第三章凈化除菌設備講授內容空氣中微生物的分布和發酵工業對空氣無菌程度的要求空氣除菌的方法介質過濾除菌的機理介質過濾除菌的工藝介質過濾除菌的設備及計算【教學目的與要求】了解發酵工業對空氣除菌的要求，掌握空氣除菌的方法、流程及設備和設計計算。【教學重點與難點】空氣除菌的方法、介質過濾除菌工藝流程、設備和計算。思考題:1.名詞解釋:過濾除菌效率穿透率2.設計一適合南方環境的空氣凈化流程，并說明理由。過濾除菌流程有那些?特點和適用范圍

某發酵罐通風量為15m3/min，發酵周期100h，設計一臺的棉花過濾器，(已知空氣流速=0.1m/s，此時過濾常數K’=13.5/m)進入過濾器的空氣含菌量是5000個/m3，求到罐率為0.1%(即1000次發酵周期漏進一個雜菌)。計算過濾器的濾層厚度和直徑。第一節空氣中微生物的分布和發酵工業對空氣無菌程度的要求

一、無菌空氣的概念發酵工業應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數，從而能控制發酵污染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。二、空氣中微生物的分布空氣中的含菌量隨環境不同而有很大差異：一般干燥寒冷的北方空氣中的含菌量較少，而潮濕溫暖的南方則含菌量較多；人口稠密的城市比人口少的農村含菌量多；地面又比高空的空氣含菌量多。

空氣中微生物的種類及大小

各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數量也隨條件的變化而異，一般設計可認為大氣中微生物含量為103~104個/m3進行計算。種類寬um長um種類寬um長um產氣桿菌蠟狀芽孢桿菌普通變形桿菌地衣芽孢桿菌巨大芽孢桿菌蕈狀芽孢桿菌1-1.51.3-20.5-10.5-0.70.9-2.10.6-1.61-2.58.1-25.81.0-3.01.8-3.32.0-101.6-13.6枯草芽孢桿菌金黃色小球菌酵母菌病毒霉狀分枝桿菌0.5-1.10.5-1.03.0-5.00.0015-0.2250.6-1.61.6-4.80.5-1.05.0-19.0.0015-0.281.6-13.6三、生物工業生產對空氣質量的要求包括兩個內容：操作環境凈化要求通入發酵罐的無菌空氣的要求

濾芯（器）消毒是一個日常操作工序。空氣中的含菌量隨環境不同而有很大差異：過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等。10－6米＝10－3毫米過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等。⑵纖維或顆粒狀過濾介質在使用過濾器時，如果發酵罐的壓力大于過濾器的壓力(這種情況主要發生在突然停止進空氣或空氣壓力忽然下降)，則發酵液會倒流到過濾器中來。一般的深層通氣發酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還要具有一定的壓力，這就需要比較復雜的空氣除菌流程。要求：過濾效率要高，阻力要小；活性炭44%第四節介質過濾除菌的工藝流程通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截1%(即1000次發酵周期漏進一個雜菌)。df——纖維直徑m01μm，過濾效率99.三、發酵對空氣無菌程度的要求各種不同的發酵過程，對空氣無菌程度的要求也不同。影響因素是比較復雜的，需要根據具體情況而訂出具體的工藝要求。一般按染菌機率為10-3來計算，即1000次發酵周期所用的無菌空氣只允許1次染菌。四、空氣含菌量的測定培養法：微生物學中已介紹過光學法：用粒子計數器通過微粒對光線的散射作用來測量粒子的大小和含量。第二節空氣除菌的方法輻射滅菌加熱滅菌靜電除菌介質過濾除菌

