第三章 空气除菌

1、第三章第三章 空气过滤除菌空气过滤除菌 第一节第一节 概概 述述 空气中常见微生物种类及大小空气中常见微生物种类及大小 微生物微生物宽宽/m长长/m 产气杆菌产气杆菌1.01.51.02.5 蜡状芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌1.32.08.125.8 普通变形杆菌普通变形杆菌0.51.01.03.0 地衣芽孢杆菌地衣芽孢杆菌0.50.71.83.3 巨大芽孢杆菌巨大芽孢杆菌0.92.12.010.0 蕈状芽孢杆菌蕈状芽孢杆菌0.61.61.613.6 枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌0.51.11.64.8 金黄色小球菌金黄色小球菌0.51.00.51.0 酵母菌酵母菌3.05.05.019.0 病毒病毒0.

2、00150.2250.00150.28 霉状分枝杆菌霉状分枝杆菌0.61.61.613.6 空气中微生物的数量与环境空气中微生物的数量与环境 有密切关系。有密切关系。 一般干燥寒冷的北方，一般干燥寒冷的北方， 空气中含微生物量较少，而空气中含微生物量较少，而 湿润温暖的南方空气中含微湿润温暖的南方空气中含微 生物较多；生物较多；一般每升高一般每升高10米，米， 空气中的含菌量就降低一个空气中的含菌量就降低一个 数量级。数量级。 城市空气中的微生物含城市空气中的微生物含 量（量（103-104个个/m3）比人口）比人口 稀少的农村多；稀少的农村多； 灰尘粒子的平均大小约灰尘粒子的平均大小约 0.

3、6m左右左右(细菌大小一般在细菌大小一般在 0.3-nm间间)，细菌常黏附在，细菌常黏附在 灰尘上随风传播，故空气除灰尘上随风传播，故空气除 菌主要是去除空气中的微粒菌主要是去除空气中的微粒 (0.6-1m ）。）。 3. 发酵用无菌空气的质量标准发酵用无菌空气的质量标准 细菌、酵母菌、霉菌和病毒是空气中的主要微生物，它细菌、酵母菌、霉菌和病毒是空气中的主要微生物，它 们大多附着在空气中的灰尘上。们大多附着在空气中的灰尘上。 一般来说，凡是尘埃浓度高的地区，空气中所含微生物一般来说，凡是尘埃浓度高的地区，空气中所含微生物 的量也越多。城市市中心空气中的微生物含量也高于农村。的量也越多。城市市中

4、心空气中的微生物含量也高于农村。 夏季的空气中所含微生物也比冬季多，离地面近的空气中所夏季的空气中所含微生物也比冬季多，离地面近的空气中所 含微生物也比离地面高的多。含微生物也比离地面高的多。 工程设计中常以微生物浓度工程设计中常以微生物浓度104个个m3作为空气的污作为空气的污 染指标。染指标。 发酵用的无菌空气需要达到得标准：发酵用的无菌空气需要达到得标准： 、连续提供一定流量的压缩空气。、连续提供一定流量的压缩空气。VVM一般为一般为0.12.0 m3 。 、空气的压强、空气的压强(表压表压)为为0.20.4 MPa。 、进入过滤器之前，空气的相对湿度、进入过滤器之前，空气的相对湿度70

5、。 、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高1030。 、压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取、压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为失败概率为 10-3为指标。为指标。 4.4.空气除菌的意义（空气除菌的意义（参见培养基灭菌参见培养基灭菌） 1.1.生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能 力的下降。力的下降。 2.2.杂菌也会产生代谢产物，这就使产物的提取更加困难，造成杂菌也会产生代谢产物，这就使产物的提取更加困难，造成 得率降低，产品质量下降。得率降低，产品质量下降。

6、3.3.有些杂菌会分解产物，使生产失败。有些杂菌会分解产物，使生产失败。 4.4.杂菌大量繁殖后，会改变反应液的杂菌大量繁殖后，会改变反应液的pHpH值，使反应异常。值，使反应异常。 5.5.如果发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，使生产失败。如果发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，使生产失败。 附：据日本抗生素生产的统计资料，设备渗漏和空气除菌不彻附：据日本抗生素生产的统计资料，设备渗漏和空气除菌不彻 底是导致染菌的主要原因。底是导致染菌的主要原因。 5.5.好气性发酵对空气除菌的要求好气性发酵对空气除菌的要求 1.1.工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同而工业发酵对空气处理的要求随

