第三章_空气除菌

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当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时,就发生
静电吸引作用
总作用效果与气流速度关系
当气流速度较小时,没有惯性碰撞作用,以拦截、重力沉
降和布朗运动现象为主,此时,除菌效率随气流速度增大 而降低 当气流速度增大到某值时,除菌效率最小,此为临界速度
当气流速度继续增加,
η=η1+η2+η3+η4+η5

空气过滤需要推动力;过滤介质要求在干 燥条件下工作,才能保证除菌效率 预处理:对进入空气过滤器的空气进行预处理,
达到合适的空气状态(压力、温度、湿度)


过滤:对空气进行过滤处理,除去微生物
一、对空气预处理的要求(空气过滤时状态)
1、加压:(0.2~0.3MPa)在发酵生产过程中,为了维持
一定的罐压和克服设备、管道、阀门、过滤介质等的阻 力,所供给的空气必须具有一定压力
空气除菌流程的要求
空气除菌设备从总过滤器开始要都能采用蒸汽彻底灭 菌,并能分段保压和灭菌。这样就不需要常常用蒸汽 对过滤器或整个空气过滤系统进行灭菌。 空气过滤系统要能定期排油,排水,能检测各阶段的 空气温度及其净化程度,并能防止冷凝水倒流入总过 滤器 设备尽量简单。

空气除菌的要求: 无菌、无尘、无油、无水、有压力
冷热空气直接混合的空气除菌流程
(六)前置高效过滤器的空气除菌流程
1、流程:在压缩机前设臵一台高效过滤器
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
2、特点

前面高效过滤,减轻后面过滤负荷 多次高效过滤,空气无菌程度比较高 吸气阻力大,影响压缩机的吸气量


省去分离设备、加热设备和加热介质
空气过滤除菌后易重被污染
空气预处理流程的选择
除菌效率达到要求(气候、环境)
设备数量、投资、运转费用和动力消耗较少
操作简便
第二节 深层过滤除菌原理


过滤除菌方法:绝对过滤和深层过滤
绝对过滤:介质的孔隙小于被滤除的尘埃或微
生物,当空气流过介质层时,空气中的尘埃和微 生物被截留在介质层的表面

深层过滤:介质间的孔隙大于被滤除的尘埃或
微生物。空气流过这种介质过滤层时,借助惯性 碰撞、拦截、静电吸咐、扩散、沉降等作用,将 其尘埃和微生物截留在介质层内
一、深层过滤除菌机理
过滤介质的孔隙(20~50μm),要除去微生物颗
粒(0.5~2μm),利用惯性碰撞、拦截、布朗运 动、重力沉降和静电吸引等作用除菌

经过dL厚度过滤介质过滤后,空气中颗粒数的减 少数为-dN
dN KNdL
式中:N—滤层中空气的颗粒数,个 L—过滤介质层厚度,m K—过滤常数,1/m
移项后积分:

L
0
1 dL K

N2
N1
dN N
1 N1 L ln K N2
3、对数穿透定律 四点假定:
① 过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近
纤维的存在而受影响
② 空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附,不再
被气流卷起带走
③ 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递减均匀,即每一纤维薄
层除去同样百分率的菌体

多层细小的纤维将空气中粒子拦截在介质层中, 因此过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的
b 单纤维惯性冲击捕集效率: 1 df
式中:b—单纤维能滞留微粒的气流宽度,m (微粒大小、密度、气流速度、空气粘度) df—纤维直径,m
准数:
2 cpd p u0 18df
式中:c—修正系数,11.46 ρ p—微粒密度,kg/m3 dp—微粒直径,m u0—气流速度,m/s μ —空气粘度,Pa.s
2、降温:(tF=30~35℃)与发酵温度一致 3、减湿:(φ=50~60%)湿空气经压缩冷却后会有水分 析出,而目前所采用的介质过滤除菌方法,要求过滤介 质处于干燥状态,才能保证过滤除菌效率 4、去油:往复式空气压缩机工作需用润滑油,在高温下 润滑油汽化进入空气,经冷却析出,影响过滤除菌效率
二、空气过滤除菌流程 制定原则:

