第三章+空气除菌
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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）：
第三章空气除菌设备
第三章空气除菌设备
特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过 多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。
高效前置过滤器采用泡沫塑料（经典除菌）和超细 纤维纸串联使用做过滤介质。
第三章空气除菌设备
4、空气压缩冷却过滤流程
设备简单，包括压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤 器。
适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区。
第三章 空气过滤 除菌系统
第三章空气除菌设备
教学目的与要求
掌握空气过滤除菌的方法和机理。 掌握常用的空气过滤器和主要空气过滤系
统的种类、结构和性能。 本章重点、难点——空气相对过滤除菌的
机理。
第三章空气除菌设备
本章内容
第一节 空气除菌的方法及机理 第二节 过滤除菌的流程 第三节 常用空气过滤器及过滤除菌系统
旋 风 分 离 器
第三章空气除菌设备
2、冷却空气直接混合式空气除菌流程
❖ 压缩空气从贮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、油雾后 与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。
１ 粗过滤器 ２ 压缩机 ３ 贮罐 ４ 冷却器 ５ 丝网分离器 ６ 过滤器
第三章空气除菌设备
利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使 冷空气的温度升高，降低相对湿度。
10-空气吸入塔 9-粗过滤器 8-预热器
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
第三章空气除菌设备
（三）静电除菌
原理：利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭 菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大 多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静 电场时则会被电离成带正电荷。
特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过 多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。
高效前置过滤器采用泡沫塑料（经典除菌）和超细 纤维纸串联使用做过滤介质。
第三章空气除菌设备
4、空气压缩冷却过滤流程
设备简单，包括压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤 器。
适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区。
第三章 空气过滤 除菌系统
第三章空气除菌设备
教学目的与要求
掌握空气过滤除菌的方法和机理。 掌握常用的空气过滤器和主要空气过滤系
统的种类、结构和性能。 本章重点、难点——空气相对过滤除菌的
机理。
第三章空气除菌设备
本章内容
第一节 空气除菌的方法及机理 第二节 过滤除菌的流程 第三节 常用空气过滤器及过滤除菌系统
旋 风 分 离 器
第三章空气除菌设备
2、冷却空气直接混合式空气除菌流程
❖ 压缩空气从贮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、油雾后 与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。
１ 粗过滤器 ２ 压缩机 ３ 贮罐 ４ 冷却器 ５ 丝网分离器 ６ 过滤器
第三章空气除菌设备
利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使 冷空气的温度升高，降低相对湿度。
10-空气吸入塔 9-粗过滤器 8-预热器
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
第三章空气除菌设备
（三）静电除菌
原理：利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭 菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大 多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静 电场时则会被电离成带正电荷。
第三章_空气除菌
(3)、空气压缩机 作用：提供动力。 类型：往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。 空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压
机的特点合理选用。
为保证连续供气，一般不提倡单台空压机。
(4)、空气贮罐 作用: 消除压缩空气的脉动.
这对往复式空压机尤为重要。涡轮式或螺杆式空压机，
由于排气是均匀而连续的，则贮罐可省去。
