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第三章 灭菌与空气净化第一节 灭菌一、 发酵工业灭菌的方法二、 湿热灭菌的原理三、 培养基灭菌温度的选择四、 培养基与设备、管道灭菌条件第二节 空气净化一、 空气净化的方法二、 空气净化的流程三、 空气过滤除菌的原理和介质自从发酵技术应用纯种培养后，要求发酵全过程只能有生产菌，不允许其他任何微生物共存，因此所有发酵过程必须进行纯种培养。杂菌一旦侵入生产系统，就会在短期内与生产菌争夺养料，一方面消耗营养基质，另一方面分泌一些有毒产物，这些物质是一些会抑制生产菌生长、改变培养液性质、抑制产物合成或破坏代谢产物的有毒副作用的物质，如发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，轻则影响产量，重则导致生产彻底失败，造成严重经济损失，因此，整个发酵过程必须树立无菌观念。为了确保纯种培养，在生产菌接种前，要对培养基通入的空气、各种添加物、设备、管道等进行灭菌，还要对生产环境进行消毒。因此，掌握消毒和灭菌技术在发酵中具有非常重要的意义。第一节 灭菌(sterilization)一、 发酵工业灭菌的方法灭菌：指利用物理或化学的方法杀灭或去除物料及设备中所有的生命物质（包括营养细胞、细菌芽孢和孢子）的技术或工艺过程。消毒：是利用物理或化学的方法杀死物料、容器、器具内外及环境中的病源微生物的技术或工艺过程，一般只能杀死营养细胞而不能杀死芽孢。消毒不一定能达到灭菌要求，灭菌则可达到消毒的目的。发酵工业生产中常用的灭菌方法有下列几种，根据灭菌对象和要求选用不同方法。1、 干热灭菌法（1）原理：干热灭菌法是指利用干燥高温的热空气使微生物细胞内各种与温度有关的氧化反应速度迅速增加，从而使微生物的致死率迅速增加的过程。高温对微生物有氧化、蛋白质变性和电解质浓缩作用而杀灭微生物。（2）常用方法：灼烧和电热箱加热。灼烧是最简单的干热灭菌的方法，是将金属或其他耐热材料制成的器物在火焰上灼烧，如接种针、三角瓶口等的灭菌。大多数的干热灭菌是利用设备如电热鼓风干燥箱加热到一定温度将微生物杀死。干热灭菌所需的温度较高，时间较长，一般160170，1h1.5h。（3）适用范围：主要用于灭菌后要求保持干燥的物料、器具等的灭菌如：玻璃及金属用具及沙土管灭菌-三角瓶口、试管口、培养皿、接种针、固定化细胞用的载体材料等（4）优缺点：干热灭菌方法简单，灭菌后物料可保持干燥状态，但灭菌效果不如湿热灭菌。2、 湿热灭菌法（1）湿热灭菌法是指利用加压的饱和蒸汽对物料或设备容器进行灭菌的方法。原理：蒸汽穿透能力强，且在冷凝时放出大量的冷凝热，高温有水的条件很容易使蛋白质发生不可逆的凝固变性，使微生物在短时间内死亡，达到灭菌的目的。（有水分条件蒸汽冷凝形成的下，微生物细胞中的蛋白质变性温度会显著降低）（2） 常用方法： 饱和蒸汽灭菌：一般121，30分钟（3）湿热灭菌具有蒸汽来源容易、潜热大、穿透力强的特点，与其他灭菌方法相比具有灭菌效果好、操作费用低的优点，被广泛应用于工业生产，如生产设备、培养基、管道、阀门、流加物料等灭菌，是目前最基本的灭菌方法。3、 射线灭菌法（1）利用紫外线、高能量的电磁辐射和微粒辐射来杀灭微生物紫外线、高能电磁辐射、放射性物质产生的高能粒子可以穿透微生物细胞，与菌体核酸发生光化学反应，造成菌体死亡，达到灭菌的目的（2）常用：紫外线、X射线、射线由Co60产生、高速电子流的阴极射线等。最常用的是紫外线，波长在250nm270nm之间灭菌效率高，以260nm左右效率最高。（3） 使用范围：使用方便，但与湿热灭菌相比穿透力差，适用范围有限，一般只用于无菌室、无菌箱、培养间等局部空间灭菌和器皿表面灭菌。 4、 化学药品灭菌法（1）许多化学药剂能与微生物细胞物质发生反应而具有杀菌作用。