第三章 空气除菌2012.3

第三章空气除菌

一空气除菌的意义：

发酵要求纯种培养

空气中大量杂菌：103-

104个/m3

空气微生物的分布：

干燥寒冷北方

<

温暖湿润南方，高空

<

低空，农村<工业城市

微生物种类：

以细菌和细菌芽孢较多,也有酵母、霉菌和病毒等二好气性发酵对空气无菌度的要求工业设计要求:10-3概率意义:经过1000次使用周期中有允许一个杂菌通过三空气除菌的方法:

除去或杀灭加热灭菌静电吸附:能耗小；捕获率低，空气需干燥介质过滤除菌：

过滤介质:

棉花：阻力大，易受潮活性炭：阻力小，但效率为棉花1/3,与棉花混合使用玻璃纤维：石棉滤板：烧结材料：相对过滤（深层过滤）：0.5-2.0

μm颗粒物除去

绝对过滤：d<0.45μm气体多变压缩公式：T2/T1=（P2/P1）（k-1/k）T2，T1压缩前后的热力学温度；P2，P1压缩前后的绝对压力，P2/P1压缩比K多变指数，取1.3四空气除菌设备1.空气加热杀菌设备组成(热杀菌)

空气压缩机保温维持管空气储罐空气冷却器作用：可除去水分、油雾、尘埃、微生物超净工作台及工作室的预除菌，配合高效过滤器(highefficiencyfilter)使用2.

静电除菌除尘设备：静电除尘器（staticdustcatcher）

1）深层纤维介质（棉花、活性炭、玻璃纤维）过滤器：

填充物顺序：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

3.

过滤除菌设备（过滤除菌）2)平板式纤维纸过滤器（flatfiberpaperfilter）：

结构：

筒身、顶盖、滤层、夹板、缓冲层

重要：空气过滤器的尺寸a.过滤器的直径D（决定了过滤面积）过滤器的直径D＝(4V/πvs)1/2

V－空气经过滤器时的体积流量（m3/s）vs－空容器截面的空气流速（m/s）

（一般取0.1－0.3m/s）b.有效过滤厚度(高度)经验：上下棉花的厚度为总滤层厚度的1/4－1/3,活性炭层占1/3－1/2五典型的过滤除菌空气净化流程

空气除菌的要求：

无菌、无尘、无油、无水、有压力

1.两级冷却、两级分离、加热、除菌流程2.高效前置过滤除菌流程3.热空气加热冷空气的流程

设备组成：粗过滤器、空气压缩机、贮罐、冷却器、分离器、加热器、过滤器特点：两次冷却：使水、油形成雾粒

两级分离：除去水、油雾粒

加热：降低空气湿度，原100％－降至50－60％

过滤除菌：1.两级冷却、两级分离、加热、除菌流程（较完善流程）空气过滤器大型空气压缩机除油、除水过滤器

2.高效前置过滤除菌流程设备组成：高效过滤器、空气压缩机、贮罐、冷却器、分离器、加热器、过滤器等

高效过滤器介质为：泡沫塑料（静电除菌）、超细纤维特点：高效过滤器后，空气无菌度达99.99%，使经过主过滤器的空气更洁净，无菌度更高3.热空气加热冷空气的流程设备组成：粗过滤器、空气压缩机、热交换器（贮气罐）、冷却器、析水器、过滤器等特点：有效利用热能，使冷空气温度升高，湿度降低

第二节过滤除菌机制重要概念：

绝对过滤：过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。

微孔滤膜：0.1～0.5μm（细菌1μm左右）

深层过滤：一定厚度的过滤介质，孔径一般大于细菌，却能达到过滤细菌的效果。重点：直接截留效率（η1

）

只与颗粒直径（dp

）有关当颗粒直径大于过滤介质孔径，颗粒被筛网机械截留2.惯性碰撞滞留：一定质量的颗粒随气流运动，由于惯性力作用碰撞到纤维，摩擦、黏附作用被停滞于纤维表面。

微生物等颗粒以一定速度流动；微生物一定质量临界气速vc:气流速度低于此速，惯性碰撞滞留作用忽略

与纤维直径df，颗粒直径dp，颗粒密度ρ，气体物理性质有关

V>vc纤维的捕获效率(η2)随气流速度增大而增大；

V<vc颗粒惯性小,惯性碰撞滞留作用忽略不计。

重点：惯性碰撞滞留效率(η2)与V，m有关3.布朗运动或扩散拦截：

微小颗粒在流速缓慢的气流中发生布朗运动，与介质碰撞而捕获。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，称为布朗扩散。微粒愈小，分子运动的速度愈大。空气流速低时，分子运动比较显著，微小粒子被除去的机会增加；重点：扩散捕获效率(η3)决定于：纤维孔隙和气流速度V

