教授教化重点空气除菌的方法,常用的过滤介质,过滤除菌的机制及流程

棉花随品种和种植条件的不同而有较大的差别，
最好选用纤维细长疏松的新鲜的非脱脂棉花。储
藏过久，纤维会发脆，断裂，堵塞而增大了压力
降；脱脂纤维会因易吸湿而降低过滤效果。
装填时要分层均匀铺，最后要压紧，装填密度达到 150~200kg/m3为好。如果压不紧或装填不均匀，会造 成空气走短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果。棉花 作为过滤介质的缺点是阻力大，容易受潮，受潮后阻 力大。
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3、活性炭 活性炭有非常大的表面积，通过表面物理吸附而吸附微 生物。一般采用直径3mm、长5~10mm的圆柱状活性炭。 其粒子间隙很大，故对空气的阻力较小，仅为棉花的1/12， 但它的过滤的效率比棉花要低得多。
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目前工厂都夹装在三层棉花中使用，以降低滤层阻力。 活性炭的好坏决定于它的强度和表面积，表面积小，则 吸附能力差，过滤效率低，强度不足，则很容易破碎， 堵塞孔隙，增大气流阻力，它的用量约为整个过滤层的 1/3~1/2。
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4、超细玻璃纤维 以质量好的无碱玻璃，用喷吹法治城的直径很小的纤维。 由于直径很小，不易散装填充，因而采用造纸的方法，做 成0.25-0.3mm厚的纤维纸，使用时将3-6层叠在一起。由于 丝径小，制得网格孔径也小，约为5um以下，比棉花填充 后的孔径小10-15倍，因此除菌效率高。这种纸具有吸湿性， 不疏水，当被水湿后，就失去除菌能力，且潮湿后强度很 差，易被气流冲破。因此，一般须经疏水处理。
脱离气流时，颗粒就不与纤维碰撞而被捕集，即η1 =0，此 时的气流速度称为临界速度，以Vc表示。 空气临界速度Vc与纤维直径df、颗粒直径dp、密度 以及气体的物理性质有关。在临界速度以下时，颗粒的 惯性冲击可以忽略不计 。
rp
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2、 阻拦滞留作用 气流速度下降到临界速度以下时，微粒不再由于 惯性碰撞而被滞留。但是微粒质量很小，它随低 速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气 流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维 前进，并在纤维周围形成了一层边界滞留区。滞 留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒缓慢靠 近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。
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此时，除菌效率随速度的增大而降低，当增大到某值时，除菌 效率最低，也就是临界速度，惯性碰撞代替阻截、沉降和布朗 运动，除菌效率随气流速度的增加而提高，以上现象还和微粒 的大小相关，只有较大的颗粒（1um以上）。在0.5um以下，几 乎无惯性碰撞现象。
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2、玻璃纤维 作为散装填充过滤器的玻璃纤维，一般直径为8~19um不 等，而纤维直径越小越好，但由于纤维越小，其强度越低， 很容易断而造成堵塞，增大阻力。因此填充不宜过大，一 般采用6~10%，它的阻力比一般棉花较小。玻璃纤维最大 的缺点是更换玻璃纤维介质时将造成碎末飞扬，易使人过 敏。
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本章主要内容
一、空气除菌的意义 二、空气中的微生物 三、好气性发酵对空气无菌度的要求 四、空气除菌的方法 五、过滤介质 六、过滤除菌的机制 七、空气过滤除菌流程 八、深层过滤效率和过滤器的计算
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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。
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二、空气中的微生物
空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节空
气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北方
比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈高含菌量愈
少；工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气含 菌数为 3000~10000 个 /m3 。空气中的微生物以细菌和细 菌芽孢较多，也有酵母、霉菌、放线菌和噬菌体，小 的微生物附着在空气灰尘上。
粒就沉降。对于小颗粒，这种机制只能在气流 速度很低时才能起作用。在空气介质过滤除菌 方面，此一作用是可以不考虑的。
5、静电吸附作用 当气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电 荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电 荷更显著。当菌体所带电荷与介质所带电荷相反时， 就产生静电吸附作用。但关于介质过滤除菌机制中静 电吸附作用的捕集效率的定量数据还未见报道。
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捕集效率是微粒惯性力的无因次准数φ的函数： η1= f（ φ） C r p d p V (3-1) F= 18md f C----------------层流滑动修正系数 V----------------空气（微粒）的流速（m/s) df---------------纤维直径（m） dp--------------微粒直径（m） ρp------------微粒密度（kg/m3） μ -------------空气的粘度（牛顿.秒/ 米2）
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三、 好气性发酵对空气无菌度的要求
好气性发酵中需要大量无菌空气，但空气绝对无 菌是很难做到的，也是不经济的，只要使在发酵过程中 不至于造成染菌而出现“倒罐”现象，这就是通风发酵
对无菌空气的要求。不同类型的发酵，由于菌种生长活
力、繁殖速度、培养基成分和pH值及发酵产物等不同， 对杂菌抑制的能力不同，因而对无菌空气的无菌程度要 求也有所不同。在工程设计上，一般要求1000次使用周 期中只允许有一个杂菌通过。
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。
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4、过滤除菌
（1）绝对过滤 绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微 生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被 滤除。绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约 能量和时间，操作简便，它是多年来受到受到国 内外科学工作者注意和研究的问题。它采用很细 小的纤维介质制成，介质空隙小于0.5um。
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综上所述，就纤维过滤器而言，重力沉降作用和静电吸附不予考 虑。若假定η1 、η2、η3的数值不相互影响 则单个纤维的捕集效果一般为η= η1+ η2 + η3 介质中过滤系统中由哪一种过滤机理起主导作用，由颗粒性质、 介质的性质和气流速度等决定，只有静电吸附只受尘埃或微生物 和介质所带电荷作用，不受外界因素影响。当气流速度小时，惯 性碰撞作用不明显，以阻截、沉降和布朗运动为主。