如75%酒精溶液、甲醛、苯酚、高锰酸钾、漂白粉、环氧乙烷、季铵盐（如新洁尔灭）等。0.1%0.25%高锰酸钾溶液、5%有效氯浓度的漂白粉溶液、37%左右的甲醛溶液0.25%的新洁尔灭和杜灭芬溶液。化学药剂能与微生物中的某些成分发生反应，从而使微生物氧化变性或发生细胞损伤。（2）使用范围：因化学药剂也会与培养基中的一些营养物质产生作用，而且加入培养基中后不易去除，遗留毒性及腐蚀性大，所以化学药剂灭菌不用于培养基灭菌，只用于实验室、无菌室的空间灭菌或某些器具器械的灭菌如溶氧电极、双手等表面消毒。5、 过滤除菌法（1）过滤除菌法是一种利用过滤方法阻留微生物以达到灭菌目的的方法。原理：利用微生物不能透过滤膜除菌。0.010.45 mm孔径滤膜。（2）使用范围：用于压缩空气、酶溶液及其他不耐热化合物溶液除菌。对于对热敏感的物质，这是一种有效的方法。工业上常用过滤法大量制备无菌空气，供好氧微生物培养使用。在产品的提取中，也可用过滤的方法（如超滤）处理料液，以得到无菌产品。湿热灭菌法是是目前最基本的灭菌方法，看一下湿热灭菌的原理：二、 湿热灭菌的原理-灭菌动力学（一） 微生物的热阻 先掌握几个概念：1、致死温度：每一种微生物都有一定的生长温度范围，且有一个最适温度范围，如大多数微生物的温度范围为550，但最适温度为2537。当微生物处在最低温度以下，代谢作用几乎停止而处于休眠状态；当温度超过最高温度限度时，微生物就会死亡，杀死微生物的极限温度称为致死温度。2、致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称致死时间。在致死温度以上，温度越高致死时间越短。3、微生物对热的抵抗力用热阻表示。热阻：是指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。不同种类的微生物的热阻不同，一般无芽孢细菌在60下经过10min即可全部杀死，而芽孢细菌的芽孢能经受较高温度，在100下要数分钟至数小时此能杀死。某些嗜热菌能在120下耐受20min30min，但这种菌在培养基中极少出现。一般来讲，灭菌的彻底与否以能否杀死芽孢细菌为标准。（二） 微生物的热死规律对数残留定律微生物热死是指微生物受热失活直到死亡，但物理性质不变。对数残留定律是指在灭菌过程中，微生物在高温的环境中，其减小速率（即单位时间内菌体的减少量，用 表示）与任何一瞬间残留的活菌数成正比。用数学公式表示： 3-1N：残留的活菌体个数（个） t ：灭菌时间（min） K：反应速度常数（min-1）也称比死亡率，与灭菌温度及菌种特性有关。将上式移项后两边积分得：从0t，N0Nt，积分上式得 ： 。 3-2式中 N0开始灭菌时原活菌数，个； Nt 经t时间灭菌后残留菌数，个。由3-2可以知道：a) 灭菌时间取决于污染程度N0、灭菌程度Nt和K值b) 培养基中的各种微生物不可能逐一加以考虑，如果将全部微生物作为耐热的细菌芽孢来考虑，就得延长加热时间和提高灭菌温度，因此，一般只考虑芽孢细菌和细菌的芽孢之和作为计算依据较合理。另外，如果要求达到彻底灭菌，即Nt =0，则所需灭菌时间t，这在实际生产中不可行。在实际设计时常采用Nt =0.001，即在1000批次灭菌中有一次失败。c) 反应速率常数K是微生物耐热性的一种特征，它随微生物种类和灭菌温度而异。相同温度下，K值越小则微生物越耐热。d) 同一种微生物在不同灭菌温度下，K值不同。灭菌温度越低，K值越小；灭菌温度越高，K值越大。如硬脂嗜热芽孢杆菌FS1518在104时K值为0.0324min-1，121时K值为0.77min-1，131时K值为15min-1，当N0、Nt相同时，硬脂嗜热芽孢杆菌FS1518在131下的灭菌时间仅为104下的灭菌时间的1/44，因此，提高灭菌温度，K值增大，灭菌时间显著缩短。