空气过滤器的调研

空气过滤器的调查研究
空气过滤器(Air Filter)是指空气过滤装置，一般用于洁净车间，洁净厂房，实验室及洁净室，或者用于电子机械通信设备等的防尘。

有初效过滤器，中效过滤器，高效过滤器及亚高效等型号。

各种型号有不同的标准和使用效能。

我主要集中在空气过滤器的研制及在发酵工业上的应用、发酵空气系统优化改造.以及新型空气过滤器在C菌种发酵中的应用三个方面进行调研。

1、空气过滤器的研制及在发酵工业上的应用
1.1 空气过滤器的现状
1.1.1 目前发酵厂的空气过滤器使用情况
目前我国的制药厂发酵装置使用的空气过滤器的过滤介质以玻璃纤维滤纸、金属烧结膜、聚偏二氟乙烯等过滤器。

大部分是国内制造,也有小部分为进口。

就这些过滤介质而言,超细玻璃纤维滤纸已使用了几十年。

它具有较高的过滤效率和空隙度,空气流量大,特别在80 年代末制造厂将玻璃纤维滤纸从平板型改成筒式折叠式过滤器后,过滤面积增大很多,后在超细玻璃纤维滤纸上涂上了一些多孔体材质后,强度增加了,使玻璃纤维滤纸的空气过滤器的生命力提高了一步。

金属过滤器在20 世纪80 年代初问世以后,由于其强度好、过滤精度高,因此在80 年代得到了推广应用。

当国内聚偏二氟乙烯滤膜问世后,以聚偏二氟乙烯滤膜为过滤介质的折叠式过滤器在国内迅速发展。

由于聚偏二氟乙烯能高温消毒、孔径小、流量大、疏水性好等特点,所以一问世就受到制药厂的欢迎。

在20 世纪80 年代国内已开始试制聚四氟乙烯滤膜为滤芯的空气过滤器。

由于聚四氟乙烯膜能高温消毒、孔径小、流量大、强疏水性等特性,因此国内以聚四氟乙烯膜为介质的空气过滤器开始应用在发酵工业上。

1.1.2 国外空气过滤器现状
目前国外的空气过滤器以PALL 和MILLIPORE为代表,其过滤介质是以聚四氟乙烯滤膜为主,过滤精度为0. 01μ。

由于国外的这些高精度过滤器价格比国内高出3 - 5 倍,所以国内制药厂使用进口过滤器不多。

1.1.3 国内空气过滤器制造现状
(1) 以玻璃纤维滤纸为过滤介质的空气过滤器过滤精度不高、强度差、耐湿性差,当空气潮湿时,玻璃纤维滤纸的过滤精度大大降低。

(2) 以国产聚偏二氟乙烯滤膜和聚四氟乙烯滤膜为滤芯的空气过滤器孔径均匀度、孔隙度和国外比有一定差距。

特别在最大孔径和孔隙度上比国外的PALL 和MILLIPORE 差距比较大。

因此,产品规格只讲过滤效率多少多少,不讲泡点多少多少,特别是国外的空气过滤器都进行完整性测试,而国内的空气过滤器还停留在油雾法、钠盐法、DOP 法、尘埃粒子计数法。

国内的空气过滤器还没有讲整体测试,这点比国外存在着更大的差距。

1.2 DJ - K系列空气过滤器的研制
1.2.1 研制的目的
随着改革开放的不断深入,我国的空气过滤器性能和规格必须与国际接轨,所以我国的空气过滤器应该与国际名牌PALL 和MILLIPORE 接轨。

所谓接轨不外于有三个接轨:即过滤介质接轨、质量标准接轨和测试标准接轨。

(1) 过滤介质接轨:是指国内的生产的过滤器应该以聚四氟乙烯滤膜为过滤介质,因为就目前而言,聚四氟乙烯滤膜比其它过滤介质具有孔径小、通气量大、强疏水性等优异品质,目前该过滤介质为最优秀的过滤介质。

