空气除菌的工艺及设备
生化工程第三章 空气除菌
计算题
1.试设计一台通风量为10m3/min 的棉花纤维过 滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数 为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。滤层
选用df=16μm ,气速Vs=0.1m/s，填充系数α =8%。 求：过滤效率η及滤层厚度L
解： 1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100) =3.33×10-12 η=1-P=1-3.33×10-12 2) 表查得K=0.31cm-1, L＝－ln（Ns/ N0）/K
C. 扩散捕获效率：
3
1 [2(1 2X 0 /df)ln(1 2X 0 /df ) - (1 2X 0 /df) 1/(1 2X 0 /df)] 2(2.00 ln N Re )
其中：2X0/df＝[1.12×2(2-lnRe)DB /V df ]1/3
DB（微粒的扩散率）=CKT/3πμdp C－滑动系数； K－波耳兹曼常数，1.41×10－24kg.m/k； T－绝对温度(k)
当过滤效率为90％（穿透率为10 % ）时：
K＝ - lnP/L90＝-ln10% /L90＝2.303/ L90
直径16μ m的玻璃纤维的L90值 空气流速（m/s） 0.03 L90（cm） 4.05 0.15 8.50 0.30 1.52 3.05 0.38
11.70 1.53
1 2(2.00 ln N Re )
3. 过滤除菌设备（过滤除菌）
1）深层纤维介质（棉花、活性炭、 玻璃纤维）过滤器： 填充物顺序：孔板－铁丝网－ 麻布－棉花－麻布－活性炭－ 麻布－棉花－麻布－铁丝网－ 孔板
2) 平板式纤维纸过滤 器 （flat fiber paper filter）：
生化工程设备-第三篇-第一章-空气净化除菌与空气调节-按ppt
国内微生物工业的除菌方法大多数采用深层过滤，过滤介质一 般采用棉花，活性炭，为防止过滤介质受潮，沾污，降低了除菌 的效率和增加空气通过的阻力，压缩空气在进入总过滤器之前， 必须采取减湿预处理。
3 1 2 5 4 6 7 8 9
图4-3 两极冷却,加热除菌流程 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-过滤器
1 空气过滤器
深层过滤器
介质：以纤维和颗粒状介质为过滤 床的过滤器，用于空气总过滤器
介质：以微孔滤板，超细纤维滤纸， 微孔金属烧结管（二级过滤器）
绝对过滤器 介质：聚四氟乙烯或纤维素酯材料，用 作分过滤器（二级过滤器）
（一）纤维及颗粒状介质过滤器
被用作发酵工厂 纤维介质 的总过滤器. 它是一直立的圆 活性炭颗粒 桶加上椭圆形的顶封 纤维介质 下花板 头和底封头，内部填 进口 充过滤介质，空气由 下而上通过过滤介质， 从而达到除菌目的。
解：T=273+20=293K
5
P1=1.01×10 Pa P2=1.01×10 Pa+2×10 Pa=3.01Pa
P2 5 3 . 01 × 10 T2=T1( P ) =293( ) 1 1.01×105
( K 1) / k
5
5
5
(1.31) / 1.3
=376.97k=104℃
这样高的温度，虽然不适合微生物培养要求， 另外空气含水量较高（潮湿地域和季节），为防止 过滤阶段介质受潮湿失效，必须用冷却设备将空气 降温和降湿。常用的冷却器是列管式冷却器，其结 构和计算在化工原理“传热”中已做详细介绍。 在空气冷却时，空气走壳程，为提高气相一侧 传热系数，设置圆缺型折流板，空气流速1015m/s，冷却水走管程（多管程，2-4程），水流 速0.5-3m/s
生物工程设备第二章空气除菌
三、空气预处理过程设备
（一）空气预处理的作用与原理
空气预处理的主要目的：
1．提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷。 2．去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤 器。
空气中微生物大多数依附于空气中的尘埃颗粒上。提高压缩前空气的洁 净度的主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。一般认
空气出口
过滤网
净气 滤袋 含尘气流
高压水入口
空气入口
图4-7 机械振动袋式除尘器
图4-9 水雾除尘装置
空气压缩机
为什么要用空气压缩机？
涡轮式空气压缩机
往复式空气压缩机
2、空气压缩机
分为离心式空气压缩机和往复式空气压缩机两种。 空气除菌中除去水雾油雾的原因：
否则：（1）如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤 介质的纤维
1、纤维状或颗粒状过滤介质
（1）棉花 （2）玻璃纤维 （3）活性炭 （4）烧结金属 （5）多孔陶瓷 （6）多孔塑料
2、过滤纸类介质
பைடு நூலகம்
主要是超细玻璃纤维纸。
3、微孔膜类过滤介质
上花板 纤维介质 出口
4、非织造布
（二）空气介质过滤器
活性炭颗粒 纤维介质
1．纤维状或颗粒介质过滤器
孔板→铁丝网→麻布→棉花
培养前
培养后
无菌空气：是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一
个水平，从而使污染的可能性降至极小。
