发酵用压缩空气的预处理及除菌设备课件

1、 发酵用压缩空气的预处理及除菌设备第1页，共104页。空气净化除菌好气性微生物发酵通常以空气作为氧源通风发酵需要的空气必须是洁净无菌的空气，并有一定的温度和压力，这就要求对空气进行净化除菌和调节的处理。空气除菌的方法很多，如辐射灭菌、加热灭菌、化学药物灭菌、静电吸附除菌和介质过滤除菌等。第2页，共104页。 第一节 空气净化除菌的方法与原理第3页，共104页。一、生物工业生产对空气质量的要求 1空气中微生物的分布 空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒。北方干燥寒冷的空气含菌量较少，而南方潮湿温暖的空气含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；一般城市空气中杂菌数为300

2、08000个米一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级。第4页，共104页。 空气中微生物数目的数量级可以认为是103104个/m3。 通过对空气中微生物分布情况的研究，选择良好的取风位置和提高空气除菌系统的除菌效率，是确保发酵工业正常生产的重要条件。第5页，共104页。2生物工业生产对空气质量的要求（1）压缩空气的压强 空气压缩机出口的空气压强0.20.35MPa（2）空气流量（3）空气的温度 进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出10（4）相对湿度 进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在6070。（5）洁净度第6页，共104页。生物工业生产对空气调节的要求生物工业生产需要洁净的环境、

3、适宜的空气温度和空气压强。 洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。 洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等于0.5m的最大允许粒子数。 洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于等于0.5m的最大允许粒子数的常数对数值。第7页，共104页。空气洁净级数空气洁净级数(英制)粒径0.5m的最大微粒数（个/ft3）粒径0.5m的最大微粒数（个/m3）空气洁净级数(国际)1001003500M3.51000100035000M4.51000010000350000M5.51000001000003500000M6.5第8页，共104页。无菌空气发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质

4、，无水，无油，正压等几项指标。发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌而造成损失即可。一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=103 。第9页，共104页。 对不同的生物发酵生产和同一工厂的不同生产区域（环节），应有不同的空气无菌度的要求。 生物工业生产除对空气的无菌程度有要求外，还根据具体情况而对空气的温度、湿度和压力有一定的要求。第10页，共104页。3空气含菌量的测定 空气含菌量的测定一般采用培养法或光学法测定其近似值。 以光学法为基础的仪器有粒子计数器，它是利用微粒对光线散射作用来测量粒子的大小和含量。 粒子的大小与讯号峰值

5、有关。数量与讯号脉冲频率有关。 第11页，共104页。二、空气净化除菌方法及原理 （一）空气除菌方法 常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。 辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀灭空气中的微生物。 介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。第12页，共104页。1热杀菌 热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。 如果采用加热空气，以达到杀菌目的，需要消耗大量的能源和增设许多换热设备。 利用空气被压缩时所产生的热量进行加热保温杀菌在生产上有重要的意义。 第13页，共104页。空气加热杀菌流程 1.空压机 2.保温维持管 3.

6、贮罐 第14页，共104页。2辐射杀菌 X射线、射线、紫外线、超声波、射线等从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。 应用较广泛的是紫外线，它的波长在 253.7265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。 紫外线通常于无菌室和医院手术室等空气对流不大的环境下消毒杀菌。 杀菌效率低，杀菌时间长，一般要结合甲醛蒸气或苯酚喷雾等来保证无菌室的高度无菌。第15页，共104页。3.静电除菌 采用静电除尘法除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物等，消耗能量小，空气压力损失小，设备也不大，但对设备维护和安全技术措施要求较高。 常用于洁净工作台、洁净工作室所需无菌空气的预处理

7、，再配合高效过滤器使用。 第16页，共104页。静电除尘 静电除尘是利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。 悬浮于空气中的微生物，其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。 静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区。第17页，共104页。静电除菌除尘装置示意图 第18页，共104页。静电除菌 用静电除菌进行空气净化，要求极板很平直，安装间距均匀。 使用该方法一次性投资费用较大。 对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，微粒不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。第19页，共104页。4.过滤除菌法 过滤除菌是目前生物技术

8、工业生产中使用的最常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而获得无菌空气 常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。第20页，共104页。第二节 压缩空气预处理原理第21页，共104页。空气压缩过程，压强与温度的关系：第22页，共104页。例2-1空压机吸入空气温度20，当压缩到0.2MPa（表压）时，问此时压缩空气温度?第23页，共104页。第24页，共104页。湿空气的性质湿度 空气湿度x(湿含量)：湿空气中所含的水蒸气质量与所含的干空气质量之比。相对湿度 相对湿度：湿空气中水蒸气分压与同温下水的饱

