3第三章 无菌空气制备.

§2 过滤除菌设备原理、结构和计算 过滤除菌设备原理、 传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为1～2米， 过滤介质一般是棉花、活性炭，也有玻璃纤维、焦 炭等。 对不同材料，不同规格以及填充情况不同，都会得 到不同的过滤效果。 1、深层过滤原理（机理） 、深层过滤原理（机理）
1、深层过滤原理（机理） 、深层过滤原理（机理） 空气中的微生物粒子大小在0.5～2µm之间， ～ 过滤介质—棉花纤维直径约为16~20µm 。 充填系数为8%时， 棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50 µm ， ～ 微粒随气流通过滤层时， 如何将直径小的微粒阻截？
2、深层过滤效率和过滤器计算 、 深层过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来空气 中所含微粒数的比值， 中所含微粒数的比值，它是衡量过滤设备过滤能力 的指标： 的指标： η=（ N1-- N2）/ N1=1-- N2/N1 （
N1——过滤前空气中微粒含量 N2——过滤后空气中微粒含量
N2/N1—过滤后前空气中含有微粒数的比值，即穿透 滤层的微粒数与原有微粒数的比值，称为穿透率。
（3）高效前置过滤除菌流程
≤0.5 0.2 ~0 .5
为了提高空气的无菌程度，可采用高空采风。一般 每升高10m，空气中微生物含量减少一个数量级。 在高空吸风的同时，也可采用高效的前置过滤方法， 即在压缩机前设置一台高效过滤器，降低过滤器负 荷，提高空气的无菌程度。 前置过滤器可用泡沫塑料（即静电除菌）、超细纤 维纸为过滤介质，并串联使用。99.99%
第三章 空气净化除菌与空气调节 §1 空气除菌方法及流程 一、通风发酵对无菌空气的要求
1、空气中M的分布： 空气中以细菌和细菌芽胞较多，也 空气中以细菌和细菌芽胞较多， 有酵母，霉菌和病毒。 有酵母，霉菌和病毒。 微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘或雾滴上， 一般附着在空气中的灰尘或雾滴上， 一般附着在空气中的灰尘或雾滴上 空气中M含量一般为 含量一般为10 空气中 含量一般为 3~104个／m3。
介质过滤除菌： 介质过滤除菌： 介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质 过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质 过滤层 将空气中的微生物等颗粒阻截在介质 层中，达到除菌的目的。 层中，达到除菌的目的 分深层过滤和绝对过滤 深层过滤和绝对过滤两种。 深层过滤和绝对过滤 深层过滤：过滤介质材料直径及形成的网格大 深层过滤： 于微粒直径，机理复杂,例传统棉花、活性炭等。 绝对过滤：过滤介质材料直径及形成的网格比 绝对过滤 微粒直径小，PVA烧结材料 、烧结金属、微孔 滤膜等，将微粒绝对阻截在介质中。
（１）、惯性冲击滞留作用机理 ）、惯性冲击滞留作用机理 棉纤维直径为df的断面，当微 粒随气流以一定的速度垂直向纤维 方向运动时，空气受阻即改变运动方向， 绕过纤维前进，而微粒由于它的运动 惯性较大，未能及时改变运动方向随主导气流前进， 惯性较大 于是微粒直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒 就滞留在纤维表面上，即为惯性冲击滞留作用。 过滤效率: η1=b/df
在工程设计中一般要求1000次使用周期中只 在工程设计中一般要求 次使用周期中只 允许有一个菌通过， 允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程 度为N=10-3 个/罐。 度为 罐 空气含菌量的测定： ★空气含菌量的测定： 培养法：微生物法； 培养法 光学法：粒子计数器. 光学法
四、空气除菌流程分析 生物工厂所使用的空气除菌流程，随各地的气 候条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较 高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、 水的干扰。 空气的相对湿度在50%～60%条件下过滤效率高 条件下过滤效率高。 ～ 条件下过滤效率高
