第四章 空氣供給工程

第四章空氣供給工程第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)空氣除菌過程與設(shè)備一、空氣除菌和滅菌方法二、空氣過濾除菌流程三、空氣預(yù)處理過程設(shè)備四、介質(zhì)過濾除菌第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三一、空氣除菌和滅菌方法超聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線、紫外線理論上都能破壞蛋白質(zhì)活性而起殺菌作用。但由于具體的殺菌機理不是很清楚，目前應(yīng)用較廣泛的還是紫外線。（二）熱滅菌法依靠加熱后使微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)（酶）氧化而致死亡（三）靜電除菌利用靜電引力來吸附帶電離子而達(dá)到除塵滅菌的目的，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗運動的動量時，微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。（四）介質(zhì)過濾除菌目前生物加工過程中最常用的獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法：一類是介質(zhì)間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質(zhì)濾層才能達(dá)到過濾除菌的目的，這類過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機合成纖維、燒結(jié)材料（燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料）；而另一類介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌，含細(xì)菌等微生物的空氣通過介質(zhì)，微生物就被截留于介質(zhì)上而實現(xiàn)過濾除菌，有時稱之為絕對過濾。（一）輻射殺菌第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三二、空氣過濾除菌流程（一）兩級冷卻、加熱除菌流程（二）冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程（三）高效前置過濾空氣除菌流程（四）利用熱空氣加熱冷空氣的流程特點是兩次冷卻、兩次分離、適當(dāng)加熱。空氣從貯罐出來后分成兩部分，一部分進入冷卻器，冷卻到較低溫度，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合，省去第二次冷卻后的分離設(shè)備和空氣加熱設(shè)備，流程比較簡單。利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經(jīng)中、高效過濾后，再進入空氣壓縮機，再經(jīng)冷卻、分離，進入主過濾器過濾，就可獲得無菌程度很高的空氣。利用壓縮后熱空氣和冷卻后的冷空氣進行交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對濕度。第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三三、空氣預(yù)處理過程設(shè)備（一）空氣預(yù)處理的作用與原理（二）空氣預(yù)處理設(shè)備第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（一）空氣預(yù)處理的作用與原理目的是兩個：1．提高壓縮空氣的潔凈度，降低空氣過濾器的負(fù)荷；2．去除壓縮后空氣中所帶的油水，以合適的空氣濕度和溫度進入空氣過濾器。原理：高度每上升10m，空氣中微生物量下降一個數(shù)量級，盡量提高吸入口的高度，以減少吸入空氣的塵埃含量和微生物含量。并在空氣吸入口處設(shè)置粗過濾器。第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（二）空氣預(yù)處理設(shè)備1．粗過濾器2．空氣壓縮機3．空氣貯罐4．氣液分離器5．空氣冷卻器Kt——氣體不同壓力溫度等熵指數(shù)；R——氣體常數(shù)；Z1、Z2——名義進氣、排氣狀態(tài)下壓縮系數(shù)；T——氣體溫度；p——氣體壓強；下標(biāo)1和2分別表示進氣、排氣狀態(tài)。空氣壓縮后，經(jīng)過冷卻會有大量水蒸汽及油分凝結(jié)下來，需用氣液分離器進行油水分離。有立式列管式熱交換器、噴淋式熱交換器等。第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三四、介質(zhì)過濾除菌（一）介質(zhì)過濾除菌機理（二）過濾介質(zhì)（三）空氣介質(zhì)過濾器的設(shè)備構(gòu)造（四）無菌空氣制備新設(shè)備當(dāng)氣流通過濾層時由于濾層纖維網(wǎng)格的層層阻礙，迫使氣流無數(shù)次改變運動速度和運動方向而繞過纖維前進，從而導(dǎo)致微粒對濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、靜電吸附等作用而把微生物滯留在纖維表面。1．慣性沖擊滯留作用機理2．?dāng)r截滯留作用3．布朗擴散截留作用4．重力沉降作用機理5．靜電吸附作用機理1．纖維狀或顆粒狀過濾介質(zhì)（1）棉花（2）活性炭（3）玻璃纖維（4）燒結(jié)金屬（5）多孔陶瓷（6）多孔塑料1．聚乙烯醇（PVA）過濾器將聚乙烯醇（PVA）乙酰化并以耐熱樹脂（如硅氧樹脂）涂敷，制成片式過濾器。有圓板型和圓筒型兩種。PVA過濾器的電鏡攝影呈現(xiàn)致密的纖維結(jié)構(gòu)，而不是單片式的微孔網(wǎng)絡(luò)。PVA過濾器能夠經(jīng)受蒸汽反復(fù)滅菌。如果發(fā)酵生產(chǎn)中所要求的K值在103~104范圍，則有效孔徑de=20~30μm的PVA過濾器，只需要0.2~0.3cm厚的一層就能滿足空氣除菌的需要。聚乙烯醇（PVA）過濾器的特點是除菌效率達(dá)99.9999%以上，壓力降在0.015MPa以下，使用可達(dá)一年以上，殺菌及干燥時間極短，更換方便，占地面積小。2．Bio-x過濾器英國DomnickHunter公司用直徑為0.5μm玻璃纖維制成1mm厚的濾材，卷成三卷，再以較粗的堅韌的玻璃無紡布做內(nèi)外襯，再在內(nèi)、外以不銹鋼網(wǎng)固定，作成濾筒狀。如圖4-22。它能濾除0.01μm顆粒（噬菌體大小為0.02μm），以油霧法（油霧直徑為1.3~0.01μm，平均0.3μm）測定，過濾效率為99.9999%。填充率為6%，空氣流量大，壓力降小，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝方便。缺點是強度不大，易損而失效，受潮也失效。3．高流量過濾器這是DomnickHunter公司開發(fā)的聚四氟乙烯（PTFE）材料為濾芯的以HighFlowBio-x和HighFlowTetporII為代表的高流量過濾器，它結(jié)合了深層過濾技術(shù)和新的膜折疊技術(shù)。其過濾機理和過濾效率均同Bio-x過濾器，但所用材料PTEE是一種堅韌的疏水性材質(zhì)，可以做成折疊濾芯，增加了過濾面積，使空氣流量為Bio-x的3倍，延長了使用壽命，進一步縮小了體積。這種過濾器的空隙率達(dá)94%，大于普通的膜過濾器（PTFE為75%，PVDF為66%）。4．其它膜過濾器核工業(yè)凈化過濾工程中心研制成功的JPF型聚二氟乙烯膜折疊式過濾器，通過微孔濾膜絕對過濾，過濾精度極高，濾膜采用折疊形式，通氣量大，壓力降小，介質(zhì)材耐高溫，疏水性強，使用壽命長。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)生物加工過程的空氣調(diào)節(jié)一、空氣調(diào)節(jié)的方法二、濕空氣焓—濕圖三、水與空氣直接接觸進行空氣調(diào)節(jié)四、表面換熱器空氣調(diào)節(jié)五、向空氣噴蒸汽進行空氣調(diào)節(jié)