9、和蒸气压之比。第25页，共104页。第26页，共104页。空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，相对湿度变小；当其冷却时，相对湿度会慢慢变大，直到冷却到露点， =100%， 100%既有水析出。第27页，共104页。压缩空气除水原理压缩后，高温下空气中水不会析出。压缩空气由高温经冷却相对湿度增加。相对湿度为100%时，对应空气温度为露点温度。压缩空气的露点温度比吸气状态空气的露点温度高，压缩比越大，露点温度也越高，更易析出水。温度升高相对湿度降低。第28页，共104页。例2-2空压机吸入空气温度20， =80%，当压缩到0.2MPa（表压）时，温度为120 ，问：此时压缩空气的相对湿度 ？将

10、上述压缩空气冷却到有水析出时，至少冷却到的露点温度？ 当空气冷却到露点即第29页，共104页。例2-3若将例2-2的压缩空气冷却到25（压强不变），求：其湿含量？每kg干空气能析出多少水？查得25时 。第30页，共104页。 例2-4 若将例2-3的压缩空气加热到35（压强不变），问其相对湿度为多少？查得35时 第31页，共104页。 第三节空气介质过滤除菌设备及计算第32页，共104页。一、介质过滤除菌流程 （一）空气除菌流程的要求 空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质制定的。第33页，共104页。第34页，共104页。（二）

11、空气除菌流程 1空气压缩冷却过滤流程此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌流程，它由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。 第35页，共104页。空气除菌流程 空气压缩冷却过滤流程空气压缩冷却过滤流程1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器过滤空气第36页，共104页。 它只能适用于那些气候寒冷、相对湿度很低的地区。 这种流程在使用蜗轮式空气压缩机或无油润滑空压机的情况下效果是好的。 采用普通空气压缩机时，应加装丝网分离器先将油雾除去。空气压缩冷却过滤流程第37页，共104页。2两级冷却、分离、加热的空气除菌流程 它可以适应各种气候条件，能充分地分离空气中含有的水分，使空气

12、在低的相对湿度下进入过滤器，提高过滤除菌效率。 这种流程的特点是：2次冷却、2次分离、适当加热。此流程尤其适用于潮湿的南方地区。 第38页，共104页。空气除菌流程两级冷却、分离、加热的空气除菌流程旋风分离器第39页，共104页。3前置高效过滤除菌流程1.高效过滤器 2.空压机 3.贮罐 4.冷却器 5.丝网分离器6.加热器 7.过滤器 第40页，共104页。 高效前置过滤除菌流程的特点是无菌程度高。高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除菌）和超细纤维纸串联使用作过滤介质。前置高效过滤除菌流程第41页，共104页。4.冷热空气直接混合式空气除菌流程第42页，共104页。空气除菌流程利用热空气加热冷

13、空气的除菌流程利用热空气加热冷空气的除菌流程1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器第43页，共104页。 此流程适用于中等湿含量的地区。 其特点是：可省去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。 但此流程的空气冷却温度和空气分配比的关系随所吸取空气的参数而变化，常常需要进行具体的计算而给予调节。冷热空气直接混合式空气除菌流程第44页，共104页。空气过滤除菌实用化流程 1.粗滤器 2.空压机 3.空气贮罐 4.沉浸式空气冷却器 5.油水分离器 6.二级空气

14、冷却管 7.除雾器 8.空气加热器 9.空气过滤器 10.金属微孔管过滤器（或上接纤维纸过滤器）第45页，共104页。 二、空气介质过滤除菌设备及设计计算（一）吸风塔吸风塔的高度10m。吸风塔内的空气流速不能太快。8m/s第46页，共104页。（二）粗过滤器作用：粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。第47页，共104页。布袋过滤 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架上，并缝

15、紧所有会造成短路的空隙。 它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特性和过滤面积而定。 布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。 最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤维滤布。第48页，共104页。 一般来说气流速度越大，则阻力越大，且过滤效率也低。 气流速度一般为22.5 m3/（m2min），空气阻力大约为6001200Pa。 滤布要定期清洗，以减少阻力损失和提高过滤效率。布袋过滤第49页，共104页。油浴洗涤空气装置水雾除尘装置第50页，共104页。（三）前置预过滤器 绒布或聚氨酯泡沫塑料无纺布粗过滤层亚高效过滤层流速0.5m/s流速0.20.5m/s第51页，共104页。（四）空气压缩机

16、 根据全厂发酵工艺所需的空气流量、克服压缩空气输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强来选用空气压缩机型号。提供生产用的空气有0.20.3Mpa压力（低压压缩空气）。第52页，共104页。（1）涡轮式空气压缩机 提供大量低压空气的最理想设备是涡轮式空气压缩机。 涡轮式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形机壳，使部分动能转变为静压后输出。 第53页，共104页。 涡轮式空气压缩机输气量大，输出空气压力稳定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，获得的空气不带油雾。适用于生物工业的是低压涡轮空气压