根据生物产品的不同，可以按染菌概率10－3～10 －6来 表示无菌程度， 10－3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气 只允许1次染菌。
2、除菌方法
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
压缩空气消毒灭菌的方法
压缩空气消毒灭菌的方法压缩空气消毒灭菌是一种常见的消毒方法，可用于消毒清洁室、医疗设备和制药工业中的空气，以下是关于压缩空气消毒灭菌的10种方法：1. 紫外线灭菌：紫外线具有较强的杀菌能力，可以通过设置紫外线灯管，在空气通过时对细菌进行杀菌。
需要注意的是，紫外线只能杀死直接照射到的细菌，因此需要摆放在空气流动区域。
2. 过滤灭菌：使用高效过滤器对空气进行过滤，选择合适的过滤介质可以有效地滤去微小的细菌和病毒。
这是一种常见的压缩空气消毒灭菌方法，通常在消毒器的末端设置过滤器。
3. 带电灭菌：带电灭菌通过在空气中产生电离态氧，杀死细菌和病毒。
带电灭菌器通常采用电场或电极的方式，使空气中的氧气电气化并杀死微生物。
4. 催化灭菌：催化灭菌是利用催化剂的作用，使细菌和病毒的氧化还原反应加速，从而杀死细菌。
催化剂通常为银、铜等金属，可以与空气中的氧气反应产生活性氧，从而灭菌。
5. 高温灭菌：高温灭菌是利用高温对细菌和病毒进行杀菌。
通过调节压缩空气的温度和时间，可以达到消毒的效果。
这是一种传统的灭菌方法，在很多应用中仍然有效。
6. 化学消毒：化学消毒是利用化学物质对细菌和病毒进行灭菌。
常见的化学消毒剂有酒精、过氧化氢等，可以通过对压缩空气进行喷洒或通过特殊的喷嘴进行注入。
7. 氧化消毒：氧化消毒是利用氧化物对细菌和病毒进行氧化反应，使其死亡。
常见的氧化消毒剂有氯气、臭氧等，可以通过在压缩空气中注入氧化剂来实现灭菌的效果。
8. 酸碱清洗：酸碱清洗是利用酸碱溶液对细菌和病毒进行灭菌。
常见的酸碱清洗剂有稀碱液、稀酸液等，可以通过喷洒或注入压缩空气中进行清洗。
9. 超声波灭菌：超声波灭菌是利用超声波对细菌和病毒进行杀菌。
超声波产生的压力波可以破坏微生物的细胞结构，从而达到灭菌的效果。
10. 气体灭菌：气体灭菌是一种利用气体对细菌和病毒进行灭菌的方法。
常见的气体灭菌剂有氯气、二氧化硫等，可以通过喷洒或注入压缩空气中进行消毒。
空气过滤除菌流程3 - 第六章空气灭菌
空气入口
问题
排污Biblioteka 在流程中，旋风分离器和介质过滤器的先后能否颠倒？
4、空气的加热和贮气罐 问题
1、说说流程中加热器和贮气罐的作用？
问题
2、贮气罐的体积如何计算？
V=0.1~0.2v
V为贮气罐的体积， m3 v为压缩空气的流量， m3 /min
前已述及，压缩空气冷却至一定温度，分去油水后， 空气的相对湿度仍为100%，若不加热升温，只要温 度稍微有降低，便再度析出水分，使过滤介质受潮而 降低或丧失过滤效能。所以必须将冷却除去水分后的 压缩空气加热到一定温度，使相对湿度降低，才能输 入过滤器。
3、提高过滤除菌效率的措施
鉴于目前所采用的过滤介质均需要在干燥条件下才能进行除菌，因 此需要围绕介质来提高除菌效率。提高除菌效率的主要措施有：
1、减少进口空气的含菌数。方法有：
加强生产场地的卫生管理，减少生产环境空气中的含菌数； 正确选择进风口，压缩空气站应设上风向； 提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数； 加强空气压缩前的预处理。
要制备较高无菌程度、具有一定压力的无菌空气，并保持过滤器在比较高的效率 下进行过滤，并维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，则要有一系列的加热、冷 却及分离和除杂设备来保证。空气过滤除菌有多种流程，下面分别介绍几种较典型流 程。
压缩机 冷却器 分离器 加热器 过滤器
流程的制订还需要根据所在地的地理、气候环境和设备条件加以考虑。P94
3、微孔滤膜类过滤介质
微孔滤膜类过滤介质的空隙小于0.5，甚至小于0.1，能将空气中的细菌真正滤去，也即
绝对过滤。绝对过滤易于控制过滤后的空气质量，节约能量和时间，操作简便。微孔滤 膜类过滤介质用于滤除空气中的细菌和尘埃，除有滤除作用外，还有静电作用。通常在 空气过滤之前应将空气中的油、水除去，以提高微孔滤膜类过滤介质的过滤效率和使用 寿命。
空气介质过滤除菌的工艺流程
空气介质过滤除菌的工艺流程英文回答：Air filtration and disinfection processes are essential in maintaining clean and safe indoor environments. There are several steps involved in the process of filtering and disinfecting air in a medium.1. Pre-filtration: The first step in the process ispre-filtration, which involves removing larger particles such as dust, pollen, and pet dander. This is typically done using a mechanical filter, such as a high-efficiency particulate air (HEPA) filter. These filters are designed to capture particles as