1.4
介质过滤除菌
1.概念：介质过滤除菌是使空气通过经无菌介质过滤层， 将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌 目的。 2.介质过滤除菌的分类：根据介质间的孔隙分类。
常规介质过滤：是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一 定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为常规介质 过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成 纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）； 绝对过滤：介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通 过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称 之为绝对过滤。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多 ，它可以除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部过滤除 去。
1 6 化学药剂灭菌法
ห้องสมุดไป่ตู้
某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。 化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器 具的灭菌等。 化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡 、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
二、 空气预处理 空气净化系统流程图见图5—11。 习惯上把这一流程中过滤器以前的部分称为空气预处 理。主要包括采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮罐、
1. 2 加热灭菌法
第三章 空气除菌
发酵用的无菌空气需要达到得标准：
①、连续提供一定流量的压缩空气。VVM一般为0.1～2.0 m3 。 ②、空气的压强(表压)为0.2～0.4 MPa。
③、进入过滤器之前，空气的相对湿度￠≤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，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为 10-3为指标。
第三章 空气过滤除菌
第一节 概 述
空气中常见微生物种类及大小 微生物 产气杆菌 蜡状芽孢杆菌 普通变形杆菌 地衣芽孢杆菌 宽/μm 1.0～1.5 1.3～2.0 0.5～1.0 0.5～0.7 长/μm 1.0～2.5 8.1～25.8 1.0～3.0 1.8～3.3
巨大芽孢杆菌
蕈状芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 金黄色小球菌 酵母菌 病毒 霉状分枝杆菌
列管式换热器的传热系数一般为160W／(m2· ℃)，套管
加热器的传热系数约为90W／(m2· ℃)。
由于压缩空气总管道直径都较大，因此可以把空气 加热器与空气总管道直接连接，安装在架空管架上。 加热器的安装位置应靠近空气总过滤器，其出口管 道应采取保温措施。
例5.5 上海地区7、8月份空气的相对湿度为84％，温度32℃。 空压机出口气压为 0.2 MPa(表压)，总排气量为50m3／ rain(20℃，1 atm)。求: ①、空压机出口处的空气温度相对湿度； ②、若将空气冷却到25℃，问有多少水析出?冷却器的热交 换量为多少? ③、如空气进入旋风分离器的速度为15 m/s，请设计旋风分 离器的直径； ④、若采用标准型丝网，k＝0.107，求丝网除沫器的直径；
热面积：
Q m3 A= KD t m
5-39
如考虑到热损失，选用换热器时，可将换热面积 放大15％～20％。
第三章无菌空气制备练习题
1.名词解释：（1）空气过滤除菌效率
（2）深层过滤除菌穿透定律
（3）空气过滤除菌穿透率
2.介质过滤空气除菌流程的确定应根据那些要求？
3.空气过滤除菌的流程主要有那三种？这三种流程适用情况如何？
4.写出两级冷却、分离、加热空气过滤除菌的流程，注明流程中各设备名称，丝网分离器起什么作用？
5.介质过滤除菌流程中气速与除菌效率的关系如何？
6.一台通风量为12m3/min的棉花过滤器，空气压强为392kPa(绝对压力)，进入过滤器的空气含菌量是6000个/m3，发酵周期为56小时，要求倒罐率为0.1%（即1000次发酵周期漏进一个杂菌），工作温度为300c，计算这台空气过滤器需要的过滤层厚度和过滤器的直径。
（选用的棉花纤维的直径为df=16μm，填充系数为8%，空气流速为Vs=0.1m/s,过滤常数K=13.5/m。
）。
第三节 空气的除菌流程
三.空气过滤原理与计算
5、静电吸附作用 原理：
悬浮在气流中的颗粒大多带有不同的电荷，在随 气流的运动过程中，这些带电颗粒受到带异性电荷 的介质吸引，而被黏附下来。
单纤维的捕集颗粒的总效率η： η＝η1＋ η2＋ η3
三.空气过滤原理与计算 除菌效果随气速的变化规律
3-5
图3-5揭示了惯性冲击、拦截及布朗扩散三因 素对除菌的综合效果，除菌效果随气速的变化出 现一个最低点.
