生物工程设备：第三章 空气除菌设备

第三章空气除菌设备

微生物好氧发酵需要通入空气，以供微生物繁殖和代谢需要。为了防止空气中的微生物进入发酵液，影响正常的发酵，通常要除去空气中的微生物及灰尘，以无菌、无尘的空气进入发酵液。根据发酵工厂提供的数据，空气系统不完善造成的染菌占有较大的比重。因此，空气除菌对好氧发酵来说非常重要。第一节空气除菌

一、通风发酵对无菌空气的要求和除菌方法（一）对无菌空气的要求

1、空气中微生物的分布（103-104个/米3）含菌量随环境的不同有很大的差异：寒冷干燥的北方少于潮湿温暖的南方；人口稀少的农村少于人口稠密的城市；高空少于地平面；

2、发酵对无菌空气的要求不同的微生物，不同的发酵过程对无菌空气的要求不同：菌种繁殖快，发酵周期短，要求低；培养基起始pH值低或发酵产酸，要求低；培养基营养差，要求低；代谢产物为杀虫剂或抗生素，发酵后期对空气的无菌要求低。染菌率一般按10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1-2次染菌。（二）除菌方法

空气除菌就是除去或杀死空气中的微生物。

1、辐射杀菌声能、高能阴极射线、X射线、紫外线等都能杀菌。紫外线常用于无菌室、手术室的杀菌，常用甲醛蒸汽消毒或苯酚的喷雾结合。

2、热杀菌热杀菌是可靠的杀菌方法，但需要消耗大量的能源及增设大量的换热设备。利用空气压缩时放出的热量进行杀菌是经济可行的：当进口温度为21℃，压缩气体的压力为0.7MPa时，出口温度为187-198℃。将管道保温，使空气在高温下保持一段时间可起到杀菌目的。这样，压缩机的耐热性能要提高，零部件采用耐热材料加工。

3、静电除菌除尘效果在85%-99%间，空气压头损失小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除尘效率较低。工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。装置分电离区和捕集区：电离区：放电线接上10KV的直流电压，形成电位梯度很强的不均匀电场。捕集区：5KV直流电压的高压电极板上可形成均匀电场，正电粒子向负极板移动。4、过滤除菌采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空气中所含的微生物，取得无菌空气。过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。深层过滤：过滤介质的直径及所形成的网格大于微粒的直径；介质材料有：棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维。绝对过滤：过滤介质的直径及网格小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介质上。介质材料有：烧结材料和微孔滤膜。二深层过滤除菌机理

微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进，使得滤层纤维对微粒产生各种拦截作用，而把微粒滞留在纤维表面上。

1、惯性冲击滞留作用机理

2、拦截滞留作用机理

3、布朗扩散作用机理

4、重力沉降作用机理

5、静电吸附作用机理及表面吸附作用机理三深层过滤效率和过滤器计算

过滤效率：

η==1-（一）对数穿透定律设定理想状态：每一纤维的空气流态不受相邻纤维的影响；空气中的微粒与纤维接触后即被吸附；通过每一纤维层的过滤效率不变；N1-N2N1 N2N1

由此得到：

-=KN

积分后得到：lg=-K´L（1）

通常以η=90%时的滤层厚度作为对比基准得：K´=1/L90代入（1）得：

lg=L/L90dNdLN2N1 N1N2 四过滤介质和过滤器的结构（一）过滤介质

1、棉花：选用纤维细长疏松的新鲜产品，不能使用脱脂棉，装填时要分层均匀铺砌，最后要压紧。直径16-21μm。

2、玻璃纤维：直径8-19μm，装填系数6-10%，直径越小越好，但强度会降低，易碎裂而造成堵塞，增大阻力。

3、活性炭：性能决定于它的强度和表面积，一般采用直径3mm、长5-10mm的圆柱状活性炭。阻力仅为棉花的一半。

4、超细玻璃纤维纸：将超细玻璃纤维按造纸的方法做成纤维纸而得。网格孔隙为0.5-5μm，属高速过滤介质。易受空气冲击而破坏，湿强度低。可采用树脂或疏水剂处理，也可加厚滤纸，以增大机械强度和湿强度。

5、石棉滤板：过滤效率低，用作分过滤器，湿强度大，受潮时不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间长。6、烧结材料：有烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等。具有微孔过滤的作用。其孔径决定于烧结粉末的大小。特点：强度高、寿命长、能耐受高温反复杀菌，对空气除油、除水要求不高。可通过反冲、超声波、溶剂来再生过滤介质。7、微孔滤膜过滤介质：主要有聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等，属于绝对过滤介质。特点：可耐高温反复杀菌，过滤效率可达99.9999%。（二）过滤器的结构

1、深层棉花（活性炭、玻璃纤维）过滤器滤层厚度按对数穿透定律进行计算，棉花之间填充活性炭可减小滤层阻力，通过金属丝网和织物来均匀分布进入滤层的空气。紧固螺栓用于将滤层压紧；夹套用于对过滤器进行加热灭菌。空气由筒体下部切线进料，筒体上部出气。上封头安装安全阀、压力表，下封头安装排污阀。

