空气净化除菌及除菌设备

•静电除菌
封头 空气出口 钢板 绝缘瓶
钢管 电极钢丝
静电除尘器装置图
管板 法兰
空气进口
管式静电除菌器
•过滤除菌法
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，而达到除菌的目的。
目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌 方法。
常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤 维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结 金属过滤介质等。
• 空气过滤器
✓ 对数穿透定律
根据四点假定有： dN KN dL
此式称为对数穿透定律，它表示进入滤层的微粒数与穿 透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。
lgN (2 N 1)K'L
为了实验和计算的方便，可采用过滤效率为0.9时的滤 层厚度作为对比基准：
lg N 2N (1 ) 9 0 K 'L 9 0 l0 g .1 ) ( 1
生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求 是：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。
➢3.空气含菌量的测定
空气洁净级数
空气洁净 粒径≥0.5μm的最大 粒径≥0.5μm的最大 空气洁净 级数(英制) 微粒数（个/ft3） 微粒数（个/m3） 级数(国际)
空气
过滤空气
过滤除菌效率(η)与气速(vs)的关系
6.除菌效率
1） Humphrey法:
Humphrey法认为空气过滤器应以捕集效率
为最低值的时候为设计依据: 1(I)、2(R)、3(D)。
考虑单纤维捕集效率： o=I+R+D 是以c为设计临界速度，由于以最低值设计， 当＝c时， I＝0，此时o=R+D
•C.空气过滤压力降 的计算
p
2v2m
cL
d f
式中 L —过滤层厚度，m；
ρ —空气密度，kg/m3；
α —介质填充系数；
v —空气在介质间隙中的流速，m/s； v ＝ v s / (1- α);
v s —空截面气速，m/s； df —纤维直径，m； m —实验指数，对不同的过滤介质，如棉花介质，
• 2.空气贮罐
压力表
安全阀 排气管
作用：消除压缩 机排出空气量的脉 冲，维持稳定的空 气压力，同时也可 以利用重力沉降作 用分离部分油雾。
进气管 人孔
排污口
➢空气介质过滤除菌设备
• 3.汽液分离器
作用：将空气中 被冷凝成雾状的水 雾和油雾粒子除去 的设备。
一般常用的有旋 风式和填料式。
旋风分离器
3. 除去水、油。为保证进入过滤器的空气保持相对湿 度为＝50～60％左右，需除去空气中夹带油、水。 因有油滴、雾滴不仅带有微生物，还会使过滤器 的过滤介质受潮，降低过滤效率。安装气液分离器。
4.满足工艺要求的温度和湿度： 经压缩后，气体温度很高，相对湿度较低，
但不能直接进入过滤器。因为温度过高，介质 承受不了，易焚烧而造成过滤失效，需先经冷 却析水，从而需冷却器。
m＝1.45；19μm玻璃纤维， m＝1.35；
8μm玻璃 纤维， m＝1.55；
c —阻力系数，棉花介质c≈100/Re;
玻璃纤维介质c≈52/Re。
• D.提高(空气过滤器)过滤效率的措施
1.减少进口空气的含菌数。
(1)加强生产环境卫生管理，减少环境空气中的含菌量； (2)提高空气进口位置（高空），减少空气进口含菌量； (3)加强压缩前的空气预过滤。
而异。 量一般为103~104个／米3。 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一
个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的 空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为 3000~8000个／米３。
➢2.生物工业生产对空气质量的要求
生物工业生产中对空气质量的要求是 ：无菌， 无灰尘，无杂质，无水，无油，温度，湿度， 正压等要求；
集效率。也可通过测出气体、颗粒的各项参数来
计算I，通过试验知，气体流速是影响I的重要 参数，在一定条件下（df、dp、t)，改变气体流 速，可改变惯性影响I。 当I＝0时，即b=0；当o＝c时，为临界速度。
o＝s/(1-) 实践证明，I是微粒惯性力的无因次准数的函 数：I＝f() 其中:
(2)拦截滞留机制R
➢空气介质过滤除菌设备
• 空气过滤器