第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三一、空氣調(diào)節(jié)的方法分成兩大類：直接接觸式和表面式。直接接觸式熱、濕交換的設(shè)備特點是空氣進行熱、濕交換的介質(zhì)和被處理的空氣接觸，通常是將其噴淋到被處理的空氣中去。表面式熱濕交換設(shè)備的特點是與空氣進行熱濕交換的介質(zhì)不和空氣直接接觸，熱、濕交換是通過處理設(shè)備的金屬表面來進行的。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三二、濕空氣焓—濕圖（一）濕空氣的幾個主要狀態(tài)參數(shù)（二）濕空氣焓濕圖介紹（三）空氣狀態(tài)變化過程及狀態(tài)變化過程的表示方法第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（一）濕空氣的幾個主要狀態(tài)參數(shù)1．水蒸汽分壓Ｐw空氣中水蒸汽分壓愈大，水汽含量就愈高。根據(jù)分壓定律，與干空氣分壓之比/=為摩爾水汽與摩爾干空氣之比，其中為濕空氣的總壓。2．空氣的濕含量H單位質(zhì)量干空氣中所含水汽的質(zhì)量，稱為空氣的濕含量或絕對濕度，簡稱濕度，其單位為kg/kg，用符號H表示。3．空氣的相對濕度為了表示距離飽和狀態(tài)的程度，常用相對濕度來衡量。4．露點溫度td空氣在濕含量H不變的情況下冷卻，達(dá)到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點溫度td。5．濕球溫度tw在溫度t、為濕度為H的不飽和空氣流中，在絕熱條件下達(dá)到平衡所顯示的溫度，稱為空氣的濕球溫度。6．濕空氣的焓Ｉ空氣的增濕或減濕過程是與空氣與水兩相間傳質(zhì)與傳熱同時進行的過程，不僅有濕量的轉(zhuǎn)移，也有熱量的傳遞，因此有必要知道空氣的另一個性質(zhì)——焓。第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（二）濕空氣焓濕圖介紹1．等焓線和等含濕線2．等溫線3．等相對濕度線4．水蒸汽分壓力線5．熱濕比線第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（三）空氣狀態(tài)變化過程及狀態(tài)變化過程的表示方法