7、发酵产品和菌种不同而 异。异。 2.2.半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般 无需复杂的空气净化处理。无需复杂的空气净化处理。 3.3.密闭的深层通气发酵培养需氧微生物需严格的纯净培密闭的深层通气发酵培养需氧微生物需严格的纯净培 养。进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和养。进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和 过滤除菌等处理，才能满足生物工程的要求。过滤除菌等处理，才能满足生物工程的要求。 4.4.绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。在工程绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。在工程 设计中一般要求设计中一般要求1000

8、1000次使用周期中只允许有一个菌通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过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10N=10-3 -3。 5.5.发酵对无菌空气的要求是发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质：无菌，无灰尘，无杂质 ，无水，无油，正压等几项指标。，无水，无油，正压等几项指标。 1. 2 加热灭菌法加热灭菌法 基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）热变性而得以实现。基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）热变性而得以实现。 它与培养基的加热灭菌相比，虽都是加热法把微生物杀死，它与培养基的加热灭菌相比，虽都是加热法把微生物杀死， 但两者的本质是有区别的。但两者的本质是

9、有区别的。 u鉴于空气在进入培养系统之前，一般均需用鉴于空气在进入培养系统之前，一般均需用 压缩机压缩，提高压力，所以，空气热灭菌时压缩机压缩，提高压力，所以，空气热灭菌时 所需的温度，就不必用蒸汽或其他载热体加热，所需的温度，就不必用蒸汽或其他载热体加热， 而可而可直接直接利用空气压缩时的温度升高利用空气压缩时的温度升高来实现。来实现。 u空气经压缩后温度可升到空气经压缩后温度可升到200以上，保持以上，保持 一定时间后，便可实现一定时间后，便可实现干热杀菌。干热杀菌。 u利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原 理对制备大量无菌空气具有特别重要的意义。理

10、对制备大量无菌空气具有特别重要的意义。 u在实际应用时，对培养装置与空气压缩机的在实际应用时，对培养装置与空气压缩机的 相对位置，连接压缩机与培养装置的管道灭菌相对位置，连接压缩机与培养装置的管道灭菌 以及管道长度等问题都必须加以仔细考虑。以及管道长度等问题都必须加以仔细考虑。 1.3 静电除菌静电除菌 原理：没有电荷的微粒进入电离区会被电离成带正电荷微粒，在高压电极板上加上原理：没有电荷的微粒进入电离区会被电离成带正电荷微粒，在高压电极板上加上5kV5kV 的直流电压，极板间形成一均匀电场，当气流与被电离的微粒流过时，带正电荷的微粒的直流电压，极板间形成一均匀电场，当气流与被电离的微粒流过时

11、，带正电荷的微粒 受静电场库仑力的作用，产生一个向负极的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。受静电场库仑力的作用，产生一个向负极的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。 2 2 ，缺点，缺点 但对于一些直径很小的微粒，不能被吸附而沉降或效率较低，除菌效率不是很高；高压但对于一些直径很小的微粒，不能被吸附而沉降或效率较低，除菌效率不是很高；高压 电存在要求管理严格，空气必须干燥（潮湿会导电），投资费用大；需要与高效空气过电存在要求管理严格，空气必须干燥（潮湿会导电），投资费用大；需要与高效空气过 滤器联合使用。滤器联合使用。 当捕集的微粒积聚到一定厚度时，则极板间的火花放电加剧，极板电压下降，当捕

12、集的微粒积聚到一定厚度时，则极板间的火花放电加剧，极板电压下降， 微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，这时除菌效率很快下降。一般当电极板上微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，这时除菌效率很快下降。一般当电极板上 尘厚尘厚1mm1mm时，就应该用喷水管自动喷水清洗，洗净干燥后重新投入使用。时，就应该用喷水管自动喷水清洗，洗净干燥后重新投入使用。 - - - - 带 微 粒 的 空 气 电 离 部 分 除 尘 部 分 清 洁 空 气 5000v 10000v 图 4-2 静 电 除 尘 器 装 置 图 1.4 介质过滤除菌介质过滤除菌 1.1.概念：概念：介质过滤除菌是使空气通过经无菌介质过滤层，介质过滤

13、除菌是使空气通过经无菌介质过滤层， 将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌 目的。目的。 2.2.介质过滤除菌的分类：介质过滤除菌的分类：根据介质间的孔隙分类。根据介质间的孔隙分类。 v常规介质过滤常规介质过滤：是：是介质间孔隙大于微生物直径介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一故必须有一 定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为常规介质常规介质 过滤过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成 纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结

