第四章无菌空气的制备课件

第四章

无菌空气的制备发酵对空气无菌程度的要求

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。氧气氮气惰性气体二氧化碳水蒸气气态物质的混合物悬浮在空气中的灰尘构成地壳的无机物质颗粒烟灰植物花粉种类繁多的细菌和其他微生物空气（即大气）空气中常见微生物种类及大小微生物宽/μm长/μm产气杆菌1.0-1.51.0-2.5蜡状芽孢杆菌1.3-2.08.1-25.8普通变形杆菌0.5-1.01.0-3.0地衣芽孢杆菌0.5-0.71.8-3.3巨大芽孢杆菌0.9-2.12.0-10.0蕈状芽孢杆菌0.6-1.61.6-13.6枯草芽孢杆菌0.5-1.11.6-4.8金黄色小球菌0.5-1.00.5-1.0酵母菌3.0-5.05.0-19.0病毒0.0015-0.2250.0015-0.28霉状分枝杆菌0.6-1.61.6-13.6空气中微生物的数量与环境有密切关系。一般干燥寒冷的北方，空气中含微生物量较少，而湿润温暖的南方空气中含微生物较多；城市空气中的微生物含量（103-104个/m3）比人口稀少的农村多；地平面空气中微生物含量比高空多。空气灭菌的必要性好氧微生物在培养过程中，其生长、繁殖、代谢均需要大量氧气的参与；所需氧气通常是以空气的形式提供的；空气中含大量的各类微生物，如果随空气一同进入培养系统，便会在合适的条件下大量繁殖，与目的菌株竞争性消耗营养物质，并产生各种副产物，从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行，甚至使培养过程彻底失败导致倒罐；因此空气的灭菌是好氧培养过程中的一个重要环节。第一节空气净化的方法1、辐射杀菌2、热杀菌