一、輻射殺菌1、原理α射線、X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，破壞生物活性物質，而起到殺菌作用。常用的是紫外線，波長253.7~265nm殺菌力最強，殺菌強度與紫外線強度呈正比，與距離的平方成反比。2、應用范圍用于空氣對流不大的環境：無菌室和醫院手術室。3、缺點殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結合甲醛熏蒸或苯酚噴霧來保證無菌室的無菌程度。對霉菌甲醛效果稍差、一般采用硫磺熏蒸。二、加熱滅菌：熱殺菌是有效、可靠的殺菌方法。利用壓縮熱進行空氣滅菌的流程圖空氣進口溫度為21℃，出口溫度為187~198℃，壓力為0.7MPa。但采用蒸汽、電加熱空氣殺菌，經濟上不合理。三靜電除菌利用靜電引力吸附帶電離子達到除菌除塵目的。優點1、除塵效率效果好，最佳條件下對1微米的微?？蛇_99%，一般在85%~99%。2、耗電少。每處理1000m3~0.8kW。3、阻力小設備不大。30~150Pa，4、染菌率低，平均低于10~15％缺點：維護安全技術措施要求高，設備龐大、一次性大。捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。由兩部分組成:電離部分、除塵部分。四.過濾除菌最常用的方法采用定期滅菌的干燥過濾介質阻截流過的空氣中的微生物、塵埃達到除菌目的。孔隙大于微生物直徑按孔隙兩類需要一定的濾層厚度孔隙小于微生物直徑絕對過濾絕對過濾在發酵工業應用廣泛，Millipor公司0.22μm膜過濾器，可反復進行蒸汽殺菌，英國的DH公司（DomnickHunrev）可直接除去噬菌體0.01μm。材質為聚偏氯乙烯、聚四氟乙烯、超細玻璃纖維第三節介質過濾除菌的機理濾材孔一、定義過濾除菌利用有孔介質從氣體中除去微生物。潔凈氣體含微生物的氣體1微米(m)等于:

10－6米＝10－3毫米3.9×10-5英寸又稱"micron"微米小顆粒的相對尺寸8.040人發直徑裸眼可見最小顆粒花粉紅細胞酵母和真菌6.0100mm806020105.0沙雷氏菌假單胞菌

0.43.02.01.00.80.60.50.34.0mm小顆粒的相對尺寸大硅膠顆粒(20mm)鉛筆墨點(40mm)紅細胞(7mm)酵母細胞(3mm)典型細菌(0.2mm)α——介質填充系數df——纖維直徑m重力沉降）3、阻力小設備不大。當空氣流速降到臨界流速以下，微粒隨氣流靠近纖維，在纖維周圍形成滯留層，層內氣速更慢，被帶到滯留層的顆粒慢慢靠近纖維和纖維接觸而被黏附滯留。⑴紙類過濾介質：玻璃纖維紙③過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關。當空氣流速降到臨界流速以下，微粒隨氣流靠近纖維，在纖維周圍形成滯留層，層內氣速更慢，被帶到滯留層的顆粒慢慢靠近纖維和纖維接觸而被黏附滯留。③能耐反復的消毒操作；過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等?？紫洞笥谖⑸镏睆焦ぷ鳒囟龋?lt;60°CN1原空氣所含微粒數個/m3對于一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風機增壓后進入過濾器，經一、二次過濾除菌而制得。c≈100/Re纖維作介質c≈52/Re10－6米＝10－3毫米一個空氣過濾器的功能是從氣體中去除污染物（微生物）以使達到所需的氣體的無菌程度。過濾器經常被認為是一種簡單的網或篩子，過濾/分離是在一個平面上進行的。二、空氣過濾器的功能實際上，空氣過濾器的濾材具有深度。“彎曲通道”的結果對于污染物的去除起到了輔助作用。

“彎曲通道”存在于：

三、過濾機理㈠、攔截過濾：孔徑小于顆粒直徑，絕對過濾流體中的基本過濾機制本質是一種篩分效應，機械攔截顆粒例如：一種簡單的篩網可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒

顆粒大于孔徑絕對截留-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中當顆粒大于流道孔徑時即被該結構去除容污能力可以用彎曲結構提高