14、塑料）；纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）； v绝对过滤绝对过滤：介质的孔隙小于细菌介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通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 之为之为绝对过滤绝对过滤。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多 ，它可以除去，它可以除去0.2m0.2m左右的粒子，故可以把生物全部过滤除左右的粒子，故可以把生物全部过滤除 去。去。 1.5 辐射灭菌辐射灭菌：超声波、高超声波、高 能阴极射线、能阴极射线、X X射线、射线、射线、射线、 射

15、线、紫外线理论上都能射线、紫外线理论上都能 破坏蛋白质活性而起杀菌作破坏蛋白质活性而起杀菌作 用。应用较广泛的还是紫外用。应用较广泛的还是紫外 线。紫外线波长为线。紫外线波长为253.7253.7 265nm265nm时杀菌效力最强，它的时杀菌效力最强，它的 杀菌力与紫外线的强度成正杀菌力与紫外线的强度成正 比，与距离的平方成反比。比，与距离的平方成反比。 n1 6 化学药剂灭菌法 n某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。 n化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器 具的灭菌等。具

16、的灭菌等。 n化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡 、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。 空气净化系统流程图见图空气净化系统流程图见图511。 习惯上把这一流程中习惯上把这一流程中过滤器以前的部分称为空气预处过滤器以前的部分称为空气预处 理理。主要包括。主要包括采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮罐、采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮罐、 冷却器、空气加热设备冷却器、空气加热设备等。等。 另外空气预处理流程也应根据当地空气情况作相应的另外空气预处理流程也应根据当地空气情况作相应的 变化。变化。 二、二、

17、空气预处理空气预处理 511空是除菌设备流程图空是除菌设备流程图 图图515(1) 几种空气预处理流程几种空气预处理流程 1粗过滤器粗过滤器 2压缩机压缩机 3冷却器冷却器 4空气过滤器空气过滤器 5分离器分离器 6加热器加热器 国内几种常见的流程：国内几种常见的流程： 1粗过滤器粗过滤器 2压缩机压缩机 3冷却器冷却器 4空气过滤器空气过滤器 5分离器分离器 6加热器加热器 图图515(2) 几种空气预处理流程几种空气预处理流程 1粗过滤器粗过滤器 2压缩机压缩机 3冷却器冷却器 4空气过滤器空气过滤器 5分离器分离器 6加热器加热器 图图515(3) 几种空气预处理流程几种空气预处理流程

18、(1)、采风塔、采风塔 应建在工厂的上风头，远离烟囱。应建在工厂的上风头，远离烟囱。 采风塔可用灰铁皮或砼制成，采风塔越高越好，至少采风塔可用灰铁皮或砼制成，采风塔越高越好，至少 10m，设计气流速度，设计气流速度8 ms左右。左右。 为节省地方和利用空间，可把采风塔做成采风室，直接为节省地方和利用空间，可把采风塔做成采风室，直接 构筑在空压机房的屋顶上。构筑在空压机房的屋顶上。 (2)、粗过滤器、粗过滤器 安装在空压机吸入口前，又称安装在空压机吸入口前，又称前置过滤器前置过滤器。 作用：作用：拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时 也起到一定的除

19、菌作用，减轻总过滤器的负担。也起到一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。 粗过滤器应具有阻力小、容尘量大的特点，否则会成粗过滤器应具有阻力小、容尘量大的特点，否则会成 为阻力而影响压缩机吸气。过滤介质可采用泡沫塑料为阻力而影响压缩机吸气。过滤介质可采用泡沫塑料(平板平板 式式)或者无纺布或者无纺布(折叠式折叠式)，设计流速为，设计流速为0.10.5 m/s。 (3)、空气压缩机、空气压缩机 作用：作用：提供动力。提供动力。 类型：类型：往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。 空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及

20、空压 机的特点合理选用。机的特点合理选用。 为保证连续供气，为保证连续供气，一般不提倡单台空压机一般不提倡单台空压机。 空气的压缩过程可看做绝热过程时，压缩后的空气温空气的压缩过程可看做绝热过程时，压缩后的空气温 度与被压缩的程度有关：度与被压缩的程度有关： T1：压缩前空气的绝对温度，：压缩前空气的绝对温度，K ； T2：压缩前后空气的绝对温度，：压缩前后空气的绝对温度，K； P1：压缩前后空气的绝对压强，：压缩前后空气的绝对压强，Pa； P2：压缩前后空气的绝对压强，：压缩前后空气的绝对压强，Pa； K：绝热指数，对空气而言：绝热指数，对空气而言k=14。 (4)、空气贮罐、空气贮罐 作用

