发酵工程韦革宏杨祥第5章3节.ppt

第五章发酵工程的灭菌与空气除菌 设备 基质和空气的净化 第三节空气的除菌 空气净化的方法 原理和流程 发酵过程空气除菌的必要性 绝大多数工业发酵均是利用好氧微生物进行纯种培养 氧气的供给量很大 空气中微生物很多 如不设法除去 则必定会造成发酵过程的染菌 例如 一个通气量为40m3 min的发酵罐 一天所需的空气量高达5 76 104m3 假如所用的空气中含菌量104 m3 那么一天将有5 75 108个微生物细胞进入发酵罐 一 发酵使用的净化空气的标准 空气中微生物的情况主要微生物 细菌及其芽孢浓度的影响因素 地区 高度 季节等发酵工业对空气无菌程度的要求不同工业有区别一般要求 10 3发酵工厂的空气洁净度等级 二 空气预处理 空气预处理的目的一是对进入空气过滤器的空气进行预处理 达到合适的空气状态 温度 湿度 油水 二是对空气进行过滤处理 以除去微生物颗粒 满足生物细胞培养需要 空气净化系统流程如图5 11所示 图5 11空气除菌设备流程图1 粗过滤器 2 压缩机 3 贮罐 4 6 冷却器 5 旋风分离器 7 丝网除沫器 8 加热器 9 空气过滤器 空气预处理过程 来自采风塔 二 空气预处理 采风塔设立采风塔的原理高度每上升10m 空气中微生物量下降一个数量级 因此 空气吸入口一般都选在比较洁净处 并尽量提高吸入口的高度 以减少吸入空气的尘埃含量和微生物含量 一般位置采风塔一般选择在当地的上风口地点 并远离尘埃集中处 高度一般在10m左右 可建在空压机房的屋顶上 二 空气预处理 粗过滤器指空气进入空气压缩机前的前置过滤器 作用 滤去空气中颗粒较大的尘埃 减少进入空气压缩机的灰尘和微生物含量 减少空压机的磨损 延长其寿命 并可减轻主过滤器的负荷 特点要求 过滤效率高 阻力小 容灰量大 主要设备 滤袋 填料 油浴 水雾 二 空气预处理 布袋过滤器 将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋 紧套于焊在进气管的骨架上 并缝紧所有会造成短路的空隙 气流流量一般为2 2 5m3 m2 min 空气阻力大约为600 1200Pa 滤布现多采用合成纤维制的 要定期换洗 图5 12机械振动袋式除尘器 二 空气预处理 填料式粗过滤器 一般用油浸铁丝网 玻璃纤维或其他合成纤维等作填料 过滤效果比布袋过滤稍好 阻力损失也较小 但结构较复杂 占地面积也较大 内部填料经常洗换才能保持一定的过滤作用 操作比较麻烦 图5 13微孔陶瓷管式粗过滤器 二 空气预处理 油浴洗涤装置 空气进入装置后通过油层洗涤 空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而除去 这种装置的洗涤除菌效果好 阻力也不很大但耗油量较多 图5 14油浴洗涤装置 1 滤网2 加油斗 空气入口 二 空气预处理 水雾除尘装置 空气从设备底部进入 经上部喷下的水雾洗涤 将空气中的灰尘 微生物微粒黏附沉降 从器底排出 带有微细小水雾的洁净空气经上部过滤网过滤后排出 对直径大于5 m的粒子可基本去除 图5 15水雾除尘装置 二 空气预处理 空气压缩机空气压缩机 AirCompressor AC 是将原动机 通常是电动机 的机械能转换成气体压力能的装置 目前常用的空压机有往复式 活塞式 和涡轮式两种 空气经压缩后 温度会显著上升 压缩比愈高 温度也愈高 空压机是整个发酵生产线空气管线的压力来源 同时还有一定的空气杀菌作用 当活塞式压缩机的曲轴旋转时 通过连杆的传动 活塞便做往复运动 由气缸内壁 气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化 活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时 气缸内的工作容积逐渐增大 这时 气体即沿着进气管 推开进气阀而进入气缸 直到工作容积变到最大时为止 进气阀关闭 活塞式压缩机的活塞反向运动时 气缸内工作容积缩小 气体压力升高 当气缸内压力达到并略高于排气压力时 排气阀打开 气体排出气缸 直到活塞运动到极限位置为止 排气阀关闭 当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时 上述过程重复出现 总之 活塞式压缩机的曲轴旋转一周 活塞往复一次 气缸内相继实现进气 压缩 排气的过程 即完成一个工作循环 图5 16往复式 活塞式 空压机工作原理 随着机轴传递给叶片的动能 气体在叶片驱使下高速旋转 