篩網無此作用通過搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截不規則形狀的顆粒/方向性多個顆粒同時撞擊到同一個濾孔不規則形狀的搭橋直接攔截多個小顆粒的搭橋定義:攔截在過濾介質表面的顆粒堆積成顆粒層。當過濾介質表面完全被一個厚的顆粒層所覆蓋時，所謂的“濾餅”即已形成了。濾餅顆粒間的孔隙亦如同一種過濾介質，對細顆粒的攔截效率通常由此而提高。濾餅㈡、孔徑大于顆粒直徑過濾介質的作用機理1、慣性撞擊尺寸小于濾材孔徑的顆粒的輔助攔截方式流體攜帶的顆粒由于質量和線速度而具有直線運動的慣性顆粒離開流體主流而撞擊到濾材上效率η1=b/df實踐證明η是慣性力的無因次準數φ的函數。c——層流修正系數vo

——微?？諝獾牧魉賛/sdf——纖維直徑mdp——微粒直徑mρp——微粒密度kg/m3μ——空氣黏度Pa.s當空氣流速降低，慣性力降低，b寬度小效率降低，降到一定程度，φ=1/16，η=0此時的vo稱為臨界速度vo與df、dp有關當流體改變運動方向時，慣性使顆粒撞擊到濾材表面并由于吸附力而停留當流經過濾介質時流體或氣體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。要保持過濾器有比較高的過濾效率，應維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。同一個發酵罐，風量變了，【教學目的與要求】了解發酵工業對空氣除菌的要求，掌握空氣除菌的方法、流程及設備和設計計算。材質為聚偏氯乙烯、聚四氟乙烯、超細玻璃纖維人口稠密的城市比人口少的農村含菌量多；停留的顆粒減小了濾孔孔徑第三節介質過濾除菌的機理過濾除菌效率：濾層所濾去的微粒數（濃度）與原空氣所含微粒數（濃度）的比值。此操作條件下的濾層厚度為：φ50~60%30~35℃特點：兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等?！皬澢ǖ馈钡慕Y果對于污染物的去除起到了輔助作用。過濾介質：預過濾器為中空玻璃纖維或高效過濾紙，蒸汽過濾器為聚四氟乙烯,金屬過濾器為金屬粉末鎳冶煉而成。停留的顆粒減小了濾孔孔徑2、攔截滯留作用機理

當空氣流速降到臨界流速以下，微粒隨氣流靠近纖維，在纖維周圍形成滯留層，層內氣速更慢，被帶到滯留層的顆粒慢慢靠近纖維和纖維接觸而被黏附滯留。其捕集效率可用經驗式：R=dp/df氣流的雷諾數攔截顆粒被機械攔截或被吸附攔截在氣體中比在液體中更有效.對大于0.5~1.0微米的顆粒很有效.表面相互作用：電荷不同微生物帶正電荷與介質帶的負電荷相反，通過時被吸附，再者空氣通過介質，介質表面感應出很強的靜電荷，將微生物顆粒吸附，以樹脂處理過的纖維最明顯。擴散攔截靜電吸附作用4、布朗擴散作用機理氣體分子(作隨機運動)碰撞小顆?；蜢F滴布朗運動(Brownianmotion)碰撞的結果，增加了顆粒碰撞過濾介質的機會僅在氣體中且氣流速度很低有效。布朗擴散被隨機運動的氣體分子碰撞的顆粒撞擊到過濾介質上并被吸附截留布朗擴散當流經過濾介質時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。

5、重力沉降

當顆粒所受到重力大于氣流對它的拖帶力時，顆粒沉降。穩定的分離效果。

㈢小結過濾介質的過濾/分離效率由于攔截過濾慣性撞擊攔截滯留擴散攔截（布朗擴散、靜電吸引、重力沉降）的共同作用而增強過濾機理總結攔截過濾慣性撞擊擴散攔截（布朗擴散、靜電吸引、重力沉降）過濾機理及其效率0.010.1110100顆粒直徑(μm)5060708090100效率(%)0.3攔截過濾擴散攔截慣性撞擊第四節介質過濾除菌的工藝流程