因此,我国今后生产的空气过滤器应以聚四氟乙烯为过滤介质为主。

(2) 质量标准接轨: PALL 和MILLIPORE 在发酵工业上,过滤精度0. 01μ。

流量指标10 〃的滤芯在0. 001MPa 压差下为6m3/ min。

而我们国家通常的指标:过滤精度0. 5μ为99. 9999 %或100 级,而这些标准都是过滤器制造厂定的。

(3) 测试标准的接轨:这个接轨很重要,目前国内的空气过滤器测试有气泡法、油雾法、钠盐法、DOP 法、尘埃粒子计数法等,这些测试方法都存在这样那样的不足。

油雾法、钠盐法、DOP 法是滤材测试,不是成品检测,即使滤材很好,用该滤材制成过滤器后好不好也很难说。

尘埃粒子计数法是检测空气过滤器在运行中的好坏,但由于尘埃粒子计数法测试的人为因素很多、很难测正确。

又如气泡法用来测定滤芯的好坏,但是滤芯制造好以后,装配成过滤器后是否符合标准,这也是未知数。

所以,发酵厂发现染菌以后扯皮事情不少,大家都说自己没有问题,这样就给生产带来了不利因素。

因此,我国应研制与国际接轨的高质量的DJ - K 系列空气过滤器。

1.2.2 制造DJ - K系列高质量的空气过滤器的尝试
根据上述目的,制造高质量的过滤器,首先要有高质量的过滤介质———聚四氟乙烯滤膜,开始进口滤膜制造过滤器,由于进口的聚四氟乙烯滤膜价格昂贵,制成的过滤器比进口的便宜不多,发酵厂难以接受。

后来,在国产的聚四氟乙烯滤膜上下功夫,我们对国产的聚四氟乙烯滤膜进行物理、化学分析,并且用物理、化学方法进行特殊处理。

经特殊处理过国产聚四氟乙烯滤膜基本上达到了我们所定的指标。

并且在研制过程中,对折叠、纵焊、端封等关键工艺作了改进,通过工程技术人员的反复试验,终于制成了DJ - K型空气过滤器。

其各项技术指标已接近国际名牌PALL 和MILLI2PORE 水平。

现在的DJ - K系列空气过滤器已经问世,DJ - K系列空气过滤器过滤系统如图所示,它包括DJ - KZ蒸汽过滤器、DJ - KY预过滤器和DJ - KF 精过滤器三部分组成。

蒸汽过滤器介质为超细不锈钢纤维;预过滤器介质为聚丙烯滤膜:精过滤器介质为聚四氟乙烯滤膜,外壳用304 不锈钢制成。

DJ - K系列过滤器的空气流量从0. 5m3/ min —200m3/ min。

1.2.3 DJ - K系列空气过滤器的性能特点
1.2.3.1 性能优异的微孔滤膜作为过滤材质
(1)DJ - K系列无菌空气过滤器采用耐蒸汽灭菌的聚四氟乙烯( PTFE) 微孔滤膜作为过滤介质。

可在121 - 125 ℃之间蒸汽消毒30 分钟; 反复160次;
(2)DJ - K型过滤器采用的PTFE 膜是带支撑的微孔滤膜,并带强正电荷,具有较强的静电吸附作用,故较之一般的膜过滤器具有更高的过滤精度和强度;
(3) PTFE 膜过滤器是一种强疏水性的膜材料,因此对过滤高湿性的空气极为有利。