产生离心力 机内气体在离心力作用下 沿叶片流道向叶片出口甩出 从叶片出口流出的高速气体 在蜗壳流道内速度逐渐变慢 压力逐渐升高 图5 17涡轮式空压机工作原理 并沿排出口排出 与此同时 叶片入口处的气体减少 压力降低 形成出入口压差 也就连续吸入新的气体 二 空气预处理 空气贮罐空气贮罐是一个装有安全阀 压力表的空罐壳体 空气贮罐的作用消除压缩机排出空气量的脉动 利用重力沉降作用分离部分油雾 二 空气预处理 空气冷却器压缩空气降温的必要性防止过滤介质碳化降低培养装置降温负荷冷却降湿避免过滤器受潮空气冷却器的种类列管式空气冷却器板式空气冷却器空气冷却器的工作流程一般两级串联 二 空气预处理 气液分离器气液分离器的作用除油除水气液分离器的种类利用离心力进行沉降的旋风分离器利用惯性进行拦截的介质过滤器丝网除沫器进一步分离油水 小油滴 雾滴 二 空气预处理 空气的加热加热的必要性防止主过滤器受潮加热要求温差在10 15 左右加热设备各种换热器 主要是列管式换热器 三 空气净化的方法 一 热杀菌电热和蒸汽热杀菌能耗不大可行采用空气压缩机同时完成热杀菌可行空压机出口温度可达187 198 压力为0 7MPa只要维持一定的时间即可缺点设备耐热性要求提高能耗有所提高 设备投资也有一定加大 二 辐射杀菌大规模空气的灭菌还不能采用此种方法 三 空气净化的方法 三 静电除菌静电除菌是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的 原理 特点 优点是节能 处理量大 设备投资少缺点是对小粒子去除率低应用 辅助 配合高效过滤器使用 三 空气净化的方法 四 过滤除菌过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质以阻截空气中所含微生物 而取得无菌空气的方法 是目前也是未来发酵工业空气除菌的主流方法 过滤除菌的过滤介质材料棉花 活性碳或玻璃纤维 有机合成纤维 有机 无机和金属烧结材料等过滤除菌的原理绝对过滤 微孔滤膜 孔径小于细菌直径 如醋酸纤维素微孔滤膜 聚四氟乙烯微孔滤膜等 三 空气净化的方法 深层过滤 以纤维 棉花 玻璃纤维 尼龙等 或颗粒状 活性碳 介质为过滤层 空隙一般较大 靠静电 扩散 惯性和阻截等作用将细菌截留在滤层中 深层过滤 用超细玻璃纤维 纸 石棉板 烧结金属板 聚乙烯醇 聚四氟乙烯等为介质 滤层较薄 但孔径一般还是大于细菌直径 四 介质过滤除菌的材料及原理 一 介质过滤除菌的材料棉花棉花是最早使用的过滤介质 纤维直径大约20 m以纤维较长的 新的 未脱脂的棉花为好装填密度约150 200kg m3设备 深层过滤器 四 介质过滤除菌的材料及原理 玻璃纤维概念玻璃纤维 GlassFiber 是一种性能优异的无机非金属材料 成分为二氧化硅 氧化铝 氧化钙 氧化硼 氧化镁 氧化钠的混合物 是以废旧玻璃为原料经高温熔制 拉丝 络纱 织布等工艺制成 纤维直径几到几十 m不等 填充密度充填系数一般6 10 过滤效率与填充密度 厚度 纤维直径都有关系特点阻力损失小 过滤效果好 但对人有刺激 四 介质过滤除菌的材料及原理 活性炭概念 是利用木炭 竹炭 各种果壳和优质煤等作为原料 通过物理和化学方法对原料进行破碎 过筛 催化剂活化 漂洗 烘干和筛选等一系列工序加工制造而成 由于其多孔结构而具有物理吸附和化学吸附的双重特性 颗粒直径 若干毫米特点 阻力低 过滤效率也低 常配合其它介质使用 四 介质过滤除菌的材料及原理 超细玻璃纤维纸用无碱玻璃纤维制成 直径仅1 2 m 使用 不散装 而是做成0 25 1mm厚的纤维纸使用特点 网格空隙小 过滤效率高缺点是机械强度差 且极易吸湿强化处理酚醛树脂处理以增加机械强度硅酮处理以防润湿 四 介质过滤除菌的材料及原理 烧结材料过滤介质烧结材料的概念烧结材料是在高温下 固体颗粒的相互键联 晶粒长大 空隙 气孔 和晶界渐趋减少 总体积收缩 密度增加 最后成为具有某种显微结构的致密多孔体 此即烧结材料 过滤原理形成的介质具有微孔通道 起到微孔过滤的作用 常用材料及性能钛锰合金金属粉末烧结体 烧结陶瓷等孔径5 10 m 过滤效果中等 四 介质过滤除菌的材料及原理 新型过滤介质即绝对过滤所用的超滤膜 微孔滤膜 微孔直径只有0 1 0 45 m 去除细菌率可达100 使用 折叠成滤芯使用同粗过滤器联合使用性能与传统过滤器相比 性能优越 四 介质过滤除菌的材料及原理 二 介质过滤除菌的原理深层过滤的机制比绝对过滤要复杂 因为过滤介质的孔径要大于被过滤为物质 其过滤机理概括起来有四种 直接拦截微生物颗粒是很小的 