21、作用: 消除压缩空气的脉动消除压缩空气的脉动. 这对往复式空压机尤为重要。涡轮式或螺杆式空压机，这对往复式空压机尤为重要。涡轮式或螺杆式空压机， 由于排气是均匀而连续的，则贮罐可省去。由于排气是均匀而连续的，则贮罐可省去。 贮罐的贮罐的H/D=22.5，其容积可按下式估算：，其容积可按下式估算： VR=(0.10.2)VA m3 VA为空压机每分钟排气量为空压机每分钟排气量(20oC，1l05Pa状况下状况下)，m3 (5)、冷却器、冷却器 空压机出口气温一般在空压机出口气温一般在120左右，必须冷却。另外在左右，必须冷却。另外在 潮湿地域和季节，空气中含水量较高，为了避免过滤介质潮湿地域和季

22、节，空气中含水量较高，为了避免过滤介质 受潮而失效，冷却还可以达到受潮而失效，冷却还可以达到降湿降湿的目的。的目的。 可采用可采用列管式热交换器列管式热交换器，空气走壳程，管内走冷却水。，空气走壳程，管内走冷却水。 为了增加冷却水的流速，提高传热系数，采用双程或四程为了增加冷却水的流速，提高传热系数，采用双程或四程 结构。为防止压缩空气走短路及提高传热效率，管间装有结构。为防止压缩空气走短路及提高传热效率，管间装有 45块圆缺挡板。空气冷却器的传热系数为块圆缺挡板。空气冷却器的传热系数为105W(m2) 左右。左右。 在冷却器的设计计算中，把空气看做含有水气的湿空气。在冷却器的设计计算中，把空

23、气看做含有水气的湿空气。 空气经压缩、冷却过程的参数标示如图空气经压缩、冷却过程的参数标示如图512。 图图512 冷却器设计计算参数指标冷却器设计计算参数指标 设空压机的排气量设空压机的排气量(20、1105Pa状况下状况下)为为Vo(m3 min)，则在吸人状态下，空气的比体积：，则在吸人状态下，空气的比体积： 空气质量流量（以干空气计）：空气质量流量（以干空气计）： v V x G 0 60 =kg/h5-35 冷却器热交换量：冷却器热交换量： QG(I1-I2) Jh5-36 I1、I2为湿空气的热焓包括干空气的热焓和所带水为湿空气的热焓包括干空气的热焓和所带水 蒸气的热焓，即：蒸气的

24、热焓，即： xt )H(Ht )H(I rccwg 250018801010 0 +=+= Jkg5-37 由公式由公式(536)得出的热交换量可以求出换热器的换得出的热交换量可以求出换热器的换 热面积：热面积： tm K Q A D = 5-39 m3 如考虑到热损失，选用换热器时，可将换热面积如考虑到热损失，选用换热器时，可将换热面积 放大放大1520。 空气的析水计算：空气的析水计算： 空气的相对湿度：空气的相对湿度： 空气的湿含量空气的湿含量 P：湿空气的总压，：湿空气的总压，Pa。 空气压缩过程中，湿含量不变，于是有空气压缩过程中，湿含量不变，于是有H2H1，将，将 公式公式541代

25、人并整理得下公式：代人并整理得下公式： PP PP s s 12 21 12 jj= 5-42 压缩空气露点的求取压缩空气露点的求取: 可设想将状态可设想将状态1的空气经压缩、降温到析出水的空气经压缩、降温到析出水( 100 )，求出此时的水汽分压：，求出此时的水汽分压： j PP P PP s ssd 12 2 1 1 j =5-43Pa 根据温度与饱和水蒸气压的关系图表，可以查出露点数根据温度与饱和水蒸气压的关系图表，可以查出露点数 值。如果压缩空气被冷却到露点以下，则空气中会有水析出。值。如果压缩空气被冷却到露点以下，则空气中会有水析出。 所以，如果采用两级冷却，必须先计算出该空气的露点

26、，再所以，如果采用两级冷却，必须先计算出该空气的露点，再 合理确定第一冷却器的冷却温度。合理确定第一冷却器的冷却温度。 (6)、气液分离设备、气液分离设备 作用：作用：除去空气中的水和油，以保护过滤介质。除去空气中的水和油，以保护过滤介质。 一般有两类：一般有两类： a、利用离心力沉降的旋风分离器；、利用离心力沉降的旋风分离器； b、利用惯性拦截的介质分离器。、利用惯性拦截的介质分离器。 a旋风分离器旋风分离器 是利用离心力进行气是利用离心力进行气固或气固或气液沉降分离的设备。液沉降分离的设备。 它结构简单、阻力小、分离效率高，结构示意见图它结构简单、阻力小、分离效率高，结构示意见图513。

