s)0.050.100.501.02.03.0K(cm-1)0.440.310.230.453.045.872.通過計算：1)L90為η（過濾效率）為90％時的濾層厚度

因為ln（Ns/N0）＝lnP＝ln（1－η）＝－KL

當(dāng)過濾效率為90％（穿透率為10%）時：

K＝-lnP/L90＝-ln10%/L90＝2.303/L90直徑16μm的玻璃纖維的L90值空氣流速（m/s）0.030.150.301.523.05L90（cm）4.058.5011.701.530.382)當(dāng)無實驗數(shù)據(jù)可查，可依據(jù)此：過濾常數(shù)為K＝ηα－填充系數(shù)（0<α<0.1)過濾介質(zhì)在濾層的體積百分?jǐn)?shù)df－纖維直徑

單個纖維的總捕獲效率η＝η1+η2+η3

當(dāng)采用玻璃纖維時，可η1忽略：即單個纖維的總捕獲效率η＝η2+η3當(dāng)纖維較粗，間隙較大時，η3很小，單個纖維的總捕獲效率η＝η2其中：A.慣性碰撞滯留效率η2＝d/dfB.阻攔滯留效率η1η1＝[2(1+NR)ln(1+NR)-(1+NR)+1/(1+NR)]

其中：NRe(氣流雷諾數(shù))=dfVρ/μdf－纖維直徑（m）；V－空氣流速(m/s)；ρ－空氣密度(kg/m3)；μ－空氣黏度(kg/m.s)NR=dp/df(微粒直徑/纖維直徑)C.布朗運到或擴(kuò)散捕獲效率：

其中：2X0/df＝[1.12×2(2-lnRe)DB/Vdf]1/3

DB（微粒的擴(kuò)散率）=CKT/3πμdpC－滑動系數(shù)；K－波耳茲曼常數(shù)，1.41×10－24kg.m/k；T－絕對溫度(k)空氣過濾器的尺寸計算：1.過濾層厚度的計算：

L＝－ln（Ns/N0）/K2.過濾器的直徑的計算：

D濾層＝

V－空氣經(jīng)過濾器時的體積流量（m3/s，m3/min）vs－空容器截面的空氣流速（m/s，m/min）計算題1.試設(shè)計一臺通風(fēng)量為10m3/min的棉花纖維過濾器，過濾器使用周期為100h?？諝庵蓄w粒數(shù)為5000個/m3,通過過濾器無菌要求為10-3。已知大氣初始壓力1kg/m3,溫度20°C,要求設(shè)計工作壓力4kg/m3,工作溫度30°C。請確定介質(zhì)過濾效率η及濾層厚度L，D解：擬選用棉花濾層df=16μm,氣速Vs=0.1m/s，填充系數(shù)

α8%。1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100)=3.33×10-12η=1-P=1-3.33×10-122.表查得K=0.31cm-1,L＝－ln（Ns/N0）/K3.D=V－空氣經(jīng)過濾器時的體積流量（m3/s,min）