第三章 空气除菌与空气调节设备

1、第三章 空气除菌与空气调节设备 好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的 氧气，这些氧气通常由空气提供。根据国家药 品生产质量管理规范（GMP）的要求，生物制品、 药品的生产场地也需符合空气洁净度要求，并 有相应的管理手段。 第一节 空气除菌的原理与方法 一 .生物工业对空气质量的要求 1 .空气中微生物的分布 地域（南方与北方、城市与乡村） 季节 l 空气中杂菌含量及分布空气中杂菌含量及分布 空气中含杂菌一般在103104（个）/m3。杂 菌含量多少与地域、季节有关，南方多，北方少； 低空多，高空少；城市多，农村少；夏季多，冬 季少。为了获得含杂菌少的空气，工厂多采用采 风塔（高20多米）采风。

2、 l 无菌空气要求无菌空气要求 工厂对空气除菌，要求达到一定程度，通常 设计指标，通风1000罐次，只感染1个杂菌。 2 .发酵用无菌空气的质量标准 （1）连续提供一定流量的压缩空气； （2）空气的压强（表压）0.2-0.35MPa； （3）进入过滤器之前，空气的相对湿度小于70； （4）进入发酵罐的空气温度可比培养温度稍高 （ 5）压缩空气的洁净度，取失败率为103。 3.空气含菌量的测定 （1）光学法粒子计数器（0.30.5m)微粒的 各种浓度,测得结果是空气中的灰尘 和微生物，不准确 （2）培养法微生物培养（准确培养的活微生 物） 二.空气净化除菌方法 （一）空气除菌方法 1 辐射杀菌

3、射线、射线、射线、射线、紫 外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质等生物活 性物质，从而起到杀菌的作用。辐射灭菌目前仅用 于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌，对于 大规模空气的灭菌还无法应用。 2 热杀菌 空气进入发酵罐之前，一般匀需用压缩机压缩， 提高压力。利用空气压缩时放出的热量进行保温灭 菌。见流程 3 .静电除菌 利用静电引力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，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微粒， 但对于一些直径小的微粒，所带的电荷很 小，当产生的引力等于或小于气流对微粒 布朗扩散运动的动量时，微粒不能被吸附 而沉降，

4、因此静电除尘对很小的微粒效率 较低。 4.介质过滤除菌 三.介质过滤除菌机理 依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层 层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改 变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微粒 与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重 力和静电引力等作用，从而把微生物截留、捕 集在纤维表面上，实现过滤目的。下面图为过 滤除菌时各种除菌机理的示意图。 2.拦截截留作用 当微粒直径小、质量轻，它随气流运动慢慢靠近 纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流 动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周围形成一层 边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，进到滞留区 的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。拦截

5、截 留的截留效率与气流的雷诺准数和微粒同纤维的直 径比有关。 3.布朗扩散截留作用 布朗扩散的运动距离短，在较大的气速、较大 的纤维间隙中不起作用，但在很慢的气流速度和较 小的纤维间隙中布朗扩散作用增加了微粒与纤维的 接触滞留机会。 第二节 空气介质过滤除菌设备及计算 （二）空气除菌流程 1 .两级冷却、加热除菌流程 是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气 候，尤其适用于潮湿地区。它能充分地分离油水，使 空气达到相对湿度较低下进入过滤器，提高过滤效果. 典型空气除菌流程 1.采风塔 2.粗滤器 3.空压机 4.贮气 罐 5.一级冷却 6.一级油水 7.二级冷却分离器 8.二级油水分离器 9

6、.加热器 10.总过滤器 3 4 5 6 7 89 10 2 1 2 .冷热空气直接混合式空气除菌流程 特点：省去第二级冷却器后的分离设备和空气加热设 备，流程较简单，冷却水用量少。适用于中等湿含量 地区，不适合于空气湿含量高的地区。 4 将空气冷却至露点以上的流程 将空气冷却至露点以上，使进入过滤器的空气相对湿 度6070以下。适用于北方和内陆气候干燥地区。 6 .一次冷却和析水的空气过滤流程 将压缩空气冷却至露点以下，析出部分水分， 升温使相对湿度为60，再进入空气过滤器， 采用一次冷却一次析水。 二.空气介质过滤设备及设计计算 只讨论选择设备时的一些原则和计算方法。原因是完 成同一任务的