1.2.3.2 独特的滤芯结构设计保证了滤芯的卓越性能
(1) 滤芯的端盖、外套采用热稳定聚丙烯,可以耐121 ℃蒸汽的反复灭菌。

(2) 密封端盖内镶有不锈钢内衬,避免密封槽的变形而发生泄露。

(3) 采用国际通用的双O 形密封圈,使密封效果更可靠。

(4) 中心内衬采用不锈钢钢套,使滤芯能承受较大的温差变化,避免滤芯弯曲变形。

同时保证了内孔直径,使得滤芯具有更大的气通量。

1.2.3.3 采用先进的成形工艺及设备,具有质量可靠的过滤产品
(1) 采用先进的全自动折叠机折叠成形,使滤芯的质量有了更可靠的保障。

(2) 采用独特的纵封与端热熔焊工艺,滤芯无二次污染。

(3) 严格的质量控制和出厂滤芯只只用全自动完整性测试仪检验制度,将不合格产品消灭在出厂前。

1.2.4 DJ - K系列空气过滤器的主要技术参数
①过滤精度:0. 01μm ,能100 %截留0. 2μm 以上的各种细菌; ②工作温度: ≤80 ℃; ③灭菌温度:121 ℃; ④灭菌时间:30 分钟; ⑤气体阻力:在额定流量下,初始压降小于0. 01MPa ; ⑥耐压: 正向≤0. 4MPa ,反向≤0. 2MPa ; ⑦过滤器外壳:按照国家劳动部劳锅字[1990 ]8 号“压力容器安全技术监察规程”制造,外壳进行抛光处理。

1.3、DJ - K系列空气过滤器在发酵厂的应用
DJ - K系列空气过滤器研制成功后,用全自动过滤器完整性测试合格,其各项性能指标已接近国际名牌PALL 和MILLIPORE 过滤器。

我们首先放在种子罐上应用,使用效果正常,完全能满足发酵要求。

为了考核过滤器的各项性能指标。

我们就选择了发酵要求高、发酵周期高过16 天(384 小时) 的,且用于出口美国的灰黄霉素30 吨发酵罐上试验。

试验从2003 年10 月29 日开始,每16 天为一个发酵周期,至今已正常运行九个多月,从未发现过染菌。

从而充分证明DJ - K型空气过滤器的除菌过滤效果是好的、是绝对安全的。

运行九个月,压力降几乎无变化,根据目前估计,运行寿命可达2 年以上。

2、发酵空气系统优化改造
2.1概述
发酵生产过程中使用大量的压缩空气，空气进入发酵罐前要进行除油、除水和除菌处理以满足GMP清洁卫生生产的需要。

这部分空气的能耗占了吨产品总能耗的38%左右，因此如何降低空气系统的压降，降低发酵液的染菌率，合理进行发酵液内空气的分布增加溶氧以提高发酵收率，一直是发酵企业关注的焦点。