• 粗过滤器：除去空气中较大的尘埃颗粒 • 冷却：将压缩后的高温空气降温，以免影响过滤性能 • 除油除水：保护空气过滤器，保障过滤性能。
一 空气的预处理过程
（三）压缩过程中温度的变化
在绝热压缩过程中，气体受压缩后的温度与被
压缩的程度有关：
k −1
T2
=
⎛ T1⎜
P2
⎟⎞
k
⎝ P1 ⎠
T1、T2 ：空气受压缩前后的绝对温度，(K)
将90％的微粒过滤除去，只需很薄的滤层。
L90越小，K越大，表示介质的过滤性能越好。在实际生
产中，常用L90代表各种过滤介质的性能。
三.空气过滤原理与计算
空气过滤器的计算：
培养罐内装培养液体积为20m3，通气量为10m3/min，培 养时间为100hr，过滤介质用直径为16µm的玻璃纤维，气 流速度为1.5m/s，已知每m3空气含有200个杂菌，过滤常数 K=0.667cm-1。计算过滤器的尺寸。
进入滤层的微粒数N0与穿透滤层的微粒数N的
比值的对数，是滤层厚度 L的函数。
三.空气过滤原理与计算
K’（K）—— 过滤常数
与纤维种类、直径、填充密度、气流速度有 关，一般选择特定的实验条件，以实验方法求 得。
第三章 空气除菌设备
这样，压缩机的耐热性能要提高，零部 件采用耐热材料加工。
3、静电除菌
除尘效果在85%-99%间，空气压头损失 小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除 尘效率较低。
工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而 达到除菌除尘目的。
装置分电离区和捕集区：
电离区：放电线接上10KV的直流电压，形 成电位梯度很强的不均匀电场。
捕集区：高压电极板上加5KV的直流电压， 形成均匀电场，带正电粒子向负极板移动。
4、过滤除菌
采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空 气所含的微生物，而取得无菌空气。 过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。
深层过滤：过滤介质材料的直径及所形 成的网格大于微粒的直径，过滤机理比较 复杂；所用的介质材料有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、有机合成纤维。
绝对过滤：过滤介质材料的直径及网格 小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介 质上。所用介质有：烧结材料和微孔滤膜。
二 深层过滤除菌机理
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，使气流出现 无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤 维前进，引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸 附等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从 排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由 顶盖排出。
过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶 圈密封。
过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5 V—空气体积流量（m3/s） VS—空气流速（m/s）
3、管式过滤器： 当设备直径相同时，管式过滤器比平板
式过滤器的过滤面积大得多。
特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占 地面积小。
第二节 过滤除菌流程
一 空气除菌流程的要求
空气除菌流程是根据生产对无菌空气的 要求，当地环境的空气条件，除菌设备的 特性决定的。
3、静电除菌
除尘效果在85%-99%间，空气压头损失 小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除 尘效率较低。
工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而 达到除菌除尘目的。
装置分电离区和捕集区：
电离区：放电线接上10KV的直流电压，形 成电位梯度很强的不均匀电场。
捕集区：高压电极板上加5KV的直流电压， 形成均匀电场，带正电粒子向负极板移动。
4、过滤除菌
采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空 气所含的微生物，而取得无菌空气。 过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。
深层过滤：过滤介质材料的直径及所形 成的网格大于微粒的直径，过滤机理比较 复杂；所用的介质材料有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、有机合成纤维。
绝对过滤：过滤介质材料的直径及网格 小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介 质上。所用介质有：烧结材料和微孔滤膜。
二 深层过滤除菌机理
