空气除菌与空气调节设备概论

▪ 对数穿透定律公式揭示了深层介质过滤 除菌时进入滤层的空气微粒浓度与穿过滤层 的微粒浓度之比的对数是滤层厚度的函数。
▪ 常数K值与多个因素有关，如纤维种类、 纤维直径、填充密度、空气流速、空气中微 粒的直径等，通常可选择特定的条件通过实 验方法求得。课本381页表3－1－2，3－1－3等
K—过滤常数（m-1） 与过滤介质种类、纤维直径、风速、填充密度（填充系数） 有关。
▪ 2 热杀菌 空气进入发酵罐之前，一般匀需用压缩机压缩，
提高压力。利用空气压缩时放出的热量进行保温灭 菌。见流程
3 .静电除菌
▪ 利用静电引力吸附带电粒子而达到除尘 灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物，大 多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒 进入高压静电场时都会被电离成带电微粒， 但对于一些直径小的微粒，所带的电荷很 小，当产生的引力等于或小于气流对微粒 布朗扩散运动的动量时，微粒不能被吸附 而沉降，因此静电除尘对很小的微粒效率 较低。
在这些假定条件前提下发现，空气通过单位滤 层后，微粒下降的浓度与进入空气的微粒浓度成正 比。
即对数穿透定律
▪ 对数穿透定律：
空气通过滤层，其微粒数随着滤层的厚度 逐渐降低，即：
dN KN dL
ln N2 KL N1
L
过滤NN介12 质
N－滤层中空气的微粒浓度，个/m3. L– 过滤介质的厚度，m。 dN/dL-----单位滤层除去的微粒数，个/m3. K---过滤常数
5)深层过滤器直径计算
D
Q
0.785 s
Q-通风量（m3/s)(注意：总过滤器一般用2~4个并联， Q是单个的通风量）。
6）深层过滤器的安装结构
孔板 金属丝网
麻布 棉花 活性碳
例题:
设计一台通风量为10m3/min的棉花过滤器，空 气压强为392KPa(绝对压力），通入过滤器的空气 含菌量是5000个/m3，发酵周期100小时，要求发酵 1000罐漏入一个杂菌，工作温度30℃。
▪ 特点：对热能的利用合理，但加热面积要足够大才 能满足要求。
6 .一次冷却和析水的空气过滤流程
▪ 将压缩空气冷却至露点以下，析出部分水分， 升温使相对湿度为60％，再进入空气过滤器， 采用一次冷却一次析水。
二.空气介质过滤设备及设计计算
▪ 只讨论选择设备时的一些原则和计算方法。原因是完 成同一任务的设备类型很多。
当微粒直径小、质量轻，它随气流运动慢慢靠近 纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流 动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周围形成一层 边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，进到滞留区 的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。拦截截 留的截留效率与气流的雷诺准数和微粒同纤维的直 径比有关。
3.布朗扩散截留作用
（一）粗过滤器 1.安装位置 2.常用型式：布袋过滤器、填料式过滤器、油浴洗涤 和水雾除尘等
（二）空压机： 1.作用：提供0.2~0.3MPa的压力，大量的低压理想空 气 2.形式： 涡轮式：出口压力0.25~0.5MPa，出口风量较稳定； 往复式：出口压力不稳定。多缸稳定。须用润滑油， 空气中带油污粒子，须改善油污污染问题。
布朗扩散的运动距离短，在较大的气速、较大 的纤维间隙中不起作用，但在很慢的气流速度和较 小的纤维间隙中布朗扩散作用增加了微粒与纤维的 接触滞留机会。
▪ 4 重力沉降 ▪ 5 静电吸引力 ▪ 惯性截留、拦截和布朗扩散的除菌作用较大，
重力和静电引力的作用较小。
▪ 气速与除菌效率的关系：当气流速度较小时，除菌效率
' N2
N1
▪ 影响过滤效率的因素很多：微粒的大小、过滤介质的
种类和规格、介质的填充密度、过滤介质厚度及所通
过的空气气流速度有关。
3.空气过滤除菌的对数穿透定律（过滤规律）
研究空气过滤器的过滤规律时为了简化做了四个假 定条件下：（1）流经过滤介质的每一纤维的空气 流态并不因其它临近纤维的存在而受影响；（2） 空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被 气流卷起带走；（3）过滤器的过滤效率与空气中 微粒的浓度无关；（4）空气中微粒在滤层中的递 减均匀，即每一纤维层除去同样百分率的微粒数。
度、风温、风湿及风压） 2.采气环境的空气条件、空气性质 3.所用除菌设备的特性
（二）空气除菌流程
1 .两级冷却、加热除菌流程 是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气
候，尤其适用于潮湿地区。它能充分地分离油水，使 空气达到相对湿度较低下进入过滤器，提高过滤效果.