空氣過濾除菌流程是按生產對無菌空氣要求具備的參數，根據空氣的性質而制訂的，同時還要結合吸氣環境的空氣條件和所用設備的特性進行考慮。對于一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風機增壓后進入過濾器，經一、二次過濾除菌而制得。一般的深層通氣發酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還要具有一定的壓力，這就需要比較復雜的空氣除菌流程。一、對空氣除菌流程的要求流程的設備：主設備：空氣壓縮機蝸輪螺桿有油無油、附屬設備：要求盡量采用新技術，提高效率，減少設備，精簡沒備流程，降低設備、運轉費用和動力捎耗，簡便操作。流程的制訂應考慮：地理、氣候環境：空氣濕度、溫度、壓力、污染程度。菌種的工藝要求確定設備條件二、空氣過濾除菌流程的分析發酵廠使用的空氣除菌流程，隨各地的氣候條件及設備條件不同而有很大的差別。要保持過濾器有比較高的過濾效率，應維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。氣流速度可由操作來控制；要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設備來保證空氣的相對濕度在50%~60%的條件下過濾。主過濾器空氣濕度50%~60%過濾效果最好

1.兩級冷卻、分離、加熱流程特點：兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。適合任何地區30~35℃20~25℃φ50~60%30~35℃去掉5.6.7.8，特點：簡單適合空氣溫度6℃相對濕度80%或12℃，60%采用蝸輪壓縮機。φ50~60%30~35℃特點：無菌程度高φ50~60%30~35℃4.冷熱空氣直接混合空氣除菌流程特點：可省第二冷卻分離設備和空氣再加熱設備，流程比較簡單，冷卻水用量較少，利用壓縮空氣的熱量來提高空氣溫度。此流程適用于中等混合量的地區。φ50~60%30~35℃第五節介質過濾除菌的設備及計算

一、深層過濾效率和過濾器的計算過濾除菌效率：濾層所濾去的微粒數（濃度）與原空氣所含微粒數（濃度）的比值。N1原空氣所含微粒數個/m3N2過濾后空氣微粒數個/m3

穿透率：穿透過濾濾層的空氣所含微粒濃度與原空氣微粒濃度的比值。

過濾除菌效率+穿透率=？1.對數穿透定律：在研究空氣過濾器的過濾規律，簡化研究，做如下4個假定：①流經過濾介質的每一纖維的空氣流態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。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微粒數。在上述假定條件下，空氣通過單位濾層后，微粒濃度下降與進入空氣微粒濃度成正比。

空氣通過單位濾層后，微粒濃度下降量與進入此介質的空氣中的微粒濃度成正比，即

N——濾層中空氣的微粒濃度，個/m3；L——過濾介質層的厚度，m；dN/dL——單位濾層除去的微粒數，個/m3；K、K’

——過濾常數。深層過濾除菌的對數穿透定律。表示進入濾層的空氣微粒濃度與穿透濾層的微粒濃度之比是過濾層厚度的函數。過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等。為了方便計算采用過濾效率為90%的濾層厚度作對比對數穿透定律，是以四個假定為前提，對于濾層厚度較薄的過濾器是符合的，但對于濾層厚的過濾器產生偏差較大，且濾層厚后，微粒數遞減不均勻，K值變化較大需要修正。過濾器的效率和操作條件密切相關除菌常數和過濾器的空氣流速vs有關，vs過高過低對k值都有影響，設計時，應考慮vs的取值，以保證除菌效果。vsL90KL90空氣流速和除菌常數的關系例如：一發酵罐每分鐘需要空氣10m3-1，空氣的微生物濃度為200個/m3，發酵周期為100h，設計過濾器？(濾層厚度直徑)解：No=10×60×100×200=1.2×107（個）濾層厚度：過濾器的直徑：因故空氣流速變為0.03m/s，此時K’-1，同一個發酵罐，風量變了，23每分鐘進入過濾器的菌數：2×0.03×60×200=400個此操作條件下，每分鐘從過濾出口的菌體數為達不到發酵對無菌空氣的要求。在此操作條件下，要達到100h內從過濾器穿透的微生物數為0.001，介質的濾層厚度為：此操作條件下的濾層厚度為：遠遠大于0.151m，（沒考慮風量是否達到要求）設計時須考慮K值和空氣流速?？刹捎媒涷灩絃——濾層厚度mρ——空氣密度，kg/m3α——介質填充系數df——纖維直徑mv——空氣在介質間隙中的流速m/s

v=vs/(1-α)

m——C——阻力系數是Re的函數棉花介質c≈100/Re纖維作介質c≈52/Re二、過濾器的結構1，深層棉花、活性炭過濾器立式圓筒形，內部填充過濾介質，以達到除菌的目的。填充物的裝填順序如下：

