教学重点空气除菌的方法,常用的过滤介质,过滤除菌的机制及流程.ppt

1、1,2020/7/11,第三章 空气除菌,2,2020/7/11,教学时数：4学时 教学目的与要求：要求学生了解空气中的微生物，对空气除 菌的方法和意义，掌握空气过滤除菌的机制及流程，会计算深层过滤效率和过滤器的计算； 教学重点：空气除菌的方法，常用的过滤介质，过滤除菌的机制及流程 教学难点：过滤介质的选择、深层过滤效率和过滤器的计算,3,2020/7/11,本章主要内容,一、空气除菌的意义 二、空气中的微生物 三、好气性发酵对空气无菌度的要求 四、空气除菌的方法 五、过滤介质 六、过滤除菌的机制 七、空气过滤除菌流程 八、深层过滤效率和过滤器的计算,4,2020/7/11,一、空气除菌的意义

2、 好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗氧气，工业生产上均采用空气作为氧气来源。然而，空气中有各种各样的微生物，为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。,5,2020/7/11,二、空气中的微生物 空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈高含菌量愈少；工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气含菌数为300010000个/m3。空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母、霉菌、放线菌和噬菌体，小的微生物附着在空气灰尘上。,6,2020/7/11,7,2020/7/11,三、 好气性发酵对空气无菌度

3、的要求 好气性发酵中需要大量无菌空气，但空气绝对无菌是很难做到的，也是不经济的，只要使在发酵过程中不至于造成染菌而出现“倒罐”现象，这就是通风发酵对无菌空气的要求。不同类型的发酵，由于菌种生长活力、繁殖速度、培养基成分和pH值及发酵产物等不同，对杂菌抑制的能力不同，因而对无菌空气的无菌程度要求也有所不同。在工程设计上，一般要求1000次使用周期中只允许有一个杂菌通过。,8,2020/7/11,四、空气除菌的方法 1、辐射杀菌 高能阴极射线、X射线、射线、紫外线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫外线用的较多，它在波长226.5nm-328.7nm时杀菌最强。一般用于无菌室、手术室杀菌。,9

4、,2020/7/11,2、静电除菌 静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在8599%之间，但由于它消耗能量小，每处1000m3的空气每小时只需电0.20.8kw。空气压头损失小，一般只在420mm水柱。静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的电荷，,没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，但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气流对微粒的拖带力或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菌对很小的微粒效率很低。,11,2020/7/11,3、热杀菌 将空气加热到一定温度

5、后保温一定时间,使微生物蛋白热失活而致死。热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌目的，这是十分不经济的。工业上是利用空气压缩时放出的热量进行杀菌。实用流程图如下。,12,2020/7/11,13,2020/7/11,4、过滤除菌 （1）绝对过滤 绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便，它是多年来受到受到国内外科学工作者注意和研究的问题。它采用很细小的纤维介质制成，介质空隙小于0.5um。,14,2020/7/11,（2）介质过滤 介质过滤除菌是目前

6、工业上用的较多的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等。,15,2020/7/11,五、过滤介质 1、棉花 棉花纤维一般直径为1621um，长度23cm。棉花随品种和种植条件的不同而有较大的差别，最好选用纤维细长疏松的新鲜的非脱脂棉花。储藏过久，纤维会发脆，断裂，堵塞而增大了压力降；脱脂纤维会因易吸湿而降低过滤效果。,17,2020/7/11,装填时要分层均匀铺，最后要压紧，装填密度达到150200kg/m3为好。如果压不紧或装填不均匀，会造成空气走短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果。棉花作为过滤介质的缺点是阻力