27、使用时，压缩空气以使用时，压缩空气以1525ms的流速以切线方的流速以切线方 向进入旋风分离器，并在环隙内作圆周运动，水滴或固向进入旋风分离器，并在环隙内作圆周运动，水滴或固 体颗粒因其密度比空气大得多而具有较大惯性而被甩向体颗粒因其密度比空气大得多而具有较大惯性而被甩向 器壁最后被收集。器壁最后被收集。 可除去空气中绝大多数的可除去空气中绝大多数的20m以上的液滴。但对以上的液滴。但对 于于10m大小的液滴，除去效率只有大小的液滴，除去效率只有6070。 对压缩空气中夹带的雾状液滴，对压缩空气中夹带的雾状液滴， 应采用比旋风分离器效率更高的应采用比旋风分离器效率更高的丝丝 网除沫器网除沫器来

28、除去。来除去。 丝网除沫器可除去丝网除沫器可除去1m以上的以上的 雾滴，去除率约为雾滴，去除率约为98。 丝网除沫器的结构见图丝网除沫器的结构见图514。 b丝网除沫器丝网除沫器 (7)、空气加热设备、空气加热设备 作用：作用：把空气相对湿度从把空气相对湿度从100降低到降低到70以下。以下。 一般都采用一般都采用列管换热器列管换热器，空气走管程，蒸汽走壳程。，空气走管程，蒸汽走壳程。 或者采用或者采用套管式加热器套管式加热器，空气走管程，蒸汽走夹套。，空气走管程，蒸汽走夹套。 列管式换热器的传热系数一般为列管式换热器的传热系数一般为160W(m2)，套管，套管 加热器的传热系数约为加热器的传

29、热系数约为90W(m2)。 由于压缩空气总管道直径都较大，因此可以把空气由于压缩空气总管道直径都较大，因此可以把空气 加热器与空气总管道直接连接，安装在架空管架上。加热器与空气总管道直接连接，安装在架空管架上。 加热器的安装位置应靠近空气总过滤器，其出口管加热器的安装位置应靠近空气总过滤器，其出口管 道应采取保温措施。道应采取保温措施。 例例5.5 上海地区上海地区7、8月份空气的相对湿度为月份空气的相对湿度为84，温度，温度32。 空压机出口气压为空压机出口气压为 0.2 MPa(表压表压)，总排气量为，总排气量为50m3 rain(20，1 atm)。求。求: 、空压机出口处的空气温度相对

30、湿度；、空压机出口处的空气温度相对湿度； 、若将空气冷却到、若将空气冷却到25，问有多少水析出，问有多少水析出?冷却器的热交冷却器的热交 换量为多少换量为多少? 、如空气进入旋风分离器的速度为、如空气进入旋风分离器的速度为15 m/s，请设计旋风分，请设计旋风分 离器的直径；离器的直径； 、若采用标准型丝网，、若采用标准型丝网，k0.107，求丝网除沫器的直径；，求丝网除沫器的直径； 、如要求进入总过滤器的空气的相对湿度为、如要求进入总过滤器的空气的相对湿度为60，需升温，需升温 多少？多少？ 解：解： 设上海地区的气压设上海地区的气压P11atm1.013105Pa；温度为；温度为 32，空

31、气相对湿度为，空气相对湿度为84。把相关数据代入各相应的公式。把相关数据代入各相应的公式 得：得： V30.28m/s D0.39m D0.51m H5=0.0066 Ps5=5386Pa 查饱和蒸汽压表，得查饱和蒸汽压表，得t533.6 ，即需升温，即需升温8.6。 按过滤介质孔隙将空气过滤器分为两类：按过滤介质孔隙将空气过滤器分为两类： 第一类：第一类：绝对过滤绝对过滤 介质孔隙小于被拦截的微生物大小，如用聚四氟乙烯介质孔隙小于被拦截的微生物大小，如用聚四氟乙烯 或者纤维素酯材料做成的微孔滤膜（孔径或者纤维素酯材料做成的微孔滤膜（孔径0.22m) 三、空气的过滤除菌三、空气的过滤除菌 例如

32、例如: 将聚乙烯醇将聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩合，制成多孔性的聚乙烯与甲醛缩合，制成多孔性的聚乙烯 醇缩甲醛树脂醇缩甲醛树脂(PVF)，经过耐热处理制成孔径小于，经过耐热处理制成孔径小于03 微米的滤膜。这种材料有很好的除菌效果，通气性好，并微米的滤膜。这种材料有很好的除菌效果，通气性好，并 且可以用蒸汽灭菌，耐受多种有机溶媒和酸碱。且可以用蒸汽灭菌，耐受多种有机溶媒和酸碱。 第二类第二类：深层过滤深层过滤 介质孔隙大于被拦截的微生物大小，但介质层介质孔隙大于被拦截的微生物大小，但介质层 有一定的厚度，机理是静电、扩散、惯性及拦截作有一定的厚度，机理是静电、扩散、惯性及拦截作 用。用。 例如：