small as 0.3 microns with a high efficiency.2. Activated carbon filtration: After pre-filtration, the air passes through an activated carbon filter. This filter helps to remove odors, gases, and volatile organic compounds (VOCs) from the air. Activated carbon has a largesurface area that can adsorb these contaminants, improving the overall air quality.3. High-efficiency filtration: Following activated carbon filtration, the air is further purified using high-efficiency filters. These filters are designed to capture smaller particles, including bacteria and viruses. HEPA filters are commonly used in this step to achieve a high level of filtration efficiency.4. Ultraviolet (UV) disinfection: In addition to filtration, UV disinfection is often employed to kill or inactivate microorganisms, including bacteria and viruses. UV light has germicidal properties that can destroy the DNA or RNA of these microorganisms, rendering them unable to reproduce and cause harm. UV lamps are strategically placed within the air handling system to ensure maximum exposure of the air to the UV light.5. Electrostatic precipitation: Another method used for air disinfection is electrostatic precipitation. This process involves charging particles in the air andcollecting them on oppositely charged plates or filters. The charged particles, including microorganisms, are attracted to the charged plates and removed from the air stream. This method is effective in removing both larger particles and smaller microorganisms.6. Ozone generation: Ozone is a powerful oxidizing agent that can effectively kill bacteria, viruses, and other microorganisms. Ozone generators are sometimes usedin air purification systems to produce ozone, which is then introduced into the air stream. However, it is important to note that ozone can be harmful to humans and should be used with caution and proper ventilation.7. Final filtration: The last step in the process is the final filtration, which ensures that any remaining particles or microorganisms are removed from the air. This step usually involves the use of HEPA filters or otherhigh-efficiency filters to achieve the desired level of air cleanliness.In conclusion, the process of filtering anddisinfecting air in a medium involves several steps, including pre-filtration, activated carbon filtration, high-efficiency filtration, UV disinfection, electrostatic precipitation, ozone generation (if applicable), and final filtration. These processes work together to remove particles, odors, gases, and microorganisms from the air, ensuring a clean and healthy indoor environment.中文回答：空气过滤和除菌工艺是保持室内环境清洁和安全的关键。
