微生物工程发酵第四章-无菌空气的制备

第四章无菌空气的制备,需氧微生物发酵所需氧气来源于空气，且需长时间无间断供应，因此空气的除菌非常重要。据统计，空气系统的染菌占总染菌数的20，居第二位。需建立确保无菌、简化流程、节约能源的空气除菌系统。,4.1无菌空气的标准,4.1.1空气中微生物的分布规律易附着于固体表面或液滴中，含菌量随环境不同而有很大的差别：潮湿南方多，干燥北方少；人口稠密处多，人口稀少处少；低空多，高空少选择良好的取风位置与提高除菌系统效率同样重要。,4.1.1空气中微生物的分布规律,城市一般含菌量：103个/m3或104个/m3,结论：由于空气中微生物是依附于尘埃、微粒及微细的水滴上，故净化空气就是要除去悬浮于空气中的尘埃和细微水滴，使之无菌。,4.1.1空气中微生物的分布规律,4.1.2发酵对空气无菌程度的要求,空气中的微生物多是细菌孢子，以及酵母、霉菌和病毒，常见菌株大小见右表：,故认为只要将0.3um以上的微粒全部除掉，就可达到无菌;生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是：一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。,需注意：不同的发酵过程对空气除菌要求不同：一般酵母发酵时，pH低，周期短，抗杂菌能力强，无菌要求低；细菌或细胞发酵时，周期长，自身抗感染能力弱，无菌要求高。,4.1.3空气含菌量的测定,光学法与培养法；粒子计数测定法；固定膜采样法；,4.2空气除菌方法,显然用高热蒸汽来加热保温灭菌不现实常用方法：过滤法其它方法：热杀法、射线法、静电除菌法。,4.2.1热杀法,微生物加热后体内蛋白质（酶）的氧化变性而死亡。原理：利用空气压缩时温度的升高来实现，根据多变压缩公式：,T1T2,=,P2P1,m-1m,m为多变指数，取1.21.3,热杀菌,空气热灭菌流程示意图1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机8-预热器9-粗过滤器10-空气吸入塔,4.2.1热杀法,优点：产生空气量大，热杀时间短，维持设备不必太庞大。不足：设备必须耐高压、高温，且需加大冷却器的热负荷。因此从经济角度考虑，实际生产中较少采用。,4.2.2静电除尘法,原理:在强度较大的电场中，负极出现电晕现象，使附近的中性分子电离为正负离子，并向两极运动。因负离子的移动距离大，所以使固体和液体微粒向正极运动，而在正极沉淀。正极为沉淀极，负极为电晕极。,静电除菌,静电除尘器装置图,管式静电除菌器,4.2.2静电除尘法,特点：除尘效率高（1um微尘去除率达99以上）能量消耗少（处理1000m3只需0.4-0.8度电）空气阻力小不足：前期投入高、因使用高压电技术，故制造、安装复杂、维修要求严格。,4.3过滤除菌,利用能定期灭菌的过滤介质阻截流过的空气中所含有的微生物，从而获得无菌空气。目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。,按过滤介质的空隙大小，可分为绝对过滤介质和深层过滤介质。绝对过滤介质：空隙小于细菌和孢子，当空气通过时，微生物被阻留在介质的一侧。深层过滤介质：孔隙大于微生物，为了达到除菌效果，必须具有一定厚度。,纤维介质深层过滤除菌的原理气流通过滤层时基于滤层纤维的层层阻碍，迫使气体在流动中出现无数次改变速度和方向的绕流运动，而导致菌体微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电引力作用，把微粒截留、捕集在纤维表面上，达到过滤的目的。,4.3过滤除菌,(c)扩散,(b)拦截,(a)惯性,(d)重力,(e)静电,利用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理,空气,过滤空气,4.4过滤介质和过滤器结构,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,过滤介质是过滤除菌过程中的关键，它直接影响除菌的效果，动力的消耗，设备的尺寸以及运行的可靠性。常见的过滤介质有：棉花，超细玻璃纤维，各种合成纤维，微孔烧结材料和微孔超滤膜等。,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,棉花应选用长纤维并疏松的新鲜棉花；标准：压紧后仍有弹性，长度适中（2-3cm），直径16-21um，实密度1520kg/m3，填充密度130-1501520kg/m3，填充率8.5-10%；为使填充均匀，可先制成棉垫。,2.4.1常用过滤介质,玻璃纤维8-19um的无碱玻璃纤维，直径小，过滤效率好，不易吸水，压降小，耐高温，光滑，不易长菌。静电引力起重要作用；缺点：体积大，不易填充；换装时纤维有大量碎末；,2.4.1常用过滤介质,玻璃纤维8-19um的无碱玻璃纤维，直径小，过滤效率好，不易吸水，压降小，耐高温，光滑，不易长菌。