17、缩机，出口压力一般为0.250.5MPa。 低压涡轮空气压缩机有单级的和多级的，后者还可分段。输气量100m3/min，最大12000m3/min。涡轮式空气压缩机第54页，共104页。 往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定。因气缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中带进油雾。（2）往复式空气压缩机第55页，共104页。油雾的影响 （1）传热系数降低，给空气冷却带来困难； （2）油雾带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维间隙而增大空气压力损失； （3）油雾粘附在纤维表面形成微生物微粒穿透过滤层的途径，降低过滤效率。 第56页，共104页。 选用无油润滑的

18、往复式压缩机也可解决油雾的污染和影响。 目前许多工厂采用一种简易的方法，将现有的L型往复式空气压缩机拆除气缸供油管道，改装由二硫化钼氟塑料制成的自润滑活塞环。往复式空气压缩机第57页，共104页。 往复式空气压缩机有单缸、多缸之分，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等气缸排列式。 若以出口压力来分类，往复式空气压缩机可分成高压（8100MPa）、中压（18MPa）及低压（1MPa以下）之分。 目前国内生产的低压往复式压缩机大多是双缸二级压缩的。 双缸二级压缩机又以L形的设计最为普遍。 生物工业生产，常把二级压缩机的高压气缸改为可以单独吸入新鲜空气的低压气缸。 第58页，共104页。 采用往

19、复式空气压缩机的除菌流程中需具有粗过滤器和空气贮罐。 粗过滤器起着预先过滤大颗粒灰尘，提高压缩机使用寿命的作用。 空气贮罐是作为缓冲往复式压缩机的排气脉冲，稳定压力使用的。 往复式空气压缩机第59页，共104页。（3）螺杆式空气压缩机利用高速旋转的螺杆在汽缸里瞬时组成空腔并因螺杆的运动把腔间内空气压缩后输出。螺杆式压缩机分单杆压缩机和双螺杆压缩机。这类压缩机是整机安装，占地面积小，压缩空气中不含油雾且排气平稳。因其维护保养技术要求比较高，适合大中型发酵企业采用。第60页，共104页。大型空气压缩机空气压缩机为定型产品，可根据工艺要求的风量、风压及其他性能参数，从空气压缩机的产品目录中选择定购。

20、第61页，共104页。第62页，共104页。第63页，共104页。（五）空气贮罐作用：1.消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力；2.让高温的空气在贮罐里停留一定的时间，起到空气的部分杀菌作用3.利用重力沉降作用分离部分油雾。大多数是将贮罐紧接着压缩机安装。第64页，共104页。 贮罐大小按经验公式计算： V 0.10.2VC式中 V贮罐体积，m3； Vc压缩机的排气量，m3min。空气贮罐安全阀压力表排气管人孔进气管 压缩空气要切向进入空气贮罐 有的在罐内装冷却蛇管。 也有的在贮罐内加装导筒。排污阀第65页，共104页。（六）空气冷却器空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。设计时应根

21、据空气冷却过程的特点进行考虑常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等。设计时应采用恰当的措施来提高它的给热系数。最好办法是增加空气的流速。 在计算冷却器的热交换量时应注意，除了使压缩空气冷却外，在析出水分的情况下还应加入水分冷凝时所释出的汽化潜热。第66页，共104页。湿空气的焓第67页，共104页。第68页，共104页。 采用新型的板翘式热交换器以强制流动的冷空气作为冷却介质，传热系数最大可达1260kJ/（m2h）。 对于沉浸式和喷淋式换热器，在设计时应保证一定的空气流速，一般选择空气流速为 510ms。第69页，共104页。（七）气液分离器 气液分离器是将空气中

22、被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。 常用的有旋风式和填料式。 旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。 填料式分离器又称除雾器，是利用填料的惯性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。 第70页，共104页。旋风分离器旋风分离器的优点是结构简单，制造方便 总的要求是： 旋风分离器的直径不要太大。 进口的气流速度要适当。 第71页，共104页。旋风分离器的直径不要太大。原因：气流旋转运动所产生的离心力与分离器半径成反比。 要分离的空气量大时，可采用多个分离器并联。第72页，共104页。 旋风分离器的设计计算，一般是采用实