空气过滤除菌的原理
空气过滤除菌的原理空气过滤除菌是一种常见的空气净化方式，其原理是通过过滤器过滤空气中的颗粒物和微生物，实现除菌和净化空气的效果。
下面我将为大家详细介绍空气过滤除菌的原理，以及如何选择和使用合适的空气过滤装置。
首先，空气过滤除菌的原理主要包括物理过滤、电子过滤和化学过滤三种方式。
物理过滤是指通过过滤器将空气中的颗粒物截留下来，从而净化空气。
过滤器通常由纤维材料制成，具有不同的孔径和结构，可以有效地过滤掉空气中的尘埃、花粉、细菌、病毒和其他微小颗粒物。
物理过滤是最基本、最常见的空气净化方式，它不会产生任何化学反应和副产物，对环境和人体健康无害。
电子过滤是一种利用带电的电子束或高电压作用下的放电效应，对空气中的微生物进行除菌的方法。
通过电子束或高电压的作用，微生物的细胞壁会被破坏，导致其死亡。
电子过滤可以有效地除去空气中的细菌、病毒和真菌孢子等微生物，但对于一些更大的颗粒物无法有效去除。
化学过滤是指利用化学反应将空气中的有害气体、异味和污染物分解或吸附的方法。
常见的化学过滤材料包括活性炭和化学吸附剂等。
通过选择适当的化学过滤材料和合理的过滤系统，可以去除空气中的甲醛、苯、TVOC等有害气体，提高空气的质量。
在选择和使用空气过滤装置时，需要注意以下几点：首先，要选择适合自己需求的空气过滤装置。
不同的空气过滤装置的净化效率和过滤范围有所差异，需要根据实际情况选择合适的装置。
一般来说，家用空气过滤器的净化效率应达到99.9%以上，能够过滤除细菌、病毒和有害气体等微小颗粒物。
其次，要定期清洁和更换过滤器。
过滤器是空气净化的核心部件，如果过滤器长时间不清洁和更换，会导致其堵塞、滋生细菌，甚至降低净化效果。
一般建议每3-6个月清洁一次过滤器，并根据使用情况及时更换。
最后，要注意合理使用空气过滤装置。
使用空气过滤装置不应过度依赖，要保持良好的通风和卫生环境，尽量减少空气中的污染源和细菌病毒传播，例如定期清洁房间、保持室内湿度适宜、避免抽烟等。
灭菌及无菌空气的制备
温度 （℃）
120 115 110 100
孢子数 （个/mL) pH6.1
10000
8
10000
25
10000
70
10000
740
灭菌时间（min）
pH5.3
pH5.0
pH4.7
7
5
3
25
12
13
65
35
30
720
180
150
pH4.5
3 13 24 150
影响灭菌效果的因素
升温
4、冷却保压：把培养基降低到接种的温度
分批灭菌过程包括：升温、保温和冷 却等三个阶段。各阶段对灭菌的贡献： 20%、75%、5%。应当避免长时间的 升温加热阶段，因为加热时间过长， 不仅破坏营养物质，而且也有可能引 起培养液中某些有害物质的生成，从 而影响培养过程的顺利进行。
0
80 120 160
分批灭菌的时间计算
若不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看成在保 温阶段被杀死，可粗略计算灭菌所需时间。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度121℃下进行实罐灭菌。原 污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 121℃时灭菌速率常数 为-1，求灭菌失败概率为时所需要的灭菌时间。
解：N0=40 ×106 × 2×105（个） Nt（个）
连续灭菌时间的计算：
连续灭菌的时间的计算，含菌数应改为每毫升培养基的含菌数。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度131℃下进行连续灭菌。 原污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 131℃时灭菌速 率常数为15min-1，求所需要的灭菌时间。
解：c0= 2×105（个/ml） ct=1 /40 ×106 ×103 =2.5 ×10-11 （个/ml） k=15min-1
空气除菌及调节设备
1 x
x
• K值与空气中雾沫微粒的浓度、液体的表面张力、 粘度和丝网的比表面积等因素有关，一般选 K=0.067进行设计计算。
空气的阻力损失
通过分离器后空气的阻力损 失，可由下面经验公式进行计算：
p 33.44vsg
（Pa）
（八）空气加热器
• 除水以后的压缩空气在进入总过滤器之 前要把相对湿度降到60％～70％，通常 的方法是采用换热器来加热压缩空气达 到降湿的要求
• 但此流程的空气冷却温度和空气分配比 的关系随所吸取空气的参数而变化，常常 需要进行具体的计算而给予调节。
空气过滤除菌实用化流程
1.粗滤器 2.空压机 3.空气贮罐 4.沉浸式空气冷却器 5.油水分离器 6.二级空气冷却管 7.除雾器 8.空气加热器 9.空气过滤器 10.金属微孔管过滤器（或上接纤维纸过滤器）
• 目前国内生产的低压往复式压缩机大多是双缸 二级压缩的。
• 双缸二级压缩机又以L形的设计最为普遍。