3、静电除菌4、过滤除菌

a-射线、b-射线、X-射线、g-射线和紫外线等理论上能破坏蛋白质等生物活性物质，从而起到杀菌作用。辐射灭菌一般用于表面的灭菌及有限空间空气的灭菌。2、辐射灭菌近年来一些工厂已使用静电除尘除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去了空气中的微生物。静电除菌时是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电颗粒。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，所以静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。3、静电除菌过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤除菌处理的空气可达到无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供好氧培养过程之用。该法广泛应用，是获得大量无菌空气的常规方法，在生产中使用最多。4、介质过滤除菌法第二节空气的深层过滤除菌原理和介质1、空气的过滤除菌原理布朗扩散截留作用拦截截留作用惯性撞击截留作用重力沉降作用静电吸引作用在过滤除菌中，有时很难分辨上述各种机理各自所作贡献的大小。随着参数的变化，各种作用之间有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大，而重力和静电引力的作用则很小。气流速度小：布朗扩散截留和拦截截留显著气流速度大：惯性撞击截留作用显著用于空气过滤的过滤介质有纤维状物或颗粒状物、过滤纸、微孔滤膜等各种类型。（1）纸类过滤介质玻璃纤维纸属于深层过滤技术。以质量较好的无碱玻璃采用喷吹法制成直径很小的纤维（Φ1-1.5μm），由于纤维特别细小，故不宜散装填充，而采用造纸的方法作成0.25-1mm厚的纤维纸。一般应用时需将3-6张滤纸叠在一起使用。玻璃纤维纸很薄，纤维间的孔隙为1-1.5μm，厚度约为0.25-0.4mm，密度为2600kg/m3，堆积密度为384kg/m3，填充率为14.8％。优点：过滤效率高，对于>0.3μm的颗粒的去除率为99.99％以上，同时阻力比较小，压降较小。缺点：强度不大，特别时受潮后强度更差。为了增加强度，在纸浆中加入7-50％的木浆。2、空气过滤除菌的介质（2）纤维状或颗粒状过滤介质棉花。常用的过滤介质，通常使用脱脂棉，有弹性，纤维长度适中。一般填充密度为130-150kg/m3，填充率为8.5-10％。玻璃纤维。纤维直径小，不易折断，过滤效果好。纤维直径约为5-19μm，填充密度为130-280kg/m3，填充率为5-11％。活性炭。要求活性炭质地坚硬，不易压碎，颗粒均匀，装填前应将粉末和细粒筛去。常用小圆柱体的颗粒活性炭，大小为Φ（3×10）-（3×15）mm，密度1140kg/m3，填充密度为470-530kg/m3，填充率44％。纤维状或颗粒状过滤介质过滤除菌靠惯性、拦截、布朗运动、静电引力等作用。对0.3μm以下的颗粒的过滤效率为99％，需要多次过滤。缺点：体积大，占有空间大，操作困难，装填介质时费时费力，介质装填的松紧程度不易掌握，空气压降大，介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气，另外更换玻璃纤维类介质时碎沫飞扬，影响操作人员身体健康。（3）微孔滤膜类过滤介质微孔滤膜类过滤介质的空隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中细菌真正滤去，即绝对过滤。特点：易于控制过滤后的空气质量，节约能量和时间，操作简便。对空气中的细菌和尘埃有滤除作用外，还有静电作用。通常在空气过滤前应将空气中的油、水除去，以提高此类过滤介质的过滤效力和使用寿命。这一类介质包括纤维素脂微孔滤膜、聚四氟乙烯微孔滤膜等。3、介质过滤效率介质过滤效率是指被介质层捕集的尘埃颗粒与空气中原有颗粒数之比。η＝N1－N2N1＝1－N2N1＝1－PN1，N2——过滤前、后空气中的尘埃颗粒数；η——过滤效率，％；P——穿透率，即过滤后空气中残留颗粒数与原有颗粒数之比。一般P＝10－3，说明介质过滤不能长期获得100％的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌。当气流速度达到一定值或过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过，所以过滤器必须定期灭菌。＝＝＝＝介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，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。4、影响介质过滤效率的因素设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。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。保证进口空气清洁度，减少进口空气的含菌数。方法：①加强生产场地的卫生管理，减少生产环境空气中的含菌数；②正确选择进风口，压缩空气站应设上风口；③提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数；④加强空气压缩前的预处理。降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质能在干燥状态下工作。方法：①使用无润滑油的空气压缩机；②加强空气冷却和去油去水；③提高进入过滤器的空气温度，降低其相对湿度。5、提高过滤除菌效率的措施第三节空气净化的流程空气净化一般是吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤，然后进入空气压缩机。从空压机出来的空气（一般压力在1.96×105Pa以上，温度120-150℃），先冷却到适当的温度（20-25℃）除去油和水，再加热到30-35℃，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。具有一定压力的空气可以克服空气在预处理、过滤除菌及有关设备、管道、阀门、过滤介质等的压力损失，并在培养过程中能够维持一定的罐压。因此，过滤除菌的流程必须有供气设备——空气压缩机，对空气提供足够的能量，同时还要具有高效的过滤除菌设备以除去空气中的微生物颗粒。对于其他附属设备则要求尽量采用新技术以提高效率，精简设备流程，降低设备投资、运转费用和动力消耗，并简化操作。流程的制定要根据具体所在地的地理、气候环境和设备条件来考虑。如在环境污染比较严重的地方要改变吸风的条件（如采用高空吸风），以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的地方要加强除水设施以确保和发挥过滤器的最大除菌效率。要保持过滤器在比较高的效率下进行过滤，并维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，则要有一系列的加热、冷却及分离和除杂设备来保证。空气经空压机压缩后压力会升高，同时温度也会升高，再后续的过程中会产生冷凝水，水分一旦进入过滤器会堵塞过滤介质，增大空气的压力损失，严重的话还会浸润介质而破坏过滤效果；空气在压缩过程中可能夹带空压机的润滑油烟雾，油雾会降低空气的给热系数，给空气的冷却造成困难，另外也会和冷凝水一样浸润介质破坏过滤效果这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分分离油水，使空气达到较低的相对适度下进入过滤器，以提高过滤效率。1.两级冷却、加热除菌流程(考)几种典型的空气净化流程特点：两次冷却、两次分离、适当加热。优点：能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒(>20μm)，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出较小雾粒(>1μm)，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效率高的作用。通常，第一级冷却到30-35℃，第二级冷却到20-25℃。除水后，空气的相对湿度仍是100％，须用丝网分离器后的加热器将空气中的相对湿度降低至50-60％，以保证过滤器的正常运行。尤其适用于潮湿地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。2.冷热空气直接混合式空气除菌流程压缩空气从储罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理的高温压缩空气混合，此时混合空气已达到温度为30-35℃，相对湿度为50-60％的要求，在进入过滤器过滤。＝＝＝＝特点：省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备，流程简单；利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少。适用于中等湿含量地区，但不适合空气湿含量高的地区。采用高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，降低了主过滤器的负荷，所得的空气无菌程度很高。3.高效前置过滤空气除菌流程＝＝＝＝4.利用热空气加热冷空气的流程利用压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。对热能的利用比较合理，热交换器可兼做贮气罐，但由于气—气换热的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求。高空取气管

为远离地面几十米的管子。每升高10米，空气中杂菌降低一个数量级。因此从高空取气要比从低空取气有利得多。

第四节附属设备空气贮罐消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力。利用重力沉降作用除去部分油雾