深层过滤器对其的过滤截留机制远比平面过滤要复杂 深层过滤器可以像膜过滤器一样在其表面直接拦截直径比较大的颗粒 通过搭桥作用 尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截 四 介质过滤除菌的材料及原理 惯性撞击尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式 流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性 颗粒离开流体主流而撞击到滤材上即惯性撞击作用 在惯性撞击中颗粒被机械拦截或被吸附拦截 在气体中比在液体中更有效 惯性撞击作用对大于1 0微米的颗粒的截留很有效 扩散拦截仅在气体中有效 是气体分子布朗运动 Brownianmotion 碰撞小微粒的结果 使其呈现不规则运动 增加了其碰撞过滤介质的机会 四 介质过滤除菌的材料及原理 气体过滤器的过滤精度要好于液体过滤器 扩散拦截起了决定性作用 如果一个气体过滤器在湿润环境中运行 它的去除能力即变为液体精度 扩散拦截对直径在0 1微米以下的小颗粒拦截效果最好 扩散拦截需要较低的气流速度才能发挥作用 其他辅助过滤作用重力沉降作用 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时微粒就沉降 在纤维的边界滞留区内 重力沉降作用提高了拦截效率 静电吸引作用 介质与空气摩擦起电 而微生物粒子也大多带有少量电荷 相反即相吸 四 介质过滤除菌的材料及原理 介质过滤除菌机理总结在各种机制中 直接拦截 惯性撞击和扩散拦截的作用是主要的 在三种主要的过滤机制中 气流速度较大时惯性撞击发挥主要作用 气流速度较小时则以扩散拦截为主 两者的分界称临界气流速度 直接拦截的效果基本不受气流速度影响 五 空气净化的工艺流程 空气过滤效率和过滤器各种参数在过滤流程选择前要进行精确计算以作为重要依据 并要结合各种实际情况考虑选择 空气压缩冷却过滤流程 1 粗过滤器 2 压缩机 3 贮罐 4 冷却器 5 总过滤器 五 空气净化的工艺流程 特点 流程简单 设备少适用 北方寒冷干燥地区两级冷却 分离 加热的空气除菌流程 1 粗过滤器 2 压缩机 3 贮罐 4 6 冷却器 5 旋风分离器 7 丝网除沫器 8 加热器 9 主过滤器 五 空气净化的工艺流程 特点 两次冷却 两次分离 适当加热 高效但设备较多 适用 基本适用于各个地区 高效前置过滤空气除菌流程 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 主过滤器 五 空气净化的工艺流程 特点 一次冷却分离 有前置高效过滤器适用 无菌要求高的发酵工厂 本章结束 Thanks 表5 11不同条件下1m3的含菌量 引自周德庆 微生物学教程 表5 12环境空气洁度等级 注 洁净室空气洁净度等级的检验 应以动态条件下测试的尘粒数为依据 对于空气洁净度为100级的洁净室内大于等于5微米尘粒的计算应进行多次采样 当其多次出现时 方可认为该测试数值是可靠的 采用9cm平板暴露30min 37 培养24h得结果 尘粒数以尘埃粒子计数器检测 图5 9一种激光尘埃粒子计数器及其性能参数 现在还有更简便的检测仪器 图5 10另一种手持式激光尘埃粒子计数器 图5 18各种旋风分离器 图5 19各种介质过滤气液分离器 丝网除沫器 由金属丝网编织成的嵌合在罐体内的除水除油过滤层 图5 20各种列管式换热器 表5 13杀菌温度与所需时间之间的对应关系 热杀菌流程1 压缩机 2 贮罐 3 保温层 图5 21静电除尘灭菌器示意图1 升压变压器 2 整流器 3 沉淀电极 4 电晕电极 通电后 在集尘电极和电晕线间建立了不均匀电场 接近空气击穿场强时空气电离 自由粒子运动中碰撞尘埃粒子使之载荷 集尘附着 最后振动抖落于灰斗 滤材 孔 过滤除菌利用有孔介质从气体中除去微生物 深层棉花 活性炭过滤器立式圆筒形 内部填充过滤介质 以达到除菌的目的 填充物的装填顺序如下 孔板 铁丝网 麻布 棉花 麻布 活性碳 麻布 棉花 麻布 铁丝网 孔板 图片来自中华网 图5 22玻璃纤维 图片来自中华网 表5 14玻璃纤维的过滤效率 加装超细玻璃纤维纸的平板过滤器 金属粉末烧结滤芯青铜过滤芯过滤杯滤帽 金属烧结毡纤维放大 烧结金属断面图 图5 22烧结金属材料 表5 15传统过滤介质 上 与微孔滤膜 下 的比较 常见的折叠滤芯型膜过滤器及其构造 小颗粒的相对尺寸 膜过滤器可以看做是简单的平面过滤 而深层过滤器是