• 生物工业生产，常把二级压缩机的高压气缸改 为可以单独吸入新鲜空气的低压气缸。
• 采用往复式空气压缩机的除菌流 程中需具有粗过滤器和空气贮罐。
• 粗过滤器起着预先过滤大颗粒灰 尘，提高压缩机使用寿命的作用。
空气贮罐
贮罐大小按经验公式计算：
V＝ 0.1~0.2VC
式中 V——贮罐体积，m3； Vc——压缩机的排气量，
m3／min。
压力表 进气管
安全阀 排气管
人孔
压缩空气要切向进入空气贮罐 有的在罐内装冷却蛇管。 也有的在贮罐内加装导筒。
排污阀
（六）空气冷却器
• 空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。 • 设计时应根据空气冷却过程的特点进行考虑 • 常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热
《生物工程设备》第四章 空气除菌与空气调节设备
第四章空气除菌与空气调节设备好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的氧气，这些空气通常由空气提供。
根据国家药品生产质量管理规范（GMP）的要求，生物制品、药品的生产场地也需符合空气洁净度要求并有相应的管理手段。
第一节空气除菌的原理与方法一、生物工业对空气质量的要求1．空气中微生物的分布地域（南方与北方、城市与乡村）、季节2．发酵用无菌空气的质量标准（1）连续提供一定流量的压缩空气；（2）空气的压强（表压）0.2-0.4MPa；（3）进入过滤器之前，空气的相对湿度小于70％；（4）进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10－30℃；（5）压缩空气的洁净度，取失败率为10－3，也可以把100级作为无菌空气的洁净指标。
100级：每立方米空气中，尘埃粒子数最大允许值≥0.5μm的为3500，≥5μm为0；微生物最大允许数为5个浮游菌/m3，1个沉降菌/ m3 。
二、空气净化除菌方法（一）空气除菌方法1．辐射杀菌α－射线、χ－射线、β－射线、γ－射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质等生物活性物质，从而起到杀菌的作用。
辐射灭菌目前仅用于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌，对于大规模空气的灭菌还无法应用。
2．热杀菌空气进入发酵罐之前，一般匀需用压缩机压缩，提高压力。
利用空气压缩时放出的热量进行保温灭菌。
见流程3．静电除菌利用静电引力吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。
悬浮于空气中的微生物，大多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电微粒，但对于一些直径小的微粒，所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒布朗扩散运动的动量时，微粒不能被吸附而沉降，因此静电除尘对很小的微粒效率较低。
流程见图4．介质过滤除菌二、介质过滤除菌机理依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力和静电引力等作用，从而把微生物截留、捕集在纤维表面上，实现过滤目的。
《发酵工程》第9章 空气除菌
二.介质过滤（深层介质过滤、深度介质过滤）
以棉花、玻璃纤维等纤维材料或活性炭作为介质填充成 一定厚度的过滤层，或将玻璃纤维、聚四氟乙烯、金属烧结 材料制成过滤层，其介质间的空隙大于被滤除的尘埃或微生 物。当空气流过介质滤层时，借助惯性碰撞、阻截、静电吸 附、扩散等作用，将尘埃和微生物截留在介质层内，达到除 菌的目的。 介质过滤的设备及操作费用低廉，适用于大量空气的净 化处理。
2.过滤纸类过滤器
过滤介质为超细玻璃纤维纸，分为旋风式和套筒式两种。
过滤层很薄，一般用3~6张滤纸叠在一起使用，它属于深层过 滤技术。纤维间的孔隙约为l~1.5um，厚度约为0.25~0.4mm，实重 度为2600kg／m3，虚重度为384kg／m3，填充率为14.8％，除菌效 率相当高，对大于0.3um颗粒的去除率为99.99％以上，阻力小，压 力降小；但强度不大，特别是受潮后强度更差。为了增加强度，常 用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂或含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理。 也可在制造滤纸时，在纸浆中加入7％~50％木浆，以增加强度。安 装时，将滤纸夹在多孔法兰花板中间，花板上开Φ8mm的小孔，开 孔面积占板面积40％，在滤纸上、下分别铺上钢丝网和细麻布，外 面各有一个橡胶垫圈。
三.空气过滤器的结构
1.纤维状或颗粒介质过滤器
过滤器内有上、下孔板，过 滤介质置于两孔板之间，被孔板 压紧。介质主要为棉花、玻璃纤 维、活性炭，也有用矿渣棉。一 般棉花（玻璃纤维）置于上、下 层，活性炭在中间，也可全部用 纤维状介质。介质放置时应注意 均匀，贴壁、平整，有一定填充 密度，以防止空气走短路或介质 被空气吹翻。
（2）阻截作用
当气流速度低于临界速度时，在纤维周边形成一层边界滞 留区，滞留区内的气流速度更慢，颗粒不是因惯性碰撞而被滞 留，而是由于摩擦、粘附作用而被滞留，这种作用称为阻截作 用。在介质过滤除菌中，阻截作用不是主要的。
空气除菌的工艺及设备.