三、 培养基的灭菌1、 培养基灭菌温度的选择阿仑尼乌斯（Arrhenius）方程用湿热灭菌法对培养基灭菌时，除微生物被杀死外，还伴随着培养基营养成分被破坏。实验结果证明，在高压加热条件下，氨基酸及维生素等极易被破坏，因此，选择一种既能达到灭菌要求，又能使培养基营养成分破坏最小的灭菌工艺条件，是研究培养基灭菌的重要内容。前边提到：反应速度常数K也称比死亡率，与灭菌温度及菌种特性有关。随着温度的变化，比死亡速率K的值变化很大。温度对K值的影响，遵循阿仑尼乌斯定律该公式能较准确地说明温度与反应速率之间的定量关系，即： K A e -E/RT 3-3A比例常数阿仑尼乌斯常数（min-1）；E反应所需的活化能杀死细菌芽孢的活化能（Jmol-1）；R气体常数（8.314 Jmol-1K-1）；T绝对温度热力学温度（K）； e 2.71 也可表示为 lgK = _ -E + lgA （对数形式） 3-4 2.303RT lgK2/K1 = E . (T2T1) ( 定积分形式) 2.303R T1.T2以lgK对1/T作图得一直线，以1/T为横坐标，以lgK为纵坐标， 斜率为-E/2.303R，截距为A，如图，从斜率和截距可求得A和E值。由3-4可知，E/R为微生物受热死亡时对温度敏感性的度量，此值越大，表明微生物死亡速率随时间的变化越敏感；反之，就越不敏感，因此，在灭菌操作中，E/R是一个十分重要的参数。实验测得，一般杀死微生物营养细胞的E值为200kJ mol-1270kJmol-1，杀死芽孢的E值为400 kJmol-1以上，酶类和维生素等营养成分分解的E值约为80kJmol-1。由于杂菌死亡属于一级动力学反应，大部分培养基营养成分的破坏为一级分解反应。在灭菌时，当温度由T1升到T2，灭菌速率常数K和培养基成分破坏速率常数K都发生变化。灭菌速率常数K值在T1、T2时分别为将两式相除并取对数得：同样，灭菌时培养基营养成分的破坏也可得类似关系：将上边两式相除得：由于杀死细菌芽孢的活化能E大于营养成分破坏的活化能E，因此 ，即随温度升高，灭菌速率常数增加的倍数大于营养成分破坏速率常数增加的倍数，也就是说温度升高，杂菌死亡速率大于培养基成分破坏的速率。达到相同的灭菌效果，提高灭菌温度可明显缩短灭菌时间，并减少培养基营养成分的破坏，这就是通常说的“高温短时灭菌法”。如将芽孢杆菌和维生素B2放在一起灭菌，当温度维持118加热15min，可杀死99.99%的细菌芽孢，维生素B2破坏率为10%；而在120时加热1.5min，细菌芽孢死亡率仍为99.99%，而维生素B2破坏率为5%。2、培养基的灭菌方法（1）分批灭菌(batch sterilization) 分批灭菌也称实消、实罐灭菌、间歇灭菌。培养基的分批灭菌是指将配制好的培养基输入发酵罐内直接通入蒸汽，使培养基和设备同时灭菌的一种灭菌方式。 实消灭菌是在P26图3-2实罐灭菌设备中进行的，其操作过程主要是：实消时先将配好的培养基从配料池输入发酵罐中，搅拌打散团块，然后密闭，打开各种排气阀，通入高压蒸汽加热。为了缩短升温时间，灭菌时要求三路进气。通用的发酵罐一般有排料管、进气管和取样管三路进气。四路出汽：直接蒸汽从排气、接种、进料和消沫剂管排气。当有蒸汽冒出时，将排气阀逐渐关小，待罐温上升到120，罐压维持在0.1MPa（表压）并保温30min左右。灭菌结束关闭部分排气阀和全部进气阀，待罐压低于分过滤器空气压力时，通入无菌空气保压，同时冷却降温到接种温度。实消设备如图P26图3-2。注：此图来自发酵工艺原理ppt，原图进出汽用不同颜色标注实消时发酵罐与培养基一起灭菌，其他设备一般采用蒸汽灭菌，应注意设备内部的凹处及露出的小配管等蒸汽不能到达的部位。有的设备也可采用SO2熏蒸灭菌，如葡萄酒发酵的灭菌池、罐等。