）、空气贮罐 （3）、空气贮罐： ）、空气贮罐： 作用： 作用：消除压缩空气的脉动，稳定空气的压力， 除去空气中部分水滴、油滴。 结构：空圆柱壳体，上装安全阀，压力表，容 积为空压机排气量的10~20%。 一般选空压机时有配套贮罐。 下设排污口，定期排污。 结构：H/D=2.2~2.5
（4）、气液分离器水雾粒子 ）、气液分离器水雾粒子10~200 µm ）、 作用：除空气中被冷凝成雾状的水雾、油物粒子。 A、旋风分离器： 10µm 以上的粒子 结构尺寸： 上面带切线方向进口的圆柱体， 下部连有倒圆锥壳体设备。 例：38型、45型、60型[d/D=0.38] ,已标准化。
原理： 利用静电引力吸附带电粒子达到除菌效果. 分电离区、捕集区：效率85~99%，对微小粒子效 率低。
（3）化学药剂灭菌 ）化学药剂灭菌： 如甲醛、氯（或次氯酸钠）、高锰酸钾、环氧乙 烷、季铵盐（如新洁尔灭）等。 会与培养基中的一些成分产生作用，且不易去除， 不适宜用培养基灭菌。 （4） 热杀菌 ） （5） 介质过滤除菌 ） 利用过滤方法阻拦微生物达到除菌的目的。 工业上制备无菌空气最经济实用的方法。 工业上制备无菌空气最经济实用的方法。
(4)冷冻干燥机流程 油水冷凝并除去的作 冷干机具有将空气中的油水冷凝并除去 油水冷凝并除去 用，可取代两级冷却、分离、加热流程中两 级冷却器及分离器，使流程简化。 该流程多配备三级不同等级过滤器，可满足 要求； 特点：流程简单、适合各种气候，占地小， 操作方便，但只适用中、小型工厂。
五、过滤除菌流程中设备结构 （1）、粗过滤器 粗过滤器[预~]：安装在进口， 除去其杂质， 粗过滤器 尤其是硬度较大的灰尘，降低气缸磨损。 布袋式：绒布较好，空气流量2~2.5m3/minm2. 布袋式 填料式: 填料式 油浴洗涤装置：易带油 油浴洗涤装置 水雾洗涤装置 水雾洗涤装置[空气1~2m/s] 装置 除尘器 空气粗滤器又除尘器 ，一般空压机的附件，在空压 机的空气进口处，有的单独设置。其结构为一个内 装过滤介质的方形或园形器体。
B、填料式分离器 采用焦碳、活性炭、瓷环、金属丝网 金属丝网、塑料丝网 金属丝网 填料，体积小，除去5 µm以上粒子效率98~99%， 阻力小，但雾沫浓度大时会因雾沫堵塞，阻力加 大。填充密度500~550kg/m3为佳。 分离效率随表面积增大而增大。 丝网分离器因间隙小，容器体积小，应用广泛。 丝网直径0.1~0.4mm，孔径20~80目,介质层厚度一 般150mm,除细雾时厚度可达200~300mm。
二、空气除菌的方法 灭菌:是指用物理或化学的方法杀灭或去除物料或 设备中所有生命物质的过程。 （1） 辐射杀菌 ）
紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的高能粒子能起灭菌的作用。 穿透力低,用于表面消毒和空气消毒。X射线、γ射线也可灭菌。 （2） 静电除菌（0.2~0.8kW/1000m3hr） ） ）
含量和种类，随地区,季节和空气中灰尘粒子多少及人们的活动情况 而异,北方干燥，寒冷含菌量较少，离地面高，含菌量越少；一般每 升高10m，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市含菌量较多， 农村则较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／m３。
• 2、发酵对无菌空气的要求 、 不同微生物，不同发酵过程对无菌空气要求不同： 不同微生物，不同发酵过程对无菌空气要求不同： • 菌种繁殖快，发酵周期短，要求低； 菌种繁殖快，发酵周期短，要求低； • 培养基起始 低或发酵产酸，要求低； 培养基起始pH低或发酵产酸 要求低； 低或发酵产酸， • 培养基营养差，要求低； 培养基营养差，要求低； • 代谢产物为抗生素或杀菌剂，发酵后期要求低； 代谢产物为抗生素或杀菌剂，发酵后期要求低； • 染菌率一般按 -3计，即发酵 染菌率一般按10 即发酵1000批次，允许污 批次， 批次 染1~2个杂菌。 个杂菌。 个杂菌
3、发酵对空气无菌程度的要求 、 绝对无菌在目前是不可能的，也不经济。 发酵对空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质， 无菌， 无菌 无灰尘，无杂质， 无水，无油，正压等几项指标； 无水，无油，正压等几项指标 发酵对空气无菌程度要求：只要在发酵过程中不因 无菌空气染菌，而造成损失即可。 无菌空气：指通过除菌处理使空气的含菌量降低 无菌空气 指通过除菌处理使空气的含菌量降低 到零或极低，从而使污染的可能性降低到极小， 到零或极低，从而使污染的可能性降低到极小， 不因空气污染造成损失的空气。 不因空气污染造成损失的空气。