典型空气除菌流程
1
2 3
4
地域（南方与北方、城市与乡村） 季节
空气中杂菌含量及分布 空气中含杂菌一般在103~104（个）/m3。杂
菌含量多少与地域、季节有关，南方多，北方少； 低空多，高空少；城市多，农村少；夏季多，冬 季少。为了获得含杂菌少的空气，工厂多采用采 风塔（高20多米）采风。 无菌空气要求
工厂对空气除菌，要求达到一定程度，通常 设计指标，通风1000罐次，只感染1个杂菌。
压缩空气站为上风口，提高采风位置，加强空气预处理。
▪ 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的 过滤介质。
▪ 设计合理的空气预处理设备，达到除油、水和杂质 的目的。
▪ 降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤
介质在干燥的状态下工作。使用无油压缩机加 强冷却和去油、水，提高空气温度，以降低 相对湿度。
当以上条件一定时，K为常数。积分后：
ln N 2 KL N1
lg N 2 K ' L N1
K值通过实验求出：
lg N1 Fra Baidu bibliotekK 'L N2
对df=16μm的棉花纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K′ 空气流速υ0(m/s) 0.05 0.10 0.5 1.0 2.0 3.0
K′
(1/m) 19.3 13.5 10.0 19.5 132 232
3 .高效前置过滤空气除菌流程
▪ 特点：采用高效率的前置过滤设备，减轻主过滤器的 负担。
▪ 4 将空气冷却至露点以上的流程 ▪ 将空气冷却至露点以上，使进入过滤器的空气相对湿
度60－70％以下。适用于北方和内陆气候干燥地区。
5.利用热空气加热冷空气的流程
▪ 利用压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热交换， 使冷空气的温度升高，降低相对湿度。
解:选用16μm棉花作过滤介质，填充系数为8%，空 气流速υo=0.1m/s。由表查的过滤常数K=13.5m-1。
ln N1
L
N2 K'
ln
5 103
10 60 100 103
13.5
0.85(m)
过滤器直计算(D)：
下标1为空气压缩前的空气状态，下标2为压缩
进入过滤器的空气状态。
V1P1 V2 P2
第三章 空气除菌与空气调节设备
好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的 氧气，这些氧气通常由空气提供。根据国家药 品生产质量管理规范（GMP）的要求，生物制品、 药品的生产场地也需符合空气洁净度要求，并 有相应的管理手段。
第一节 空气除菌的原理与方法
一 .生物工业对空气质量的要求 1 .空气中微生物的分布
11032(Pa)
引起染菌的主要途径： ▪ （1）缺少正规的操作流程方案； ▪ （2）使用湿的灭菌过滤器； ▪ （3）冷却盘上的销孔的污染； ▪ （4）设计不合理的空气排放系统； ▪ （5）不恰当地加入染菌的油和消泡剂； ▪ （6）阀门的泄漏；密封设施不严密。
提高过滤除菌效率的措施
▪ 减少进口空气的菌数：加强生产场地的卫生管理，选择
T1
T2
V2
V1P1T2 T1P2
10 9807 303 60 293 392000
0.0443(m3
/ s)
D
V2 0.0443 0.75(m)
0.785s 0.785 0.1
压力损失(▽P)计算：
υo=υs/(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s） 进入过滤器密度：
2
1P1T2
（五）空气冷却器：
1.作用 2.种类：列管式、沉浸式、喷淋式
（六）空气过滤器（设计适用的过滤器） 1.空气除菌效率（衡量过滤设备的过滤效能的指标）： ▪ 滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值。
N1 N2 1 N2
N1
N1
▪ N1 — _过滤前空气的微粒数；
▪ N2 — 过滤后空气的微粒数
2.穿透率
▪ （2）培养法－－微生物培养（准确培养的活微生 物）
二.空气净化除菌方法
（一）空气除菌方法
▪ 1 辐射杀菌 α－射线、χ－射线、β－射线、γ－射线、紫