SO2熏蒸灭菌属于化学试剂灭菌，除了对葡萄酒发酵池、罐起到灭菌作用，还有其他的作用：如可以抑制或杀死除葡萄酵母以外的细菌或酵母菌；可以增加发酵液中浸出物的含量和酒的色度；可以防止酒的氧化等等。我们应根据灭菌对象、要求的不同选择合适的灭菌方法。此法优点： 不需其他附属设备 操作简便 染菌机会少缺点： 但其加热和冷却时间较长 营养成分有一定损失培养基质量比较差 罐利用率低 冷却水用量大。 不能采用高温短时灭菌工艺。（2）连续灭菌(continuous sterilization) 也称连消培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌，冷却后送入空消后的发酵罐的灭菌法。所谓空消，即空罐灭菌，指通入蒸汽对未加培养基的空罐内部进行湿热灭菌。空消是配合培养基连续灭菌后使用的。即连续灭菌是在配制好的培养基向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却，完成整个灭菌过程。连续灭菌时料液在配料罐中配料后，由连消泵送入连消塔底端，料液在20s30s内被直接蒸汽立即加热到灭菌温度126132，由顶端流出，进入维持罐维持保温5min7min，罐压保持在0.4MPa，然后进入冷凝管冷却。一般冷却到4050后送入预先空消的贮罐内。P27图3-3为连消-喷淋冷却连续灭菌流程。灭完菌的培养基冷却时可采用喷淋冷却、真空冷却和薄板换热器几种方式，其过程均包括加热、维持和冷却。喷淋冷却能一次性冷却到发酵温度；真空冷却只能冷却到一定温度，需在发酵罐中继续冷却，此法可减少冷却用水，占地面积也少；板式换热器效率高，且利用冷培养液作冷却剂，既冷却了热培养液又预热了冷培养液，节约用水和蒸汽。把P29的5、分批灭菌和连续灭菌比较提前到这来讲分批灭菌和连续灭菌比较：连续灭菌与分批灭菌比较有很多优点，尤其在大规模生产时更为显著，主要表现为： 可采用高温短时灭菌，培养基受热时间短营养成分破坏少，发酵产率高； 发酵罐利用率高； 蒸汽负荷均衡，操作方便； 适于自动控制，降低劳动强度补充缺点： 设备要求高，需另加外设置加热、冷却装置； 染菌机会多； 不适合大量的固体物料的灭菌； 蒸汽用量大。当培养基中含有固体颗粒或培养基中泡沫较多时，以采用分批灭菌为好，因为这种情况采用连续灭菌容易发生灭菌不彻底。对于容积小的发酵罐，连续灭菌的优点不明显，采用分批灭菌比较方便。（4） 固体培养基灭菌固体培养基也和液体培养基一样，要先蒸煮灭菌，但固体培养基呈粒状、片状或粉状，流动性差不易翻动，吸水加热容易成团，冷却困难。针对这些特点设计的转鼓式灭菌机常用于酒厂、酱油厂。该设备能承受一定压力，装料后旋紧进出口盖，就如同密闭容器。转鼓以0.5rmin-11rmin-1徐徐转动，培养基得到翻动，蒸汽沿轴心通入加热培养基，达到一定温度后进行保温灭菌。灭菌完毕用真空泵沿空心轴抽真空，转鼓内压力降低，培养基冷却。3、影响培养基灭菌的其他因素影响培养基灭菌的因素除了所污染杂菌的种类、数量、灭菌温度和时间外，培养基成分、pH值、培养基中颗粒、泡沫等对培养基灭菌也有影响。 （1） 培养基成分、浓度的影响油脂、糖类及一定浓度的蛋白质等有机物，会在微生物周围形成一层薄膜，影响热的传导，能有效保持微生物细胞抵抗不良环境，增加了微生物细胞的耐热性，增加灭菌难度，所以灭菌温度要高些。例如大肠杆菌在水中加热6065死亡，在10%糖液中需70，4min6min；30%糖液中需70，30min。低浓度（1%2%）的NaCl溶液对微生物有保护作用，随着浓度增加，保护作用减弱，当浓度达8%10%以上则减弱微生物的耐热性。高浓度的盐类、色素等的存在会增加微生物细胞的通透性，会削弱微生物细胞的耐热性，故一般较易灭菌。（2） 培养基pH值的影响 培养基pH为6.08.0时，微生物耐热性好。pH6.0时，氢离子容易渗入微生物细胞内，从而改变细胞的生理反应促使其死亡，所以培养基的pH值越低，灭菌所需时间越短。