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六、空气过滤除菌流程
空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备
。
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面，这叫做惯性冲击滞留作用。当气流速度达到一定时， 它是介质过滤除菌的主要作用纤维能滞留微粒的宽度区 间b与纤维直径df之比称为单纤维的惯性碰撞捕集效率， 用η1表示： η1=b/df b值由微粒的运动惯性所决定。微粒 的运动惯性越大，它所受气流换向干扰越小，b值就越大。
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（2）介质过滤 介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法，而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭 或玻璃纤维等。
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五、过滤介质
1、棉花
棉花纤维一般直径为16~21um，长度2~3cm。
(3-2)式中： R -------颗粒和纤维的直径之比，即
R=
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dp df
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r
dp -------颗粒直径（m) df -------纤维直径（m) Re -------空气流雷诺准数 -------空气密度（kg/m3) d fVr V -------空气流速（m/s) Re = 式3-2虽不能完善的反映各参数变化过程中纤维 m
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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。
3、热杀菌
将空气加热到一定温度后保温一定时间,使
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五、过滤除菌的机制
空气的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，由 于空气中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于
空 气中的微生物粒子大小在0.5~2um之间，深层过
滤所用的过滤介质如棉花的纤维直径一般为 16~20um。 填充系数为8%时，棉花纤维所形成网络的孔隙为
20~50um，微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格 阻碍气流前进，使气流出现无数次改变运动速度和方向，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、 阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留 在纤维表面上。
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常用的疏水剂有2-5%的2124酚醛树脂酒精溶液，采用 沉降、涂抹或喷洒处理，可提高机械强度，但不防水。用 硅酮（5%有机硅）处理，防潮性能好但不防油。
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5、绝对过滤介质 这是一种能控制孔径的过滤介质，孔径在0.45um以下，小 于一般菌体，对微生物及0.45um以上颗粒能完全过滤，所以 成为绝对过滤介质。国外已有商品出售，国外也已试制成功 并有少量生产。这种滤纸的材料有硝酸纤维脂类、聚四氟乙 烯等。
第三章 空气除菌
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教学时数：4学时 教学目的与要求：要求学生了解空气中的微生物，对空 气除 菌的方法和意义，掌握空气过滤除菌的机制及流程， 会计算深层过滤效率和过滤器的计算； 教学重点：空气除菌的方法，常用的过滤介质，过滤除 菌的机制及流程 教学难点：过滤介质的选择、深层过滤效率和过滤器的 计算
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从上式中可以看出，空气流速V是影响捕集效率的 重要参数。在一定条件下，捕集效率随着其流速的增 大而增大。当气流速度过大时，也会将颗粒带走而捕 集效率下降，相反当气流速度很小时，颗粒因运动速 度小而惯性也小，颗粒脱离气流而被捕集的可能性也 小。如果气流的速度小至颗粒的惯性力不足以使颗粒
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四、空气除菌的方法
1、辐射杀菌 高能阴极射线、X射线、γ、β射线、紫外 线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫 外线用的较多，它在波长226.5nm-328.7nm时杀 菌最强。一般用于无菌室、手术室杀菌。
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2、静电除菌 静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在85~99%之间， 但由于它消耗能量小，每处1000m3的空气每小时只需电 0.2~0.8kw。空气压头损失小，一般只在4~20mm水柱。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。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同 的电荷，
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1、惯性冲击滞留作用机理
当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近 纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动 方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具 有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性， 碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维
表面上，由于摩擦、黏附作用，被滞留在纤维表
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从图8-3可以看出，位于
Q =
p 并离纤维表面 2
dp/2处的空气流线是流线中所夹带的颗粒通过圆柱形纤维 时被阻拦的极限条件。单个纤维对颗粒的阻拦效率可由 下式表示：
轾 1 犏 h2 = 2(1+ R)ln(1+ R) - (1+ R) + 2? (2 ln Re) 犏 1+ R 臌 1
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截留颗粒的规律，但当V≤ V c时计算得的单纤维截流效率 是比较接近于实际的。 3、布朗扩散作用 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线 运动（布朗扩散）而与纤维接触且俯着于纤维表面而被捕 集。由于布朗扩散而导致的微粒捕集效率η3。
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4、重力沉降作用 当微粒所受重力大于气流对它的拖带力时，微