第三章 空气除菌

五、空气过滤除菌流程
1.两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
• 流程的特点是：两次冷却，两次分离，
适当加热。适用于高湿地区
140℃， =100% 35℃， =100% 25℃， =100%
30～35℃， =50-60%
六、组成设备
1.采风管 1.1 应设在厂区或污染源的上风向； 1.2 要高空采风，采风口应距地30m以 上，可设在假山上；
3.空压机 应选用无油润滑的涡轮式（离心式）和往复 式空压机
作用：为发酵工厂提供2-3 kg/cm2 表压的空气。
涡轮式（离心式）空压机
典型的单作用双级压缩往复式空压机
4、空气贮罐
作用：克服脉冲，去除 部分油水 径:高 =1:2-2.5 与空压机一一对应，容 积为空压机排气量的 10%-20%
2.2 辐射灭菌
利用高能射线来进行灭菌，如紫外线，
γ射线等。其杀菌时间长，只能用于静止 空间的灭菌，如无菌室的灭菌，对于流动
的空气效果差。
2.3 化学杀菌
用新洁尔灭、苯酚等喷洒或用甲醛熏蒸， 硫磺熏蒸，进行空气灭菌。灭菌时间长，灭 菌不彻底，空气湿度大，也只限于静止空间
的灭菌。
2.4 静电除菌
第五章 空气除菌
•无论是好氧发酵还是厌氧发酵工厂，都需要制备无菌空气；
•发酵工厂每分钟需要制备大量的无菌空气；
•无菌空气最容易出状况，导致染菌倒罐。
国外一抗生素发酵染菌原因的分析
染菌原因 种子带菌 接种时罐压跌零 培养基灭菌不透 百分率 9.64 0.19 0.79 染菌原因 蛇管穿孔 接种管穿孔 阀门泄漏 百分率 5.89 0.39 1.45
N0
式中，N ——空气中的微粒浓度；
L ——滤层厚度（cm)； K′ ——过滤常数（cm-1)； － dN —— 单位滤层除去的微粒数。
dL
L
N
N0
Hale Waihona Puke Baidu
L
穿透率P
N
＝1－P
几个概念：
1 穿透率：
2 滤层厚度:
P=N/N0=10-KL
3 过滤效率: η=(N0-N)/N0=1- N/N0= 1-P 一般以过滤效率η为90%时的介质层厚度 L90表示介质阻塞微生物的能力。此时N/N0=1η=0 .1。
分过滤器的结构
图4-35 纤维纸平板过滤器。
图4-36 管式过滤器。
图4-37接迭式低速过滤器。
(1) 超细玻璃纤维纸 超细玻璃纤维纸为高气速过滤，气流速度越高，效率越高。 但超细玻璃纤维纸强度小，易断，可添加木浆纤维或环氧树脂增加强度。
(2) 石棉滤板 20％石棉，80％其它纤维，厚度3～5mm，纤维短，效率高。
L=-1/K×lg(N/N0) = L90×lg(N0/N)
4 过滤常数:
K=1/L90 ·lg(N0/N)= 1/L90 ·lg10= 1/L90
所以：过滤常数是过滤效率为90%时所需滤层
厚度的倒数。
K值或L90与纤维的种类、纤维直径、填充系数、
通过介质的空气流速，微粒的大小等有关（P40）
表4-5 不同气流线速度几种纤维介质过滤除去某些微生物的K值和L90值
⑶ 不同季节
冬季少,夏季少,夏季约4000-6000个/立 方米，为冬季的2倍。
一般情况下，在设计无菌空气系统时，取空
气中的含菌量是5×103个/m3，粒子直径 0.5-2.0微米，空气中湿含量在
0.01kg(水蒸气)/kg(干空气)。
1.2 发酵工厂对空气的质量要求
与空气质量相关的一些因素:
⑴ 菌种不同，要求不同,如酵母对空气质量要
纤维介质 棉花 （填充系数a＝8％） 纤维直径 （μm） 16 微生物 枯草芽孢杆菌 气流线速度 （m/s） 0.05
0.10 0.50 1.0 2.0 3.0
K （cm－1） 0.193
0.135 0.1 0.195 1.32 2.55
L90 (cm)
玻璃纤维 （经糠醛树脂处理）
14
枯草芽孢杆菌
0.03
特点：不怕水，受潮不易穿孔和折断。
(3)金属过滤器
外壳图
外壳滤芯
接口图
外壳示意图
金属过滤器的气体预过滤器
气体预过滤 器外壳图
气体预过滤器 结构图（单芯）
气体预过滤器 结构图（多芯）
