第四章、第四讲

1）当空气中的水蒸气过多，超过饱和度（相对湿度100%）时； 2）或在空气冷却至露点以下时
空气中的水蒸气才会形成水滴析出
使水蒸气达到饱和时的温度就叫作露点。 夜间空气温度降低时，空气中的水分会有一部分析出，形成 露水或霜。这说明在水蒸气含量不变的情况下，由于温度的降 低，能够使空气中原来未达饱和的水蒸气可变成饱和蒸气，多 余的水分就会析出。 测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸 气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此， 测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低， 表示空气中的水分含量越少。
油浴洗涤过滤器
空气从设备底部进口管吸入，经 装置上部喷下的水雾洗涤，空气 中的灰尘、微生物微粒被黏附沉 降，从器底排出。 空气流速1-3m/s，太高则带入水 雾太多，降低空压机的排气量。
水雾除尘过滤器
2、空气压缩机
空气的产生
空气压缩机 离心式通风机 罗茨鼓风机
离心式通风机
百度文库茨鼓风机
型式:
有多种，发酵工业通常用的多为往复式压缩; 分立式和卧式
介质充填流程：
孔板→铁丝网 （30 – 40目） → 麻布 → 棉花 → 活性 炭 → 麻布 → 棉花 → 麻布 → 铁丝网 → 孔板
充填要求：
棉花密度 150 – 200 kg/m3
活性炭层占 1/2～1/3
疏密均匀
夹套的作用是消毒时对过滤器介质加热。
但要小心控制，若温度过高，易使棉花焦化，局 部丧失过滤效能。
5
5 ps 5 1 0.0385 0.622 0.622 0.0080 kg水汽 / kg干空气 p 5 ps 5 3.033 1 0.0385
而最初
x1 0.622 1p s1 0.85 0.0238 0.622 0.0124 kg水汽 / kg干空气 p 1p s1 1.033 0.85 0.0238
（1）Φ与X的关系
将ΦPs=Pw代入式4-24中得
X=0.622ΦPs/（P-ΦPs）
所以，已知某一温度T时Φ值，便可求得X。 ①当X一定时，T1→T2，导致Φ1→Φ2 ，则 X1=0.622Φ1Ps1/(P1-Φ1Ps1) X2=0.622Φ2Ps2/(P2-Φ2Ps2)
∵X1=X2 ∴Φ2=Φ1(PS1/PS2)(P2/P1)
（式4-2）
（1）Φ与X的关系
②当X发生变化，即有水析出时，X降低，此时Φ2=100%，
定义：当 Ф=1时，空气中水蒸气已饱和，此时温度称为
露点Td。 当T<Td时，有水析出，X ↓ 。
当ΔX=0时，压缩过程中，随着T↑，Ps↑，P↑，Ф↓；
降温过程中，随着T↓ ，Ps↓ ，P一定，Ф↑ 。
http://jpkc.hust.edu.cn/jpkc
0.0752 ps 4 3 78.9% 0.059 kg / cm2 4 1
ps 3
查蒸汽压表，0.059 kg/cm2饱和蒸汽压对应温度td＝35℃。 所以，当t<35℃，继续冷却时，有水析出。
• 例4-4：若将例4-3中的空气冷却至28℃（压力不变）， 求其湿含量为多少？并求每公斤干空气将析出多少水分？ （已知：28℃时，Ps5＝0.0385 kg/cm2） 解： x
6、空气总过滤器 （介质层过滤器）
结 构
常用的过滤介质：
1）棉花 宜选用纤维细长、疏松的新棉花 2) 活性炭 玻璃纤维 活性炭 3mm ,长5 – 10 mm, 圆柱状，有较大的表面
积，通过物理吸附作用而吸附微生物。 3）玻璃纤维 8 – 19 m 4）超细玻璃纤维丝 利用高质量的无碱玻璃采用喷制法 制成的 1 – 1.5 m的细丝
空气从切线方向进入，从上部排出
过滤器上方装有安全阀；底部有排污口
6、分过滤器
一般每个发酵罐和种子罐都各配有一个分空气过
滤器
通常用平板式纤维纸过滤器
超 细 纤 维 纸 分 过 滤 器
三、空气预处理
1、空气压缩和压缩空气的冷却