（１）两级分离、冷却、加热的空气除菌流程P375 两级分离、冷却、加热的空气除菌流程
特点：两次冷却两次分离，第一次冷至30～35℃， 30 35 大部分水、油凝结成较大雾粒，且浓度较高，用选 风分离器分离；第二次冷至20～25 ℃ ，使空气进 一步析出细小水雾、油雾粒子，采用丝网分离器， 提高分离效果。 适当加热：空气经冷却除水后相对湿度100％，采 用加热方法，将相对湿度 相对湿度提高到50～60％。 相对湿度
三、 空气过滤除菌流程 1、空气除菌流程： 、空气除菌流程： 空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求， 根据空气的性质而制定的，同时还要结合吸气环境 的空气条件和所用设备的特性进行考虑。 生产中制备无菌空气的过程大致如下： 空气 高空取气管 除尘器 空气压缩机 贮气罐 一级冷却器 油水分离器 二级分离器 除雾气 总过滤器→分过滤器 加热器 总过滤器 分过滤器 无菌空气进发酵 罐
实践证明： 捕集效率η1是微粒惯性力的无因次准数φ的函 数， 即：η1=f（ φ）
φ=cρpdp2νο/18µdf
c：层流滑动修正系数。 气速是影响捕集效率重要因素,νο下降，惯性力 气速 下降， νο下降到一定程度，b=0， φ =1/16，此 时η1=0。临界气速νC
（２）、拦截滞留作用机理 ）、拦截滞留作用机理 气流速度降到临界速度时捕集效率显著下降，但 随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率 又有回升。 （３）、布朗扩散作用机理： ）、布朗扩散作用机理： 布朗扩散作用机理 （４）、重力沉降作用机理 ： ）、重力沉降作用机理 （５）、静电吸附作用机理以及表面吸附作用机理 ： ）、静电吸附作用机理以及表面吸附作用机理
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（2）、冷热空气混合加热的空气除菌流程
此流程适用于中等湿含量的地区。 特点是：省去一级冷却和分离设备及空气加热设 备，流程简化，使冷却水用量少。 压缩空气分两路，一部分进冷却器，经分离器分 离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空 气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对 湿度为50～60%。
（5）、空气换热器（冷却器 、加热器 ） ）、空气换热器（ 空气换热器 空气经压缩，气温可达144ºC左右，而发酵生产所 需空气的温度为30~34ºC左右，故需将空气冷却或 加热。 常用的类型： 立式列管式热交换器、 立式列管式热交换器 沉浸式热交换器 、 喷淋式热交换器等。 热空气夹带的油水蒸汽经冷凝，由器底排除。 设计时要采取适当措施： 空气给热系数低，一般设计时要采取适当措施 设计时要采取适当措施 提高空气流速5~10m/s；经常改变空气流向，提高 ；经常改变空气流向， 提高空气流速 湍流程度。 湍流程度。
影响深层过滤效率的因素：
微粒大小、介质种类、规格、填充度、介质层厚度 以及空气气流速度等有影响。
2、对空气除菌流程的要求： 、对空气除菌流程的要求： 空气应有一定的压力 压力，过滤器高效 高效，尽量采用新 压力 高效 技术，流程 流程尽可能简化 简化，动力消耗低，操作简便， 流程 简化 运转费用低。 设备中要用无油润滑，否则影响过滤效率。 附属设备也要尽量用新技术，提高效率，减少设 备投资、降低运转费用及动力消耗 。
除菌设备
）、空气压缩机 （2）、空气压缩机 ）、空气压缩机： 空气压缩机 供给发酵用的无菌空气，需要克服过 滤介质的阻力，管道、弯头的阻力和发酵液的液 柱压力，同时，维持发酵罐正压，空气压力一般 提高到3.5~4.0kg/cm2（表压）。 无油润滑空压机：活塞环采用聚四氟乙烯 往复式~：耗油较多，多淘汰； 往复式 ：耗油较多，多淘汰； 涡轮式~：流量大，出气均匀，无易损件0.2~0.25MPa 涡轮式 螺杆式~：因占地小出气平稳受欢迎，技术要求高0.35~