第九章 空气供给工程设备.ppt

,第四篇其他设备,第九章空气供给工程设备,内容,空气中微生物的分布发酵工业对空气无菌程度的要求空气除菌的方法介质过滤除菌的机理介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的设备及计算空气调节的方法空气调节的工艺设备及计算,概述,需氧微生物的纯培养：生长及代谢需要氧气的参与直接通空气会导致染菌，工业上通纯O2成本太高。空气中微生物对发酵等具有很大破坏性生物反应或者保藏生物细胞和生物制品，需要洁净的环境、合适的空气温度、湿度和空气压力。,关于抗生素生产企业发酵染菌的分析及资料统计,GMP,生物工程技术生产药品时，要符合药品生产和质量管理规范（GoodManufacturingPractice，GMP)洁净级别：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。,第一节空气除菌过程与设备,一、空气除菌和灭菌方法二、空气过滤除菌流程三、空气预处理过程设备四、介质过滤除菌,一、空气除菌和灭菌方法,1.空气中微生物的分布2.发酵对空气无菌程度的要求3.空气除菌及方法,1.空气中微生物的分布,空气的组成：各种气体及颗粒空气中的微生物：细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒分布方式：依附在尘埃上的，空气中的尘埃数与细菌数的关系如下式数量：103104个/m3,空气中微生物的含量和种类随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。这些微生物一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。,空气中微生物如何检测？,检测：培养法或光学法测定其近似值？,空气微生物采样器,2.发酵对空气无菌程度的要求,好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要作到绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。发酵对无菌空气的要求是：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标；发酵对无菌空气的无菌程度要求因菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短等的不同而异而异，其要求为：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。,“无菌空气”：是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一个水平，从而使污染的可能性降至极小。根据生物产品的不同，可以按染菌概率10-310-6来表示无菌程度，10-3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气只允许1次染菌。空气除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制定的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。,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）0.2-0.4MPa；（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高1030；（5）压缩空气的洁净度，取失败率为10-3，也可以把100级作为无菌空气的洁净指标。,100级：每立方米空气中，尘埃粒子数最大允许值0.5m的为3500，5m为0；微生物最大允许数为5个浮游菌/m3，1个沉降菌/m3。美国国家航空和宇宙航行局（NASA）标准：0.5m的微粒数100个/ft3生物微粒0.1个/ft3沉降量1200个/（ft3*周）,3.空气除菌及方法,定义：除去或杀灭空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀灭空气中的微生物。介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。,（1）辐射杀菌,超声波、高能阴极射线、X射线、射线、射线、紫外线，杀菌机理不详紫外线。253.7265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。辐射灭菌：一些表面的以及对流不强情况下有限空间内空气的灭菌,应用范围与缺点,通常用于无菌室和医院手术室。杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。,（2）热灭菌法,机理：加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡有效、可靠需要消耗大量能源和增设大量的换热设备，从技术经济上来看不是很合理。,原理,空压机压缩后空气温度升高多变指数m=1.25,例题,21的大气经空气压缩机的压缩，空压机空气出口压强为表压0.7MPa，求压缩后的空气温度？,（3）静电除菌,利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的优点：阻力小，染菌率低，平均低于10-15，除水、除油的效果好，耗电少，可同时除去水雾、油雾、尘埃缺点：设备庞大、一次性投资较大、捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。受气体温、温度等的操作条件影响较大。,按气流方向分为立式和卧式，按沉淀极极型式分为板式和管式，按沉淀极板上粉尘的清除方法分为干式湿式等,卧式静电除尘器,管式静电除尘器,按气流方向分为立式和卧式，按沉淀极极型式分为板式和管式，按沉淀极板上粉尘的清除方法分为干式湿式等,静电除尘器简图：1-阳极；2-阴极；3-阴极上架4-阳极上部支架；5-绝缘支座；6-石英绝缘管；7-阴极悬吊管；8-阴极支撑架；9-顶板；10-阴极振打装置；11-阳极振打装置；12-阴极下架；13-阳极吊锤；14-外壳15-进口第一块分布板；16-进口第二块分布板17-出口分布板；18-排灰装置,1516,（4）介质过滤除菌,含菌空气通过过滤介质，以阻截空气流中所含微生物，从而取得无菌空气的方法。最常用的获得大量无菌空气的常规方法从经济性、可操作性、有效性等方面考虑，生物加工过程的无菌空气基本上采用介质过滤的方法进行。