23、验为基础的比例设计，先计算分离器的进口截面积，再按所选定的分离器型式的尺寸比例计算出各部位的尺寸。旋风分离器的直径D可以用下式估算： 式中 D旋风分离器直径，m qv通过旋风分离器的空气流量，m3/min旋风分离器第73页，共104页。旋风分离器 第74页，共104页。 进口的气流速度要适当。 旋转气流所产生的离心力与气流速度的平方成正比。 气流速度小，分离效果差； 但气流速度过大，则能量损失多（压降大），同时也会产生涡流而降低效率。 一般采用进口气流速度 1525ms，排气出口气流速度为 48ms。 第75页，共104页。 旋风分离器对于分离10m以上的微粒效率较高，但对10m以下的微粒分离

24、就比较困难。一般冷凝水雾粒的大小为 10200m，可选用旋风分离器进行分离 旋风分离器的压头损失通常是5002000Pa。旋风分离器第76页，共104页。填料分离器 填料分离器是利用各种填料如焦炭、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾，起着进一步净化气体的作用。 它们的分离效率随它们的表面积增大而增大。 丝网分离器体积较小，丝网表面间隙小，可除去小至5m的雾状微粒，分离效率可达9899，且阻力损失不大。 但对于雾沫浓度很大的场合，会因雾沫堵塞孔隙而增大阻力损失。第77页，共104页。丝网分离器 第78页，共104页。空气介质过滤除菌设备 汽液分离器第79页，共1

25、04页。 丝网规格很多，常用的丝网由不锈钢、镍、铝、铜、聚乙烯、聚丙烯、涤纶、锦纶等材料制成。丝的直径一般为0.25mm左右，也可为0.l0.4mm的扁丝。 一般将丝织成宽100150mm的网带，丝网孔径2080目，丝网介质层高度最少为100mm，常用150mm，分离细雾时可用200300mm。一般只按商品丝网高度规格选取，常用高度为150mm。 第80页，共104页。 分离器圆筒直径按容器的空截面气速进行计算： （m） 式中 Vg通过分离器的空气体积流量，m3s vs空截面气速，ms； D分离器圆筒直径，m。第81页，共104页。 空截面气速约为丝网间隙中空气的实际流速的75。 空气的实际流

26、速，可由下面的经验公式计算出容许的最大值，称为容许气速，其值为： （m/s） K值与空气中雾沫微粒的浓度、液体的表面张力、粘度和丝网的比表面积等因素有关，一般选K=0.067进行设计计算。 第82页，共104页。空气的阻力损失 通过分离器后空气的阻力损失，可由下面经验公式进行计算： （Pa）第83页，共104页。（八）空气加热器除水以后的压缩空气在进入总过滤器之前要把相对湿度降到6070，通常的方法是采用换热器来加热压缩空气达到降湿的要求空气加热器一般采用列管式换热器，也有采用套管换热器。要控制进入发酵罐的空气温度最好不要超过微生物培养温度10。第84页，共104页。三、空气除菌设备 （空气过

27、滤器）第85页，共104页。 空气过滤器的过滤除菌效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和纤维直径、介质的填充密度、滤层厚度以及通过的气流速度等因素有关。 第86页，共104页。 空气过滤器2.空气过滤压力降 的计算式中 L 过滤层厚度，m； 空气密度，kg/m3； 介质填充系数； v 空气在介质间隙中的流速，m/s； v v s / (1- ); v s 空截面气速，m/s； df 纤维直径，m； m 实验指数，对不同的过滤介质，如棉花介质， m1.45；19m玻璃纤维， m1.35； 8m玻璃 纤维， m1.55； c 阻力系数，棉花介质c100/Re;玻璃纤维介质c52/Re。第87页，共

28、104页。提高过滤效率的措施 1.减少进口空气的含菌数： (1)加强生产环境的卫生管理，减少环境空气中的含菌量 (2)提高空气进口位置（高空采风），减少空气进口含量 (3)加强压缩前的空气预过滤。 2. 设计和安装合理的空气过滤器。3.降低进入总过滤器空气的相对湿度：(1)采用无油润滑空压机； (2)加强空气的冷却，去油水；(3)提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度。第88页，共104页。3过滤介质和过滤器的结构过滤介质1.棉花2.玻璃纤维3.活性碳4.超细玻璃纤维纸5.石棉滤板6.烧结材料过滤介质：如PVA7.新型过滤介质：如PVDF、PTFE第89页，共104页。过滤效率要评价一种过滤介质是否优越，最重要是看它的过滤效率；过滤效率是过滤常数K和滤层厚度L的函数；阻力降p越小越好。可把KL/p的值作过滤介质综合评价指标。过滤器的总过滤效率可用下式表示：第90页，共104页。过滤器的结构纤维介质深层过滤器深层纤维介质空气过滤器进气口压紧架出气口纤维介质换热夹套活性炭 纤维介质主要有棉花、玻璃纤维、超细玻璃纤维。 空气过滤器的尺寸：式中 qv空气流过滤器时的 体积流量，m3/s; vs 空截面空气流速，m/s。第91页