1．等濕（干式）加熱過程2．等焓減濕過程3．等焓加濕過程4．等溫加濕過程5．減濕冷卻（或冷卻干燥）過程第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三三、水與空氣直接接觸進行空氣調(diào)節(jié)（一）空氣與水濕熱交換原理（二）空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程（三）用噴水室處理空氣（四）噴水室的熱工計算第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（一）空氣與水濕熱交換原理當(dāng)空氣遇到敞開的水面或飛濺的水滴時，便與水表面發(fā)生熱、濕交換，在蒸發(fā)過程中，邊界層中減少了的水蒸汽分子由水面躍出的水蒸汽分子補充；在凝結(jié)過程中，邊界層中過多的水蒸汽分子將回到水面。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（二）空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程

將空氣與水的濕熱交換過程看作飽和的與未飽和的兩種空氣的混合過程。隨著水溫不同，可以得到如圖4-33和表4-9的七種典型的空氣狀態(tài)變化曲線。第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（三）用噴水室處理空氣噴水增濕的方法又有兩大類，其一是使噴灑的水量全部汽化后即能使空氣達(dá)到要求的濕度。另一種方法是使大量的水噴灑于不飽和的空氣中，結(jié)果使部分噴水汽化后進入空氣中，得到近乎飽和的濕空氣，并使空氣降溫。最常用的是用噴水室處理空氣。

第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三（四）噴水室的熱工計算（1）空氣質(zhì)量流速的影響v——空氣流速，m/s；ρ——空氣密度，kg/m3；G——通過噴水室的空氣量，kg/h；f——噴水室的橫斷面積，m2（2）噴水系數(shù)的影響（3）噴水室結(jié)構(gòu)特性的影響4．噴水室的熱工計算方法（1）該噴水室能達(dá)到的η1應(yīng)等于空氣處理過程需要的η1；（2）該噴水室能達(dá)到的η2應(yīng)等于空氣處理過程需要的η1；（3）該噴水室噴出的水能放出（或吸收）的熱量應(yīng)等于空氣得到（或失去）的熱量。5．噴水溫度與噴水量的關(guān)系第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三四、表面換熱器空氣調(diào)節(jié)利用表面式換熱器處理空氣時能夠?qū)崿F(xiàn)等濕加熱、等濕冷卻和減濕冷卻三種過程。1．等濕過程的傳熱系數(shù)2．減濕冷卻過程的傳熱系數(shù)第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三