单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3（4）重力沉降作用小颗粒，只有当气流速度很低时当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。空气的介质过滤除菌方面，这一作用小。

（5）静电吸附作用

一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生静电吸引作用。介质过滤除菌方面，这一作用小。

第三节空气过滤器的计算一.介质穿透率和过滤效率穿透率：空气残留的颗粒数与空气中原有颗粒数之比

P=Ns/N0

N0－空气中原有颗粒数Ns－空气中残留的颗粒数过滤效率（除菌效率）：介质捕获的颗粒数与空气中原有颗粒数之比

η＝(N0-Ns)/N0＝1-P

二.对数穿透定律1)

空气过滤时，颗粒数N随滤床厚度L的增加而递减。

也符合一级反应动力学规律，即：

－dN/dL=KN

(1)积分后得：ln（Ns/N0）＝－KL

也可为：lnP＝－KL

K－过滤常数(cm-1)，与气流速度V,纤维直径df，颗粒直径dp和纤维填充密度有关L－滤层厚度（cm）

2)过滤层厚度：L＝－ln（Ns/N0）/Kk值的获得K（过滤常数）与空气流速v，介质种类、填充系数、介质直径df

、颗粒直径dp等有关。1.实验测定

直径为16μm的棉花纤维，当填充系数α＝8％

时，空气流速v取以下值时的K值：空气流速V(m/s)0.050.100.501.02.03.0K(cm-1)0.440.310.230.453.045.872.通过计算：1)L90为η（过滤效率）为90％时的滤层厚度

因为ln（Ns/N0）＝lnP＝ln（1－η）＝－KL

当过滤效率为90％（穿透率为10%）时：

K＝-lnP/L90＝-ln10%/L90＝2.303/L90直径16μm的玻璃纤维的L90值空气流速（m/s）0.030.150.301.523.05L90（cm）4.058.5011.701.530.382)当无实验数据可查，可依据此：过滤常数为K＝ηα－填充系数（0<α<1)过滤介质在滤层的体积百分数df－纤维直径

单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3

当采用玻璃纤维时，可η1忽略：即单个纤维的总捕获效率η＝η2+η3当纤维较粗，间隙较大时，η3很小，单个纤维的总捕获效率η＝η2其中：A.惯性碰撞滞留效率η2＝d/dfB.阻拦滞留效率η1η1＝[2(1+NR)ln(1+NR)-(1+NR)+1/(1+NR)]

其中：NRe(气流雷诺数)=dfVρ/μdf－纤维直径（m）；V－空气流速(m/s)；ρ－空气密度(kg/m3)；μ－空气黏度(kg/m.s)NR=dp/df(微粒直径/纤维直径)C.布朗运动或扩散捕获效率：

其中：2X0/df＝[1.12×2(2-lnRe)DB/Vdf]1/3

DB（微粒的扩散率）=CKT/3πμdpC－滑动系数；K－波耳兹曼常数，1.41×10－24kg.m/k；T－绝对温度(k)空气过滤器的尺寸计算：1.过滤层厚度的计算：

L＝－ln（Ns/N0）/K2.过滤器的直径的计算：

D滤层＝

V－空气经过滤器时的体积流量（m3/s，m3/min）vs－空容器截面的空气流速（m/s，m/min）式中只要已知Ｋ，就可以知道Ｌ。Ｋ和纤维捕集效率η有关系：

该式为经验公式。ａ：填充率，０<a<1

η越大，Ｋ越大，Ｌ越小；此外要求空气通过滤层的压降△Ｐ越小越好，因此把ＫＬ／△P作为综合指标来评价。过滤常数为K＝ηln（Ns/N0）＝－KL计算题1.试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。已知大气初始压力1kg/m3,温度20°C,要求设计工作压力4kg/m3,工作温度30°C。请确定介质过滤效率η及滤层厚度L，D解：拟选用棉花滤层df=16μm,气速Vs=0.1m/s，填充系数

α8%。1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100)=3.33×10-12η=1-P=1-3.33×10-122.表查得K=0.31cm-1,L＝－ln（Ns/N0）/K3.D=V－空气经过滤器时的体积流量（m3/s,min）vs－容器截面的空气流速（m/s,min）

根据气态方程P1V1/T1=P2V2/T2工作状态下，V2=m3/minD=2.一台空气过滤器的通风量为22.5m3/min,过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为1750个/m3,求整个周期通过过滤器无菌要求为10-3时的过滤器的L厚度。若通风量为2.25m3/min,过滤1min后空气中的颗粒数。（介质为df=16μm的玻璃纤维，原空气流速V=1.52m/s,变化后V=0.15m/s）注：空气流速与过滤效率的关系3.若上题