外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质等生物活 性物质，从而起到杀菌的作用。辐射灭菌目前仅用 于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌，对于 大规模空气的灭菌还无法应用。
T1P2
1.2931 303 273 4
4.67(kg
/ m3)
空气黏度查得：
μ =18.6×10-6Pa·S
Re
d f
16
106 18.6
0.109 106
4.67
0.436
C 100 100 229 Re 0.436
m 1.45
P
CL 2 2 m d f
229
0.85
2
4.67 0.1092 0.081.45 3.14 16 106
对df=14μm的玻璃纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K′
空气流速υs（m/s）0.03 0.15 0.3
K′
(1/m) 56.7 25.2 19.3
0.92 1.52 29.4 150
3.15 605
K值由计算求出：
K
4 (1 d f
4.5 (1 )
)
2
4）深层过滤阻力（压力降）计算
P cL 2o2 m d f
L-过滤层厚度（m) ρ –空气密度（kg/m3) α –介质填充系数 υo –空气在介质空隙中的流速（m/s) υo=υs/(1－α) υs -空罐截面气速（m/s) df –介质纤维直径（m）
m –实验指数，棉花m=1.45；
19μm玻璃纤维,m=1.35
8 μm玻璃纤维,m=1.55
C –阻力系数，棉花C=100/Re; 玻璃纤维C=52/Re
随气流速度的增加而降低，扩散起主要作用；当气流速度中 等时，可能截流起主要作用；当气流速度较大时，除菌效率 随空气流速的增加而增加，惯性冲击起主要作用；如果气速 过大η又会下降，可能是已扑集的微粒又被卷起的原因。
第二节 空气介质过滤除菌设备及计算
一 .介质过滤除菌流程 （一）空气除菌流程的确定： 1.根据发酵生产对无菌空气的要求（无菌程
5
6
7
89
10
1.采风塔 2.粗滤器 3.空压机 4.贮气 罐 5.一级冷却 6.一级油水 7.二级冷却分离器 8.二级油水分离器 9.加热器 10.总过滤器
2 .冷热空气直接混合式空气除菌流程
▪ 特点：省去第二级冷却器后的分离设备和空气加热设 备，流程较简单，冷却水用量少。适用于中等湿含量 地区，不适合于空气湿含量高的地区。
（三）空气储罐： 1.作用：消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳定空
压。 2.安装位置：紧安在空压机之后 3.有关计算：V容＝0.1~0.2 Vc. Vc—空压机排气量
（四）气液分离器： 1.作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除
去。 2.种类：旋风式、填料式（利用填料拦截－丝网分离
器，填料种类很多－活性炭、焦炭、瓷环、金属 网、塑料网等）
2 .发酵用无菌空气的质量标准
▪ （1）连续提供一定流量的压缩空气； ▪ （2）空气的压强（表压）0.2-0.35MPa； ▪ （3）进入过滤器之前，空气的相对湿度小于70％； ▪ （4）进入发酵罐的空气温度可比培养温度稍高 ▪ （ 5）压缩空气的洁净度，取失败率为10－3。
3.空气含菌量的测定
▪ （1）光学法－粒子计数器（0.3～0.5μm)微粒的 各种浓度,测得结果是空气中的灰尘 和微生物，不准确
▪ 4.介质过滤除菌
三.介质过滤除菌机理
依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层 层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改 变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微粒 与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重 力和静电引力等作用，从而把微生物截留、捕 集在纤维表面上，实现过滤目的。下面图为过 滤除菌时各种除菌机理的示意图。
1.惯性撞击截留作用
当含有微生物颗粒的 空气通过滤层时，空气流 仅能从纤维间的间隙通过， 由于纤维纵横交错，层层 叠叠，迫使空气流不断改 变运动方向和速度。由于 微生物颗粒的惯性大于空 气，因而当空气流遇阻而 绕道前进时，微生物颗粒 未能及时改变它的运动方 向，而撞击并被截留于纤 维的表面。
2.拦截截留作用