生物工程设备 5

第三章空气压缩及除菌设备,联系方式：,引言：,绝大多数微生物在培养过程中无论是生长还是合成代谢产物都需要消耗大量的氧气。这些氧气是由空气提供的，空气中夹带有大量的各类杂微生物，这些微生物随空气进入培养系统在合适条件下大量繁殖，并与发酵生产中的生产菌竞争、抢夺营养物，产生各种副产物，从而干扰或破坏纯种培养的过程的正常进行，使生物产品的得率降低，产量下降，甚至使培养过程彻底失败导致倒罐，造成严重的经济损失。,一、生物工业生产对空气质量的要求1空气中微生物的分布2生物工业生产对空气质量的要求二、空气净化除菌的方法与原理（一）空气除菌的方法1辐射杀菌2热灭菌法3静电除菌4介质过滤除菌（二）介质过滤除菌的原理1惯性冲击滞留作用机理2拦截滞留作用机理3布朗扩散作用机理4重力沉降作用机理5静电吸附作用机理,教学内容,第一节发酵工厂对空气的质量要求,一、空气中微生物的分布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的多少，以及人们的活动情况而异。一般北方少，南方多，高空少，城市多，农村少。空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母霉菌和病毒。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上和雾滴上，空气中微生物的含量一般为个/m。,二、生物工业生产对空气质量的要求,在发酵中要求纯种培养，不允许其它微生物与生产菌共存。因此在生物工业中应用“无菌空气”。无菌空气指通过除菌处理使空气中含菌量降低到零或极低，从而使污染的可能性降至极小。,环境空气洁净度等级,第二节空气除菌的方法与原理,一、空气的除菌的方法空气主要是由氮气和氧气、二氧化碳、惰性气体、水蒸汽以及悬浮在空气中的尘埃等组成的混合物。空气中经常可以检测到一些细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒。,空气除菌就是除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。其中辐射杀菌、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。而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。,（一）、辐射杀菌,射线、X射线、射线、射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。但应用较广泛的还是紫外线，它在波长为253.7265nm时杀菌效力最强。辐射灭菌通常用于一些表面的以及对流不强情况下有限空间内空气的灭菌，如无菌室和医院手术室。但辐射杀菌效率较低，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。,（二）、热灭菌法,空气干热灭菌是依靠加热后使微生物体内蛋白质氧化而致死亡。热灭菌法虽然是可靠、有效的灭菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌的目的，则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。,在空气进入培养系统之前，用空压机提高压力，进而提高热灭菌时的所需的温度,一般多变指数m=1.3。那么当压缩比P2/P1=6时，由上式可知在6070的进气温度下，进压缩机压缩后空气的温度是多少？,空气热灭菌流程示意图P56图3-1右,（三）、静电除菌,静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。,用静电除菌净化空气有如下优点：(1)阻力小，约1.01325104Pa；(2)染菌率低，平均低于1015；(3)除水、除油的效果好；(4)耗电少。缺点是设备庞大，需要采用高压电技术，且一次性投资较大；对发酵工业来说，其捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。,（四）、介质过滤除菌,过滤除菌法是使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。是目前生物加工过程最常用的获得大量无菌空气的常规方法。,按过滤机制不同可分为绝对过滤和深层过滤。绝对过滤：介质的孔径小于细菌，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，其空隙小于0.5m，甚至小于0.1m深层过滤：介质孔大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，一般以纤维（棉花、玻璃纤维、尼龙）、颗粒状介质（活性炭）为过滤层（介质层厚），其空隙大于50m；以超细玻璃纤维、石棉板、烧结金属板、聚四氟乙烯等作为过滤介质（介质层薄），其空隙大于0.5m。,（二）、介质过滤除菌原理,介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等生物颗粒阻截在介质中，而达到除菌的目的。过滤介质除菌原理:1.惯性冲击滞留作用2.拦截滞留作用3.布朗扩散作用4.重力沉降作用5.静电吸附作用.,（一）、惯性冲击滞留作用,当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上，这叫做惯性滞留作用当气流达到一定速度时，它是介质过滤除尘的主要作用。,（二）、拦截滞留作用机理,在气流速度在临界速度以下，微粒不能因为惯性碰撞而滞留于纤维上；微生物直径很小，质量很轻，它随低速气流靠近纤维时，纤维周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留，这种作用称为拦截滞留作用。,（三）、布朗扩散作用机理,直径很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗运动。在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。,（四）、重力沉降作用机理,微粒虽小，但仍具有重力。当微粒重力超过空气作用于其上的浮力时，即发生一种沉降加速度。当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象。就单一重力沉降而言，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有气流速度很慢时才起作用。重力沉降作用一般是与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞留区内。微粒的沉降作用提高了拦截捕集作用。,（五）、静电吸附作用机理,干空气对非导体的物质作相对运动摩擦时，会产生静电现象，对于纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附作用。,过滤除菌效率（）与气流速度（s）的关系,三、空气介质过滤器设计计算,（一）对数穿透定律假定：（1）过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻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，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。,在此假设的条件下：,（二）过滤效率,N0过滤前空气中微粒的含量；N过滤后空气中微粒的含量；N/N0过滤前后空气中含有微粒数的比值，即穿透滤层的微粒数与原有微粒数的比值，称为穿透率。,（三）过滤压力降,L过滤层厚度；空气密度；介质填充率；空气在介质间隙中的实际流速（m/s），可按V0=Vs/（1-）计算；df纤维直径（m）；m实验指数。棉花介质：m=1.45。19um玻璃纤维：m=1.35。8um玻璃纤维：m=1.55。C阻力系数，是雷诺准数的函数。,（四）提高介质过滤效率的措施,影响介质过滤效率的因素：颗粒大小、过滤介质的种类、规格、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等。提高过滤效率的措施有以下几个方面