（3） 培养基颗粒大小的影响颗粒小灭菌容易，颗粒大灭菌难。当培养基中有直径大于1mm的颗粒物则明显影响灭菌效果，蒸汽很难渗透到颗粒内部，称为“灭菌不透”，应在不影响培养基质量的条件下，采用粗过滤方法除去，并且适当提高灭菌温度，以达到彻底灭菌的目的。（4） 泡沫泡沫对培养基灭菌极为不利，泡沫中空气在泡沫和微生物间易形成隔热层，使传热困难，难以渗入微生物细胞内，不易达到微生物的致死温度，难以杀灭微生物，使灭菌不彻底，且泡沫会升至罐盖或从排气管排出，很容易造成发酵中期染菌，这些都对灭菌极为不利。实际生产中应该防止突然减少进汽或加大排气，减少进汽和排气的不平衡，防止泡沫的大量生成，同时对易产生泡沫的培养基在灭菌时，可加入适量的消泡剂减少泡沫量。4、培养基灭菌时间计算-见手写页（1）分批灭菌（2）连续灭菌四、 培养基与设备、管道灭菌条件1、 灭菌锅内灭菌灭菌蒸汽压力为0.098MPa，固体培养基维持20min30min，液体培养基维持15min20min，玻璃器皿及用具灭菌维持30min60min。2、 种子罐、发酵罐、计量罐、补料罐等的空罐灭菌及管道灭菌从有关管道通入蒸汽，使罐内蒸汽压达0.147MPa，维持45min，灭菌过程从阀门、边阀排出空气，并使蒸汽通过达到死角灭菌。灭菌完毕关闭蒸汽后，待罐压低于空气过滤器压力时，通入无菌空气保持罐压0.098MPa。3、 空气总过滤器和分过滤器灭菌排出过滤器中的空气，从过滤器上部通入蒸汽，并从上、下排气口排气，维持压力0.147MPa灭菌2h。灭菌完毕，通入压缩空气吹干。4、 种子培养基实罐灭菌从夹层通入蒸汽间接加热至80，再从取样管、进风管、接种管进蒸汽进行直接加热，同时关闭夹层蒸汽进口阀门，升温至121，维持30min。5、 发酵培养基实罐灭菌从夹层或盘管进入蒸汽，间接加热至90，关闭夹层蒸汽，从取样管、进风管、放料管三路进蒸汽，直接加热至121，维持30min。6、 发酵培养基连续灭菌一般培养基为130维持5min，谷氨酸发酵培养基为115、6min8min。7、 消泡剂灭菌直接加热至121，维持30min。8、 补料实罐灭菌根据料液性质而定，如淀粉料液为121维持5min；糖液为120，维持30min。9、 尿素溶液灭菌 105，维持5min。第二节 空气净化一、 空气净化的方法二、 空气净化的流程三、 空气的预处理补充部分四、 空气过滤除菌的原理和介质空气净化是发酵工程好氧培养过程中的一个重要环节。对绝大多数的好氧深层培养过程而言，无论是菌体生长还是代谢产物的合成都需要消耗大量的氧气，以满足微生物的生长、繁殖以及代谢的需要。在工业生产上均采用空气作为氧气的来源，但是，空气中夹带有各种各样的微生物，如果这些微生物随空气一起进入培养系统，会在合适的条件下大量繁殖，并且与目的微生物竞争性的消耗培养基中的营养物质，产生各种副产物，从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行，甚至发生倒罐现象，造成严重的经济损失。空气净化除菌不彻底是发酵染菌的主要原因之一。为了保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去。空气是一种气态物质的混合体，包括氧气、氮气、二氧化碳、惰性气体、水分等，还含有悬浮于空气中的灰尘及各种微生物。空气中的微生物含量与环境有密切关系。一般干冷的北方比暖湿的南方含菌量少；高空比地面含菌量少；农村比工业城市含菌量少。空气中的微生物一般附着在尘埃和雾沫上。一、 空气净化的方法各种不同的培养过程，所用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、培养周期的长短以及培养基中的pH值不同，对空气灭菌的要求也不相同，所以对空气灭菌应根据具体情况而定。