发酵工程 第四章 无菌空气的制备精讲

3. 重力沉降作用
再小的微粒也有重力
当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微 粒就会沉降。
对于小颗粒而言，只有在气流速度很慢时才起作 用。
一般它是与拦截滞留作用相配合的，即在纤维的 边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的 捕获效率。
4. 布朗扩散截留作用
布朗运动：直径小于1 m的微粒在很慢的气流中能 产生一种不规则的直线运动。
dN / dL — 单位滤层所除去的微粒数（个/cm）；
L — 滤床厚度 （cm）；
K — 过滤常数或除菌常数 （cm－1）
上式整理并积分，可得：
Ns
ln = － KL
N0
L = 1 ln N0
K Ns
对数穿透定律—表示进入滤层的微粒数与穿透滤 层微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。
N0 — 过滤前空气中的微粒含量 （个）； Ns — 过滤后空气中微粒含量 （个）； K — 过滤常数或除菌常数 （cm－1）
吸气阀
多级压缩
要得到压力较高的压缩空气，单靠一级压缩是不能 完成的；
因气体被压缩会产生大量的热，气体温度上升，气 体的压缩比（气体压缩后与压缩前的压力比）愈大， 则气体的温度上升越高，当压力比达到一定数值时， 气体的温度达到压缩机润滑油的闪点（200～ 240℃），润滑油被烧成炭渣。
3. 压缩空气的冷却
这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是 一种滞留现象（相对过滤）。 这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有 惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸 引等。
1. 惯性冲击滞留作用
微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近纤 维时：
气流：碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕 过纤维继续前进。
使较小的颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重 力沉降或被过滤介质拦截截留；
5. 静电吸引作用
许多微生物和孢子都带有电荷 具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作 用而产生诱导电荷 当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸 附作用 一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留 的作用较大，重力和静电引力作用较小。
二、空气的预处理
空气预处理的目的：提高压缩前空气的洁净度和去 除压缩后空气中所带的油和水。
前过滤（粗过滤器） 空气压缩（空气压缩机） 压缩空气的冷却（热交换器） 压缩空气除水、油（气液分离器）
2. 空气压缩机
小型空压机
大型空压机
空压机工作原理示意图
吸气阀 排气阀
活塞
汽缸
单吸式
排气阀
双吸式
率越高。
2. 介质填充厚度： 对数穿透定律
3. 介质填充密度 增加填充密度，可提高过滤效率
4. 空气流速
在空气流速很低时，过滤效率随气流 速度增加而降低；当气流速度增加到 临界值后，过滤效率随气流速度增加 而提高。
五、提高过滤除菌效率的措施
1. 减少进口空气的含菌量； 2. 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高
常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度 以及空气中颗粒大小等有关。K值可通过实验测得， 也可通过计算求得。
若令Ns=0，则 L = ∞，事实上也不可能；一般取 Ns = 0.001
过滤效率随滤层厚度的增加而增加。
四、影响过滤除菌效果的因素
在其他条件相同时，介质纤维直径越小， 1. 纤维直径 形成的网格越细密、层数越多，过滤效
滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比称为过滤
效率，用表示 ，是衡量过滤设备过滤能力的指标。
= N1 －N2 = 1－ N2 = 1－P
N1
N1
N1— 过滤前空气中的微粒含量 （个）； N2 — 过滤后空气中微粒含量 （个）； N2/N1 — 过滤后与过滤前空气中微粒数的比值， 称为穿透率 P
二、空气过滤除菌的介质
1. 过滤介质的条件
多孔性 化学稳定性 足够的机械强度，使用寿命长
2. 常用的过滤介质：
1）棉花：宜选用纤维细长、疏松的新棉花；
2）活性炭：直径3 mm ,长5 – 10 mm, 圆柱状，有 较大的表面积，通过物理吸附作用吸附微生物； 3）玻璃纤维：直径8–19 m；
的过滤介质； 3. 设计合理的空气预处理设备，以达到除油、水和
杂质的效果； 4. 降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过
滤介质在干Βιβλιοθήκη Baidu状态下工作。
第三节 空气过滤除菌的工艺技术
一、对空气过滤除菌工艺流程的要求
需要空气压缩机提供具有足够能量的空气； 需要具有高效的过滤除菌能力的设备； 需要精简工艺流程，降低设备投资等； 工艺设计要选择好吸风条件、加强除水设备、降
过滤器有很多种，根据过滤方式和过滤介质的不同 可以进行区分（填充床/膜）。
第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质
一、空气过滤除菌的原理 二、空气过滤除菌的介质 三、介质过滤的效率 四、影响过滤除菌效果的因素 五、提高过滤除菌效率的措施
一、空气过滤除菌的原理
绝对过滤/相对过滤 介质过滤：以大空隙的介质过滤层除去较小颗粒，
微生物等颗粒：由于具有一定质量，在以一定速 度运动时具有一定惯性，碰到纤维时，由于惯性作 用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、粘附作 用，被滞留在纤维表面上。