预过滤器 形式：以管式、袋式、折叠式为主，也可以是填充床 式、浮动床式的过滤器，以及离心机、真空机等过滤 器材。 预过滤器一般选用深层过滤器，在使用过程中要求有 低的压降、高的容尘量和变动幅度小的过滤精度和效 率。 过滤介质：玻璃纤维复合毡（聚丙烯纤维复合毡）。 技术参数：
能滞留微粒的宽度；
df ——纤维直径(m)
图4-19 单纤维空气流线图。
—— 空气流线；－－－微粒流线 b.气流宽度；dp.微粒直径；df.纤维直径
同时捕集效率η1又是微粒惯性力的无因次准数φ的函数。
η1 =f(φ)
而

c p d v 18 d f
2 p 0
式中， c ——层流滑动修正系数； ρp ——微粒密度（kg/m3) μ ——空气粘度（Pa.s) υ0 —— 空气的流速（m/s) dp ——微粒的直径（m)； df —— 纤维直径，m；
图4-19 单纤维空气流线图。
—— 空气流线；－－－微粒流线
b.气流宽度；dp.微粒直径；df.纤维直径
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
单纤维的惯性冲击捕集效率η1
纤维能滞留微粒的宽度区与纤维 直径之比。
b 1 df
式中，b——气流宽度(m)，即纤维
1.3 采风口要有防鸟设施。
雨帽风网：挡风遮雨，防鸟
2. 粗过滤器
作用：是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩 机受磨损，同时也可减轻总过滤器负荷。 要求：过滤效率要高，阻力要小；否则会 增加压缩空气的吸入负荷和降隐低压缩空 气机的排气量。 常用的粗过滤器有：
布袋过滤、填料过滤、油浴洗涤、水雾除尘
用。
当颗粒流线与单纤维介质的距离 s > dp/2 时，颗粒与纤维不被拦截； 当s < dp/2 时，颗粒被拦截。
直接拦截
绝对截留 - 颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中
直接拦截
3.3 布朗扩散截留作用
定义：微小的颗粒（dp<1微米）在气速 很小的时候，在气流中往往做布朗运动， 与介质接触而被捕集的作用。
国内一制药厂发酵染菌原因的分析
染菌原因 外界带入杂菌（取样、补料带入） 设备穿孔 空气系统带菌 停电罐压跌零 接种 百分率 8.2 7.6 26 1.6 11 0.6 7.09 1.6
空气系统带菌
搅拌轴密封泄漏 泡沫冒顶 夹套穿孔
19.96
2.09 0.48 12.36
罐盖漏
其他设备漏 操作问题 原因不明
100h，每台发酵罐通风量为22.5m3 /min，经
测外界空气含菌1.75×103个/m3,要求通入发酵
罐的空气无菌度为10-3个/罐，如果用16微米
的玻璃纤维为过滤介质，设计选用空气流速
3m/s，试计算总过滤器的介质层厚度。
解：1. 计算总过滤器介质层厚度L 已知 N0=22.5×100×60×1.75×103
作用：分离除
去油水。
进口气速15-25
m/s，主要除去
>10 微米以上 的颗粒。
7 丝网分离器(油水分离器)
常用不锈钢或塑料丝网，宽
100-150 mm，直径 0.25×40
目，丝网高度100-150 mm，
空截速度1-3 m/s。
除滴机理：是惯性冲击滞留作 用，主要除去 >5 微米的颗粒。
8. 总过滤器
2.1 加热灭菌:
1954年，Decker发现，空气中的
细菌芽孢218℃下，28秒即可杀 死，1974年Bartholomew采用这种 方法制备不含噬菌体的空气用于 谷氨酸的发酵。Stark利用此原理 采用空气被压缩时产生的热来灭 菌。 优点：加热灭菌效果迅速，如细
菌芽孢。
缺点：迅速加热和冷却费用高， 周期长，稳态难以维持。
过滤介质：棉花＋活性炭 装填顺序
孔板→铁丝网→麻布→棉花→
麻布→活性碳→麻布→棉花→ 麻布→铁丝网→孔板
装填要求
紧密均匀，压紧一致 滤层厚度L
L＝ 1/4~1/3 L棉花层
＋ 1/2~l/3 L活性炭层 ＋ 1/4~1/3 L棉花层
发酵车间的空气过滤器
YUD型空气总过滤器
滤芯为DMF（聚四氟乙烯聚合膜）或DGF（玻璃纤维复合毡）
1.54
10.13 10.15 24.91
蒸汽压力不够或蒸汽量不足 管理问题 操作违反规程
种子带菌
原因不明
0.6
35
一、空气除菌概论
1.1 空气中微生物的分布特点