7、大，容易受潮，受潮后阻力大。,18,2020/7/11,2、玻璃纤维 作为散装填充过滤器的玻璃纤维，一般直径为819um不等，而纤维直径越小越好，但由于纤维越小，其强度越低，很容易断而造成堵塞，增大阻力。因此填充不宜过大，一般采用610%，它的阻力比一般棉花较小。玻璃纤维最大的缺点是更换玻璃纤维介质时将造成碎末飞扬，易使人过敏。,19,2020/7/11,3、活性炭 活性炭有非常大的表面积，通过表面物理吸附而吸附微生物。一般采用直径3mm、长510mm的圆柱状活性炭。其粒子间隙很大，故对空气的阻力较小，仅为棉花的1/12，但它的过滤的效率比棉花要低得多。,20,2020/7/11,目前工厂都夹

8、装在三层棉花中使用，以降低滤层阻力。活性炭的好坏决定于它的强度和表面积，表面积小，则吸附能力差，过滤效率低，强度不足，则很容易破碎，堵塞孔隙，增大气流阻力，它的用量约为整个过滤层的1/31/2。,21,2020/7/11,4、超细玻璃纤维 以质量好的无碱玻璃，用喷吹法治城的直径很小的纤维。由于直径很小，不易散装填充，因而采用造纸的方法，做成0.25-0.3mm厚的纤维纸，使用时将3-6层叠在一起。由于丝径小，制得网格孔径也小，约为5um以下，比棉花填充后的孔径小10-15倍，因此除菌效率高。这种纸具有吸湿性，不疏水，当被水湿后，就失去除菌能力，且潮湿后强度很差，易被气流冲破。因此，一般须经疏水

9、处理。,22,2020/7/11,常用的疏水剂有2-5%的2124酚醛树脂酒精溶液，采用沉降、涂抹或喷洒处理，可提高机械强度，但不防水。用硅酮（5%有机硅）处理，防潮性能好但不防油。,23,2020/7/11,5、绝对过滤介质 这是一种能控制孔径的过滤介质，孔径在0.45um以下，小于一般菌体，对微生物及0.45um以上颗粒能完全过滤，所以成为绝对过滤介质。国外已有商品出售，国外也已试制成功并有少量生产。这种滤纸的材料有硝酸纤维脂类、聚四氟乙烯等。,五、过滤除菌的机制 空气的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，由于空气中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空 气中的微生物粒子大小在0.52um

10、之间，深层过滤所用的过滤介质如棉花的纤维直径一般为1620um。填充系数为8%时，棉花纤维所形成网络的孔隙为,25,2020/7/11,2050um，微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流出现无数次改变运动速度和方向，绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。,26,2020/7/11,1、惯性冲击滞留作用机理 当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近 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。但微生物等颗粒由于具 有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性， 碰到纤维

11、时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维 表面上，由于摩擦、黏附作用，被滞留在纤维表 。,27,2020/7/11,面，这叫做惯性冲击滞留作用。当气流速度达到一定时，它是介质过滤除菌的主要作用纤维能滞留微粒的宽度区间b与纤维直径df之比称为单纤维的惯性碰撞捕集效率，用1表示： 1=b/df b值由微粒的运动惯性所决定。微粒的运动惯性越大，它所受气流换向干扰越小，b值就越大。,28,2020/7/11,捕集效率是微粒惯性力的无因次准数的函数： 1= f（ ） (3-1) C-层流滑动修正系数 V-空气（微粒）的流速（m/s) df-纤维直径（m） dp-微粒直径（m） p-微粒密度（kg/m3） -空

12、气的粘度（牛顿.秒/ 米2）,29,2020/7/11,从上式中可以看出，空气流速V是影响捕集效率的重要参数。在一定条件下，捕集效率随着其流速的增大而增大。当气流速度过大时，也会将颗粒带走而捕集效率下降，相反当气流速度很小时，颗粒因运动速度小而惯性也小，颗粒脱离气流而被捕集的可能性也小。如果气流的速度小至颗粒的惯性力不足以使颗粒,31,2020/7/11,脱离气流时，颗粒就不与纤维碰撞而被捕集，即1 =0，此时的气流速度称为临界速度，以Vc表示。 空气临界速度Vc与纤维直径df、颗粒直径dp、密度 以及气体的物理性质有关。在临界速度以下时，颗粒的惯性冲击可以忽略不计 。,32,2020/7/1

