生物工程設(shè)備：第三章 空氣除菌設(shè)備

第三章空氣除菌設(shè)備

微生物好氧發(fā)酵需要通入空氣，以供微生物繁殖和代謝需要。為了防止空氣中的微生物進入發(fā)酵液，影響正常的發(fā)酵，通常要除去空氣中的微生物及灰塵，以無菌、無塵的空氣進入發(fā)酵液。根據(jù)發(fā)酵工廠提供的數(shù)據(jù)，空氣系統(tǒng)不完善造成的染菌占有較大的比重。因此，空氣除菌對好氧發(fā)酵來說非常重要。第一節(jié)空氣除菌

一、通風(fēng)發(fā)酵對無菌空氣的要求和除菌方法（一）對無菌空氣的要求

1、空氣中微生物的分布（103-104個/米3）含菌量隨環(huán)境的不同有很大的差異：寒冷干燥的北方少于潮濕溫暖的南方；人口稀少的農(nóng)村少于人口稠密的城市；高空少于地平面；

2、發(fā)酵對無菌空氣的要求不同的微生物，不同的發(fā)酵過程對無菌空氣的要求不同：菌種繁殖快，發(fā)酵周期短，要求低；培養(yǎng)基起始pH值低或發(fā)酵產(chǎn)酸，要求低；培養(yǎng)基營養(yǎng)差，要求低；代謝產(chǎn)物為殺蟲劑或抗生素，發(fā)酵后期對空氣的無菌要求低。染菌率一般按10-3來計算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1-2次染菌。（二）除菌方法

空氣除菌就是除去或殺死空氣中的微生物。

1、輻射殺菌聲能、高能陰極射線、X射線、紫外線等都能殺菌。紫外線常用于無菌室、手術(shù)室的殺菌，常用甲醛蒸汽消毒或苯酚的噴霧結(jié)合。

2、熱殺菌熱殺菌是可靠的殺菌方法，但需要消耗大量的能源及增設(shè)大量的換熱設(shè)備。利用空氣壓縮時放出的熱量進行殺菌是經(jīng)濟可行的：當進口溫度為21℃，壓縮氣體的壓力為0.7MPa時，出口溫度為187-198℃。將管道保溫，使空氣在高溫下保持一段時間可起到殺菌目的。這樣，壓縮機的耐熱性能要提高，零部件采用耐熱材料加工。

3、靜電除菌除塵效果在85%-99%間，空氣壓頭損失小、設(shè)備不大，能耗低。對很小的微粒除塵效率較低。工作原理：利用靜電引力吸附帶電粒子而達到除菌除塵目的。裝置分電離區(qū)和捕集區(qū)：電離區(qū)：放電線接上10KV的直流電壓，形成電位梯度很強的不均勻電場。捕集區(qū)：5KV直流電壓的高壓電極板上可形成均勻電場，正電粒子向負極板移動。4、過濾除菌采用定期滅菌的過濾介質(zhì)來阻截流過空氣中所含的微生物，取得無菌空氣。過濾方法可分為深層過濾和絕對過濾。深層過濾：過濾介質(zhì)的直徑及所形成的網(wǎng)格大于微粒的直徑；介質(zhì)材料有：棉花、活性炭、玻璃纖維、有機合成纖維。絕對過濾：過濾介質(zhì)的直徑及網(wǎng)格小于微粒的直徑，將微粒絕對的阻截在介質(zhì)上。介質(zhì)材料有：燒結(jié)材料和微孔濾膜。二深層過濾除菌機理

微粒隨氣流通過濾層時，濾層纖維所形成的網(wǎng)格阻礙氣流直線前進，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運動速度和運動方向，繞過纖維前進，使得濾層纖維對微粒產(chǎn)生各種攔截作用，而把微粒滯留在纖維表面上。

1、慣性沖擊滯留作用機理

2、攔截滯留作用機理

3、布朗擴散作用機理

4、重力沉降作用機理

5、靜電吸附作用機理及表面吸附作用機理三深層過濾效率和過濾器計算

過濾效率：

η==1-（一）對數(shù)穿透定律設(shè)定理想狀態(tài)：每一纖維的空氣流態(tài)不受相鄰纖維的影響；空氣中的微粒與纖維接觸后即被吸附；通過每一纖維層的過濾效率不變；N1-N2N1 N2N1