空气除菌的工艺及设备在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生物生长和代谢必不可少的条件。
但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降，甚至彻底失败。
因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。
空气净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。
实际生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
本章将讨论合理选择除菌方法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。
第一节空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求一、无菌空气的概念发酵工业应用的“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。
此种空气称为“无菌空气”。
二、空气中微生物的分布通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。
一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。
因此，研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容。
各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。
三、发酵对空气无菌程度的要求各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力、生长速度、产物性质、发酵周期、基质成分及pH值的差异，对空气无菌程度的要求也不同。
如酵母培养过程，其培养基以糖源为主，能利用无机氮，要求的pH值较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。
生物工厂常用的空气过滤除菌流程
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空气除菌的工艺及设备在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生物生长和代谢必不可少的条件。
但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降，甚至彻底失败。
因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。
空气净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。
实际生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
本章将讨论合理选择除菌方法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。
第一节空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求一、无菌空气的概念发酵工业应用的“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。
此种空气称为“无菌空气”。
二、空气中微生物的分布通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。
一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。
因此，研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容。
各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。
三、发酵对空气无菌程度的要求各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力、生长速度、产物性质、发酵周期、基质成分及pH值的差异，对空气无菌程度的要求也不同。
如酵母培养过程，其培养基以糖源为主，能利用无机氮，要求的pH值较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。
而氨基酸与抗生素发酵因周期长短不同，对无菌空气的要求也不同。
总的来说，影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具体的工艺要求。
一般按染菌机率为10-3。
来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1~2次染菌。
虽然一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的孢子或芽孢，繁殖时需要较长的调整期。
但是在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境后，只要很短的调整期，即可进入对数生长期而大量繁殖。
一般细菌繁殖一代仅需20~30min，如果进入一个细菌，则繁殖15h后，可达109个。
如此大量的杂菌必使发酵受到严重干扰或失败，所以计算是以进入1、2个杂菌即失败作为依据的。
四、空气含菌量的测定空气是许多气态物质的混合物，主要成分是氮气和氧气，还有惰性气体及二氧化碳和水蒸汽。
除气体外，尚有悬浮在空气中的灰尘，而灰尘主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰和植物花粉等组成。
一般城市灰尘多于农村，夏天多于冬天，特别是气候温和湿润地区，空气中的菌量较多。
据统计，大城市每立方米空气中的含菌数约为3000~10000个。
要准确测定空气中的含菌量来决定过滤系统或查定过滤空气的无菌程度是比较因难的。
一般采用培养法和光学法测定其近似值。
前者在微生物学中已有介绍，后者系用粒子计数器通过微粒对光线的散射作用来测量粒子的大小和含量。
这种仪器可以测量空气中直径为0．3~0.5μm微粒的各种浓度，比较准确，但它只是微粒观念，不能反映空气中活菌的数量。
第二节空气除菌方法大多数需氧发酵是通入空气进行的。
在使用之前必须加以处理以除去其中的有害成分。
对空气的要求随发酵类型不同而导，厚层固体曲需要的空气量大，压力不高，无菌度不严格，一般选用离心式通风并经适当的空调处理(温、湿)就可以了。
酵母培养消耗空气量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压力以克服发酵罐的液柱阻力，所以一船采用罗茨鼓风机或高压离心式鼓风机通风。
而对于密闭式深层好气发酵则需要严格的无菌度，必须经过除菌措施，由于空气中含有水分和油雾杂质，又必须经过冷却、脱水、脱油等步骤，因此，无菌空气的制备须经过一个复杂的空气处理过程。
同时，为了克服设备和管道的阻力并维持一定的罐压，需采用空气压缩机。
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。