13、1,2、 阻拦滞留作用 气流速度下降到临界速度以下时，微粒不再由于 惯性碰撞而被滞留。但是微粒质量很小，它随低 速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气 流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维 前进，并在纤维周围形成了一层边界滞留区。滞 留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒缓慢靠 近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。,33,2020/7/11,从图8-3可以看出，位于,并离纤维表面,dp/2处的空气流线是流线中所夹带的颗粒通过圆柱形纤维时被阻拦的极限条件。单个纤维对颗粒的阻拦效率可由下式表示：,(3-2)式中： R -颗粒和纤维的直径之比，即,34,2020/7/11,dp -颗

14、粒直径（m) df -纤维直径（m) Re -空气流雷诺准数 -空气密度（kg/m3) V -空气流速（m/s) 式3-2虽不能完善的反映各参数变化过程中纤维,35,2020/7/11,截留颗粒的规律，但当V V c时计算得的单纤维截流效率是比较接近于实际的。 3、布朗扩散作用 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动（布朗扩散）而与纤维接触且俯着于纤维表面而被捕集。由于布朗扩散而导致的微粒捕集效率3。,4、重力沉降作用 当微粒所受重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。对于小颗粒，这种机制只能在气流速度很低时才能起作用。在空气介质过滤除菌方面，此一作用是可以不考虑的。,37,2

15、020/7/11,5、静电吸附作用 当气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更显著。当菌体所带电荷与介质所带电荷相反时，就产生静电吸附作用。但关于介质过滤除菌机制中静电吸附作用的捕集效率的定量数据还未见报道。,38,2020/7/11,综上所述，就纤维过滤器而言，重力沉降作用和静电吸附不予考虑。若假定1 、2、3的数值不相互影响 则单个纤维的捕集效果一般为= 1+ 2 + 3 介质中过滤系统中由哪一种过滤机理起主导作用，由颗粒性质、介质的性质和气流速度等决定，只有静电吸附只受尘埃或微生物和介质所带电荷作用，不受外界因素影响。当气流速度小时，

16、惯性碰撞作用不明显，以阻截、沉降和布朗运动为主。,39,2020/7/11,此时，除菌效率随速度的增大而降低，当增大到某值时，除菌效率最低，也就是临界速度，惯性碰撞代替阻截、沉降和布朗运动，除菌效率随气流速度的增加而提高，以上现象还和微粒的大小相关，只有较大的颗粒（1um以上）。在0.5um以下，几乎无惯性碰撞现象。,40,2020/7/11,41,2020/7/11,六、空气过滤除菌流程,空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备 的参数，根据空气的性质而制订的，同时要结合 吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。 一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要 的无菌程度外，还要具有一定高

17、的压力，这就需 要比较复杂的空气除菌流程。,1、空气除菌流程的要求 空气净化处理的根本目的是除菌，然而目前所使用的过滤介质必须在干燥状态下工作才能保证过滤效率，因此就必须除油、除水。空气净化流程的选择必须围绕着提高过滤除菌效率进行。,43,2020/7/11,2、提高过滤除菌效率的主要措施 （1）减少进口空气的含菌量。加强环境卫生管理提高空气进口位置（高采风口） 加强压缩机前的预处理 （2）设计和安装合理的空气过滤器。 （3）降低进入总过滤器的空气相对湿度，保证过滤在干燥条件下工作。采用无润滑油的空压机加强空气的冷却、除油、除水提高总过滤器的空气的温度，降低其相对湿度。,3、几种典型的空气过滤