由此得到：

-=KN

積分后得到：lg=-K′L（1）

通常以η=90%時的濾層厚度作為對比基準得：K′=1/L90代入（1）得：

lg=L/L90dNdLN2N1 N1N2 四過濾介質(zhì)和過濾器的結(jié)構(gòu)（一）過濾介質(zhì)

1、棉花：選用纖維細長疏松的新鮮產(chǎn)品，不能使用脫脂棉，裝填時要分層均勻鋪砌，最后要壓緊。直徑16-21μm。

2、玻璃纖維：直徑8-19μm，裝填系數(shù)6-10%，直徑越小越好，但強度會降低，易碎裂而造成堵塞，增大阻力。

3、活性炭：性能決定于它的強度和表面積，一般采用直徑3mm、長5-10mm的圓柱狀活性炭。阻力僅為棉花的一半。

4、超細玻璃纖維紙：將超細玻璃纖維按造紙的方法做成纖維紙而得。網(wǎng)格孔隙為0.5-5μm，屬高速過濾介質(zhì)。易受空氣沖擊而破壞，濕強度低?？刹捎脴渲蚴杷畡┨幚?，也可加厚濾紙，以增大機械強度和濕強度。

5、石棉濾板：過濾效率低，用作分過濾器，濕強度大，受潮時不易穿孔或折斷，能耐受蒸汽反復(fù)殺菌，使用時間長。6、燒結(jié)材料：有燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等。具有微孔過濾的作用。其孔徑?jīng)Q定于燒結(jié)粉末的大小。特點：強度高、壽命長、能耐受高溫反復(fù)殺菌，對空氣除油、除水要求不高?？赏ㄟ^反沖、超聲波、溶劑來再生過濾介質(zhì)。7、微孔濾膜過濾介質(zhì)：主要有聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等，屬于絕對過濾介質(zhì)。特點：可耐高溫反復(fù)殺菌，過濾效率可達99.9999%。（二）過濾器的結(jié)構(gòu)

1、深層棉花（活性炭、玻璃纖維）過濾器濾層厚度按對數(shù)穿透定律進行計算，棉花之間填充活性炭可減小濾層阻力，通過金屬絲網(wǎng)和織物來均勻分布進入濾層的空氣。緊固螺栓用于將濾層壓緊；夾套用于對過濾器進行加熱滅菌。空氣由筒體下部切線進料，筒體上部出氣。上封頭安裝安全閥、壓力表，下封頭安裝排污閥。

2、平板式纖維紙分過濾器：適應(yīng)填充薄層的過濾板或過濾紙。空氣從筒身中部切線進入，水霧油霧從排污管排出，空氣經(jīng)緩沖層和過濾層后由頂蓋排出。過濾孔板用頂蓋法蘭壓緊，周邊用橡膠圈密封。過濾器的直徑D=（4V/πVS）0.5

V—空氣體積流量（m3/s）

VS—空氣流速（m/s）

3、管式過濾器：當設(shè)備直徑相同時，管式過濾器比平板式過濾器的過濾面積大得多。關(guān)鍵是要防止空氣從紙縫中走短路。

4、接迭式低速過濾器：氣速低時，過濾效率高。用于潔凈工作室、工作臺或自吸式發(fā)酵罐。通過將濾紙折疊安裝在過濾器的濾框中，可增大過濾面積。

5、絕對過濾過濾器：過濾介質(zhì)加工成濾芯、濾棒，裝配在濾殼中。可根據(jù)過濾面積，在一個濾殼中裝配多根濾芯。一般預(yù)過濾器、精過濾器、蒸汽過濾器成組裝配，通過壓力表檢測過濾介質(zhì)的工作性能。特點：安裝、拆卸方便，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。

