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。
宏观除菌效率
对一个既定厚度的滤层，其除菌效率为：
N0 − N
N
η=
=1− =1−p
N0
N0
穿透率
第三章 空气的除菌
空气除菌的重要性：
50m3的发酵罐，装液系数0.7，要求通风量为 每 分钟向每m3发酵液通入空气0.8m3，培养周期 170hr，则发酵周期内需通入空气：
50 ×0.7×0.8×60×170=2.86×105 m3
每m3大气中含 103～104个微生物
一 空气的预处理过程
（一）发酵用空气的要求：
三.空气过滤原理与计算
（二）对数穿透定律
� 颗粒在过滤器中的减少速度与气流中颗粒的 残余浓度成正比：
− dN = K ′⋅ N dL
d N —— 通过单位滤层厚度时，菌体的
dL
减少个数（个/cm）
K’—— 过滤常数（cm-1，决定于介质的性质和
操作参数）
N —— 进入滤层中的微粒数（个）
L —— 滤层厚度 (cm)
解： N0=10×100×60×200＝1.2×107个 N＝10－3个
∴ lg
N0 N
=
1.2 ×107 lg 10−3
=
0.667 ⋅ L
L=15.12cm
三.空气过滤原理与计算
通气量(m3/min)＝过滤器横截面积×气流速度
有：10＝πr2×1.5×60
气流速度
r= 0.19m
四.空气介质过滤除菌流程
要求：分批发酵每只罐只允许有10-3个杂菌通过过滤器
三.空气过滤原理与计算
介质厚度L90 定义：过滤除菌效率 η 为90％时的过滤介质层厚度
η90
=
N0 − N N0
= 1−
N N0
=
90%
N = 0.1
N0
除菌效率为90％时：
lg N 0 = 1
1
N
L 90 = K
lg N 0 = KL
N
反映了过滤介质的性能优劣。如L90很小，表示该介质
此时的气流速度称为惯性碰撞的 临界速度νc.
三.空气过滤原理与计算
2、拦截滞留作用 原理：
由于颗粒细小且质量极小，在随低速气流运动 的过程中，颗粒所在的主导气流受到纤维阻碍而 改变流动方向，可以绕过纤维继续前行，并在纤 维的周围形成一层边界滞流区，其流速更慢，滞 流区的颗粒与纤维表面接触，被纤维表面黏附住。
空气压缩冷却过滤流程：
适用：
气候寒冷、相 对湿度很低的 环境。
采用涡轮压缩机或无油润滑空压机，效果很好;如果采 用普通压缩机，可能会引起油雾污染过滤器，应再安装 丝网分离器先将油雾除去。
四.空气介质过滤除菌流程
两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：
适合于各种气候条件，能充分地分离空气中 的水分，提高过滤效率。油雾和水的分离去除 比较完全，保证干过滤。
四.空气介质过滤除菌流程
高效前置过滤除菌流程：
特点：无菌程度高。空气经前置高效过滤器后，无菌程 度已达99.99％，再经主过滤器，无菌程度更高。 高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除尘）和超细玻璃 纤维纸串联使用作为过滤介质。
四.空气介质过滤除菌流程
空气贮罐
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。
三.空气过滤原理与计算
扩散拦截
三.空气过滤原理与计算
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
三.空气过滤原理与计算
4、重力沉降作用 原理：
当气流中颗粒的重力大于气流对它的拖带力时， 颗粒就易沉降。
一般情况下，与拦截作用相配合的，即在纤维 的边界滞流区内，重力沉降作用提高了纤维拦截 滞留的捕集效率。
P1、P2：空气受压缩前后的绝对压强， (Pa)
k ：绝热指数，空气为1.4
•在多变过程中，可用多变指数 m代替 •绝热指数k，对空气可取1.2～1.3。
一 空气的预处理过程
如20℃的空气，由1×105Pa被压缩到4×105Pa， 则压缩后空气的温度T2 可达：
1.3 −1
T2
=
(273 +
⎛ 20)⎜⎜
三.空气过滤原理与计算
三.空气过滤原理与计算
3-5
�由于惯性冲击在较高的气速时起主导作用， 并随气速的降低，效率降低，这时，拦截、布 朗扩散尚未显示捕集作用，所以呈现出总除菌 效率下降的趋势；
3-5