✓A.过滤除菌效率 过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比 值，它是衡量过滤设备的过滤能力的指标。
N1N2 1N2
N1
N1
式中 N2/N1 —过滤前后空气中微粒浓度的比值，
即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值（穿透率）。
影响过滤效率的因素：微粒大小、过滤介质的种类、规 格、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。
前述，空气主流的作用，最大宽度为df，在df以外不为 惯性碰撞，有没有其他因素影响？
而在实际上，在纤维的周围（滞留层称层流膜），截留 机制是怎样的？
在气速较小或颗粒直径较小时,惯性小，惯性小的颗粒 在气流的带动下进入滞留层，慢慢靠近纤维而被粘住，截 留效率：
Re=dfo/ R～Re有关，试验得出上升， Re上升推出R 稍高；随的下降还略有上升。 以上两种机制o都随下降而下降，导致矛盾。 提出另一机制。
100
100
3500
M3.5
1000
1000
35000
M4.5
10000
10000
350000
M5.5
100000
100000
3500000
M6.5
➢4.空气除菌方法
•热杀菌 •辐射杀菌 •静电除菌 •过滤除菌法
•热杀菌
空气热灭菌流程示意图
1-空气压缩机 2-粗过滤器 3-保温管 4-贮气罐 5-保温罐 6-列管 式冷却器 7-涡轮压缩机 8-预热器 9-粗过滤器 10-空气吸入塔
质量是惯性的量度， 质量大惯性大，惯性可 用动量m来表示。
气速越大，惯性越 大，受气流换向干扰小， 易被截留从而b大。
所以b的最大值为df， 而在一定流速下的截留宽 度，又是在该流速下由于 惯性碰撞捕集的最大宽 度。
则惯性捕集效率为： I＝b/df
惯性捕集效率： I＝b/df
由于b很难计算，采用试验的方法来测定惯性捕
➢5.介质过滤除菌机理
•惯性冲击滞留作用机理 •拦截滞留作用机理 •布朗扩散作用机理 •重力沉降作用机理 •静电吸附作用机理
(1)惯性冲击滞留作用机理:
设:纤维直径为df， 纤维滞留微粒的宽度为b， b与流速有关，受颗粒运动 惯性决定。b是颗粒由于惯性 碰撞而被捕集的最大宽度， 也就是如果在大于这个宽度的 地方的颗粒被捕集，将不是由 于惯性碰撞而被捕集。 即:设在一定流速下的截面宽 度为b，意味着在这范围内通 过的颗粒都会由于惯性碰撞而 被纤维捕集。
➢第三节 空气介质过滤除菌设备
• 1.粗过滤器
粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集 较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也 减轻总过滤器的负荷。
常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、 油浴洗涤和水雾除尘等。
➢空气介质过滤除菌设备
• 粗过滤器
水 雾 除 尘 装 置 油浴洗涤空气装置
➢空气介质过滤除菌设备
2. 设计和安装合理的空气过滤器。 3.降低进入总过滤器空气的相对湿度。
(1)采用无油润滑空压机； (2)加强空气的冷却，去油水； (3)提高进入总过滤器的空气温度,降低其相对湿度。
•5. 过滤介质和过滤器的结构 ✓过滤介质
(1)棉花 (2)玻璃纤维 (3)活性碳 (4)超细玻璃纤维纸 (5)石棉滤板 (6)烧结材料过滤介质 (7)新型过滤介质
潮湿空气进入过滤介质也使介质易受潮而粘 在一起而失败，故应进行加热需要加热器。 从而保证工艺条件所要求的温度和相对湿度。
• 特点 ：两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷 却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到 30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。
三、冷热空气直接混合式空气除菌流程
第二章 空气净化除菌
及除菌设备
❖ 空气净化除菌的方法与原理
❖ 空气介质过滤除菌设备及计算
第一节 空气净化除菌的方法与原理
➢1.空气中微生物的分布
空气中微生物的含量和种类，随地区，季节
空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。北方气候干燥，寒冷，
和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况 空 含气 菌中 量的 较含 多菌 ，量 农较村多 的， 空离 气地 中面 含越 菌高 量， 较含 少菌 ，量 一越 般少 城； 市一 空般 气每 中升 杂高 菌数10为米， 30空 00气 ~8中00的0个含／菌米量３就。降空低气一中个的数微量生级物；种城类市以的细空菌气和中细 菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含