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，使气流出现 无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤 维前进，引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸 附等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从 排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由 顶盖排出。
过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶 圈密封。
过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5 V—空气体积流量（m3/s） VS—空气流速（m/s）
3、管式过滤器： 当设备直径相同时，管式过滤器比平板
式过滤器的过滤面积大得多。
特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占 地面积小。
第二节 过滤除菌流程
一 空气除菌流程的要求
空气除菌流程是根据生产对无菌空气的 要求，当地环境的空气条件，除菌设备的 特性决定的。
发酵工程教学课件《空气除菌》
普通变性杆菌 金黄小球菌 酵母菌
病素 霉状分枝杆菌
0.5-1.0 0.5-1.0 3.0-5.0
0.0015-0.225 0.6-1.6
1.0-3.0 0.5-1.0 5.0-19.0
0.0015-0.28 1.6-13.6
空气除菌的方法
不同菌种的生长能力的强弱、生长速率的 快慢、培养周期的长短及所需培养基的组成各 不相同。因此，空气的灭菌情况应视具体情况 而定，但仍以小于0.001的染菌概率作为空气 灭菌彻底的标准，即1000次培养中允许1次由 于空中灭菌不彻底而导致染菌。适用于发酵中 大量空气灭菌何处军的方法常有三种：加热灭 菌、静电除菌、过滤除菌。
12
三、空气过滤器类型
由于被过滤空气需要以一定速率通过过滤介质， 因此，不易被有水污染，除菌效率高，阻力小， 成本低，易更换。因此，用于空气过滤的介质主 要有两大类： 一是以纤维状物（如棉花、玻璃纤维、腈纶、维 尼纶等）或颗粒状物（主要是活性炭）为介质所 构成的过滤器。 二是以微孔滤纸、纸板、滤棒构成的过滤器前所采用的 过滤介质必须在干燥条件下工作，才能保证除菌的 效率。因此，空气需要预处理，以除去油、水和较 大颗粒。除了保证除菌目的，还应选择合适的流程 以提高除菌效率。 空气过滤除菌有多种工艺流程，以下三种较 常见。
1、两级冷却、加热除菌流程
这是工艺上比较成熟的一套空气净化系统，常为发酵生产使用， 可适应各种气候条件，具体工艺流程如下图： 将高空采集的气体，经粗过滤器处较大颗粒等杂质后，经空气 压缩后使空气温度升高到120~150°C，再经两级空气冷却器降温， 经两级油水分离器出去空气中的油和水，再加热至一定温度后进入 空气过滤器进行除菌，最后获得无菌程度高，温度、压力和流量均 符合生产要求的无菌空气。
3空气除菌
进口空气中 尘埃颗粒
（＞0.3µm） ） （＞
出口空气中 尘埃颗粒
过滤效率
例1 100 000个/L 1 000 /L 例2 100 000个/L 例3 10 000个/L
1 /L 1个/L 10个/L 1个/L
99.999%（ 99.999%（高） 99.99% 99.99%（低） （
过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的。 过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的。 取滤床厚度中一段微小长度dL，在一定条件下， 取滤床厚度中一段微小长度 ， 在一定条件下， 通过单位厚度介质层后， 通过单位厚度介质层后，空气中微粒数的减少数 dN 与进入此介质层的杂菌量成正比： 与进入此介质层的杂菌量成正比：
（2）拦截滞留作用
当气流速度降低时， 当气流速度降低时，微粒随低速
气流慢慢靠近纤维，随主导气流绕过纤维前进， 气流慢慢靠近纤维，随主导气流绕过纤维前进，并在纤维 周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢， 周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，进 入滞留区的微粒缓慢接近纤维并与之接触，由于磨擦、粘 入滞留区的微粒缓慢接近纤维并与之接触，由于磨擦、 附作用而被滞留。 附作用而被滞留。
空气除菌(Sterilization of Air) 第二节 空气除菌
一、通风发酵(Aerobic fermentation)对无菌空 通风发酵 对无菌空 气的要求 1.空气中微生物的分布 空气中含菌量随环境的不同 1.空气中微生物的分布
而有很大的差异。 而有很大的差异。
2.发酵对空气无菌程度的要求 一般按染菌机率为 2.发酵对空气无菌程度的要求
2. 介质过滤效率
对数穿透定律
指被介质层捕集的微粒数与空气中原有颗粒数之比。 过滤效率：指被介质层捕集的微粒数与空气中原有颗粒数之比。
空气除菌原理与流程
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第三章_空气除菌
2、特点
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
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
单纤维惯性冲击捕集效率： 1 b
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：
cpd
