第三章 無菌空氣的制備

第三章無菌空氣的制備第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四學(xué)習(xí)目標(biāo)了解基本概念、無菌空氣制備方法及生產(chǎn)中使用的過濾介質(zhì)；掌握無菌空氣制備工藝、制備過程的注意事項(xiàng)及常見問題處理手段；理解過濾除菌的原理、過濾效率、影響因素及提高過濾除菌效率的措施。第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)基本概念無菌空氣所謂無菌空氣就是指不含有微生物菌體的空氣。自然狀態(tài)下的空氣中含有懸浮的灰塵、各種微生物及水，壓縮后還含有油滴。因此，空氣在引進(jìn)發(fā)酵罐之前必須進(jìn)行嚴(yán)格處理，除去其中含有的微生物與其它有害成分。深層過濾利用過濾介質(zhì)纖維的層層阻隔，迫使空氣在流動(dòng)過程中出現(xiàn)無數(shù)次改變氣速大小和方向的繞流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗擴(kuò)散、重力及靜電引力等作用，從而把微粒截留、捕集在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)了過濾除菌的目的。第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四臨界氣流速度當(dāng)氣流速度降低至可以使慣性截留作用接近于零時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣流流速稱為臨界氣流速度。過濾效率是指被介質(zhì)層捕集的塵埃顆粒與空氣中原有顆粒數(shù)之比。充填系數(shù)容器內(nèi)所充填的固體物質(zhì)的體積占容器總?cè)莘e的百分率。填充密度容器內(nèi)填充的固體物質(zhì)的量與其體積的比值。濕含量濕空氣中，單位質(zhì)量的干空氣內(nèi)所含有水汽的質(zhì)量，稱作濕含量或絕對(duì)含濕量。相對(duì)濕度一定總壓下，濕空氣中水蒸汽分壓與該狀況下空氣中飽和水蒸汽分壓的比值。第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)基本原理一、無菌空氣制備的基本方法

制備無菌空氣的方法：如輻射滅菌、化學(xué)滅菌、加熱滅菌、靜電除菌，過濾介質(zhì)除菌等。第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四二.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(zhì)等生物活性物質(zhì)，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(nèi)空氣的滅菌，對(duì)于大規(guī)?？諝獾臏缇€無法應(yīng)用。2熱殺菌空氣進(jìn)入發(fā)酵罐之前，一般勻需用壓縮機(jī)壓縮，提高壓力。利用空氣壓縮時(shí)放出的熱量進(jìn)行保溫滅菌。見流程第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四3.靜電除菌

利用靜電引力吸附帶電粒子而達(dá)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(jìn)入高壓靜電場(chǎng)時(shí)都會(huì)被電離成帶電微粒，但對(duì)于一些直徑小的微粒，所帶的電荷很小，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對(duì)微粒布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，微粒不能被吸附而沉降，因此靜電除塵對(duì)很小的微粒效率較低。4.介質(zhì)過濾除菌第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

二、過濾除菌的原理1．介質(zhì)過濾除菌機(jī)理：撞擊、攔截、布朗擴(kuò)散、重力及靜電引力等。2.對(duì)數(shù)穿透定律:進(jìn)入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對(duì)數(shù)與濾層厚度成正比，即對(duì)數(shù)穿透定律。第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四1.慣性撞擊截留作用

當(dāng)含有微生物顆粒的空氣通過濾層時(shí)，空氣流僅能從纖維間的間隙通過，由于纖維縱橫交錯(cuò)，層層疊疊，迫使空氣流不斷改變運(yùn)動(dòng)方向和速度。由于微生物顆粒的慣性大于空氣，因而當(dāng)空氣流遇阻而繞道前進(jìn)時(shí)，微生物顆粒未能及時(shí)改變它的運(yùn)動(dòng)方向，而撞擊并被截留于纖維的表面。第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四2.攔截截留作用

當(dāng)微粒直徑小、質(zhì)量輕，它隨氣流運(yùn)動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻改變流動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)，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(jìn)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(zhǔn)數(shù)和微粒同纖維的直徑比有關(guān)。

3.布朗擴(kuò)散截留作用

布朗擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)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(kuò)散作用增加了微粒與纖維的接觸滯留機(jī)會(huì)。第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四4重力沉降5靜電吸引力慣性截留、攔截和布朗擴(kuò)散的除菌作用較大，重力和靜電引力的作用較小。

第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四氣速與除菌效率的關(guān)系：當(dāng)氣流速度較小時(shí)，除菌效率隨氣流速度的增加而降低，擴(kuò)散起主要作用；當(dāng)氣流速度中等時(shí)，可能截流起主要作用；當(dāng)氣流速度較大時(shí)，除菌效率隨空氣流速的增加而增加，慣性沖擊起主要作用；如果氣速過大η又會(huì)下降，可能是已撲集的微粒又被卷起的原因。第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四2.空氣除菌效率（衡量過濾設(shè)備的過濾效能的指標(biāo)）：濾層所濾去的微粒與原來微粒數(shù)的比值。