本文就我厂发酵空气系统的成功改造进行了归纳和总结。

2.2空气输送系统
压缩空气先通过预过滤器进行除油和除水处理，再通过精过滤器进行除菌处理，这样清洁和无菌的空气可以满足发酵生产的要求。

改造前的发酵空气输送工艺流程（图1）：
来自空压机系统的压缩空气从总过滤器的下部进入，通过活性炭层过滤再经过棉花胎层过滤进入压缩空气总管。

空气总管来的压缩空气从每只发酵罐前的精过滤器上部进入，通过精过滤器的除菌纸板过滤除去细菌后进入发酵罐。

原有过滤器的缺陷：
●过滤介质为吸附式，没有办法进行油水分离或很难有效再生，导致过滤介质
很快失效。

●过滤介质吸收油水后空气通过过滤层的阻力增大，需要加开空压机以维持系
统的空气压力，导致能耗明显增加。

●过滤介质更换频繁（3个月更换一次），导致滤材消耗增加，人员操作频繁。

●过滤器装拆非常繁琐，需要使用人工起重设备，具有一定危险性。

●如果滤材吸附饱和空气含水超标，会损坏精过滤器的除菌纸板，空气除菌失
效，导致发酵液染菌。

基于原有过滤器的多种缺陷，我们参照国外先进的过滤技术，采用两级管道过滤器，过滤后空气直接进入发酵罐，其核心技术是两级过滤器的优化设计和采用高效优良的滤芯。

改造后的发酵空气输送工艺流程（图2）：
来自空气总管的压缩空气从预过滤器的下部进入，从外向内透过预过滤器的滤芯后进入精过滤器。

由于预过滤器的滤芯采用的是拦截式分离技术，因此，空气中的油水被阻挡在滤芯的外表面，随着油水的累积，在重力的作业下油水向下移动，最后从底部的排污口排出。

来自预过滤器的压缩空气从精过滤器的上部进入，从外向内透过精过滤器的滤芯，空气内的微量水分和细菌被分离后，洁净空气进入发酵罐。

新的过滤器的优点：
●预过滤器的滤芯具有油水分离功能，阻力降很小，大大节约能源。

●预过滤器的滤芯具有一定的再生功能，当空气透过滤芯的阻力明显增加时
（压差表显示），我们在发酵放罐时将过滤器反向安装，用压缩空气反向吹滤芯，可吹掉部分渗透到滤芯内的灰尘，降低阻力，延长滤芯的使用寿命，降低成本。

●预过滤器的滤芯具有1微米的过滤精度，空气中98%以上的油水和灰尘被除
去，大大降低空气对下游精过滤器滤芯的影响。

●精过滤器的滤芯采用的是多层特氟龙膜分离技术，具有较好的耐水性，可以
承受空气中的少量水分和蒸汽消毒时冷凝水的作用。

●精过滤器的滤芯具有0.01微米的超高过滤精度，并且通气量大压降小，能拦
截压缩空气内所有的细菌，确保发酵液不染菌。

●精过滤器的滤芯即使局部损坏或使用到达预计寿命，但通过仪器进行完整性
检测合格后仍然可以继续使用。

●滤芯使用寿命长（2年更换一次），过滤器的外壳轻巧，拆卸非常方便。

2.3投资回报和经济效益分析
整个空气系统改造完成后，投资费用折算到每只发酵罐约为12万元，我们对1只50m3发酵罐进行了系统改造前后的跟踪，根据系统的压降和空气流量的分析，1年直接节约电费约9万元，整个系统改造完成后一年多就回收了投资费用。

采用新的空气输送流程后没有发生一起因空气系统导致的染菌事故。

2.4罐内空气分布器改造
空气分布器的主要功能是从发酵罐内的料液底部将压缩空气输送进去以给发酵液内的菌体提供生长的氧气，因此优质的分布器可以有效的提高发酵液内的溶氧，增加发酵的收率。

改造前的分布器为底层抱轴式集中供气，其缺陷为：
●空气分布严重不均匀，导致底层发酵液溶氧偏低，影响发酵收率。

●压缩空气对底层的搅拌器有较大的冲击，增加了搅拌器的晃动，缩短轴套的
使用寿命。

●搅拌器底轴承每次检修需要拆除空气分布器。

改造后的分布器为底层盘式喷射型供气，其主要优点为：
◆发酵液底层空气分布均匀，溶氧增加，发酵收率得到较大提高。

◆由于分布器内空气为分散型喷射，气流变细，流速降低，大大减小压缩空气
对搅拌器的冲击，延长底轴套的使用寿命。

◆搅拌器的底轴套检修时不需要拆除空气分布器，有效减轻工人的劳动强度。

◆分布器清洗方便，几乎没有卫生死角，满足GMP清洁卫生生产的需要。

2.5经济效益分析
分布器改造后，我们对50m3发酵罐4个批次的发酵收率进行了统计，发酵收率平均增长了10%左右。

基于盘式分布器优良的性能，2010年开始我们对17只60m3的发酵罐也开始了空气分布器的改造，目前已经改造完成。

3、新型空气过滤器在C菌种发酵中的应用
空压中油份的存在对C菌种生长和发酵均产生不利影响,在1999年底完成了对空气系统的部分改造,包括使用一台20m3进口螺杆式无油润滑压缩机(占所有气量的三分之一) ,空气过滤器棉花层和活性炭层加高,管路系统全部采用不锈钢材质。