2u
p
0
18 df
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
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
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
两次冷却、分离、加热的空气除菌流程
第三章 空气除菌
第一节 空气的预处理，1、流程
空20-30m
空 气 贮 罐
Q，
冷 却 器
旋 风 分 离 器
冷 却 器
加 热 器
Acid/base
空气
Fresh Media Feed
Level Sensor pH Sensor
Inlet Air Flow
Antifoa Exit Gas Flow m
Q，
Agitator Sparser
第一节 空气的预处理 空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化 2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化 （1）压缩
T 2 P2 = T1 P1
K −1 K
CP = 1 .4 K= CV
绝热指数， 空气为1.4
式中T1、T2是空气压缩前后的绝对温度 P1、P2是空气压缩前后的绝对压强 CP：定压比热 CV：定容比热
η2=
NR=
1 1 1 + 2(1+ NR ) ln( + NR ) − (1+ NR） 2(2.00 − ln N Re) 1 + NR
dp df
NRe = dfuρ/μ
η2 =
1 1 1 + 2(1+ NR ) ln( + NR ) − (1+ NR） 2(2.00 − ln N Re) 1 + NR
DBM：微粒扩散系数
1 3
T：绝对温度 K：Boltzmann波尔曼常数1.41×10-24kg·m/k
C：修正系数=1+ 2λ 1.257 + 0.4 exp(− 0.55dp )
DBM = CKT/3πμdp
空气除菌3
④、超细玻璃纤维纸: 以拦截为主，直径1-1.5um，有较高过滤效率。 缺点为强度差，受温后纤维松散。只用于分过滤器。 为了增加强度，可添加： ①木浆纤维。但效率较低；
②环氧树脂；
③多层复合使用，可增加强
度，厚度0.25mm。
⑤、石棉滤板： 蓝石棉20％+80％纸将混合打浆。温强度大，过 滤效率低，耐蒸气反复杀菌。特点：不怕水，受潮 不易穿孔和折断。
⑥、烧结材料过滤介质：聚乙烯醇过滤板。 ⑦、新型过滤介质 ：微孔滤膜
（三）、膜过滤器 特点： 安装简单，可进行多次蒸汽灭菌，除菌效率基本上可达 到100%。 有二种类型：
预过滤器（颗粒污染级）
——除空气中的颗粒和尘埃以及液珠（水珠和油珠） 延长可灭过滤器的寿命 可蒸汽灭菌的无菌过滤器（细菌污染级） ——除空气中的杂菌
直接拦截 惯性撞击 扩散拦截
二、几种典型的空气过滤除菌工艺流程
1. 两级冷却、加热除菌流程
这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件， 能充分分离油水，使空气达到较低的相对适度下进入过滤器， 以提高过滤效率。
特点：两次冷却、两次分离、适当加热。 优点：能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。 经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒 (>20μm)，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。 第二冷却器使空气进一步冷却后析出较小雾粒(>1μ m)，宜采 用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分 离效率高的作用。 通常，第一级冷却到30-35℃，第二级冷却到20-25℃。 除水后，空气的相对湿度仍是100％，须用丝网分离器后的加 热器将空气中的相对湿度降低至50-60％，以保证过滤器的正常 运行。 尤其适用于潮湿地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中 的设备作适当的增减。
发酵3项目三：空气除菌技术【PPT课件】
过滤除菌机理
惯性冲击作用 拦截作用 布朗扩散作用 重力沉降作用
静电吸附作用
惯性冲击作用
过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像层层的网格。 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。 由于纤维交错所阻挡，使空气要不断改变运动方向和速度才 能通过滤层。
单元技能一 过滤器及过滤除菌 常见的过滤器 微孔滤膜过滤器
蔡氏过滤器
玻璃过滤器
微孔滤膜过滤器过滤除菌
单元技能二 空气过滤除菌
两级冷却、分离、加热空气除菌流程
供给发酵用的无菌空气，需要克服介质阻力、发酵液静压力和管道阻力，故一 般使用空压机。 从大气中吸入的空气常带有灰尘、沙土、细菌等；在压缩过程中，又会污染润 滑油或管道中的铁锈等杂质，在空气进入发酵罐前，必须先行冷却。 而冷却出来的油、水，又必须及时排出，严防带入空气过滤器中，否则会使过 滤介质(如棉花等)受潮，失去除菌性能，空气在进入空气过滤器前，要先经除 尘、除油、除水，再经空气过滤器除菌，制备净化空气送入发酵罐，供菌体生 长与代谢的需要。
项目三 空气除菌