⑴ 不同地区 城市多，农村少；主风向多，上游少。 ⑵ 不同高度 位置越高，数量越少，一般每升高2.5m，微生物 数量下降一个数量级。所以采用高空采风。
2.5 介质过滤除菌
特点：利用过滤介质阻截进入的空气中的 尘埃和微生物。除菌效率高，处理能力大， 可以达到发酵生产所需要的无菌要求，且 投资少，能耗低，工厂普遍采用。
介质的变迁
棉花、活性炭 纤维尼龙 金属烧结物
因为棉花引起的压降大，已很少利用，现 大多用纸过滤器和金属过滤器。
三、单根纤维过滤除菌的机理
0.15 0.3 0.92
0.567
0.252 0.193 0.394
1.52
3.15 玻璃纤维 16 枯草芽孢杆菌 0.03
1.50
6.05 4.05
0.15
0.3 1.52 3.15
8.50
11.70 1.53 0.38
4.2 过滤器的计算
涉及过滤器直径D，滤层厚度L和过滤器压力 降的计算。
例1：某发酵工厂有10台通风发酵罐，发酵时间
利用高压20-50KV电压进行除菌，微生物的细胞与孢子大都 带有电荷，即使不带电荷，在高压电场中也会被电离，带电 的细胞或孢子在高压电场中被吸附，达到除菌的目的。 该方法除菌能耗虽不高，每处理1000立方米空气仅耗电0.2-
0.8 KW，但所需的电压高，操作不安全，且除菌效率不高，
在85%-99%之间，制备的无菌空气不符合要求。
惯性冲击作用的临界气速vc ：当气流速度很低 时，微粒和空气不会因与纤维碰撞而分离， 此时的碰撞捕集效率为0， φ=1/16，此时的
气速称为惯性冲击作用的临界气速vc。
3.2 阻截滞留作用
定义：当微粒以较低的气速靠近 纤维时，气流主体受阻，微粒随 气流改变运动方向，在纤维表面 的滞留区与纤维表面接触时，被 纤维粘附滞留，称为拦截滞留作
= 2.3625×108[个/罐]
N=10-3[个/罐]
查表得, df=16um玻璃纤维,v=3.05m/s时,
L90=0.38cm ∴L= L90×lg(N0/N)= 0.38×lg(2.3625×108/10-3) =4.32 [cm]
L=-1/K×lg(N/N0) = L90×lg(N0/N)
维的边界滞留区内，微粒的沉降可提高
拦截效率。
3.5 静电吸附作用
定义：微生物微粒往往带有电荷，而介 质表面也带有电荷，若二者所带电荷相 反，则会发生吸附作用，将微粒捕集。
3.6 几种作用比较
四、深层过滤的原理——对数穿透定律
在一定条件下，空气通过单位厚度滤层后，微 粒浓度的下降与进入滤层时空气中的微粒数成 正比。 即 -dN/dL=KN
影响因素：布朗作用与微粒及纤维直径 有关，并与气速成反比，在气速很低时， 它是介质过滤除菌的重要用之一。
扩散拦截
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。
3.4 沉降作用
定义：当气流速度小于微粒的悬浮速度
时，微粒在重力作用下而自由沉降于纤
维表面而被捕集的作用。
沉降作用往往与拦截作用相配合，在纤
3.1 惯性冲击滞留作用 3.2 阻截滞留作用 3.3 布朗扩散截留作用 3.4 沉降作用 3.5 静电吸附作用 3.6 几种作用比较
3.1 惯性冲击滞留作用
定义：当微粒随气流以一定的 速度垂直向纤维方向运动时，
○ ○○
空气受阻，随即改变运动方向，
绕过纤维前进，而微粒由于运 动，惯性较大，未能及时改变 方向，直冲到纤维的表面，被 纤维粘附而滞留下来。称为惯 性冲击滞留作用。
5.冷却器或加热器
•可选用列管换热器或板式换热器； •应设二级冷却器，第一级冷却至35℃，第二级冷却至25℃； •冬季可只开一级冷却，将空气冷却至40～50℃；可不开二级冷却和加 热器。
•空气加热器，将空气加热至35-50 ℃,相对湿度< 60%，防止空气在总
过滤器和分过滤器温降析水
6 旋风分离器
求比较低,而细菌等要求高.
⑵ 发酵周期不同，要求不同.周期长,一般要求
高,周期短,一般要求低.
一般地，在设计无菌空气制备系统时,取空气的
无菌度10-3个/罐,即染菌倒罐率为1/1000，生产
1000罐，只允许有一罐染菌倒罐。
二、空气除菌的方法
2.1 加热灭菌 2.2 辐射灭菌 2.3 化学杀菌 2.4 静电除菌 2.5 介质过滤除菌