第二節(jié)過濾除菌流程

一空氣除菌流程的要求

空氣除菌流程是根據(jù)生產(chǎn)對無菌空氣的要求，當?shù)丨h(huán)境的空氣條件，除菌設(shè)備的特性決定的。首先是要提高空氣的能量，達到輸送的目的。其次是要除掉空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的水和油?？諝庵邢鄬穸葢?yīng)小于60-70%。對于風(fēng)壓要求低、輸送距離短、無菌要求不高的，采用普通的離心式鼓風(fēng)機增壓，低速過濾器過濾除菌。由于壓力變化小，空氣的參數(shù)變化不大，因此不需要專門進行除水除油。對于風(fēng)壓要求高、無菌要求也高的，采用空氣壓縮機增壓，高速、高效的過濾器除菌。由于空氣壓力變化大，參數(shù)變化大，需要考慮除水除油的問題，這樣流程中需要增加一系列的附屬設(shè)備。二空氣除菌流程的分析(一)空氣壓縮冷卻過濾流程適用于氣候寒冷，相對濕度很低的地方或相應(yīng)的季節(jié)。由于空氣經(jīng)壓縮后，相對濕含量小于60%，故無需進行除水。當相對濕度100%，溫度小于4℃；相對濕度80%，溫度小于6℃；相對濕度60%，溫度小于12℃時，可采用此流程。（二）兩級冷卻、分離、加熱的除菌流程這是一個比較完善的空氣除菌流程，適合各種氣候條件，能充分的分離空氣中的水霧、油霧。優(yōu)點是能提高空氣的傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻水用量，油、水分離得比較完全。第一級冷卻到30-35℃，采用旋風(fēng)分離器分離水、油滴；第二級冷卻到20-25℃，采用絲網(wǎng)分離器分離水、油霧；最后通過加熱的辦法把空氣的相對濕度降到50-60%。（三）高空采風(fēng)、高效前置過濾除菌流程據(jù)報道：在一定范圍內(nèi)，每升高10英尺空氣中微生物的含量就減少一個數(shù)量級。因此，可以采用高空采風(fēng)和高效前置過濾器聯(lián)用的方法來降低主過濾器的負荷，以提高無菌空氣的無菌程度。一般采用泡沫塑料（靜電除菌）、超細纖維紙為高效前置過濾器的介質(zhì)，串聯(lián)使用。經(jīng)高效前置過濾器后，空氣的無菌程度已達99.99%。（四）冷凍干燥機流程本流程具有將壓縮空氣中的油水冷凝并除去的作用，可用于代替兩級冷卻、分離、加熱的除菌流程中的兩級冷卻器及分離器，使原有流程簡化。在該流程中配置了三種不同等級的過濾器，可達到除油、除水和除菌的目的。特點：流程、設(shè)備簡單，適合各種氣候條件，占地面積小，操作方便，但只能在中、小型工廠中使用。第三節(jié)附屬設(shè)備

一、前置過濾器作用：捕集較大的微粒，減少壓縮機受磨損，減輕主過濾器的負荷。要求：過濾效率要高，阻力要小。

1、布袋過濾器：

2、填料式過濾器：油浸鐵回絲、玻璃纖維、合成纖維作填料，高效、低阻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，填料要經(jīng)常洗換。3、油浴洗滌裝置：空氣經(jīng)過油層洗滌后，微粒被油粘附而除去，含油霧的空氣經(jīng)百葉窗式圓盤和過濾絲網(wǎng)分離油霧后由中心管吸入壓縮機。特點：效率高、阻力小，但耗油量大。4、水沫除塵裝置：空氣由設(shè)備底部進入，水霧從上部淋下，對空氣進行洗滌，微粒隨水排出器外，空氣經(jīng)過濾網(wǎng)除水霧后進入壓縮機。特點：更適用于大顆粒，氣速不能太大，以免帶出較多的水霧，影響壓縮機。二、空氣貯罐作用：消除壓縮機排出空氣量的脈動，維持穩(wěn)定的空氣壓力，利用重力沉降作用分離部分油霧、水霧，若增加導(dǎo)筒還可增加熱殺菌效果?？諝赓A罐應(yīng)緊接著壓縮機安裝。罐體上要安裝安全閥和壓力表?？諝赓A罐的體積：

V=0.1-0.2W(m3)W—壓縮機的排氣量(m3/min)三氣液分離器1、旋風(fēng)分離器：要求：分離器直徑不能太大，效率會降低，當處理的空氣量大時，可采用多個分離器并聯(lián)；進口的流速要適當，一般進口氣速15-25m/s，出口氣速4-8m/s。水霧的粒子大小在10-200μm之間，而旋風(fēng)分離器恰好對于10μm以上的微粒分離效率高。

2、填料分離器：采用焦