二.空气中的微生物

空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节而异, 空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北 方比暖和、潮湿的南方含菌量少;离地面愈高含菌量 愈少;工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气 含菌数为3000~10000个/m3。
二、空气中微生物 影响因素:高度、季节、地区、地点
2、特点


比较完善、典型的空气过滤除菌流程,可适应各种 气候条件 所需设备最多,投资较大,占地面积大,阻力大 两次冷却后又加热,冷却和加热介质消耗较多
两次冷却、分离、加热的空气除菌流程
(二)一次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程:将压缩空气冷却至20~25℃ ,分离析
出水分后升温使相对温度降为60%左右,进入过滤器
并与之接触,由于摩擦、粘着作用而被滞留
3、布朗扩散作用机理

很小的颗粒在流动速
度很低的气流中能产
生一种不规则直线运
动,称为布朗运动
因布朗运动性碰撞介质纤维而被滞留,这种作用称
为布朗扩散作用
布朗扩散运动使较小微粒凝聚为较大微粒,
随即
可能产生重力沉降或被过滤介质截留
4、重力沉降作用机理
当气流对微粒的拖
式中: η—过滤效率,(%) N1—过滤前空气中的尘埃颗粒数 N2—过滤后空气中的尘埃颗粒数 P—穿透率,即过滤后空气中残留颗粒数 与原有颗粒数之比
2、影响过滤效率的因素
影响因素:过滤介质的种类、规格 介质层的填充密度、厚度 空气流速、需滤除微粒大小



不同过滤介质的理化性质不同,其过滤效率有较 大差异 同一介质,过滤效率与介质纤维直径关系很大, 介质纤维直径越小,过滤效率越高 过滤效率与介质滤层厚度、填充密度和空气流速 有关


细小而轻的菌体是随水分的蒸发、物料的移动被 气流带入空气中或粘附在灰尘上而漂浮在气流中, 离地面愈高空气中含菌量愈少(每升高10米,空 气中的含菌量就降低一个数量级) 温度和湿度影响微生物的生存,夏季空气中微生 物的含量要多些 寒冷、干燥的北方比温暖、潮湿的南方空气中含 菌量少
二、空气中微生物
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
(七)后置冷却器的空气除菌流程 1、流程:前冷却器冷却空气到相对湿度50~60%
进入过滤器,后冷却器冷却空气温度 到30~35℃进入发酵罐
空气
高空取气管
缓冲罐
粗过滤器
压缩机
前冷却器
过滤器 后冷却器 无菌空气
2、特点
惯性碰撞开始发挥作用, 除菌效率随着气流速度 增加而提高 如果气流速度过大,除 菌效率又下降,则是由 于已被捕集的微粒又被 湍动的气流夹带返回到 过滤除菌效率(η)与气速(vs)的关系 空气中
二、深层过滤除菌效率
1、过滤效率

滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值 衡量过滤设备过滤能力的指标
N1 N 2 N2 1 1 P N1 N1

空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多,也有酵 母、霉菌、放线菌和噬菌体。 空气中灰尘粒子数量与人们的活动情况有关:工 业城市比农村含菌量多,据统计大城市空气含菌 数为3000~10000个/m3。


厂区取风口多在偏僻角落,离开其它生产车间。
二、好气性发酵对空气无菌度的要求
好气性发酵中需要大量无菌空气,但空气绝对无菌是 很难做到的,也是不经济的,只要使在发酵过程中不 至于造成染菌而出现“倒罐”现象,这就是通风发酵 对无菌空气的要求。 不同类型的发酵,由于菌种生长活力、繁殖速度、培 养基成分和pH值及发酵产物等不同,对杂菌抑制的 能力不同,因而对无菌空气的无菌程度要求也有所不 同。 无菌要求:在工程设计上,一般要求无菌程度为 N=10-3,即1000次使用周期中只允许有一个杂菌通 过。
空气
过滤空气
1、惯性冲击滞留作用机理
原理:
b d 0

