第二章 水和空气处理

过滤除菌是发酵工业中经济而实用的空气除菌方法，该方 法采用定期灭菌的介质来阻截空气中的微生物获得无菌空气， 常用介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机或无机烧结材料等。
除菌与除油和除水等处理过程，构成了一个空气处理系统。 它是发酵工程中的一个重要环节。
一.空气中的微 生物
空气中微生物的含量和种类，随地区、海拔、季节、空气 中尘埃多少以及人类活动情况而异。 一般寒冷的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；雨后的空气比 雨前的空气含菌量少；海拔愈高含菌量愈少；农村比工业城市空气 含菌量少；地面又比高空含菌量多. 空气中的微生物以细菌、芽孢和真菌的孢子较多，也有酵母、 霉菌、放线菌和噬菌体。
3.6 活性炭吸附处理
活性炭吸附过滤设备
3.7 微孔膜过滤
微孔膜是一种固定型的深层过滤装置，滤膜精度可 达0.1-0.45nm，能适用于各种微粒过滤要求。 特点：滤材薄，孔径小、均匀面积大，阻力小，速 度快截留能力强，不易脱落，适于精滤，除菌，应 用广。而对水中的可溶性离子不能起到过滤作用 ， 孔径小，容易堵塞，膜稳定性不佳。
选择水源或对水的处理不当,也能对发酵产物（白酒）起反面 作用。如：
(8)Mn2+ 是许多酶的辅基,能促进蛋白质的活性,过多能搅乱酒的正常发酵 (9)Pb4+ 、Cr3+ 、Zn2+ 都是金属离子,是酵母的毒素。过量使酶失活,酵母不能 正常的生长、繁殖、发酵； (9)Cl 具有强烈的咸味,适量能使酒丰满、爽口、柔和,过量能引起酵母早衰,使 发酵不完全,酒味粗糙； (10)NO2 、NO3 是致癌物质,也是酵母的强烈毒素,使酵母改变遗传,发酵性能 降低,影响正常发酵； (11)F 过高,抑制酵母生长,对发酵不利。
第二章 水和空气处理
第一节 发酵用水的来源及改良 第二节 空气中微生物的分布及发酵用空气要求 第三节 空气除菌的原理及工艺
第一节 发酵用水的来源及改良
一、发酵用水的来源
自来水 地表水 地下水
自来水
自来水：是将地表水或地下水经过人
工沉淀、过滤、消毒等工艺处理后,达 到GB5749 - 85 国家标准的水。
3.0～5.0
0.0015～0.225 0.6～1.6
5.0～19.0
0.0015～0.28 1.6～13.6
第三节 空气除菌的原理及工 艺技术
空气的灭菌和除菌方法主要有以下几种：
辐射灭菌 加热灭菌 静电除尘 介质过滤除菌
（一）、辐射灭菌 1、原理 • α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外 线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白 质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌 作用。
3.8 超滤
第二节 空气中微生物的分布及发酵 用空气要求
一、空气中微生物的分布 二、发酵用空气的要求
三、空气中微生物采样与测定方法
好气性微生物的培养占微生物产品的生产的绝大部分， 所需氧气均来源于空气。
空气中不仅有各种各样的微生物，还含有大量的水份， 油份以及灰尘颗粒等，这些物质如果进入到培养基中，势必 对微生物发酵造成不利的影响
2、应用范围 • 通常用于无菌室和医院手术室。 3、缺点 • 杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要 结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程 度。
（二）、加热灭菌
将空气加热至一定温度，并维持一定时间，杀灭空气中的微生 物。空气中的细菌芽孢在218℃维持24S，就被杀死。
方法：蒸汽、电和空气压缩机产生的热量，后一种方法比较经济。
3.1 离子交换法
离子交换系统
3.1 离子交换法
固定床离子交换器
3.1 离子交换法
移动床离子交换器
3.1 离子交换法
流动床离子交换器
3.2 反渗透法
反渗透膜是由适当亲水基团的多孔材料组成。在盐溶液中, 膜表面有选择性吸附能力, 即吸附水分子而排斥盐分子, 这 样就在膜和溶液界面上形成了一个纯水层, 在反渗透压力 推动作用下, 此水层的纯水通过膜的毛细作用而连续不断 地流出 。 特点：反渗透膜的分离属纯物理过程, 无相的变化, 对水中 微粒、悬浮物、小分子有机物和微生物能完全去除, 对无 机盐类杂质的去除率一般在96% 以上。 用反渗透膜脱盐比一般离子交换和蒸馏法具有更高的效率 和经济性。
二、发酵用空气无菌程度的要求
• 各种不同的发酵过程，对空气无菌程度的要求也 不同。影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而 订出具体的工艺要求。
• 一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期 所用的无菌空气只允许1~2次染菌。
空气中常见微生物种类及大小