2. 拦截滞留作用
微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近 纤维时：
气流：速度在临界速度以下，颗粒不再由于惯 性碰撞而滞留。
颗粒：粒径小，质量轻，气流绕过纤维时仍随 气流运动，在纤维周边形成一层边界滞留区，在 滞留区内气流速度更慢，进入滞留区的颗粒缓慢 接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘附作用而 被滞留。
1. 高效前置过滤器 2. 压缩机 3. 贮罐 4. 冷却器 5. 丝网分离器 6. 加热器 7. 总过滤器
复习思考题
1. 空气过滤除菌的机理？如何提高过滤除菌 的效率？
2. 空气过滤除菌的工艺流程？
空气灭菌的方法 辐射灭菌法 静电除菌法 介质过滤除菌法
1. 热灭菌法
不需要通过蒸汽或者加热载体加热，直接通过空 气压缩之后的温度提升完成灭菌过程。
空气压缩机
原理：加热后微生物体内的蛋白质（酶）氧化 变性
不同温度下杀死空气中微生物所需时间
200 ℃ 250 ℃ 300 ℃ 350 ℃
空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小、过滤 介质的种类和规格（纤维直径）、介质的填充密度、 过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等因素 有关。
在一定条件下（包括气流速度、温度、介质种类、 填充密度、杂菌种类等），通过单位高度介质层后， 杂菌浓度的下降量与进入此介质层的杂菌量成正比。
即：
dN / dL = －KN0
15.1 s 5.1 s 2.1 s 1.05 s
2. 辐射灭菌法
α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外线、超声 波照射
原理：破坏蛋白质，破坏生物活性物质 辐射灭菌仅用于表面灭菌和有限空间灭菌。 应用最广泛的是紫外线灭菌，常与甲醛蒸汽一起
结合进行灭菌。
3. 静电除菌法
近年来一些工厂已使用静 电除尘器除去空气中的水 雾、油雾和尘埃，同时也 除去了空气中的微生物。
两级冷却、加热除菌流程
空气从采气口进入过滤系统前，先经过粗过滤 器过滤，再进入空气压缩机，经压缩升温后的空 气经过两次冷却后，再被加热和过滤。
1. 粗过滤器 2. 压缩机 3. 贮罐 4,6. 冷却器 5. 旋风分离器 7. 丝网分离器 8. 加热器 9. 总过滤器
冷热空气直接混合式空气除菌流程
第四章 无菌空气的制备
本章内容
第一节 空气中的微生物和除菌方法 第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质 第三节 空气过滤除菌的工艺技术
第一节 空气中的微生物和除菌方法
一、空气中的微生物种类及分布
空气中常见的微生物种类有多种芽孢杆菌、变形 杆菌、产气杆菌、酵母菌和病毒等。
空气中微生物数量与环境有关，地区、季节、气 候等都会影响。
经粗过滤和压缩后的空气，从储罐出来后分两部 分，一部分进入冷却器，冷却到低温，经分离器 分离油水之后与另一部分未处理的高压空气混合， 再进入过滤器。
1. 粗过滤器 2. 压缩机 3. 贮罐 4. 冷却器 5. 丝网分离器 6. 总过滤器
高效前置过滤空气除菌流程
采用高效率的前置过滤设备，使空气先经过中、高 温过滤器后，再进入空压机，降低主过滤器的负荷。
原理：静电引力吸附带电 的粒子
静电除尘灭菌器
1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶； 4-钢板；5-空气入口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。
4. 介质过滤除菌法
让含菌空气通过定期灭菌的干燥过滤介质，以阻截 空气中含有的微生物，从而获得无菌空气。
原理：将介质填充到过滤器中，空气流过借助于惯 性碰撞、阻截、扩散、静电等作用将尘埃微生物留 在介质中，达到除菌效果。
旋风分离器
利用气流从切线方向 进入容器，在容器内形 成旋转运动时产生的离 心力场来分离重度较大 的微粒。
丝网分离器
利用填料的惯性拦截
三、空气过滤除菌工艺流程
两级冷却、加热除菌流程 冷热空气直接混合式空气除菌流程 高效前置过滤空气除菌流程 将空气冷却至露点以上的流程 利用热空气加热冷空气的流程 一次冷却和析水的空气过滤流程
过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器， 有可能引起过滤介质的炭化或燃烧；增大了发酵 罐的降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分的 蒸发，影响微生物的生长。
冷却器类型：立式列管式热交换器、沉浸式热交 换器、喷淋式热交换器
4. 压缩空气除水和除油
使用气液分离器除去压缩后的湿空气。 气液分离器型式：旋风分离器和丝网分离器
低负荷、提高空气无菌程度。 流程：吸入空气 前过滤 空气压缩机 冷却
除油、水 加热 空气过滤器 无菌空气
1. 粗过滤器
作用：捕集较大的灰尘颗粒
要求：过滤效率高，阻力小 （阻力大则增加空压 机的吸入负荷，降低压缩空气的排出量） 型式： 布袋式过滤器 、油浴洗涤过滤器 水雾除尘过滤器、填料式过滤器 旋风分离式过滤器
一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。 空气中尘埃数（x/m3）与细菌数（y/m3）的关系：
y=0.003x-2.6
二、空气除菌的方法和要求
发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理 使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而 能控制发酵污染至极小机会。
无菌空气的标准一般是99.99% 热灭菌法
4）超细玻璃纤维丝：利用高质量的无碱玻璃采用喷 制法制成的 1 – 1.5 m的细丝；
二、空气过滤除菌的介质
5）纸类过滤介质：玻璃纤维纸，多层使用 ； 6）微孔滤膜类过滤介质：直径小于0.5 m，甚至小 于0.1 m，能将空气中的细菌真正滤去，也是绝对 过滤。
常见过滤介质
三、介质过滤效率