空气净化的方法很多，适用于供给发酵需要的大量无菌空气的除菌方法主要有以下几种：1、 加热灭菌将空气加热到一定温度并维持一定时间，以杀死空气中的微生物。此方法是利用加热后微生物体内的蛋白质（酶）氧化变性而得以实现。空气加热可用蒸汽、电能和空气压缩机产生的热量，后一种方法比较经济。空气在进入培养系统前，一般都需要用压缩机压缩以提高压力。压缩机载活塞高速运动和空气被压缩的过程中会产生大量的热，被压缩出来的空气的温度可达200左右，保持一定时间便可达到灭菌目的。若提高空压机进口空气的温度，则出口空气温度也会提高。2、 静电除尘近年来静电除尘在化工、冶金、发酵等工业生产中被广泛用于除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物。静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。当空气通过高压静电场时，空气中的微粒就会被电离成带电微粒并被两极吸附而沉降。微粒带电很少时，产生的引力等于或小于布朗运动，则微粒就不能被吸附，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。在发酵工业上，静电除尘主要应用于超净工作台和无菌室等所需无菌空气的第一次除尘，然后再配合高效过滤器使用。为了保证除尘效率，吸附于电极上的微粒、水滴、油滴等应定期清除。3、 介质过滤除菌使空气通过定期灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物颗粒阻截在介质中一达到除菌目的。这种方法是目前发酵工业中经济实用、应用最广的制备大量无菌空气的方法。以上空气除菌方法中，加热灭菌可杀死难以用过滤除去的噬菌体，但用蒸汽或电加热，费用昂贵，无法处理大量的空气。利用空气压缩热灭菌是干热灭菌，必须维持一定时间的高温（220左右），空压机维持较高压力，压力越高则消耗动力越大，同时保温15s，需要较大的维持罐或管。静电除尘由于效率达不到无菌要求，一般只作初步除尘，至今工业上空气除菌大都是采用介质过滤除菌法。二、空气净化的流程空气进入空压机之前要进行粗过滤，然后再进入。空气经压缩后温度升到120150，应先冷却到2025，除去油和水，再加热到3035，进入空气过滤器除菌，从而获得无菌度、温度、压力和流量均符合生产要求的无菌空气。空压机对空气提供能量，克服空气在预处理、过滤除菌及有关设备、管道、阀门等的压力损失，并在培养过程中能维持一定的罐压。高效的过滤除菌设备能够除去空气中的微生物颗粒。为了保证过滤器的效率并维持一定的气速和不受油、水的干扰，需要一系列的加热、冷却及分离和除尘设备来保证，其他附属设备则要求尽量采用新技术以提高效率，精简设备，降低投资，并简化操作，但流程的制定要根据具体的气候、地理环境及设备条件来考虑。空气净化有多种工艺流程，下面介绍几种典型流程。1、冷热空气直接混合除菌流程 图3-5 冷热空气直接混合式空气除菌流程粗过滤器压缩机 贮罐 冷却器 丝网分离器过滤器 如P32图3-5，压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器冷却到较低温度，经分离器分离油和水雾后，与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，要求控制混合后的空气参数温度t为3035，相对湿度fai四声为50%60%，混合后进入过滤器。此流程适用于中等湿含量地区，其特点是可省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备，流程较简单，热能利用合理，但操作要求较高，要经常根据气候条件调节两部分空气的混合比。2、两级冷却、分离、加热的除菌流程 如P33图3-6，此流程可适应各种气候，能充分分离油水，提高过滤效率。