,（4）介质过滤除菌,1.介质过滤除菌机理2.空气过滤设备的计算设计3.过滤介质,过滤介质分类,介质间孔隙大于微生物直径，有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、烧结材料等而另一类孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。除去0.2m左右的粒子，故可以把生物全部过滤除去。,过滤器的功能,过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用,介质过滤除菌机理,直接拦截惯性冲击重力沉降拦截布朗扩散静电吸附,直接拦截,流体中的基本过滤机制本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒绝对截留：颗粒直径大于过滤介质间隙-颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中搭桥作用：通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截,直接拦截,直接拦截,直接拦截,通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截搭桥机理：不规则形状的颗粒/方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔,堆积在过滤器表面的颗粒可以形成滤饼，提高过滤效率拦截在过滤器表面的颗粒堆积成颗粒层当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的“滤饼”即已形成了。滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高,直接拦截,不规则形状的搭桥,直接拦截,惯性冲击滞留作用机理,空气通过滤层时，气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，错综复杂，迫使空气流不断地改变运动方向和速度。惯性冲击滞留作用：当微粒以一定的速度垂直纤维方向运动时，空气受阻即改变方向，绕过纤维前进。而微粒由于运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维的表面，由于摩擦黏附就滞留在纤维表面上。,惯性撞击,当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。,惯性撞击,停留的颗粒减小了滤孔孔径,惯性撞击,惯性撞击,当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留,单纤维的惯性冲击捕集效率b-纤维能滞留微粒的宽度区间，m；df-纤维直径，m；根据实践，捕集效率是微粒惯性力的无因次准数的函数，,与纤维的直径、微粒的直径、微粒的运动速度的关系为：C-层流滑动修正系数；v0-微粒的流速，m/s；df-纤维直径，m；dp-微粒直径，m；p-微粒密度，kg/m3；-空气粘度，Pas；,气速和纤维直径均能影响捕集效率，其中尤以空气流速最为重要。惯性碰撞的临界气速以1/16气速达临界气速的条件,当df=1m，C=11.46，若1.8610-5（帕秒）（30时空气的粘度），p1000（千克/米3）（微生物的密度与水接近），则：,拦截滞留作用,拦截滞留作用：当微粒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，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区内的气流速度更慢，进入其中的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附滞留,捕集效率是，它与气流的雷诺准数以及与微粒和纤维直径之比有关，,R-微粒和纤维的直径比；df-纤维直径，m；dp-微粒直径，m；,布朗扩散截留作用,布朗扩散：直径很小的微粒在缓慢流动的气流中能产生一种不规则的直线运动；较大空间、较大气速时不起作用；缓慢流动的气流和极小的纤维间隙间：增强了微粒与纤维的接触和被捕捉,扩散拦截,扩散拦截,被随机运动的气体分子碰撞的颗粒撞击到过滤介质上并被吸附截留,扩散拦截,当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。,重力沉降作用机理,稳定的分离作用当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降。单一的重力沉降大颗粒比小颗粒作用显著，小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。,静电吸附作用机理,干空气与非导体物质相对运动产生摩擦时，会产生诱导电荷悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷受带异性电荷物体的吸引而沉降,吸附,表面作用,过滤除菌机理,当空气流过介质时，上述五种除菌机理同时起作用气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。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；气流速度较小，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时扩散起主要作用；气流速度中等，可能是截留起主要作用。如果空气流速过大，除菌效率又下降，则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中。,4、过滤介质的类型,表面过滤介质:编织网粉末烧结深度过滤介质:纤维材料结构棉花活性炭或玻璃纤维有机合成纤维浇铸膜结构,1.表面过滤介质,所有滤孔在一个平面上依靠直接拦截捕获颗粒,最严格的定义:,表面过滤,表面或筛网过滤的局限,主要依靠直接拦截。小于孔径的颗粒将穿过。惯性撞击无效.扩散拦截有微效.,2.深度过滤介质,污染物被介质内部结构捕获的一种过滤介质，滤孔贯穿于整个介质厚度。调整流道可以获得高容污能力,最严格的定义:,深度过滤介质,第四节介质过滤除菌的工艺,空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制订的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。