第三章 无菌空气制备ppt1.

三、 空气过滤除菌流程
1、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 加热器 总过滤器→分过滤器 无菌空气进发酵罐
（6）、过滤器：设两级，总过滤器[远]， 分过滤器[近]
JLS -镍 制 微 孔 膜 棒 结 构
上海核工 业部第八 研究所
JLS镍制 微孔 膜棒
3 除菌原理
§2 过滤除菌设备原理、结构和计算 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。
抗生素发酵厂染菌情况统计
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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 等。 （2） 静电除菌（0.2~0.8kW/1000m3hr） 原理： 利用静电引力吸附带电粒子达到除菌 效果.
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 截在介质层中，达到除菌的目的。
分深层过滤和绝对过滤两种。
深层过滤：过滤介质材料直径及形成的网 格大于微粒直径，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
设未处理的空气百分比为Y 则 ：X1Y+[1-Y]X2=X3 所以Y＝[X3-X2] /[X1-X2]=3%(kg水蒸汽/kg干 空气)
即未处理的空气占百分之三。
（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。
所以： X1 ＝0.622×φ1 ps1 ⁄ 〔1－ φ 1 ps1〕
X2 ＝0.622 φ2ps2 ⁄ 〔1－ φ2 ps2〕
因P1=P2 所以 φ1 ps1 ＝ φ2ps2 又φ1 ＝100％
ps1＝φ2ps2＝0.6×5619＝3371Pa查水蒸汽分压表得知
26℃水的蒸汽压力为3371Pa，即第二级冷却器至少应把空 气冷却到26℃。
特点：两次冷却两次分离，第一次冷至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，将相对湿度提高到50～60％。
＝0.622×0.8×0.0323 /〔1－0.8×0.0323〕
＝0.0165（kg水蒸汽/kg干空气）
冷却分离后的湿含量X2＝0.622×φ2ps2⁄ 〔1－ φ 2 ps2〕
＝0.622×1×0.0323 /〔1－1×0.0323]＝0.051(kg水 蒸汽/kg干空气)
混合空气的湿含量： X3＝0.622×φ3 ps3⁄ 〔1－ φ 3ps3〕 ＝0.622×0.6×0.0573 /〔1－0.6×0.0573〕 ＝0.0054 (kg水蒸汽/kg干空气)
五、除过菌设滤备 除菌流程中设备结构
（1）、粗过滤器[预~]：安装在进口， 除去其杂质， 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.
填料式:
油浴洗涤装置：易带油
水雾洗涤装置[空气1~2m/s]
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。
例某除菌流程，空气压力为4atm（表压），要求空 气加热到35℃时，相对湿度φ=60%，问第二级冷却器
应至少把空气冷却到多少度？（假设冷却后的空气中不含水雾）
解：查表35℃时空气中的饱和水蒸汽分压=5619Pa，加热
前冷空气的相对湿度φ1=100%，加热前后空气湿含量没有 发生变化，X1＝X2，加热前后压力不变。
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、 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。
空气给热系数低，一般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，提高湍流程度。
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 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
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。
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。
B、填料式分离器
采用焦碳、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网 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。
分离器直径：D=√4V/πνs V—通过过滤器时空气的体积流量m3/s ；
νs—空容器截面的空气流速，按丝网间隙 中空气实际流速的75%计，m/s； K=0.067 ρl—雾沫密度，ρg :空气密度 实际流速： ν=K √[ρl-ρg]/ ρg
（5）、空气换热器（冷却器 、加热器 ） 空气经压缩，气温可达144ºC左右，而发酵
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， 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
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）
空气含菌量的测定： 培养法：微生物法； 光学法：粒子计数器.
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。
（１流程）两级分离、冷却、加热的空气除菌流程P375
（2）、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~：钢制活塞环，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。吸气量120、550、920m3/min
结构：H/D=2.2~2.5
以往设计时将冷却设备设在空压机旁边，冷却用 水量大，华东理工屠天强将换热器置于发酵设备 周边，压缩空气经200~300mm焊接钢制管每米降 1℃左右，达到换热器时1/3~1/2的热量已散发。
（4）、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。
（3）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(培养基) （5） 介质过滤除菌（无菌空气） 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。
介质过滤除菌：
（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%。
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，空气中M含量一般为103~104个／m3。
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。
（３）、布朗扩散作用机理：
（４）、重力沉降作用机理 ：
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%
(4)冷冻干燥机流程
冷干机具有将空气中的油水冷凝并除去的作 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。
发酵对空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质， 无水，无油，正压等几项指标；即只要在发酵 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。
在工程设计中一般要求1000次使用周期 中只允许有一个菌通过，即经过滤后空 气的无菌程度为N=10-3 个/罐。
1、深层过滤原理（机理）
1、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？
（１）、惯性冲击滞留作用机理
棉纤维直径为df的断面，当微
例 2 ． 吸 入 的 空 气 t1＝25℃，φ1=80%， 冷 却 后 t2=25℃，φ2 =100%，混合后t3=35℃，φ3=60%，计算 混合比（P1=1 kg/㎝2，p2＝p3=4 kg/㎝2）。
解：吸入空气的湿含量： 〔ps:饱和水蒸气分压强〕 X1＝0.622×φ1 ps1 ⁄ 〔1－ φ 1 ps1〕

2、对空气除菌流程的要求：
空气应有一定的压力，过滤器高效，尽量采用新 技术，流程尽可能简化，动力消耗低，操作简便， 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 。
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。
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： 菌种繁殖快，发酵周期短，要求低； 培养基起始pH低或发酵产酸，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； 染菌率一般按10-3计，即发酵1000批次，允许
污染1~2个杂菌。
螺杆式~：因占地小出气平稳受欢迎，技术维 护要求高，0.35MPa，吸气量8~373m3/min.
（3）、空气贮罐：
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、油滴及部分杀菌作用。
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%。一般有配套贮罐。
下设排污口，定期排污。