33、例如：棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤 板、金属烧结管等。板、金属烧结管等。 在实验室或中试规模，空气过滤器只设一级，而大型在实验室或中试规模，空气过滤器只设一级，而大型 发酵工厂大多采用两级甚至三级过滤。发酵工厂大多采用两级甚至三级过滤。 第一级过滤器常称为第一级过滤器常称为总过滤器总过滤器，二、三级称为，二、三级称为分过滤分过滤 器器。 过滤器的级数：过滤器的级数： 纤维介质截获空气中颗粒的机理：纤维介质截获空气中颗粒的机理： 深层过滤介质又分成两类深层过滤介质又分成两类: 第一类如棉花纤维、玻璃第一类如棉花纤维、玻璃 纤维、合成纤维和颗粒状活性炭，纤维

34、、合成纤维和颗粒状活性炭， 在空气过滤中填充一定的厚度，在空气过滤中填充一定的厚度， 它们中间的孔隙大于它们中间的孔隙大于50微米。微米。 第二类是将过滤材科制成纸、板或管状，如超细玻璃第二类是将过滤材科制成纸、板或管状，如超细玻璃 纤维滤纸、金属烧结板等等。这些材料的除菌效率较高，纤维滤纸、金属烧结板等等。这些材料的除菌效率较高， 无需填充很厚。如用超细玻璃纤维纸时只需几张，用石棉无需填充很厚。如用超细玻璃纤维纸时只需几张，用石棉 纸浆滤板时只需一层。纸浆滤板时只需一层。 国外开发出一种高效过滤介质，用直径国外开发出一种高效过滤介质，用直径03微米的玻微米的玻 璃纤维制成厚度璃纤维制成厚度2

35、mm的滤材，可截留直径为的滤材，可截留直径为001微米的微米的 颗粒。为保护过滤介质，在两侧再加一层可分离颗粒。为保护过滤介质，在两侧再加一层可分离2微米颗粒微米颗粒 的粗滤层，将这种复合过滤介质用金属丝网保护再制成滤的粗滤层，将这种复合过滤介质用金属丝网保护再制成滤 管，可方便的装到过滤器上。下图是其工作原理。管，可方便的装到过滤器上。下图是其工作原理。 对数穿透定律：对数穿透定律： 对于深层过滤介质，假定颗粒一旦被截获就不再对于深层过滤介质，假定颗粒一旦被截获就不再 逃逸，而且在与气流垂直的截面上颗粒是均匀分布的，逃逸，而且在与气流垂直的截面上颗粒是均匀分布的， 那么在任何单位厚度介质层中

36、颗粒被捕截的比例相同。那么在任何单位厚度介质层中颗粒被捕截的比例相同。 即：即： 式式(2548)表示穿透的菌数与原菌数之比的对数表示穿透的菌数与原菌数之比的对数 值与介质层厚度成正比，因此也称为值与介质层厚度成正比，因此也称为对数穿透定律对数穿透定律。 将将NNo与相应介质层厚与相应介质层厚 度在半对数坐标上标绘，可得度在半对数坐标上标绘，可得 到一条直线见图到一条直线见图2596，其斜，其斜 率的绝对值为除菌常数率的绝对值为除菌常数K。，若。，若 NNo01，即颗粒的，即颗粒的90 被捕获，被捕获，10穿透，相应的介穿透，相应的介 质层厚度用质层厚度用X90表示，则由式表示，则由式 (25

37、48) (1)、纤维及颗粒状介质过滤器、纤维及颗粒状介质过滤器 纤维及颗粒状介质过滤器纤维及颗粒状介质过滤器 一般都被用作一般都被用作总过滤器总过滤器。 图图516 纤维及颗粒介质过滤器纤维及颗粒介质过滤器 常用过滤器简介：常用过滤器简介： 纤维及颗粒状介质过滤器常用的介质：纤维及颗粒状介质过滤器常用的介质： 棉花、玻璃纤维、活性炭等棉花、玻璃纤维、活性炭等 a棉花棉花 常用常用未经脱脂未经脱脂（脱脂棉花易于吸水而使体积变小），（脱脂棉花易于吸水而使体积变小）， 压紧后仍有弹性，纤维长度适中（约压紧后仍有弹性，纤维长度适中（约23cm）的棉花。）的棉花。 棉花纤维直径约为棉花纤维直径约为162