• 空气的压缩过程可看作绝热过程，故压缩后的空气温度 与被压缩的程度有关： T2=T1(P2/P1)(k-1)/k 式中 T1,T2——压缩前后空气的绝对温度，K P1,P2—— 压缩前后空气的绝对压强，Pa k——绝热指数，空气为1.4 若压缩为多变过程，则可用多变指数m（对于 空气m=1.2-1.3）代替绝热指数k。
2、压缩空气冷却后的除水、除油
几个概念
• 空气的绝对湿度：1m3 湿空气中含有的水蒸气绝对量(kg) • 空气的相对湿度（Φ）：空气的绝对湿度与同温度下饱 和绝对湿度之比值或者空气中水蒸汽分压与同温度时的 饱和水蒸汽压之比值，称为空气的相对湿度。 Φ=Pw/Ps 式中 Pw——空气中水蒸气分压， Pa Ps——同温度下水的饱和蒸气压，Pa， 它可由各类手 册中查到。 • 空气的湿含量（X）：1kg干空气中含有的水汽量 （kg/kg干空气）
冷热空气直接混合式除菌流程图
1---粗过虑器 2---压缩机 3---贮罐 4---冷却器 5---丝网 分离器 6----总过滤器
冷热空气直接混合式空气除菌流程
高效前置过滤除菌流程图
1---高效前置过滤器 2---压缩机 3---贮罐 4---冷却器 5---丝网分离器 6---加热器 7---总过滤器
2 1
ps1 p2 0.0238 3.033 85% 2.93% ps 2 p1 2.025 1.033
40℃时，相对湿度为
3 2
ps 2 p 3 2.025 0.0293 78.9% p s 3 p2 0.0752
• 例4-3：若将例4-2中空气继续冷却，至水析出，求露点td？ （假定压力不变） 解：已知Φ4＝100%，X一定，P一定 由 ps 3 p4 ps 3 4 3 3 ps 4 p3 ps 4 所以
四、空气预处理流程设计
• 例4-2：温度20℃、Φ=85%的空气，当压缩至2.0kg/cm2 时，温度为120℃，求此时空气相对湿度是多少？若在 压力不变的情况下将温度冷却至40℃后，相对湿度又 是多少？ 已知：20℃时，Ps1=0.0238 kg/cm2,120℃时，Ps2=2.025 kg/cm2 ，40℃时，Ps3=0.0752 kg/cm2 解：120℃时，相对湿度为
1.3 －1 1.3
= 403 K
t = 403 － 273 = 130℃ 如果压缩比更大，则压缩空气的温度更高。
过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器，有可能引 起过滤介质的炭化或燃烧；且增大了发酵罐的降温负荷；高 温空气还会增加发酵液水分的蒸发，影响微生物的生长。
冷却器类型： 立式列管式热交换器 沉浸式热交换器 喷淋式热交换器
水雾除尘过滤器、填料式 过滤器
旋风分离式过滤器 等
将滤布缝制成与骨架相同形 状的布袋，绷紧缝于焊接在 进风口的骨架上。
多用毛质绒布或合成纤维滤 布；滤布应定期更换。 结构简单，过滤效率高；但 过滤阻力大
布袋式过滤器
空气通过油箱中的油层洗涤， 空气中的微粒被油黏附而逐渐 沉降于油箱底部而被除去。 百叶窗式的圆盘可分离大滴油 雾，过滤网分离小颗粒油雾。 效果好；但耗油多
差；速过大，则能量损失多
一般采用气流速度15～25m/s；排气出口4～8m/s
优缺点：
旋风分离器结构简单，制造方便；对分离10 m 以上的微粒效 率较高，但对10 m 以下的微粒比较困难。
丝网分离器
丝网分离器
原理：利用填料的惯性拦截 优点： 由于丝网的表面间隙小，可除去较细小的雾状微粒，分离效 率可达98-99% 填料： 不锈钢丝，塑料丝 0.1-0.4mm
风量： ＜10m3/min 为小型 10～40m3/min 为中型 ＞ 40m3/min 属大型
小型空压机
大型空压机
排出压力： 一般 2～4 kg/cm2 工作的基本原理：
空压机的压缩过程是依靠汽缸内的活塞作往复运动而进行 的（故称往复式）
其工作过程分3步：吸气→压缩→排气
空压机工作原理示意图
列 管 式 空 气 冷 却 器
5、气液分离器
作用： 分离空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾
大气中总含有一定量的水分，并以气态存在。