微生物 产气杆菌 蜡状芽孢杆菌 普通变形杆菌 地衣芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌 蕈状芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 金黄色小球菌 宽/μm 1.0～1.5 1.3～2.0 0.5～1.0 0.5～0.7 0.9～2.1 0.6～1.6 0.5～1.1 0.5～1.0 长/μm 1.0～2.5 8.1～25.8 1.0～3.0 1.8～3.3 2.0～10.0 1.6～13.6 1.6～4.8 0.5～1.0
空气进口温度为21°C，出口温度为187~198°C，压力为0．7MPa。
（三）（静）电除尘
1、原理 • 利用静电引力来吸附带电粒子而 达到除尘、除菌的目的。 2、优点 • 阻力小，约1.01325×104Pa • 染菌率低，平均低于10-15％ • 除水、除油的效果好 • 耗电少 3、缺点 • 设备庞大、一次性投资较大、 捕集率尚嫌不够，需要采取其它 措施。
空气除菌的必要性 以一个50m3的发酵罐为 例，若装料系数为0.7，要 求每立方米发酵液每分钟通 气0.8m3，培养周期170h， 那么每个周期需通气量 2.86×105 m3(50×0.7 × 0.8 × 170 × 60)，而每立 方米大气中约有103-104个微 生物。
酵母菌
病毒 霉状分枝杆菌
地下水
地下水：是由地表水渗透的地
下汇集而成的水，是许多酒厂工 艺用水的主要来源。
特点：这类水的悬浮物和胶体含 量较少，但是含盐量普遍较高， 溶解性总固体较多。由于地下水 对地下矿藏的冲刷、溶解，因此 地下水含有铁、锰及其它重金属 离子的现象较为普遍 。
二、水质对发酵工艺的影响
水作为培养基中最大的组成成分，它的含量不仅会对微生物生长造成 影响， 而且，其中含有的多种金属离子、硬度以及微生物
等都会对发酵产生明显的作用。 1、发酵用水硬度的影响 水的硬度：水中所含钙离子、镁离子和水中存在的碳酸根离 子、硫酸根离子、氯离子、硝酸根离子所形成盐类的质量 浓度称为水的硬度。 分类： 暂时硬度：碳酸盐硬度，加热可除。 永久硬度：硫酸盐硬度，不易去除。
2、发酵用水离子浓度的影响
1. 2. 3. 4. 适量的无机离子保证了有益微生物的繁殖促进了发酵。如： 曲霉孢子没有Mg2+就不能生长，曲料中缺少Mg2+时酶含量则显著降 低。 Ca2+能使淀粉酶不易被破坏。 酿酒生化反应中脂肪酸(乙酸、己酸等) 的形成需要HCO3 、Mn2+来催 化。 曲霉孢子的形成和菌体的生长都需要磷酸盐的存在。
3.2 反渗透法
反渗透膜
3.2 反渗透法
反渗透水处理设备
3.2 反渗透法
反 渗 透 水 处 理 设 备
3.3 电渗析法
电渗析法是膜分离技术中的一种,在直流电场的作 用下,使水中的阴、阳离子定向移动,并利用电渗析 阴阳膜对阴、阳离子的选择透过性,达到水中阴、 阳离子分离,使水软化的目的。 特点：设备成本适中,耗电量较少,适用于含盐量不 高的水。 对于含盐量过高的水,处理较为困难;无法处理水中 不带电的颗粒杂质；脱盐不完全,处理后水中还含 有较多的盐分。
3、发酵用水卫生指标的影响
发酵用水的主要卫生指标有： 1. 亚硝酸盐、氰化物、重金属、硫化物、砷化物等。 2. 微生物
三、发酵用水的改良与处理
一般而言天然的地下水或城市自来水很多情况下都不 能直接作为发酵用水，均需要通过物理或化学的方法 进行改良处理，以控制水的硬度和离子浓度等影响发 酵的重要指标。 发酵用水的处理通常有以下几种方法： 酸法、石膏或氯化钙法、电渗析法、反渗透法、石灰 水法、离子交换法。
3.4 沙滤
沙滤棒
3.5 煮沸
含有碳酸钙或碳酸镁的硬水，经煮沸 后，可分别转化为难溶于水的碳酸钙 或碳酸镁，使水的硬度降低，同时也 达到杀菌的目的。 特点：简单易行，无需复杂工序， 耗热量大，且煮沸过的水要经沉 淀、过滤才能使用。
3.6 活性炭吸附处理
活性炭表面及内部布满平均孔径为2-5nm的微孔，能将水 中的细微粒子等杂质吸附，再采用过滤的方法将活性炭与 水分离。 特点：水中的各种有机物、细菌、颜色、微生物、余氯 、 臭味及部分重金属离子都能被吸附。 广泛应用在除去水中 有机杂质和水中分子态胶体微细颗粒杂质，多用于电渗析 法和离子交换法的预处理。
微孔滤膜
3.7 微孔膜过滤
出液口
内装微孔滤膜
进液口
3.7 微孔膜过滤
3.8 超滤
超滤是利用膜表面的微孔结构对物质进行选择性的分离过程。当液体 混合物在一定的压力下流经膜表面时，溶剂及小分子透过膜大分子被 截留实现分离、浓缩或净化。 特点：能有效地截留水中大部分胶体、大分子化合物、热源和细菌类 杂质，但不能去除低分子量的盐分。超滤一般设置在除盐设备后面， 但为提高电渗析、反渗透的除盐效果，也可以在除盐处理前加一级超 滤。
特点：自来水含有有机物少，但有些地 区自来水硬度高，另外,在人工沉淀后 残留相当量的余氯,甚至会有较浓的漂 白粉味道。
地表水
地表水：由大气降水到地面而汇集而成的水，包括河流水、湖泊水
、池塘水(除海水)。 特点：由于受工业废水、生活污水、农药残留物及自身对地表盐层的 溶解的影响，这类水中含有大量的泥砂、胶体、有机物、盐类及微生 物，甚至含有大量有毒、有害物质。
3பைடு நூலகம்3 电渗析法