当微生物等颗粒随空气 流动进入过滤介质,气 流碰到滤层纤维时,空 气就改变运动方向绕过 纤维继续前进
df
图4-14 单纤维空气流线图

微生物等颗粒由于具有
一定的质量,在以一定
速度运动时而有惯性

在惯性力作用下穿过气 流层碰到纤维,由于摩 擦、粘附作用,被滞留 在纤维表面上
第三章
空气除菌
一.空气除菌的意义
绝大多数的工业微生物发酵都是好氧发酵。工业生产 上均采用空气作为氧气来源。然而,空气中有各种各 样的微生物,空气中大量杂菌:103 - 104个/m3。它 们在适宜条件下会大量繁殖,消耗营养物质,产生代 谢产物,干扰甚至破坏发酵的正常进行,使得发酵产 品的效价降低,产量下降,甚至造成发酵彻底失败等。 为保证纯种培养,必须将空气中的微生物除去或杀死 (空气除菌)。空气除菌是发酵工业的一个重要环节。 获得大量的无菌空气供给好氧发酵微生物是生化工程 中极为重要的课题。
f ( )
1
当b=0时η1=0
cpd p2u 0 1 18df 16
临界气流速度:
d u 1.125 c d
f c p
2 p
2、拦截滞留作用机理

当气流速度低于
临界速度时,颗
粒不会因惯性碰 撞而被滞留
在气流绕过纤维时,颗粒随之改变方向 气流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,颗粒缓慢接近纤维,

生产对无菌空气要求具备的参数,如无菌程度、 空气压力、温度等 吸气环境的空气条件 所用除菌设备的特性


要求:尽量采用新技术新设备,提高除菌效率,
减少设备数量,降低设备投资、运转费用和动 力消耗,便于操作
(一)两次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程
两次冷却、两次分油水、适当加热
空气第一次冷却到30~35℃,第二次冷却至20~25℃ 经两次分油水后相对湿度仍为100%,加热到30~35℃ 相对湿度下降到50~60%
带力小于微粒的重
力时,微粒就沉降
对于小颗粒,只有当气流速度很低时才起作用 在空气的介质过滤除菌方面,这一作用很小
5、静电吸附作用机理
许多微生物都带有
电荷。枯草杆菌芽孢
有20%以上带正电荷,
15%以上带负电荷
当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,特别是用树脂处理的纤 维表面产生电荷更明显
空气压缩冷却过滤除菌流程
(四)冷热空气间接换热的空气除菌流程 1、流程:压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行
热交换
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
2、特点

省去加热介质,热交换器还兼作缓冲罐

气-气换热的传热系数很小,需要较大换热面积

三.空气ห้องสมุดไป่ตู้菌的方法

然而,由于空气传热效率很低,温度分布很不均匀, 并且有些耐热菌的孢子需要非常长的时间才能杀灭, 所以加热的方法不能大量制造无菌空气。
第一节 空气过滤除菌流程
空气除菌流程的要求:




高空采风:进口风管设置在上风口,20~30m高,减少吸 入空气的微生物含量 前过滤器:压缩机前安装中效前置过滤器,保护压缩机和 减轻总过滤器负担 尽量选无油润滑压缩机,减少压缩后空气中的油雾污染。 压缩机后采用冷却型空气储罐,可降低压缩后空气的温度, 同时除去部分润滑油。 采用冷却-旋风分离器,使油水分离较完全。 采用除雾器(丝网分离器),除去空气中的雾滴。 用蒸汽加热空气约50°C,使空气的相对湿度低于60%, 再进入总过滤器,保证总过滤器维持干燥状态。 空气经总过滤器除去大部分尘埃、颗粒和微生物后,进入 每一个发酵罐上的分过滤器,再进入发酵罐。这样空气的 除菌程度可达到99.99999%以上。
冷热空气间接换热的空气除菌流程
(五)冷热空气直接混合的空气除菌流程 1、流程:压缩空气从缓冲罐出来后分成两部分,
一部分进入冷却器,冷却到较低温度,经分离器 分离水雾后与另一部分高温气体混合
2、特点

省去加热介质和加热设备 适用于空气的湿含量为中等的地区 要经常根据气候条件调节冷热空气的比例
一次冷却、分离、加热的空气除菌流程
2、特点


省去第二次冷却、分离设备 使用无油润滑压缩机或离心式压缩机
(三)空气压缩冷却过滤除菌流程 1、流程:将压缩空气冷却到30~35℃、相对湿度
为60%~70%以下
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
2、特点

流程最简单,所用设备最少 适用于北方和内陆气候干燥地区
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