同时对其中一只发酵罐(304罐)作特殊处理,采用多明尼克·汉德公司的新型AA级过滤器和除菌过滤器作为分过滤器。

经过一年多的生产实践,总体发酵水平已基本恢复到原协议单位X ,而其中的304罐表现十分突出,其平均发酵单位为1. 16X ,高出其它三罐约20 %。

同时,从每月的统计结果看基本上与上表相似,这就充分说明了304前所加的AA级新型空气过滤确实有效(除菌过滤器主要作用是除菌,除油主要是由AA级空气过滤器完成的) ,新型过滤器的特出优点是除油效果佳,其残余油含量为0.01ppm ,远远高于传统过滤器的除油效果。

以下我们对这二种过滤器的除油机理作一下分析。

3.1 传统空气过滤器之除油机理
传统空气过滤器一般是指棉花活性炭(用于总过滤器)和超细玻璃纤维纸(用
于分过滤器)。

做成饼状,外加壳体,空气由下而上通过过滤介质,主要靠惯性碰撞和扩散现象来截留微粒,由于介质的一般只能去除0. 2μm以上的微粒。

因此从理论上来说也能留住部分油滴和油雾,其中的活性炭也能吸附部分油气。

但由于其结构上没有集液,排液功能,加上该过滤器由人工装填,均匀性可靠性极差,因此其被截留的部分油粒子仍有可能在空压的作用下分解成更小的微粒飞扬而带出,其滤油效果十分有限,充其量只能滤除90 %的含油量。

而目前常用的空压机含油量如表2所示:
一般的空压机含油量在225ppm之间,使用几年后,其含油量上升为50150ppm 甚至更高,因此通过除油效果达90 %的传统过滤器,其残余含油量仍在0. 215ppm(无论新机,旧机)左右。

3.2 新型空气过滤器的除油机理
新型空气过滤器(多明尼克·汉德公司产品)采用0. 7μm和0. 5μm的硼硅酸纤维叠成密度为4 %(空隙率为96 %) ,厚度为3000μm的滤材做成三明治状的滤筒结构(见示意图)。

利用硼硅酸纤维的光滑表面扑捕集液滴作用来收集油的微滴,经聚氯乙烯(PVC)防蚀处理过的聚脲(PΜ)集液。

排液泡棉可将收集而来的液滴聚集,沉降并排出滤蕊,不会逆流回去或飞扬到出口。

由内向外的流向,使液滴一直向外排,不会积贮于滤蕊中,使空气能一直保持通畅地流过滤蕊,能100 %滤除0. 01μm以上的微粒,因此能100 %去除油滴、油雾、和部分油气,并且每只滤蕊均通过DOP ( DI - OCTYL -PHTHALATE,油喷成雾状时,其油滴大小分布从1.3μm到0.01μm ,平均0.3μm)测试,穿透率<0.0001 %。

所以十分可靠,它所宣称的残余油量在0.01ppm以下是可信的。

3.3 结论
综上所述,在不使用价格昂贵的无油滑润空气压缩机的情形下,传统空气过滤器一般只能将残余油量控制在0.215ppm ,而新型过滤器能达0.01ppm以下。

因此对油含量十分敏感的C菌种发酵单位便在这二种状态下产生较大的差异,这也反证了空气中油含量和C菌种发酵单位有影响的论点。

但是,有关含油量和C菌种发酵单位的量化关系,仍有待做进一步的深入研究。

4、小结
节能已经成为全社会低碳经济发展的趋势，既代表企业的技术进步水平更和企业的经济效益密切相关，从更高的层次讲也可以看出企业勇于承担的社会责任。

空气系统的优化改造还包括如何选择高效的空压机、优化空气管道设计方案、压缩空气热能的综合利用以及采用大规模集中供气等多种技术。

希望在未来有更好的技术出现推动社会节能技术的进一步提高。