7、设备类型很多。 （一）粗过滤器 1.安装位置 2.常用型式：布袋过滤器、填料式过滤器、油浴洗涤 和水雾除尘等 （二）空压机： 1.作用：提供0.20.3MPa的压力，大量的低压理想空 气 2.形式： 涡轮式：出口压力0.250.5MPa，出口风量较稳定； 往复式：出口压力不稳定。多缸稳定。须用润滑油， 空气中带油污粒子，须改善油污污染问题。 （三）空气储罐： 1.作用：消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳定空 压。 2.安装位置：紧安在空压机之后 3.有关计算：V容0.10.2 Vc. Vc空压机排气量 （四）气液分离器： 1.作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除 去。 2.种类：旋风式

8、、填料式（利用填料拦截丝网分离 器，填料种类很多活性炭、焦炭、瓷环、金属 网、塑料网等） （五）空气冷却器： 1.作用 2.种类：列管式、沉浸式、喷淋式 （六）空气过滤器（设计适用的过滤器） 1.空气除菌效率（衡量过滤设备的过滤效能的指标）： 滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值。 N1 _过滤前空气的微粒数； N2 过滤后空气的微粒数 2.穿透率 影响过滤效率的因素很多：微粒的大小、过滤介质的 种类和规格、介质的填充密度、过滤介质厚度及所通 过的空气气流速度有关。 1 2 1 21 1 N N N NN 1 2 N N 3.空气过滤除菌的对数穿透定律（过滤规律） 研究空气过滤器的过滤规律时为了

9、简化做了四个假 定条件下：（1）流经过滤介质的每一纤维的空气 流态并不因其它临近纤维的存在而受影响；（2） 空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被 气流卷起带走；（3）过滤器的过滤效率与空气中 微粒的浓度无关；（4）空气中微粒在滤层中的递 减均匀，即每一纤维层除去同样百分率的微粒数。 在这些假定条件前提下发现，空气通过单位滤 层后，微粒下降的浓度与进入空气的微粒浓度成正 比。 即对数穿透定律 对数穿透定律： 空气通过滤层，其微粒数随着滤层的厚度 逐渐降低，即： N滤层中空气的微粒浓度，个/m3. L 过滤介质的厚度，m。 dN/dL-单位滤层除去的微粒数，个/m3. K-过滤常数 KN

10、dL dN KL N N 1 2 ln L 过滤介质 N1 N2 对数穿透定律公式揭示了深层介质过滤 除菌时进入滤层的空气微粒浓度与穿过滤层 的微粒浓度之比的对数是滤层厚度的函数。 常数K值与多个因素有关，如纤维种类、 纤维直径、填充密度、空气流速、空气中微 粒的直径等，通常可选择特定的条件通过实 验方法求得。课本381页表312，313等 K过滤常数（m-1） 与过滤介质种类、纤维直径、风速、填充密度（填充系数） 有关。 当以上条件一定时，K为常数。积分后： K值通过实验求出： LK N N KL N N 1 2 1 2 lg ln LK N N 2 1 lg 对df=16m的棉花纤维，填充

11、系数8%，在不同风速下测得K 空气流速0(m/s) 0.05 0.10 0.5 1.0 2.0 3.00.05 0.10 0.5 1.0 2.0 3.0 K (1/m) 19.3 13.5 10.0 19.5 132 232 对df=14m的玻璃纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K 空气流速s（m/s）0.03 0.15 0.3 0.92 1.52 3.150.03 0.15 0.3 0.92 1.52 3.15 K (1/m) 56.7 25.2 19.3 29.4 150 605 K值由计算求出： 2 )1 ( )5 . 41 (4 f d K 4）深层过滤阻力（压力降）计算深层过滤阻力