此种空气称为“无菌空气”。
生产上使用的空气量大，要求处理的空气设备简单，远行可靠，操作方便，现就各种除菌方法简述如下：一、辐射灭菌α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。
但应用较广泛的还是紫外线，它在波长为2265~3287A 时杀菌效力最强，通常用于无菌室和医院手术室。
但杀菌效率较低，杀菌时间较长。
一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。
二、加热灭菌虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将它破坏。
例如悬浮在空气中的细菌芽孢在218°C下24s就被杀死。
但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到灭菌目的，这样太不经济。
利用空气压缩时产生的热进行灭菌对于无菌要求不高的发酵来说则是一个经济合理的方法。
利用压缩热进行空气灭菌的流程见图6-1(a)。
空气进口温度为21°C，出口温度为187~198°C，压力为0.7MPa。
压缩后的空气用管道或贮气罐保温一定时间以增加空气的受热时间，促使有机体死亡。
为防止空气在贮罐中走短路，最好在罐内加装导筒。
这种灭菌方法已成功地运用于丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产上。
图7-1(b)是一个用于石油发酵的无菌空气系统，采用涡轮式空压机，空气进机前利用压缩后的空气进行预热，以提高进气温度并相应提高排气温度，压缩后的空气用保温罐维持一定时间。
采用加热灭菌法时，要根据具体情况适当增加一些辅助措施以确保安全。
因为空气的导热系数低，受热不很均匀，同时在压缩机与发酵罐间的管道难免有泄漏，这些因素很难排除，因此通常在进发酵罐前装一台空气分过滤器。
图6-1 利用空压机所产生的热来进行灭菌三、静电除菌近年来一些工厂巳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。
对Iμm的微粒去除率达99％，消耗能量小，每处理1000m3的空气每小时只耗电0.4~0.8kW。
空气的压力损失小，一般仅(3~15)×133.3Pa。
但对设备维护和安全技术措施要求较高。
静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。
悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒。
但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。
静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区。
管式静电除尘器如图6-2所示。
图6-2 静电除尘器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-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。
用静电除菌净化空气有如下优点：(1)阻力小，约1.01325×104Pa；(2)染菌率低，平均低于10~15％；(3)除水、除油的效果好；(4)耗电少。
缺点是设备庞大，需要采用高压电技术，且一次性投资较大；对发酵工业来说，—其捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。
四、介质过滤介质过滤是目前发酵工业上常使用的空气除菌方法。
它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。
常用的过滤介质有棉花；活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。
由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有0.5~2μm，而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径几倍到几十倍，因此过滤机理比较复杂。
随着工业的发展，过滤介质逐渐由天然材料棉花过渡到玻璃纤维、超细玻璃纤维和石棉板、烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料)、微孔超滤膜等。
而且过滤器的形式也在不断发生变化，出现了一些新的形式和新的结构，把发酵工业中的染菌控制在极小的范围。
第三节过滤除菌的机理目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻璃纤维、维尼龙等。
对不同的材料、不同规格、不同填充情况，都会得到不同的过滤效果空气溶胶的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，一方面是由于空气溶胶中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子在0．5~2μm之间，深层过滤所用的过滤介质----棉花的纤维直径一般为16~ 20μm，填充系数为8％时，棉花纤维所形成的孔隙为20~50μm；超细玻璃纤维滤板因纤维直径很小，为1~1．5μm，湿法抄制紧密度较大，所形成的网格孔隙为0．5~5μm。
微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进。
这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。
图6-3 单纤维空气流程图图6-3为一单纤维的流动模型。
这是带颗粒的气流流过纤维截面的假想模型。
当气流为层流时，气体中的颗粒随气流作平行运动，接近纤维表面的颗粒(即气流宽度为b中的颗粒)；被纤维捕获，而大于b的气流中的颗粒绕过纤维继续前进。
因为过滤层是无数层单纤维组成的，所以就增朗了捕获的机会。
下面分述颗粒被捕获的作用机理以及它们的大小和关系。
一、惯性捕集作用在过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小，充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。
当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。
由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层。
图6-3中的d f为纤维断面的直径，当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。
惯性使它离开主导气流；走的是图中虚线的轨迹。
气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。
这种捕集由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。
惯性捕集是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，也就是取决于气流的流速。