单元知识一 空气过滤除菌方法及除菌机理 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”。 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。
用以沉降大的油滴和 水滴及稳定压力
用以分离50μm以上的液 滴及部分较小的液滴。 旋风分 离器
空气贮罐
丝网除沫器
静电吸附作用
干空气对非导体的物质作相对摩擦运动时，会产生静电现象，如 一些合成纤维。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。 有人测定，约有75％的孢子具有l~60负电荷，15％的孢子带有 5~14正电荷，其余10％则为中性，这些带电荷的微粒会被带相反 电荷的介质所吸附。 此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是 表面吸附作用。
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4、空气贮罐 ——消除压缩空气的脉动，使排气均匀而连续。 5、冷却器 露点——相对湿度ψ为1，此时空气中的水蒸汽已 饱和。 冷却过程可分为二段： 第一段： T↓ ψ↓ ψ =1 X不变 等湿冷却 第二段：T↓ ψ不变=1 X下降 减湿冷却
第 二 章
6、气液分离设备
压缩空气经冷却会有水滴出，混在空气中，如果使用活
密度为150~200公斤/米3，活性炭40~450公斤/米3。
孔板 —— 金属丝网—— 麻布织品——棉花——麻布织 品——活性炭——麻布织品——棉花——麻布织品—— 金属丝网——孔板
过滤器失效
第 二 章
压缩空气进入过滤器后便引起活性炭颗粒之间
相互顶撞与摩擦，久而成为粉末(灰化)，活性
炭的体积也逐渐变小，于是过滤器内的空间逐
粒的拦截效率通常由此而提高 。
间接拦截
第 二 章
截留效率：取决于颗粒直径。
dp s 2 dp : 颗粒直径 s : 颗粒流线与单纤维介质 的距离
机理3——布朗扩散机制
微小的颗粒之间会发生碰撞，颗粒与空气分子之 间也会发生碰撞，有碰撞就有布朗运动，由于布朗运 动，颗粒与纤维介质相撞而被捕集。
7、空气加热设备
经过冷却的空气的相对湿度是100%，会把过
滤介质打湿，所以通入总过滤器前要降低ψ ，采
用的方法是加热使ψ下降到50～60%。T↑到发酵 温度，X不变。
空气除菌流程的分析？
（1）要求效率高，投资少，简便操作。 （2）一定压力的无菌空气——空气压缩机。
第 二 章
（3）流程的制订——所在的地理、环境和设备条件
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第三节 空气除菌
第 二 章
一、空气除菌
（一）空气除菌的意义 好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗氧 气。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，为保证纯种培养，必须将空气 中的微生物除去或杀死。
第 二 章
（二）、空气中微生物的分布
（2）空气压强为0.2~0.4Mpa（正压）
（3）进入过滤器前，空气相对湿度<70%；（无水、无油） （4）进罐前温度可比培养温度高10~30℃ （5）压缩空气的洁净度：N=10-3或者100级（无灰尘，无杂质） 100级：1m3空气中尘埃粒子（≤3500个，直径≥0.5um；=0，直 径≥5um ），微生物浮游菌≤5个；沉降菌≤1个
第 二 章
（三）、空气除菌方法 1、加热灭菌
将空气加热到一定温度后保温一定时间,使微生物蛋白 热失活而致死。热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如 果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌目的，这
是十分不经济的。工业上是利用空气压缩时放出的热量进行
杀菌。实用流程图如下。
第 二 章
空气进口温度为21°C， 出口温度为187~198°C，压力为0．7MPa
第 二 章
4、静电除菌
静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌 除尘的目的。 优点：除尘效率一般在85~99%之间，消耗能量小 缺点：设备庞大 对颗粒直径大于1um有效
悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场 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 菌对很小的微粒效率很低。
塞式空气压缩机，空气中还混杂有油滴（油作润滑作用），
为了保证空气过滤器的效能，必须除去空气中的水份和油滴。 旋风分离器可分离空气中的滴液，但效果差。 丝网除雾器对于直径5mm的滴液，除雾效率可达99%，丝 网除雾器的阻力降很小，丝网除雾器通常用不锈钢丝网、铜 网或塑料网填充。
第 二 章
第 二 章
缺点
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。 该法只能减少空气中的微生物，而不能完全除菌。
第 二 章
3、化学灭菌
苯酚、环氧乙烷、过氧化氢、新洁尔来函、福尔马林等
方法：空气通过化学溶液或溶液喷洒于空气中
缺点：
需除去带有杀菌剂的水汽和水雾
只能减少空气中的微生物，而不能完全除菌
（二）、空气的过滤除菌介质 ①、棉花： ②、玻璃纤维：
③、活性炭：
大表面，物理吸附，空气阻力小（棉花阻力的1/12）， 常夹带在二层棉花中降低阻力， 为整个过滤器的1/3-1/2
棉花—活性炭过滤器
第 二 章
棉花活性炭过滤器的过滤效率可达99%.