特点是两次冷却、两次分离、适当加热。冷却和分离使油、水雾分离比较完全，提高空气的热系数。经第一冷却器冷却后，大部分水、油都结成较大的雾滴，且浓度较大，适用于旋风分离器分离，第二冷却使空气进一步冷却，析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离。加热器把空气相对湿度降至50%60%，达到过滤器的空气湿度要求。3、高效前置过滤除尘流程 图3-7 高效前置过滤空气除菌流程 、高效前置过滤器 、压缩机 、贮罐 、冷却器、丝网分离器 、加热器 、过滤器 P33如图3-7，此流程采用了高效率的前置过滤设备，无菌程度高。它先利用压缩机的抽吸作用使空气先经中、高效过滤器过滤后进入空压机，这时空气无菌度已达99.99%，再经冷却、分离，入总过滤器后空气无菌度更高，以保证发酵安全，高效前置过滤器采用泡沫塑料、超细纤维纸作为过滤介质，串联使用。补：三、空气的预处理由各种空气除菌流程可知，空气预处理的目的为：提高压缩前空气的洁净度；对压缩后的空气进行冷却、油水分离和加热减湿 。（1）空气的粗滤空气粗滤的目的是滤除空气中颗粒较大的尘埃，减少进入压缩机空气的灰尘和微生物含量，减轻压缩机的磨损和主过滤器的负荷，提高除菌后空气的质量，工业常用布袋过滤器，填料过滤器、油浴洗涤装置和水雾除尘装置达到空气粗滤的目的。（2）压缩空气的冷却由于空气经压缩后温度很高，若直接进入空气过滤器，就会引起过滤介质的炭化或燃烧，而且会造成发酵罐降温负荷增大，发酵液水分过分蒸发，给发酵温度的控制及微生物生长产生影响。因此，压缩空气在进入介质过滤器前必须冷却。在工业上压缩空气冷却常用管壳式换热器、翘板式换热器、沉浸式换热器、喷淋冷却器来进行。（3）压缩空气的除水除油由于冷却后的压缩空气可能接近过饱和，会有水滴或油滴析出，这样可能使过滤介质受潮而导致空气除菌失败。因此，压缩空气冷却后在进入介质过滤器前必须用旋风分离器或丝网分离器达到除水除油的目的。（4）除水除油后压缩空气的加热 由于除水除油后的压缩空气的相对湿度为100%，若直接进入空气过滤器，在过滤器压力降存在的条件下，就可能再次析水而使介质受潮，从而使过滤除菌失败，为此，必须在除水除油后的压缩空气进入过滤器前用管壳式加热器进行适当加热，来降低其相对湿度，保证在过滤器压力降存在的条件下，也不致使其析水，以保证过滤器的正常性能。四、空气过滤除菌的原理1、空气过滤除菌的原理空气过滤所用介质的间隙大于被滤除的尘埃或者微生物，那么空气过滤除菌是怎样实现的呢？当微生物微粒随气流通过滤层时，由于滤层纤维多形成的网格阻碍气流前进，使气流出现无数次改变速度和方向的绕流运动，从而导致微生物颗粒与滤层纤维间产生惯性碰撞、拦截、布朗扩散、重力及静电吸附等作用，将微生物颗粒截留在介质层内，达到过滤的目的。（1） 惯性碰撞作用在过滤器中滤层交错着无数纤维，形成层层网络。当带有微生物的空气通过滤层时，仅能从纤维间隙通过，由于纤维交错所阻迫，空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层，而微粒由于惯性较大，未能及时改变运动方向随主导气流前进，而是直接冲到纤维表面。由于摩擦、黏附作用，微粒被滞留在纤维表面，这称为惯性碰撞作用。当气流速度达到一定时，它是介质过滤除菌的主要作用。当空气流速降低至惯性冲击滞留作用接近零时的速度称为临界气流速度，此时，阻截作用可使微生物阻留而达到过滤除菌的目的。 （2） 阻截作用当气流度较低时，微生物不再由于惯性碰撞而被滞留。微生物颗粒直径小、质量轻，它随低气流流动，慢慢靠近纤维并绕过纤维前进，在纤维周边形成一层边界滞留区。滞留区气流更慢，进到这一区的微粒慢慢靠近接触纤维而被黏附滞留。（3） 布朗扩散作用直径很小的的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散运动。