孔板→鐵絲網→麻布→棉花→麻布→活性碳→麻布→棉花→麻布→鐵絲網→孔板過濾器直徑的計算V工作壓力下處理空氣量m3/sv空氣的流速（空截面氣速）m/s一般取原則使過濾器在較高的氣速下運行，效率和氣速有關。2、濾紙過濾器3、金屬過濾器（1）過濾器外殼圖外殼濾芯接口圖外殼示意圖

（2）預過濾器氣體預過濾器結構圖（單芯）

氣體預過濾器結構圖（多芯）氣體預過濾器外殼圖

（3）過濾系統過濾系統由金屬過濾器、預過濾器及蒸汽過濾器組成。預過濾器的作用是將空氣前處理系統中的鐵銹等雜物進行預濾。蒸汽過濾器則是阻擋蒸氣管路中的銹蝕物和鍋爐污垢等雜質。上述二種過濾器的功能是保護金屬過濾器，延長其使用壽命。N1原空氣所含微粒數個/m3顆粒被機械攔截或被吸附攔截L——過濾介質層的厚度，m；光學法：用粒子計數器通過微粒對光線的散射作用來測量粒子的大小和含量。因此，在過濾器通往發酵罐的管道上應安裝單向閥門（止回閥），操作時必須予以注意。過濾常數和很多因素有關v，df，填充量，空氣顆粒直徑dp等。合理的空氣過濾器，選用過濾效率高的介質?？諝膺^濾器的操作要點“彎曲通道”的結果對于污染物的去除起到了輔助作用。5/m)進入過濾器的空氣含菌量是5000個/m3，求到罐率為0.僅在氣體中且氣流速度很低有效。實踐證明η是慣性力的無因次一、深層過濾效率和過濾器的計算ρ——空氣密度，kg/m3df——纖維直徑m（4）主要技術參數

過濾效率：99.9%過濾介質：預過濾器為中空玻璃纖維或高效過濾紙，蒸汽過濾器為聚四氟乙烯,金屬過濾器為金屬粉末鎳冶煉而成。工作溫度：預過濾器≤130℃蒸汽過濾器≤130℃金屬過濾器≤130℃氣體阻力：在額定流量下，進口壓力0.1MPa時，初始壓降小于0.01MPa。5、膜過濾（1）示意圖（2）系統組成蒸汽過濾器預過濾器（粗）除菌過濾器（精）預過濾器形式：以管式、袋式、折疊式為主，也可以是填充床式、浮動床式的過濾器，以及離心機、真空機等過濾器材。預過濾器一般選用深層過濾器，在使用過程中要求有低的壓降、高的容塵量和變動幅度小的過濾精度和效率。過濾介質：玻璃纖維復合氈（聚丙烯纖維復合氈）。技術參數：過濾效率:95%-99.9%工作溫度:≤80℃除菌過濾器形式以板框式、管式、折疊式為主過濾介質：微過濾膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌過濾應具備的特點：①高的過濾精度；②大的通過量；③能耐反復的消毒操作；④強的親水性或疏水性；⑤足夠的使用強度。技術參數過濾效率：99.9999%工作溫度：<60°C可耐最大壓差：0.4MPa（25°C，正向）蒸汽滅菌：125°C±2°C，每次30min，可達160次各級過濾的配置各級過濾的配置問題主要有通過量與精度兩個方面，不同的物料處理流程是有區別的。例如：在無菌空氣的處理中，壓縮機的前置過濾器精度一般為＞5μm，總過濾器的過濾精度一般為0.5μm，過濾效率95%左右，預過濾器的過濾精度為0.3μm，過濾效率約99%，除菌過濾器的精度為0.01μm，過濾效率99.9999%以上。消毒問題濾芯（器）消毒是一個日常操作工序。濾芯常見的消毒方法有蒸汽、熱水和化學試劑消毒三種。蒸汽消毒要注意選擇飽和蒸汽，一