38、0m，其实密度（或称真密，其实密度（或称真密 度）为度）为1520kg/m3，通常的，通常的填充密度为填充密度为130150kg/m3， 故其填充率为故其填充率为8.510。 为了使棉花垫填放平整，可先将棉花弹成比筒稍大的为了使棉花垫填放平整，可先将棉花弹成比筒稍大的 棉垫后再放人器内。棉垫后再放人器内。 b玻璃纤维玻璃纤维 用用无碱的玻璃纤维无碱的玻璃纤维作为过滤介质（普通玻璃纤维遇水或作为过滤介质（普通玻璃纤维遇水或 经蒸汽灭菌后易于粉碎）。经蒸汽灭菌后易于粉碎）。 常用纤维直径常用纤维直径320m，实密度，实密度2600kg/m3，常用，常用填填 充密度充密度130280kg/m3，填充

39、率为，填充率为511。较细的玻纤。较细的玻纤 不易折断，效果较好，但空气阻力较大，故最常用纤维直不易折断，效果较好，但空气阻力较大，故最常用纤维直 径为径为10m，填充率，填充率8%(210kg/m3）。）。 为减少玻纤的粉碎、提高除菌效率及填放方便，可用为减少玻纤的粉碎、提高除菌效率及填放方便，可用 酚醛树脂、呋喃树脂等将其粘合成过滤垫后再放人过滤器。酚醛树脂、呋喃树脂等将其粘合成过滤垫后再放人过滤器。 c活性炭活性炭 常用颗粒状活性炭是常用颗粒状活性炭是小圆柱体小圆柱体，直径，直径3(1015)mm， 实密度实密度140kg/m3，填放时虚密度为（，填放时虚密度为（50030)kg/m3，

40、填充，填充 率率44左右。左右。 过滤器用活性炭要求质地较坚硬不易压碎、颗粒均一，过滤器用活性炭要求质地较坚硬不易压碎、颗粒均一， 装填时细粒及粉末要筛去。装填时细粒及粉末要筛去。 不单独作过滤介质，常与纤维状介质分层堆放成过滤床。不单独作过滤介质，常与纤维状介质分层堆放成过滤床。 国外亦有用国外亦有用2050目椰壳烧成的活性炭作过滤介质的。目椰壳烧成的活性炭作过滤介质的。 介质层的高度：介质层的高度： 介质层高度与纤维性质、直径、填充密度、气流速度和介质层高度与纤维性质、直径、填充密度、气流速度和 过滤器持续使用时间有关。过滤器持续使用时间有关。 装填时，可以单纯用纤维介质，也可兼用纤维介质

41、及颗装填时，可以单纯用纤维介质，也可兼用纤维介质及颗 粒介质。前者的介质层高度约为粒介质。前者的介质层高度约为0.20.3m，后者介质层总，后者介质层总 高度约为高度约为0.31.0m 。其中活性炭放在两纤维介质之间，或。其中活性炭放在两纤维介质之间，或 放在纤维介质层之下。放在纤维介质层之下。 纤维层：活性炭层：纤维层高度为纤维层：活性炭层：纤维层高度为1:1:11:2:1，只有，只有 一层纤维层时，纤维层与活性炭层之比为一层纤维层时，纤维层与活性炭层之比为1:(23）。）。 通过过滤器的气流速度通过过滤器的气流速度（以压缩空气通过过滤器筒身（以压缩空气通过过滤器筒身 的截面积为基准）一般为

42、的截面积为基准）一般为0.20.3m/s，相应的压力降也较，相应的压力降也较 小。小。 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.2 0.4MPa（表压）的蒸汽，（表压）的蒸汽，灭菌灭菌45min左右后用压缩空气吹左右后用压缩空气吹 干备用。干备用。 总过滤器约总过滤器约每月灭菌一次每月灭菌一次。为了使总过滤器不间断地。为了使总过滤器不间断地 进行工作，一般应有一个备用，以便灭菌时替换使用。进行工作，一般应有一个备用，以便灭菌时替换使用。 (2)、滤纸过滤器、滤纸过滤器 图图517滤纸过滤器滤纸过滤器 滤纸过滤器的结构：滤纸过滤器的结构： 类似旋风分离器。类似

43、旋风分离器。 过滤器以过滤器以超细玻璃纤维超细玻璃纤维 纸纸为介质。其孔径约为为介质。其孔径约为1 1.5m，厚约，厚约0.250.4mm， 实密度实密度2600kg/m3，虚密度，虚密度 为为384kg/m3，故填充率为，故填充率为 14.8%，平时以，平时以36张滤纸张滤纸 叠合叠合在一起使用。在一起使用。 滤纸的除菌效率很高（对滤纸的除菌效率很高（对0.3m的颗粒去除效率的颗粒去除效率 为为99.99以上），阻力很小。以上），阻力很小。 但强度不太大，特别是但强度不太大，特别是 受潮后强度更差。受潮后强度更差。 优缺点：优缺点： 滤纸常用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂、嗜胺树脂、含滤纸常用酚醛

