发酵工程无菌空气的制备专家讲座

第四章无菌空气制备发酵工程无菌空气的制备专家讲座第1页本章内容第一节空气中微生物和除菌方法第二节空气过滤除菌原理和过滤介质第三节空气过滤除菌工艺技术发酵工程无菌空气的制备专家讲座第2页第一节空气中微生物和除菌方法一、空气中微生物种类及分布空气中常见微生物种类有各种芽孢杆菌、变形杆菌、产气杆菌、酵母菌和病毒等。空气中微生物数量与环境相关，地域、季节、气候等都会影响。普通设计时以含量为103~104个／m3进行计算。空气中尘埃数（x/m3）与细菌数（y/m3）关系：y=0.003x-2.6发酵工程无菌空气的制备专家讲座第3页二、空气除菌方法和要求发酵工业应用“无菌空气”是指经过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。无菌空气标准普通是99.99%空气灭菌方法热灭菌法辐射灭菌法静电除菌法介质过滤除菌法发酵工程无菌空气的制备专家讲座第4页1.热灭菌法不需要经过蒸汽或者加热载体加热，直接经过空气压缩之后温度提升完成灭菌过程。空气压缩机发酵工程无菌空气的制备专家讲座第5页200℃15.1s250℃5.1s300℃2.1s350℃1.05s

原理：加热后微生物体内蛋白质（酶）氧化变性

不一样温度下杀死空气中微生物所需时间发酵工程无菌空气的制备专家讲座第6页2.辐射灭菌法α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外线、超声波照射原理：破坏蛋白质，破坏生物活性物质辐射灭菌仅用于表面灭菌和有限空间灭菌。应用最广泛是紫外线灭菌，常与甲醛蒸汽一起结合进行灭菌。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第7页3.静电除菌法近年来一些工厂已使用静电除尘器除去空气中水雾、油雾和尘埃，同时也除去了空气中微生物。原理：静电引力吸附带电粒子静电除尘灭菌器1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板；5-空气入口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第8页4.介质过滤除菌法让含菌空气经过定时灭菌干燥过滤介质，以阻截空气中含有微生物，从而取得无菌空气。原理：将介质填充到过滤器中，空气流过借助于惯性碰撞、阻截、扩散、静电等作用将尘埃微生物留在介质中，到达除菌效果。过滤器有很各种，依据过滤方式和过滤介质不一样能够进行区分（填充床/膜）。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第9页第二节空气过滤除菌原理和过滤介质一、空气过滤除菌原理二、空气过滤除菌介质三、介质过滤效率四、影响过滤除菌效果原因五、提升过滤除菌效率办法发酵工程无菌空气的制备专家讲座第10页一、空气过滤除菌原理绝对过滤/相对过滤介质过滤：以大空隙介质过滤层除去较小颗粒，这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是一个滞留现象（相对过滤）。这种滞留现象是由各种作用机制组成，主要有惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸引等。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第11页1.惯性冲击滞留作用微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在靠近纤维时：气流：碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。微生物等颗粒：因为含有一定质量，在以一定速度运动时含有一定惯性，碰到纤维时，因为惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，因为摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第12页2.拦截滞留作用微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在靠近纤维时：气流：速度在临界速度以下，颗粒不再因为惯性碰撞而滞留。颗粒：粒径小，质量轻，气流绕过纤维时仍随气流运动，在纤维周围形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，进入滞留区颗粒迟缓靠近纤维，并与之接触，因为摩擦、粘附作用而被滞留。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第13页3.重力沉降作用再小微粒也有重力当微粒所受重力大于气流对它拖带力时，微粒就会沉降。对于小颗粒而言，只有在气流速度很慢时才起作用。

普通它是与拦截滞留作用相配合，即在纤维边界滞留区内，微粒沉降作用提升了拦截滞留捕捉效率。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第14页4.布朗扩散截留作用布朗运动：直径小于1m微粒在很慢气流中能产生一个不规则直线运动。使较小颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质拦截截留；发酵工程无菌空气的制备专家讲座第15页5.静电吸引作用许多微生物和孢子都带有电荷含有一定速度气流经过介质滤层时，因为摩擦作用而产生诱导电荷当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸附作用普通认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留作用较大，重力和静电引力作用较小。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第16页二、空气过滤除菌介质1.过滤介质条件多孔性化学稳定性足够机械强度，使用寿命长

发酵工程无菌空气的制备专家讲座第17页2.惯用过滤介质：4）超细玻璃纤维丝：利用高质量无碱玻璃采取喷制法制成1–1.5m细丝；1）棉花：宜选取纤维细长、疏松新棉花；2）活性炭：直径3mm,长5–10mm,圆柱状，有较大表面积，经过物理吸附作用吸附微生物；3）玻璃纤维：直径8–19m；发酵工程无菌空气的制备专家讲座第18页二、空气过滤除菌介质5）纸类过滤介质：玻璃纤维纸，多层使用

；6）微孔滤膜类过滤介质：直径小于0.5m，甚至小于0.1m，能将空气中细菌真正滤去，也是绝对过滤。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第19页常见过滤介质发酵工程无菌空气的制备专家讲座第20页三、介质过滤效率滤层所滤去微粒数与原有微粒数之比称为过滤效率，用