布朗运的距离较短，在较大的流速和间隙中不起作用，但在很慢的气流和较小的纤维间隙间，布朗运动大大增加了微粒与纤维间的接触滞留机会或使较小微粒凝聚为较大颗粒，随即发生重力沉降，达到过滤目的。（4） 重力沉降作用当微粒所受重力大于空气对它的拖带力时，微粒就沉降。大颗粒易沉降，而小颗粒只有在气流很慢时才起作用。（5）静电吸附作用空气对非导体物质摩擦时会产生诱导电荷，尤其是一些合成纤维更显著。悬浮在空气中的微生物颗粒大多带有不同的电荷，当空气通过过滤介质时，带电颗粒易被介质的异种电荷吸引，发生静电吸附而被捕集。在介质过滤中哪种机理起主导作用，由颗粒性质、介质性质介质种类、纤维直径、介质填充密度、滤层厚度和气流速度等决定，只有静电吸引只受颗粒和介质所带电荷作用，不受外界因素影响。 当气速小时，惯性碰撞作用不明显，以沉降和布朗运动为主，此时除菌效率随气流增大而降低，当气速增大到某值时，除菌效率最小，此气流称为临界气流。 当气流继续加大，惯性碰撞代替沉降和布朗运动，除菌效率随气流增大而提高，以上现象还与微粒大小有关，只有1m，以上的微粒才是这样，在0.5m以下几乎无惯性碰撞现象。补： 气流中等时，阻截作用起主要作用。 气流速度过大时，已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回气流中，除菌效率下降。2、 介质过滤效率过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与空气中原有微粒数之比。是衡量过滤设备过滤能力的指标：式中，（yita伊塔）过滤效率除菌效率；N1、N2为过滤前、后空气中微粒含量；P为穿透率，即过滤后空气中残留微粒数与原有微粒数之比。介质过滤除菌机理说明介质过滤除菌不是面积过滤，而是依靠很多层细小的纤维将空气中的微粒拦截在介质层中，因此过滤效率随滤层厚度增加而提高。在一定条件下，可以通过计算方法确定过滤层厚度。假定微粒一旦被捕获就不再逃逸，且在与气流垂直的截面上微粒均匀分布，取滤床厚度中一段微小长度dL，经过此厚度过滤介质过滤后，空气中微粒数的减少数-dN可用下式表示：式中，N为空气中微粒数（个）；L为滤床厚度（cm）；K为过滤常数（cm-1）。式（3-14）整理积分得：式中，N0为连续通入的总空气所含微粒数（个）；Ns为过滤后空气中的微粒数（个）。式（3-16）称为“对数穿透定律”。常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度、空气中微粒直径等有关。由式（3-16）知，当Ns=0时，L，事实上不可能，一般取Ns=10-3。式（3-16）说明介质过滤不能长期获得100%的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长了空气中带菌颗粒在过滤器中滞留的时间。当气流达到一定值时，或过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿透，所以过滤器必须定期灭菌。3、 空气过滤除菌的介质过滤介质是过滤除菌的关键，它的好坏不但影响介质的消耗量、过滤时的动力消耗、劳动强度等，而且也决定了空气过滤器的结构、尺寸以及过滤除菌效率的可靠性。空气对过滤介质的要求有吸附性强、阻力小、空气流量大、能耐干热等。工业上常用的空气过滤器主要有两种：一种以纤维状物（棉花、玻璃纤维、腈纶等）或颗粒状物（活性炭）为介质构成，这种过滤器滤层厚度大、体积大、压力降大，操作麻烦；另一种为微孔滤纸、滤板、滤棒构成，制成旋风式或管式。（1） 纤维状或颗粒状过滤介质以纤维状或颗粒状介质构成的过滤器如P35图3-8所示。过滤器内有上、下孔板，介质置于两孔板之间被孔板压紧。介质主要是棉花、玻璃纤维、