其过滤介质装填为：
上部和下部装填棉花，其厚度为总过滤层的2*（1/4~1/ 3），中间再装入1/2~1/3厚度的活性炭。一般棉花的填充
通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被
拦截
不规则形状的颗粒 / 方向性 多个颗粒同时撞击到同一个滤孔
直接拦截：多个小颗粒的搭桥
定义：滤饼
拦截在过滤器表面的颗粒堆积成颗粒层； 当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，
所谓的“滤饼”即已形成了；
滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗
微生物的含量——地区（北方与南方；城市与农村） 季节（冬季与夏季）
微生物的种类--细菌和细菌芽孢，酵母，霉菌和病毒。 工厂选址
二、空气除菌方法
第 二 章
工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种
不同而异。
半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严 格，一般无需复杂的空气净化处理； 密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入 发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除
（二）、典型的空气除菌流程分析 1、空气过滤除菌流程制定依据
第 二 章
（1）按生产对无菌空气的要求；
（2）根据空气的性质制定的；
渐增大，到达-定程度时，便会发生棉花成90° 翻身现象。这样空气便会未经过滤而进入罐内， 引起染菌。
第 二 章
棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近过
滤器壁的棉花，因经受夹层蒸汽的烤干，受热更为
剧烈，更容易变成粉末，而被空气带走，造成过滤
层有缝隙，使过滤层疏松而漏风．甚至还因过高的
压力和过长时间的烘烤而引起棉花活性炭着火的事 故。
第 二 章
三
空气过滤原理及介质
过滤除菌：利用有孔介质从气体中除去微生物
孔
含微生物的气体
洁净气体
滤材
（一） 、空气的过滤除菌原理
当气流通过滤层时，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，从而导致微生物微粒与
滤层纤维间产生惯性撞击截留、拦截截留、布朗
扩散、重力沉降及静电引力等作用，从而把微生 物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤的 目的。
布朗扩散截留作用
惯性撞击截留作用
静电吸引作用
拦截截留作用
重力沉降作用
空气过滤器的滤材具有深度：“弯曲通道” 的结果对于污染物的去除起到了辅助作用 。
各种机理各自所作贡献的大小：一般认为惯 性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较 大，而重力和静电引力的作用则很小。
机理1——惯性撞击截留
由于气流中运动的颗粒有质量，具有惯性，当微粒随 气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方 向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变 方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。
第 二 章
第 二 章
四、 空气除菌流程
（一）、空气预处理
第 二 章
1、采风塔（越高越好，至少10m，气流速度为8m/s）
2、粗过滤器 （安装在空压机吸气口）
第 二 章
3、空气压缩机： 空气的压缩过程可看作绝热过程，压缩后的空
气温度与被压缩的程度有关。
T 2 P2 T 1 P1
颗粒直径越小，气流速度越小，扩散捕集效率越 高，反之则小。
dp <1u
第 二 章
布朗扩散拦截
扩散拦截
第 二 章
气体分子作布朗运动
扩散拦截
第 二 章
被随机运动的气体分子碰撞的颗粒 撞击到过滤介质上并被吸附截留
扩散拦截
第二 章
当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进， 这将 增加过滤机制的有效性。
菌等处理。
（一）、发酵对空气无菌程度的要求
第 二 章
发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要 在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失
即可。
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
（二）、发酵用无菌空气的质量标准
“五无一正”
第 二 章
（1）连续提供一定压力的无菌压缩空气，流量为1-2VVM（无菌）
K 1 K
CP K 1.4 CV
式中T1、T2是空气压缩前后的绝对温度；P1、P2是空气压缩前后的绝对 压强；CP：定压比热 ；CV：定容比热
第 二 章
例 15℃的空气由1×105Pa被压缩到3×105Pa
P2 T 2 T 1 P1
1.4 1 1.4
394K 121 度
惯性撞击
当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材 表面并由于吸附力而停留
惯性撞击
当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。 这 将增加过滤机制的有效性。
惯性撞击：停留的颗粒减小了滤孔孔径
机理2——拦截截留（直接、间接）
细菌的质量小，紧随空气流的流线而前进，当
空气流线中所夹带的微粒由于和纤维相接触而被捕
第 二 章
过滤介质的过滤分离效率 直接拦截 惯性撞击 扩散拦截 的共同作用而增强
直接拦截 惯性撞击 扩散拦截
第 二 章
当气流速度较高时，以惯性冲击为主，而当气流