�气速很低时，惯性冲击的捕集效率降为零，但拦 截、布朗扩散作用表现突出，于是总除菌效率又上 升。 �如果空气流速过大，除菌效率又下降，则是因为 已被捕集的微粒又被高速气流夹带回到空气中。
优点：除菌效果好，通气性好，可蒸汽灭菌，耐受 多种有机溶媒和酸、碱。
二.空气的除菌方法
二.空气的除菌方法
二.空气的除菌方法
GS-NB型折叠式过滤器
装有聚砜膜的折叠筒式滤芯
聚砜膜折叠筒式滤芯
聚砜膜及聚丙烯支撑层 局部放大
二.空气的除菌方法
二.空气的除菌方法
•第二类：相对过滤介质
原理：介质的孔径大于微生物的直径，介质层必须 有一定的厚度，又称深层 过滤介质。
• 无菌: 10-3 • 干燥，相对湿度小于60%
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 空气的预处理过程
（二）空气预处理：
空气 压缩机
空气过滤器
无菌空气
粗过滤器
冷却/除油雾/调整相对湿度
安装位置：大多数将贮罐紧接着 压缩机安装，特别是往复式压缩 机，有利于后边的管道、容器压 力稳定，气流速度均匀。 贮罐体积：
V=0.1 ～0.2Vc Vc—— 压缩机的排气量(m3/min)
四.空气介质过滤除菌流程
气液分离器
作用：将空气中被冷凝成雾状和 水雾和油雾粒子除去。
工作原理：
夹带物料的气流沿切线方向进 入，沿内壁向下旋转，物料在离心力 的作用下被甩向周边，沿壁下坠；气 流旋转到圆锥部分，根据动量守恒定 律，旋转的物料受到更大的离心力， 旋转半径减小，气流到锥底后开始回 转向上，从出口管排出。
离纤维表面dp/2处， 是颗粒被拦截的空间。
三.空气过滤原理与计算
3、布朗扩散作用
原理：
直径很小的颗粒，由于受到空气分子的碰撞， 在缓慢流动的气流中，会产生一种不规则的直 线运动，即布朗扩散。
布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速、较 大的纤维空间是不起作用的。但在较小的气速 和纤维空间内，布朗扩散作用大大增加了微粒 与纤维的接触滞留机会。
三.空气过滤原理与计算
1、惯性冲击滞留作用原理
原理： 由于气流中的颗粒有质
量，具有惯性，当颗粒随气 流以一定的速度向着纤维垂 直运动时，空气受阻即 改变 流向，绕过纤维前进，颗粒 因惯性作用，不能及时改变 方向，便会直冲向纤维表 面，并滞留在其上。
三.空气过滤原理与计算
当气流速度下降到一定值，在气流的任何一处， 微粒的惯性很小， 不足以使微粒脱离主导气流 ， 即微粒会随气流改变运动方向绕过纤维前进 .
二.空气的除菌方法
过滤器的功能
过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子， 过滤 / 分离是在一个平面上进行的。
二.空气的除菌方法
�实际上，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。
三.空气过滤原理与计算
(一)深层过滤除菌的原理
• 惯性冲击滞留作用原理 •拦截滞留作用原理 •布朗扩散作用原理 •重力沉降作用原理 •静电吸附作用原理
⎝
4 ×105 1 × 105
⎞ ⎟⎟ ⎠
1.3
= 403K
t2 = 403-273 = 130℃
二.空气的除菌方法
介质过滤除菌
•第一类：绝对过滤介质
原理：介质的孔隙小于微生物，过滤时微生物、 杂质阻留在介质一侧。
材料：聚乙烯醇（PVA）与甲醇缩合，制成多孔 性的聚乙烯醇甲醛树脂（ PVF），经耐热处理制成 孔径小于 0.3mm的膜。
•第二类：相对过滤介质
(一)深层过滤除菌的原理
除菌效果随气速的变化规律
（二）对数穿透定律
四.空气介质过滤除菌流程
三.空气过滤原理与计算
对 − dN = K ′ ⋅ N 积分： dL
N: 通过滤层厚度L 后残存的微粒数
− dN = K′ ⋅ dL N
∫ ∫ −
N dN
= K′
L
dL
N N 0
0
ln N = − K ′L 对数穿透定律 N 0
ln N 0 = K ′L N
N0：过滤前空气中的 微粒数
或 lg N 0 = KL N
四.空气介质过滤除菌流程
丝网分离器：
原理：利用填料的惯性拦截作用 分离空气中的水雾和油雾。
效果：可除去小至5µm的雾状颗 粒，分离效率可达98～99％。不 适合于雾沫浓度很大的场合，因 雾沫会堵塞孔隙而增大压力损失。
常用材料：不锈钢、镍、铝、铜、 聚乙烯、聚丙烯、涤纶等。
小结
无菌空气的概念 •第一类：绝对过滤介质