对于一般要求的低压无菌空气，可直接采用一般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。而一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。,二、空气过滤除菌流程,按生产对无菌空气要求具备的参数结合吸气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而制定的。空压机或鼓风机：提高压力，克服阻力，（除水除油）风压要求低，输送距离短，无菌要求也不高的场合及具有自吸作用的发酵系统离心式鼓风机增压，低压,发酵厂所使用的空气除菌流程，随各地的气候条件及设备条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。气流速度可由操作来控制；要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在5060的条件下过滤。,（一）两级冷却、加热除菌流程,两级冷却、加热除菌流程优点,适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率两次冷却、两次分离、适当加热。两次加热、两次分离油水的好处是能提高传热系数，节约冷却水，油水分离得比较完全,油水分离装置两级冷却器,第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离,加热装置,第一级冷却到3035，第二级冷却到2025。除水后，空气的相对湿度仍较高，须用丝网分离器后的加热器加热空气，使其相对湿度降低至5060%，以保证过滤器的正常运行。分水后加热到3035，因为温度升高，相对湿度下降。两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区,根据上式，空气湿含量x及温度t（即ps）不变，空气压强P越大，则相对湿度也越大，若含湿量不变（x2=x1），则,空气除菌中水蒸气含量计算,1.大气温度为20，相对湿度为80%的空气，当压缩至2kg/cm2（表压）时，温度为120，求空气的相对湿度？20和120时ps分别为0.0238及2.025kg/cm2解：,=2.76%,2.若将上述压缩空气冷却至40（压力保持不变），相对湿度为多少？40时，ps=0.0752kg/cm2,=74.3%,3.若将上述压缩空气继续冷却（压力保持不变）使之开始析出水滴，问需冷却至几度？即求其露点。,kg/cm2,即此时为饱和蒸汽压,根据蒸汽表，饱和蒸汽压力为0.0558kg/cm2时，水温为34.5,4.若将题3压缩空气冷却至25（压力保持不变），求其湿含量x？并求每公斤干空气将析出多少水分？使之开始析出水滴，问需冷却至几度？40时，ps=0.0323kg/cm2。,若将题4压缩空气加热至35（压强保持不变），求其相对湿度？35时，ps=0.0578kg/cm2。,（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程,原理：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，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，混合空气已达到温度为3035，相对湿度为5060%的要求，再进入过滤器过滤。,优点,特点：可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等此流程适用于中等混合量的地区。,（三）高效前置过滤空气除菌流程,高效前置过滤空气除菌流程,高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机空气无菌程度比较高,（四）利用热空气加热冷空气的流程,利用热空气加热冷空气的流程,利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。此流程对热能的利用比较合理，热交换器还可以兼做贮气罐但由于气气交换的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求,核工业理化工程研究院华核新技术开发公司,空气过滤系统过滤,二、过滤器的结构,1，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,2，滤纸过滤器,3，金属过滤器（1）过滤器,外壳图,外壳滤芯接口图,外壳示意图,（2）预过滤器,气体预过滤器结构图（单芯）,气体预过滤器结构图（多芯）,气体预过滤器外壳图,（3）过滤系统过滤系统由金属过滤器、预过滤器及蒸汽过滤器组成。预过滤器的作用是将空气前处理系统中的铁锈等杂物进行预滤。蒸汽过滤器则是阻挡蒸气管路中的锈蚀物和锅炉污垢等杂质。上述二种过滤器的功能是保护金属过滤器，延长其使用寿命。,QJXZG高效蒸汽过滤器工作过程,蒸汽消毒过程,（4）主要技术参数过滤效率：99.9%过滤微粒直径0.2m过滤介质：预过滤器为中空玻璃纤维或高效过滤纸，蒸汽过滤器为聚四氟乙烯,金属过滤器为金属粉末镍冶炼而成。最大工作压力：0.8MPa工作温度：预过滤器130蒸汽过滤器130金属过滤器130气体阻力：在额定流量下，进口压力0.1MPa时，初始压降小于0.01MPa。,QJX-A金属膜过滤器工作过程,金属膜管工作过程,5，膜过滤（1）示意图,GS-Z型蒸汽过滤器（上）及滤芯（下），滤芯材质为聚四氟乙烯（粉末烧结）、钛金属或不锈钢纤维烧结毡,蒸汽过滤器结构简图,金属滤芯,膜过滤芯过滤器(聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等),（2）系统组成蒸汽过滤器预过滤器（粗）除菌过滤器（精）,预过滤器形式：以管式、袋式、折叠式为主，也可以是填充床式、浮动床式的过滤器，以及离心机、真空机等过滤器材。预过滤器一般选用深层过滤器，在使用过程中要求有低的压降、高的容尘量和变动幅度小的过滤精度和效率。过滤介质：玻璃纤维复合毡（聚丙烯纤维复合毡）。技术参数：过滤精度:0.3-0.5m过滤效率:95%-99.9%初始压差:0.005MP工作温度:80可耐最大压差:0.08MPa,除菌过滤器形式以板框式、管式、折叠式为主过滤介质：微过滤膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌过滤应具备的特点：高的过滤精度;大的通过量;能耐反复的消毒操作;强的亲水