空气中的水蒸气分压与同温度下的饱和蒸汽压之比，称为相对 湿度或相对湿含量。
=
PW
PS
— 相对湿度;
PW — 空气中水蒸气分压(Pa);
PS — 相同温度下水的饱和蒸汽压(Pa)
• 例4-1：20oC的大气被压缩至表压 2.5kg/cm2时 温度是多少？ 解：T1=20+273=293k P2/P1=（2.5+1.033）/1.033=3.42
m=1.3
T2=T1(P2/P1)(m-1)/m=293×3.420.3/1.3=389k
∴t2=389-273=116oC
空气预处理流程设计
二、空气净化程序（流程）
不同的发酵、不同的工厂采用的工艺不尽相同
净化空气目的： 除尘、除水、除菌
两级冷却、加热除菌流程图
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 ---总过滤器
两级冷却、加热空气除菌流程
◆
◆
气缸冷却：水冷和风冷；水冷更常用
3、空气贮罐
作用：
消除空压机排出空气量的脉动
维持稳定的压力 分离部分油水
大小：
应和空压机的排气量相配套
V = 0.1～0.2 W
V ---贮罐容积, m3 W---排气量, m3/min
空气贮罐
4、空气冷却器
空气的压缩过程可近似地看作绝热压缩过程，压缩 后的空气温度与被压缩的程度有关
第四章
第三讲
4.5 空气除菌
一、无菌空气获得方法比较
1、利用Uv、X-ray、超声波杀菌 目前尚不能用于大量无菌空气的制备；一般用于静止空间 的灭菌。 2、热处理
电热（218℃，24s, 效果可达99.9999%），
目前大量处理空气技术上还有困难
3、静电除尘、除菌 此法效果仅达99. 9%, 不符合发酵用气要求， 并需高压电 （一般用于超静台） 4、液体洗涤法 5、介质过滤 ◇ 使空气通过能透过空气的多孔介质（如棉花、活性 炭、烧结玻璃、超细纤维丝等）将空气所携带的尘、 菌截阻 ◇ 这是目前发酵工业中最广泛使用的方法
k－1 k
T2 = T1
P2
P1
T1, T2 —压缩前、后空气的热力学温度（K）;
P1, P2 — 压缩前、后空气的绝对压强 （Pa）;
k — 绝热指数，空气为1.4
若压缩为多变过程，则可用多变指数m(空气可取1.2-1.3) 代替式中的绝热指数k。
例如： 20℃的空气由1×105 Pa 被压缩到4×105 Pa ，且m=1.3，求 压缩空气的温度。 解： T = (273 + 20) 4×105 1×105
露点仪
气液分离器型式： 旋风分离器
丝网分离器
旋风分离器
原理：
利用气流从切线方向进入容器，在容器内形成旋转运动时 产生的离心力场来分离重度较大的微粒。
总的要求：
1）旋风分离器的直径不可过大
因气流旋转所产生的离心力与分离器的直径成反比； 若空气流量很大，可采用并联方式 2）进口的气流速度要适当 离心力与气流速度的平方成正比；速小，分离效果
空气的湿含量（X）
设Gg kg干空气中含Gw kg水蒸汽时，则
X=Gw/Gg
又Pw/Pg=nw/ng=(Gw/Mw)/(Gg/Mg) =(Gw/Gg)· (Mg/Mw)
（Mw，Mg分别为水和空气的分子量）
∴X=Gw/Gg=(PwMw)/(PgMg)=(18/28.94)· (Pw/Pg) =0.622Pw/(P-Pw) （4-24）
活塞 吸气阀 汽缸
单吸式
排气阀
排气阀
双吸式
吸气阀
摩托单缸
汽车四缸
汽车六缸
曲轴 (crankshaft)
曲轴带动活塞工作
◆
活塞来回一次，完成一次工作循环
（吸气 → 压缩 → 排气）
◆
冲程：活塞每来或回一次的距离 余隙：在实际压缩过程中，活塞并不压到汽缸的最底部； 一般占汽缸总体积的3～8%。
高效前置过滤空气除菌流程
1、粗过滤器
空调过滤网
汽车空调空气过滤器
粗过滤器
作用：主要是捕集较大的灰尘颗粒 大气中的微生物多依附于尘埃颗粒上；高度每上 升10米，微生物量通常下降一个数量级，因此， 要求：过滤效率高，阻力小 （阻力大则增加空压机 有条件的尽可能高空取气。 的吸入负荷，降低压缩空气的排出量） 型式： 布袋式过滤器 、油浴洗涤过滤器