表示，是衡量过滤设备过滤能力指标。

=

N1

－N2N1=1－N2N1=1－PN1—过滤前空气中微粒含量（个）；

N2

—过滤后空气中微粒含量（个）；

N2/N1—过滤后与过滤前空气中微粒数比值，称为穿透率P

发酵工程无菌空气的制备专家讲座第21页空气过滤器过滤效率主要与微粒大小、过滤介质种类和规格（纤维直径）、介质填充密度、过滤介质层厚度以及所经过空气气流速度等原因相关。在一定条件下（包含气流速度、温度、介质种类、填充密度、杂菌种类等），经过单位高度介质层后，杂菌浓度下降量与进入此介质层杂菌量成正比。即：dN/dL=－KN0dN/dL—单位滤层所除去微粒数（个/cm）；L—滤床厚度（cm）；K—过滤常数或除菌常数（cm－1）发酵工程无菌空气的制备专家讲座第22页上式整理并积分，可得：lnNsN0=－KL对数穿透定律—表示进入滤层微粒数与穿透滤层微粒数之比对数是滤层厚度函数。L=

1KlnN0NsN0—过滤前空气中微粒含量（个）；Ns—过滤后空气中微粒含量（个）；K—过滤常数或除菌常数（cm－1）发酵工程无菌空气的制备专家讲座第23页

常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度以及空气中颗粒大小等相关。K值可经过试验测得，也可经过计算求得。

若令Ns=0，则L=∞，实际上也不可能；普通取Ns=0.001

过滤效率随滤层厚度增加而增加。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第24页四、影响过滤除菌效果原因1.纤维直径在其它条件相同时，介质纤维直径越小，形成网格越细密、层数越多，过滤效率越高。2.介质填充厚度：3.介质填充密度增加填充密度，可提升过滤效率4.空气流速在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提升。对数穿透定律发酵工程无菌空气的制备专家讲座第25页五、提升过滤除菌效率办法1.降低进口空气含菌量；2.设计和安装合理空气过滤器，选取除菌效率高过滤介质；3.设计合理空气预处理设备，以到达除油、水和杂质效果；4.降低进入空气过滤器空气相对湿度，确保过滤介质在干燥状态下工作。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第26页一、对空气过滤除菌工艺流程要求需要空气压缩机提供含有足够能量空气；需要含有高效过滤除菌能力设备；需要精简工艺流程，降低设备投资等；工艺设计要选择好吸风条件、加强除水设备、降低负荷、提升空气无菌程度。流程：吸入空气前过滤空气压缩机冷却除油、水加热空气过滤器无菌空气第三节空气过滤除菌工艺技术发酵工程无菌空气的制备专家讲座第27页1.粗过滤器作用：捕集较大灰尘颗粒

要求：过滤效率高，阻力小（阻力大则增加空压机吸入负荷，降低压缩空气排出量）

型式：布袋式过滤器、油浴洗涤过滤器水雾除尘过滤器、填料式过滤器旋风分离式过滤器发酵工程无菌空气的制备专家讲座第28页二、空气预处理空气预处理目标：提升压缩前空气洁净度和去除压缩后空气中所带油和水。前过滤（粗过滤器）空气压缩（空气压缩机）压缩空气冷却（热交换器）压缩空气除水、油（气液分离器）发酵工程无菌空气的制备专家讲座第29页2.空气压缩机小型空压机大型空压机发酵工程无菌空气的制备专家讲座第30页空压机工作原理示意图吸气阀排气阀活塞汽缸排气阀吸气阀单吸式双吸式发酵工程无菌空气的制备专家讲座第31页多级压缩要得到压力较高压缩空气，单靠一级压缩是不能完成；因气体被压缩会产生大量热，气体温度上升，气体压缩比（气体压缩后与压缩前压力比）愈大，则气体温度上升越高，当压力比到达一定数值时，气体温度到达压缩机润滑油闪点（200～240℃），润滑油被烧成炭渣。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第32页3.压缩空气冷却过高温度压缩空气假如直接进入空气过滤器，有可能引发过滤介质炭化或燃烧；增大了发酵罐降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分蒸发，影响微生物生长。冷却器类型：立式列管式热交换器、沉醉式热交换器、喷淋式热交换器发酵工程无菌空气的制备专家讲座第33页4.压缩空气除水和除油使用气液分离器除去压缩后湿空气。气液分离器型式：旋风分离器和丝网分离器发酵工程无菌空气的制备专家讲座第34页旋风分离器利用气流从切线方向进入容器，在容器内形成旋转运动时产生离心力场来分离重度较大微粒。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第35页丝网分离器利用填料惯性拦截发酵工程无菌空气的制备专家讲座第36页三、空气过滤除菌工艺流程两级冷却、加热除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程将空气冷却至露点以上流程利用热空气加热冷空气流程一次冷却和析水空气过滤流程发酵工程无菌空气的制备专家讲座第37页两级冷却、加热除菌流程1.粗过滤器2.压缩机3.贮罐4,6.冷却器5.旋风分离器7.丝网分离器8.加热器9.总过滤器

空气从采气口进入过滤系统前，先经过粗过滤器过滤，再进入空气压缩机，经压缩升温后空气经过两次冷却后，再被加热和过滤。发酵工程无菌空气的制备专家讲座第38页冷热空气直接混合式空气除菌流程经粗过滤和压缩后空气，从储罐出来后分两部分，一部分进入冷却器，冷却