2、平板式纤维纸分过滤器：适应填充薄层的过滤板或过滤纸。空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由顶盖排出。过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶圈密封。过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5

V—空气体积流量（m3/s）

VS—空气流速（m/s）

3、管式过滤器：当设备直径相同时，管式过滤器比平板式过滤器的过滤面积大得多。关键是要防止空气从纸缝中走短路。

4、接迭式低速过滤器：气速低时，过滤效率高。用于洁净工作室、工作台或自吸式发酵罐。通过将滤纸折叠安装在过滤器的滤框中，可增大过滤面积。

5、绝对过滤过滤器：过滤介质加工成滤芯、滤棒，装配在滤壳中。可根据过滤面积，在一个滤壳中装配多根滤芯。一般预过滤器、精过滤器、蒸汽过滤器成组装配，通过压力表检测过滤介质的工作性能。特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占地面积小。

第二节过滤除菌流程

一空气除菌流程的要求

空气除菌流程是根据生产对无菌空气的要求，当地环境的空气条件，除菌设备的特性决定的。首先是要提高空气的能量，达到输送的目的。其次是要除掉空气在压缩过程中产生的水和油。空气中相对湿度应小于60-70%。对于风压要求低、输送距离短、无菌要求不高的，采用普通的离心式鼓风机增压，低速过滤器过滤除菌。由于压力变化小，空气的参数变化不大，因此不需要专门进行除水除油。对于风压要求高、无菌要求也高的，采用空气压缩机增压，高速、高效的过滤器除菌。由于空气压力变化大，参数变化大，需要考虑除水除油的问题，这样流程中需要增加一系列的附属设备。二空气除菌流程的分析(一)空气压缩冷却过滤流程适用于气候寒冷，相对湿度很低的地方或相应的季节。由于空气经压缩后，相对湿含量小于60%，故无需进行除水。当相对湿度100%，温度小于4℃；相对湿度80%，温度小于6℃；相对湿度60%，温度小于12℃时，可采用此流程。（二）两级冷却、分离、加热的除菌流程这是一个比较完善的空气除菌流程，适合各种气候条件，能充分的分离空气中的水雾、油雾。优点是能提高空气的传热系数，节约冷却水用量，油、水分离得比较完全。第一级冷却到30-35℃，采用旋风分离器分离水、油滴；第二级冷却到20-25℃，采用丝网分离器分离水、油雾；最后通过加热的办法把空气的相对湿度降到50-60%。（三）高空采风、高效前置过滤除菌流程据报道：在一定范围内，每升高10英尺空气中微生物的含量就减少一个数量级。因此，可以采用高空采风和高效前置过滤器联用的方法来降低主过滤器的负荷，以提高无菌空气的无菌程度。一般采用泡沫塑料（静电除菌）、超细纤维纸为高效前置过滤器的介质，串联使用。经高效前置过滤器后，空气的无菌程度已达99.99%。（四）冷冻干燥机流程本流程具有将压缩空气中的油水冷凝并除去的作用，可用于代替两级冷却、分离、加热的除菌流程中的两级冷却器及分离器，使原有流程简化。在该流程中配置了三种不同等级的过滤器，可达到除油、除水和除菌的目的。特点：流程、设备简单，适合各种气候条件，占地面积小，操作方便，但只能在中、小型工厂中使用。第三节附属设备

一、前置过滤器作用：捕集较大的微粒，减少压缩机受磨损，减轻主过滤器的负荷。要求：过滤效率要高，阻力要小。

1、布袋过滤器：

2、填料式过滤器：油浸铁回丝、玻璃纤维、合成纤维作填料，高效、低阻，结构复杂，占地面积大，填料要经常洗换。3、油浴洗涤装置：空气经过油层洗涤后，微粒被油粘附而除去，含油雾的空气经百叶窗式圆盘和过滤丝网分离油雾后由中心管吸入压缩机。特点：效率高、阻力小，但耗油量大。4、水沫除尘装置：空气由设备底部进入，水雾从上部淋下，对空气进行洗涤，微粒随水排出器外，空气经过滤网除水雾后进入压缩机。特点：更适用于大颗粒，气速不能太大，以免带出较多的水雾，影响压缩机。二、空气贮罐作用：消除压缩机排出空气量的脉动，维持稳定的空气压力，利用重力沉降作用分离部分油雾、水雾，若增加导筒还可增加热杀菌效果。空气贮罐应紧接着压缩机安装。罐体上要安装安全阀和压力表。空气贮罐的体积：

V=0.1-0.2W(m3)W—压缩机的排气量(m3/min)三气液分离器1、旋风分离器：要求：分离器直径不能太大，效率会降低，当处理的空气量大时，可采用多个分离器并联；进口的流速要适当，一般进口气速15-25m/s，出口气速4-8m/s。水雾的粒子大小在10-200μm之间，而旋风分离器恰好对于10μm以上的微粒分离效率高。

2、填料分离器：采用焦