N1—_過濾前空氣的微粒數(shù)；N2—過濾后空氣的微粒數(shù)2.穿透率影響過濾效率的因素很多：微粒的大小、過濾介質(zhì)的種類和規(guī)格、介質(zhì)的填充密度、過濾介質(zhì)厚度及所通過的空氣氣流速度有關(guān)。第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

對(duì)數(shù)穿透定律：空氣通過濾層，其微粒數(shù)隨著濾層的厚度逐漸降低，即：N－濾層中空氣的微粒濃度，個(gè)/m3.L–過濾介質(zhì)的厚度，m。dN/dL-----單位濾層除去的微粒數(shù)，個(gè)/m3.K---過濾常數(shù)L過濾介質(zhì)N1N2第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

對(duì)數(shù)穿透定律公式揭示了深層介質(zhì)過濾除菌時(shí)進(jìn)入濾層的空氣微粒濃度與穿過濾層的微粒濃度之比的對(duì)數(shù)是濾層厚度的函數(shù)。

常數(shù)K值與多個(gè)因素有關(guān)，如纖維種類、纖維直徑、填充密度、空氣流速、空氣中微粒的直徑等，通常可選擇特定的條件通過實(shí)驗(yàn)方法求得。第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四三、過濾介質(zhì)1．常用過濾介質(zhì)（1）棉花

纖維細(xì)長疏松的新鮮產(chǎn)品。直徑為16～21μm，裝填時(shí)要分層均勻，最后壓緊，填充密度達(dá)到150～200kg／m3，填充系數(shù)為8.5％～10％。（2）玻璃纖維纖維直徑小，不易折斷，過濾效果好。直徑8～19μm。填充系數(shù)不宜太大，采用6％～10％，填充密度130～280kg／m3。缺點(diǎn)：碎末飛揚(yáng)。（3）活性炭表面積大，吸附力較強(qiáng)。一般為顆粒狀。直徑為3mm，長5～10mm的圓柱狀活性炭，。過濾效率比棉花要低很多。第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四（4）超細(xì)玻璃纖維紙無堿玻璃，采用噴吹法制成的直徑很小的纖維(直徑為1～1.5μm)。將該纖維制成0.25～1mm厚的纖維紙，它所形成的網(wǎng)格的孔隙為0.5～5μm，比棉花小10～15倍，故它有較高的過濾效率。（5）石棉濾板采用藍(lán)石棉20％和8％紙漿纖維混合打漿壓制而成。由于纖維直徑比較粗，纖維間隙比較大，雖然濾板較厚(3～5mm)，但過濾效率還是比較低，只適應(yīng)用于分過濾器。其優(yōu)點(diǎn)是耐濕，受潮時(shí)也不易穿孔或折斷，能耐受蒸汽反復(fù)殺菌，使用時(shí)間較長。第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四2．新型過濾介質(zhì)超細(xì)硼硅酸纖維濾材用0.5μm粗的超細(xì)硼硅酸纖維層層搭織，形成3mm厚的濾層，容污空間達(dá)94％，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)除菌。折疊式微孔濾膜利用厚度為35～150μm的聚合高分子材質(zhì)，經(jīng)折疊、加襯、熱熔合封口等工序，制成子彈狀的濾芯?？蓪?shí)現(xiàn)直接攔截除菌。超細(xì)硼硅酸纖維涂覆聚四氟乙烯濾材在直徑為0.5μm的超細(xì)硼硅酸纖維上涂覆一層聚四氟乙烯膜，再經(jīng)折疊而成。在保證絕對(duì)除菌及噬菌體的前提下，具備了超大容污空間和強(qiáng)疏水性的優(yōu)點(diǎn)，正確使用壽命可達(dá)3年以上。燒結(jié)材料過濾介質(zhì)過濾效率較高。第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四提高過濾除菌效率的措施減少進(jìn)口空氣的菌數(shù)：加強(qiáng)生產(chǎn)場(chǎng)地的衛(wèi)生管理，選擇壓縮空氣站為上風(fēng)口，提高采風(fēng)位置，加強(qiáng)空氣預(yù)處理。設(shè)計(jì)和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率高的過濾介質(zhì)。設(shè)計(jì)合理的空氣預(yù)處理設(shè)備，達(dá)到除油、水和雜質(zhì)的目的。降低進(jìn)入空氣過濾器的空氣的相對(duì)濕度，保證過濾介質(zhì)在干燥的狀態(tài)下工作。使用無油壓縮機(jī)加強(qiáng)冷卻和去油、水，提高空氣溫度，以降低相對(duì)濕度。第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四無菌空氣的制備一般是把吸氣口吸人的空氣先經(jīng)過壓縮機(jī)前的過濾器過濾，再進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，從空壓機(jī)出來的空氣(一般壓力在1.96×105Pa以上，溫度120～150℃)，先冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟?20～25℃)除去油和水，再加熱至30～35℃，最后通過總過濾器和分過濾器除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合要求的無菌空氣。第三節(jié)無菌空氣的制備過程第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