12、（压力降）计算 L-过滤层厚度（m) 空气密度（kg/m3) 介质填充系数 o 空气在介质空隙中的流速（m/s) o=s/(1) s -空罐截面气速（m/s) df 介质纤维直径（m） f m o d cLP 2 2 m 实验指数，棉花m=1.45； 19m玻璃纤维,m=1.35 8 m玻璃纤维,m=1.55 C 阻力系数，棉花C=100/Re; 玻璃纤维C=52/Re 5)深层过滤器直径计算 Q-通风量（m3/s)(注意：总过滤器一般用24个并联， Q是单个的通风量）。 s Q D 785. 0 6）深层过滤器的安装结构 孔板 金属丝网 麻布 棉花 活性碳 例题: 设计一台通风量为10m3/

13、min的棉花过滤器，空 气压强为392KPa(绝对压力），通入过滤器的空气 含菌量是5000个/m3，发酵周期100小时，要求发酵 1000罐漏入一个杂菌，工作温度30。 解:选用16m棉花作过滤介质，填充系数为8%，空 气流速o=0.1m/s。由表查的过滤常数K=13.5m-1。 )(85.0 5 .13 10 1006010105 ln ln 3 3 2 1 m K N N L 过滤器直计算(D)： 下标1为空气压缩前的空气状态，下标2为压缩 进入过滤器的空气状态。 2 22 1 11 T PV T PV )/(0443. 0 392000293 3039807 60 10 3 21 21

14、1 2 sm PT TPV V )(75. 0 1 . 0785. 0 0443. 0 785. 0 2 m V D s 压力损失压力损失(P)计算计算： o=s/(1)=1/(10.08)=0.109（m/s） 进入过滤器密度： 空气黏度查得： =18.610-6PaS )/(67. 4 4273 3031293. 1 3 21 211 2 mkg PT TP 45. 1 229 436. 0 100100 436. 0 106 .18 67. 4109. 01016 6 6 m R C d R e f e )(11032 101614. 3 08. 0109. 067. 42 85. 02

15、29 2 6 45. 122 Pa d CLP f m 引起染菌的主要途径：引起染菌的主要途径： （1）缺少正规的操作流程方案； （2）使用湿的灭菌过滤器； （3）冷却盘上的销孔的污染； （4）设计不合理的空气排放系统； （5）不恰当地加入染菌的油和消泡剂； （6）阀门的泄漏；密封设施不严密。 减少进口空气的菌数：加强生产场地的卫生管理，选择 压缩空气站为上风口，提高采风位置，加强空气预处理。 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。 u设计合理的空气预处理设备，达到除油、水和杂质 的目的。 u降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤 介质在干燥的状态下工作。使用无油压缩机

16、加 强冷却和去油、水，提高空气温度，以降低 相对湿度。 （七）过滤介质（七）过滤介质 l棉花 棉花都用作深层过滤，一般选纤维细 长、疏松的新鲜棉花。棉花纤维直径一般 在1621m，填充密度130150kg/m3（也 称表观密度、虚密度）。棉花的真实密度 1520kg/m3，虚密度与真实密度比值称填充 系数。填充系数在8%左右。 l 玻璃纤维 纤维直径在320m，常用的20 m左右， 填充系数8%。 l 超细玻璃纤维 纤维直径在11.5 m，用作纸的方法，做成 0.251mm厚的纤维纸，孔隙网格直径0.35m， 0.3 m能达到据对过滤除菌。在实验室常用超细 玻璃纤维纸作空气过滤除菌介质。 l 石棉滤板（35mm） 常用作分过滤器。 l 烧结材料 烧结材料种类很多，有烧结金属、烧结陶瓷、 烧结塑料。 3.1.3过滤除菌机理 1）单纤维机理 l 惯性冲击（碰撞） 惯性冲击捕集效率 惯性准准数 当 此时的气流速度 f d b 1 )( 1 f f opp d dC 18 2 16 1 0;0 1 b co 复习题 1.名词解释：（1）空气过滤除菌效率 （2）深层过滤除菌穿透定律 （3）空气过滤除菌穿透率 2.介质过滤空气除菌流程的确定应根据那些要求？ 3.空气过滤除菌的流程主要有那三种？这三种流程适用 情况如何？ 4.写出