18、除菌流程 （1）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程 如图所示：这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种的气候条件，能充分的分离空气中含有的水分，使空气达到低的相对湿度下进入到过滤器，提高过滤效率。流程的特点是：两次冷却，两次分离，适当加热。两次冷却，两次分离油水的好处是，能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。,45,2020/7/11,经第一次冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小的雾粒，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果高的作用。经二次分离的空气带的雾沫就较少，

19、两级冷却可以减少油膜污染对传热的影响。这种流程适合湿度较大的地区。,46,2020/7/11,47,2020/7/11,（2）冷热空气直接混合式空气除菌流程 它的特点：可省第二冷却分离设备和空气再加热 设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空 气的热量来提高空气温度。压缩空气从贮罐分成两部 分流出，一部分进入冷却器，冷却到较低的温度，经 分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压 缩空气混合。,48,2020/7/11,七、 深层过滤效率和过滤器的计算 深层介质过滤除菌不是面积过滤，而是无数层纤维将空气中的微生物等颗粒滞留在介质中。它仅仅是延长了空气中微粒的滞留时间，随着时间的延长，

20、微粒穿过介质过滤层的几率不断增加，达不到100%的过滤效率。,50,2020/7/11,但是在一段时间内，能够将微生物等颗粒阻截在介质中，从而防止杂菌漏入发酵罐引起污染。因此没使用一段时间后，介质层中的微粒堆积到一定数量，微粒穿过的几率大大增加，这是就必须进行灭菌。,51,2020/7/11,过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤设备的过滤能力的指标： =(N0-Ns)/N0=1-Ns/N0=1-P N0-过滤前空气中微粒含量 Ns-过滤后空气中微粒含量,52,2020/7/11,Ns/N0-过滤前后空气中微粒数的比值，即 穿透滤层的微粒数与原有微粒数的比值，称为穿 透

21、率（P） 空气过滤器质量主要取决于过滤效率，过滤效率主要与微粒的大小，过滤介质的种类和它们的规格（纤维直径），介质的填充密度，过滤介质厚度L，以及所通过的空气气流速度等因素有关。,53,2020/7/11,1、对数穿透定律 研究空气过滤规律时，先排除一些复杂的因素， 有四个假定： （1）过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响。,54,2020/7/11,（2）空气中的微粒与纤维与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走。 （3）过滤器过滤效率与空气中微粒的浓度无关。 （4）空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。,55,2020/7/11

22、,这样，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进 入空气微粒浓度成正比: -dN/dL=KN K-过滤常数（cm-1） 移项积分得：lnNs/N0=-KL 这叫做对数穿透定律。过滤常数K与许多因素相 关，如空气流速V、纤维直径、颗粒直径和纤维 填充密度等,一般经试验求得。,56,2020/7/11,为了测定K值，可采用过滤效率=90%（即穿透 率P=10%）时的滤层厚度L90为基准，则： ln10%=-KL90 K=-ln10%/L90=2.303/L90 K值越大，L90就越小。,2、过滤阻力计算 空气通过滤层的压力降P是空气克服与介质摩擦时的 一种能量损失，其值大小随滤层厚度、空气流速、过滤

23、介质性质、填充情况而变化，可用下面的经验公式计算： P=CL2V2m/（gdf） P-过滤层的压力降（kg/m2） L-滤层厚度（m） -空气密度（kg/m3） V-空气实际流速（m/s）,58,2020/7/11,V=Vs/(1- ) Vs-过滤器空截面的空气流速（m/s） -介质填充系数 df-纤维直径（m） m-实验指数 C-阻力系数（是雷诺准数Re的函数）以棉花为过滤介质时：C100/Re 以玻璃纤维为过滤介质时：C52/Re 可见相同Re下，玻璃纤维要比棉花纤维的阻力小，所以玻璃纤维是一种由于棉花的过滤介质。,59,2020/7/11,3、过滤器内空气流速的讨论 空气流速对过滤器的设计是一个主要的影 响因素。空气流速发生变化时对过滤效率 产生很大的影响。,