44、树脂、甲基丙烯酸树脂、嗜胺树脂、含 氢硅油等增韧剂或疏水剂处理，以提高其防湿能力和强度。氢硅油等增韧剂或疏水剂处理，以提高其防湿能力和强度。 也可在制造滤纸时，在纸浆中混入也可在制造滤纸时，在纸浆中混入7一一50的木浆，的木浆， 这样滤纸强度就有显著改善；这样滤纸强度就有显著改善； 为了使滤纸平整地置于过滤器内，能经受蒸汽和空气为了使滤纸平整地置于过滤器内，能经受蒸汽和空气 的冲击，在过滤器筒身和顶盖的法兰间夹有两块相互契合的冲击，在过滤器筒身和顶盖的法兰间夹有两块相互契合 的多孔板（开有很多的多孔板（开有很多8的小孔，孔隙率的小孔，孔隙率40左右）以夹住左右）以夹住 滤纸。滤纸。 安装时须在

45、滤纸上下铺上铜丝网、细麻布和橡皮垫圈。安装时须在滤纸上下铺上铜丝网、细麻布和橡皮垫圈。 提高滤纸强度的方法：提高滤纸强度的方法： 空气在过滤器内的流速为空气在过滤器内的流速为0.21.5m/s，而且阻力很，而且阻力很 小，未经树脂处理过的单张滤纸在气流速度为小，未经树脂处理过的单张滤纸在气流速度为3.6m/s， 压降仅压降仅3mmH2O左右。左右。 经树脂处理或混有木浆的滤纸，阻力稍大。经树脂处理或混有木浆的滤纸，阻力稍大。 (3)、金属烧结管空气过滤器、金属烧结管空气过滤器 20世纪世纪80年代初中国核工业第八研究所研制成功年代初中国核工业第八研究所研制成功 了了JLS型金属烧结管空气过滤器

46、，这种金属烧结过滤管型金属烧结管空气过滤器，这种金属烧结过滤管 是用粉末冶金方法制造的，用来除去含有各种固体粒子是用粉末冶金方法制造的，用来除去含有各种固体粒子 的一种新型、高效过滤器。的一种新型、高效过滤器。 图图518 金属烧结管空气过滤器金属烧结管空气过滤器 它是由单根或几十根或它是由单根或几十根或 上百根金属微孔滤管安装在上百根金属微孔滤管安装在 不锈钢过滤器壳体内，现在不锈钢过滤器壳体内，现在 已有处理量每分钟从数升到已有处理量每分钟从数升到 100m3的系列产品。的系列产品。 结构：结构： 图图519金属烧结管空气过滤器安装管路图金属烧结管空气过滤器安装管路图 详细安装流程：详细安

47、装流程： (4)、微孔膜过滤器、微孔膜过滤器绝对过滤器绝对过滤器 由耐高温、疏水的、厚度为由耐高温、疏水的、厚度为150m的的聚四氟乙烯薄聚四氟乙烯薄 膜膜构成。构成。 它能绝对滤除所有大于它能绝对滤除所有大于0.01m以上的微粒，能除去以上的微粒，能除去 几乎所有空气中夹带的微生物，获得发酵用的无菌空气。几乎所有空气中夹带的微生物，获得发酵用的无菌空气。 为增强膜芯强度，用为增强膜芯强度，用316不锈钢做中心柱，把附加里不锈钢做中心柱，把附加里 衬的滤膜做成折叠型的过滤层绕在不锈钢中心柱上，外加衬的滤膜做成折叠型的过滤层绕在不锈钢中心柱上，外加 耐热的聚丙烯外套。见下图。耐热的聚丙烯外套。见下图。 微孔膜过滤器体积小、微孔膜过滤器体积小、 处理量大、压降小、除菌效处理量大、压降小、除菌效 率高。率高。 空气经过滤膜的气速应空气经过滤膜的气速应 控制在控制在0.50.7m/s左右，左右， 压降压降100Pa。 膜过滤器较贵，为延长使用寿命，应配置与其相膜过滤器较贵，为延长使用寿命，应配置与其相 匹配的预过滤器和蒸汽过滤器，除去管道内的铁锈和匹配的预过滤器和蒸汽过滤器，除去管道