静电引力起重要作用；缺点：体积大，不易填充；换装时纤维有大量碎末；,2.4.1常用过滤介质,活性炭吸附微生物的能力远低于棉花，故其主要作用是位于两层棉花之间，使气流均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,活性炭吸附微生物的能力远低于棉花，故其主要作用是位于两层棉花之间，使气流均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸直径1-2um，厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。具很高的过滤效率，较低的过滤阻力，坚韧，抗湿；,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸直径1-2um，厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。具很高的过滤效率，较低的过滤阻力，坚韧，抗湿；,2.4.1常用过滤介质,优点：强度高、寿命长、耐高温，可逆洗再生、使用方便；不足：填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞，实际需要数目多，接点多，易造成泄露污染，很难彻底灭菌。,优点：强度高、寿命长、耐高温，可逆洗再生、使用方便；不足：填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞，实际需要数目多，接点多，易造成泄露污染，很难彻底灭菌。,微孔聚合物：聚乙烯醇过滤板，将聚乙烯醇乙酰化，并涂敷耐热树脂制成；能高温灭菌，安装方便，微孔多、过滤效率高，压力降小。,微孔聚合物：聚乙烯醇过滤板，将聚乙烯醇乙酰化，并涂敷耐热树脂制成；能高温灭菌，安装方便，微孔多、过滤效率高，压力降小。,4.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,石棉滤板用纤维短而直的蓝石棉与纸浆纤维混合打浆而成。过滤效率较低；不易穿孔或折断，可耐受蒸汽反复灭菌，抗湿,4.4.1常用过滤介质,新型过滤介质用四氟乙烯经膨化而制成的过滤介质；优点：过滤面积大、流量快、阻力小、体积小,4.4.2过滤器的结构,深层棉花过滤器一般为立式圆筒形，下方为进气口，上方出气口；介质安装顺序：孔板、铁丝网、麻布、棉花、麻布、活性炭、麻布、棉花、麻布、铁丝网、孔板；,使用注意事项：安装后用空气蒸汽吹一段时间，打开检查是否有松动，以补加。使用一段时间后必须灭菌，由上向下通入0.2-0.2MPa干燥蒸汽，约45min，然后用压缩空气吹干。,4.5无菌空气的制备流程,空气压缩后，温度不变，相对湿度会增加，易析出水滴，会对过滤介质造成影响，故空气压缩后应进行适当的处理，使除油、降低湿度后再进入空气过滤器。一般使用冷却再加热法；,4.5无菌空气的制备流程,采风（高度）预过滤（去除5m的微粒）空气压缩0.6-0.8MPa空气储罐（稳定压力，沉降作用）冷却（去除水分）油水分离（利用离心力去除油滴、液滴）,除雾（填料式除雾器，捕集小液滴）加热（50，空气相对湿度60%）总过滤80-90%罐前除雾99%预过滤99.9999%除菌过滤（精过滤）,利用热空气加热冷空气的除菌流程1-高空采风2-粗过滤器3-空压机4-热交换器5-冷却器6、7-旋风分离器8-空气总过滤器9-空气分过滤器,空气压缩冷却过滤流程1-粗过滤器2-空气压缩机3-贮罐4-冷却器5-过滤器,2.5.3压缩空气预处理设备,空气气口的高度与位置：采取10m以上的高度，远离废气的排气口。,2.5.3压缩空气预处理设备,空气气口的高度与位置：采取10m以上的高度，远离废气的排气口。,粗过滤器：在压缩机吸入口之前的过滤器，捕集空气中较大的灰尘以减少对压缩机的磨损。阻力小，容尘量大。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。,空气压缩机：往复式空气压缩机由活塞在汽缸中往复运动，完成吸气、压缩、排气；气流不稳定、脉冲大、空气油含量高；,涡轮式压缩机电动机带动涡轮旋转，气体由于离心力向周围蜗壳通道运动，获得较高压强后排出，排气量大、占地小、压力稳定、不含油雾；但噪音过大。,螺杆式空压机目前较理想的空压机，占地小，供气量大，油雾少或无油雾，噪音小。,冷却：空气压缩后温度上升，若直接通入空气过滤器，会损坏过滤介质，影响培养基温度及培养物的生长；因此，必须冷却。,冷却：空气压缩后温度上升，若直接通入空气过滤器，会损坏过滤介质，影响培养基温度及培养物的生长；因此，必须冷却。,4.5.1压缩空气预处理原理,空气贮罐,作用：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。,空气换热设备,常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。,析水设备旋风分离机,作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。,析水设备丝网除沫器,利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水