➢空气介质过滤除菌设备
• 汽液分离器
填料式分离器是利 用各种填料如焦炭、 活性炭、磁环、金 属丝网、塑料丝网 等的惯性拦截作用 分离空气中水雾或 油雾。
Baidu Nhomakorabea
丝网分离器
➢空气介质过滤除菌设备
• 汽液分离器
➢空气介质过滤除菌设备
• 4.空气冷却器
常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式 热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。
•特点 ：省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程， 使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路，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%。
➢空气除菌流程
•冷热空气直接混合式空气除菌流程
• 设:未被冷却的空气占总量的y%;
2) Davies法
Davies提出的设计方法较为复杂，但较为严密。
根据试验的结果认为：在很低的气速下，也具有一定 的I，同时他认为除了考虑扩散捕集效率D及拦截捕 集效率R外，还应考虑扩散和拦截效率DR，于是：
0I RDDR
DR1.2
1
1 2
4(K)u2(P)e2R3
DR查表或者其他文献, 彼克利准数 Pe＝odf/Bm， 由于考虑了各种因素的影响， Davies法较为合理。
3.布朗扩散作用机制D 在静止气体或气速很低的条件下，菌体颗粒按布朗运
动，由于左、右振动碰到纤维而被粘住。 下降导致布 朗运动更明显，导致D上升，所以在低下，由于D上升 导致上升，从而解释了上述现象。
(a)惯性
(b)拦截
(c)扩散
(d)重力
(e)静电
利用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液 滴的纤维工作原理
• 压缩空气的状态(x2,t2,φ2); • 冷却空气的状态(x3,t3,φ3); • 混合后空气的状态(x4,t4,φ4)
• 则: yx2+(1-y)x3=x4
➢空气除菌流程
•前置高效过滤除菌流程
前置高效过滤除菌流程
1-高效过滤器 2-空压机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
第二节 一般空气除菌流程介绍
一、一级冷却的空气除菌流程
➢空气压缩冷却过滤流程
过滤空气
空气压缩冷却过滤流程
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
二、两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
三、空气介质过滤除菌设备及计算
➢制备无菌空气的大致过程
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 二级冷却器 除雾器 加热器
有时也考虑布朗运动D，布朗扩散时随c上 升，D下降，所以在c时D较小可忽略不计。
因此,Huqnphrey法就是:
以o=D作为设计过滤器效率的依据。 在c时，以R作为整个单纤维捕集效率值，
此时为最低值。
Huanphrey法之所以取c作为设计流速， 考虑到发酵过程中所需空气量不同，在过滤 床中的有时快，有时慢，那么按照最低点设 计，比较保险，保证在较大气速下，也不会 变化太大，使过滤器在负荷波动时有足够的 过滤效率。
过滤器 无菌空气
除菌流程中设备的作用
1.提高压缩前空气的洁净度.主要措施有： (1)提高空气进口位置。每提高3.05m，微生物含量 减少一个数量级，加强吸入空气压缩前的过滤。 (2)安装粗滤器。
2.提高空气的压力。目的是克服管路、设备的压差损 失P，无菌空气进入有一定液位的发酵罐，需一 定压力，故需安装空压机。
• 空气过滤器
✓ B.对数穿透定律 四点假定：
(1)过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因 其他邻近纤维的存在而受影响；
(2)空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不 再被气流卷起带走；
(3)过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；
(4)空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维 薄层除去同样百分率的菌体。