生物化工工艺学-第6章-空气的灭菌

第六章空气的灭菌好氧微生物培养过程中（合成代谢产物及菌体生长）需要消耗大量的氧气；空气可提供大量的氧气；空气中夹带大量的各类微生物；消耗培养基中的营养物质，产生副产物，破坏纯培养过程的进行。更衣消毒间

一空气中微生物种类及其分布第一节空气灭菌的要求和方法空气的组成：氮气、氧气、二氧化碳、惰性气体、水蒸汽及尘埃等。菌体的组成：细菌、酵母、病毒等。空气中菌体数量：如城市中约为1000-10000个/立方米。空气中常见微生物的种类及其大小：见下表。微生物宽（μm）长（μm）酵母菌3.0-5.05.0-19.0病毒0.0015-0.2250.0015-0.28产气杆菌1.0-1.51.0-2.5金黄小球菌0.5-1.00.5-1.0霉状分枝杆菌0.6-1.61.6-13.6巨大芽孢杆菌0.9-2.12.0-10.0枯草芽孢杆菌0.5-1.11.6-4.8空气中常见微生物的种类及其大小空气中微生物的分布北方：由于干燥寒冷，含微生物较少。南方：潮湿温暖，含微生物较多。城市：微生物含量高于农村。地平面：微生物含量多于高空。空气中尘埃数与细菌数的关系：

Y=0.003X-2.6Y——空气中的微生物数量；X——空气中的尘埃颗粒数量。二空气灭菌的要求和方法（1）空气灭菌的要求：10-31000次培养过程中，允许一次是由于空气灭菌不彻底面造成的染菌。（2）空气灭菌的方法A热灭菌法直接利用空气压缩时温度升高来杀死微生物。空气经压缩后温度能升到200度以上，保持一定时间后，便可实现干热灭菌。B辐射杀菌用于表面的灭菌及有限空间内空气的灭。Α-射线、β-射线、γ-射线、χ-射线、紫外线及超声波理论上都可起杀菌作用。C静电除菌静电除菌原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。过程：没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电的微粒。注意：静电除尘灭菌对小的微粒效率较低。（小直径的微粒电荷较少，引力较小，不易被吸附而沉降。）D介质过滤除菌原理：让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，从而获得无菌空气。该方法是目前获得大量无菌空气中常规方法。第二节空气过滤除菌流程一对空气过滤除菌流程的要求基本阶段：压缩前空气的过滤----空气压缩机（补偿压力损失并维持一定的罐压）----冷却至室温后除去油和水----加热至30~35度后过滤除菌空气净化的一般流程：空气吸入口→粗过滤器→空气压缩机→一级空气冷却器→二级空气冷却器→分水器→空气贮罐→旋风分离器→丝网除沫器→空气加热器→总空气过滤器→分空气过滤器→无菌空气（1）两级冷却、加热除菌流程—见教材特点：两次冷却、两次分离、适当加热。适用范围广。尤其适于潮湿的地区。第一冷却器：大部分油、水都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度较大，适宜用旋风分离器分离。（30-35度）第二冷却器：空气进一步冷却后析出一部分小雾粒，此后宜采用丝网分离器分离。（20-25度）丝网分离器：能分离较小直径的雾粒且分离效果高。加热器：将空气中的湿度降低至50%~60%。（2）冷热空气直接混合式空气除菌流程特点：省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量较少。二空气除菌流程的分析（3）高效前置过滤空气除菌流程特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。（4）利用热空气加热冷空气的流程（5）将空气冷却至露点以上的流程（6）一次冷却和析水的空气过滤流程第三节空气的预处理空气预处理的两个目的：（1）提高压缩前空气的洁净度；（2）去除压缩后空气中所带的油水。一提高压缩前空气的洁净度提高压缩前空气洁净的两个措施：（1）提高空气吸入口的位置一般认为，高度每上升10米，空气中微生物的数量下降一个数量级。（2）加强吸入空气的前过滤如布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置。布袋过滤器：效率高，但阻力大。多采用合成纤维滤布。填料式粗过滤器：效果好，阻力小，但结构较复杂。材料有油浸铁丝网、玻璃纤维或其它合成纤维。油浴洗涤装置：洗涤除菌效果好，阻力也不大，但耗油量大。空气进入装置后通过油层洗涤。水雾除尘装置：空气从底部进入，上部喷下水雾，将空气中的灰尘和微生物颗粒粘附沉降。二空气压缩和压缩空气的冷却空气压缩的目的：克服输送过程中过滤介质等的阻力。空气压缩机的两种形式：涡轮式和往复式。空气经压缩后的变化：温度会显著升高，压缩比越大，温度越高。压缩空气需冷却的目的：将此高温的空气通入空气过滤器，会引起过滤介质的炭化或燃烧，而且还会增大培养装置的降温负荷，给培养温度的控制带来困难。三压缩空气的除水除油除水除油的必要性：经冷却降温后的空气相对湿度增大，会析出水来，使过滤介质受潮失效，因此压缩后的空气要除水。空压机中会带有润滑油，故除不的同时还需进行除油。分离空气中油水的两类设备：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。旋风分离器的结构与操作原理构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等。

颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心力大，故逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿壁面落下，自锥体排出进入灰斗。

净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上做旋转运动，最后经顶部排气管排出。

通常，将下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流。内、外旋流的旋转方向相同。外旋流的上部是主要除尘区。操作原理：含尘气体由进气管进入旋风分离器后，沿圆筒的切线方向，自上而下作圆周运动。主要结构参数为筒体直径D，其它尺寸以D为标准。〖特点〗：结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广，可用多种材料制造，是化工、轻工、冶金等部门常用的分离和除尘设备。〖说明〗旋风分离器一般用来除去气流中粒径5μm以上的尘粒，对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒的聚集作用，它甚至能除去3μm以下的颗粒。对直径在200μm以上的颗粒最好先用重力沉降法除去，以减小对器壁的磨损；对于直径5μm以下的颗粒，除尘效率很低，需采用袋滤器或湿法捕集。介质过滤器分离原理利用块状介质、颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离空气中水滴或油滴的方法。常用的介质过滤器：丝网过滤器丝网过滤器的丝网有：不锈钢、镍、铝、铜、聚乙烯、涤纶、绵伦等。第四节空气的过滤除菌原理和介质一空气过滤除菌原理间隙大于微生物的过滤介质是如何将微生物过滤除去的呢？？？

撞击作用拦截作用布朗扩散重力作用静电引力（1）布朗扩散截留作用----在较慢的流速和较小的间隙中起作用

当微粒离纤维表面的距离小于其扩散运动的距离时，微粒会与纤维接触，截留在纤维上。（2）拦截截留作用

微粒绕过纤维前进时，会进到纤维周边的边界层滞流区，在滞流区其慢慢靠近和接触纤维而被粘附截留。拦截截留的截留效率与气流的雷诺准数和微粒同纤维的直径比有关。（3）惯性撞击作用当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，空气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，迫使空气流不断改变它的运动方向和速度大小。由于微生物的惯性大于空气，因而当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒未能及时改变它的运动方向，其结果便将撞击纤维并被截留于纤维的表面。（4）重力沉降作用它一般配合拦截截留作用而显示出来。即在纤维的边界滞留区内微粒的沉降作用提高了拦截截留的效率。（5）静电吸引作用悬浮在空气中的微生物颗粒大多带有不同的电荷，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。表面吸附作用也属此范围。总的说来：1很难确定各机理作用的大小；2参数不同，各作用也不相同；3通常情况：惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动的作用较大，重力和静电吸引力的作用很小。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，那么在任何单位厚度介质层中的颗粒被捕截的比例相同。即：

式中，c——颗粒浓度，个/m3x——介质层中某一截面深度，mK——除菌常数，m-1K——除菌常数

式中，c0，c——进、出口空气的菌浓度，个/m3N0，N——一定体积空气在除菌前后的总菌数，mL——过滤介质厚度，m对数穿透定律上式积分后有：上式中c/c0=N/N0，称之为穿透率。而：过滤器的效率或颗粒的捕获截留率当截留率为90%，或穿透率为10%时，相应的介质层厚度用X90表示，则有：二空气过滤除菌的介质（1）纸类过滤介质

主要是玻璃纤维纸，它属于深层过滤技术。一般应用时需将3~6张滤纸叠在一起使用，这类过滤介质的过滤效率相当高，同时阻力比较小，压强降较小。缺点：强度不大，特别是受潮后强度更差。

用于空气过滤的过滤介质有纤维介质或颗粒状介质、过滤纸、微孔滤膜等各种类型（2）纤维状或颗粒状过滤介质棉花：常用的过滤介质，通常使用的是脱脂棉，它是特点是有弹性，纤维长度适中。使用时一般填充密度是130~280kg/m3.玻璃纤维：其优点是纤维直径小，不易折断，过滤效果好。活性炭：要求活性炭质地坚硬，不易压碎，颗粒均匀，装填前应将粉未和细粒筛去。常用小圆柱体的颗粒活性炭。

纤维状或颗粒状过滤介质过滤除菌是靠惯性、拦截、布朗运动、静电吸引等作用。该类过滤介质的缺点：体积大、占有空间大，操作困难，装填介质费时费力，介质装填松紧程度不易掌握，空气压力降大，介质灭菌和吹干耗用大量的蒸汽和空气。（3）微孔滤膜类过滤介质

介质微孔滤膜类过滤介质的空隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中的细菌真正滤去，也即绝对过滤，它的特点是易于控制过滤后的空气的质量，节约能量和时间，操作简便。通常在空气过滤之前应将空气中的油、水除去，以提高此类过滤介质的过滤效率和使用寿命。三影响介质过滤效率的因素

介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其它条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。对于相同的介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流速有关。介质填充厚度越高，过滤效率越高；介质填充密度越大，过滤效率越高。四提高过滤除菌效率的措施（1）减少进口空气的含菌数

加强生产场地的卫生管理正确选择进风口，压缩空气站应设上风向提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数加强空气压缩前的预处理（2）设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质（3）设计合理的空气预处理设备，以达到除油、水和杂质的目的（4）除低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工作油水分离器过滤