1．兩級(jí)冷卻、加熱除菌流程特點(diǎn)：兩次冷卻、兩次分離、適當(dāng)加熱。優(yōu)點(diǎn)：能提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水，油水分離得完全。第一級(jí)冷卻：30～35℃，第二級(jí)冷卻：20～25℃.相對(duì)濕度仍是100％，加熱將空氣中的相對(duì)濕度降低至50％～60％，以保證過濾器的正常運(yùn)行。適用于潮濕的地區(qū)一、制備工藝第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四2．冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程特點(diǎn)：省去第二冷卻后的分離設(shè)備和空氣再加熱設(shè)備，流程比較簡單，冷卻水用量少。適用于中等濕含量地區(qū)。第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四3．高效前置過濾空氣除菌流程特點(diǎn)：采用了高效率的前置過濾設(shè)備，使空氣經(jīng)多次過濾，因而所得的空氣無菌程度很高。第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四4．利用熱空氣加熱冷空氣的流程特點(diǎn)：對(duì)熱能的利用比較合理。圖3-利用熱空氣加熱冷空氣的流程第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四5．實(shí)用化流程結(jié)合以上的流程特點(diǎn)，綜合環(huán)境條件，目前工廠常用空氣過濾除菌流程

第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

二、注意事項(xiàng)（1）空氣取氣口伸向高空，背風(fēng)取氣。（2）空氣進(jìn)入空壓機(jī)前，要先經(jīng)過粗過濾器。否則空氣中的塵埃顆粒就會(huì)直接進(jìn)入到空壓機(jī)的汽缸內(nèi)，與汽缸發(fā)生摩擦造成汽缸磨損。汽缸就會(huì)產(chǎn)生縫隙而漏氣，從而影響空壓機(jī)的工作效率。（3）空壓機(jī)出來的壓縮空氣需要布置貯氣罐?？諌簷C(jī)出來的壓縮空氣是一個(gè)脈沖狀態(tài)的氣流，但是在介質(zhì)過濾器的過濾要求是一個(gè)穩(wěn)態(tài)流體?？諝赓A罐，可以把壓縮機(jī)出來的脈沖壓縮空氣流態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)。第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四

（4）壓縮空氣進(jìn)入介質(zhì)過濾器前要適當(dāng)加熱至空氣露點(diǎn)溫度以上。結(jié)露析出水分、油漬時(shí)壓縮空氣處于飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度100%，果直接進(jìn)入過濾器，就會(huì)很容易濕潤過濾介質(zhì)，引起空氣除菌不徹底。加熱，使壓縮空氣的相對(duì)濕度下降到60%左右，才能進(jìn)入過濾器。（5）介質(zhì)過濾器要定期拆洗、殺菌。介質(zhì)過濾不能長期獲得100％的過濾效率。滅菌后的過濾介質(zhì)一定要用空氣吹干后再投入使用。（6）無菌空氣在進(jìn)入發(fā)酵罐前要經(jīng)過分過濾器。無菌空氣制備流程線路較長，比較容易在管路中出現(xiàn)二次污染，為了避免二次污染帶到發(fā)酵罐，在發(fā)酵罐前設(shè)置分過濾裝置。第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四（7）過濾器壁不要形成氧化層，氧化鐵是多孔物質(zhì)，帶菌空氣可從中穿過。過濾器壁外要有保溫層，否則壁內(nèi)易形成冷凝水，使介質(zhì)受潮而失效，加劇器壁的氧化生銹。（8）注意氣流速度和壓力的變化，防止突然開大流量或降低壓力，介質(zhì)上邊和下邊的空氣壓差過大或氣流沖力過大造成介質(zhì)層的翻動(dòng)移位或破壞。（9）控制好油水分離器液位，及時(shí)排放分離掉的油水，避免器內(nèi)液位過高而引起氣體帶液，降低分離器的分離效率。（10）防止空氣冷卻器漏水，操作中控制冷卻水壓力不超過空氣壓力。第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)問題分析及處理手段

一、影響因素（1）過濾介質(zhì)種類根據(jù)需要及工藝要求選擇合適的過濾介質(zhì)。（2）介質(zhì)纖維直徑介質(zhì)過濾效率與介質(zhì)纖維直徑關(guān)系很大，直徑越小，過濾效率越高。（3）介質(zhì)濾層厚度介質(zhì)填充厚度越高，過濾效率越高；（4）介質(zhì)填充密度填充密度越大，過濾效率越高。（5）纖維介質(zhì)鋪設(shè)情況鋪設(shè)不均勻，空氣會(huì)從鋪設(shè)松動(dòng)部分通過，形成短路而帶菌。裝松了，過濾效果差；裝緊了，過濾器壓力降太大，動(dòng)力消耗增加,應(yīng)分層均勻鋪平。第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期四（6）空氣流速在空氣流速很低時(shí)，過濾效率隨氣流流速增加而降低；流速增加至臨界值后，過濾效率隨氣流流速增加而提高。（7）附屬設(shè)備的性能a.冷卻器冷卻效果或空氣加熱設(shè)備的升溫效果下降，濕含量較高的空氣，可能在后續(xù)設(shè)備中由于溫度的降低而冷凝析水，使過濾介質(zhì)潮濕而降低除菌效率；b.氣體分離設(shè)備分離性能下降，使空