无菌空气技术

关于无菌空气技术第一页，共六十一页，2022年，8月28日无菌空气技术第一节空气中的微生物和除菌方法第二节空气的过滤除菌原理和过滤介质第三节空气过滤除菌的工艺技术第四节常用空气过滤器介绍及检测第二页，共六十一页，2022年，8月28日第一节空气中的微生物和除菌方法空气中的微生物种类及分布空气除菌的方法和要求第三页，共六十一页，2022年，8月28日一、空气中的微生物种类及分布空气中常见的微生物种类有多种芽孢杆菌、变形杆菌、产气杆菌、酵母菌和病毒等。空气中微生物数量与环境有关，地区、季节、气候等都会影响。一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。第四页，共六十一页，2022年，8月28日空气中常见微生物种类及大小微生物宽/μm长/μm产气杆菌1.0-1.51.0-2.5蜡状芽孢杆菌1.3-2.08.1-25.8普通变形杆菌0.5-1.01.0-3.0地衣芽孢杆菌0.5-0.71.8-3.3巨大芽孢杆菌0.9-2.12.0-10.0蕈状芽孢杆菌0.6-1.61.6-13.6枯草芽孢杆菌0.5-1.11.6-4.8金黄色小球菌0.5-1.00.5-1.0酵母菌3.0-5.05.0-19.0病毒0.0015-0.2250.0015-0.28霉状分枝杆菌0.6-1.61.6-13.6第五页，共六十一页，2022年，8月28日二、空气除菌的方法和要求发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。标准一般是99.99%，空气灭菌的方法第六页，共六十一页，2022年，8月28日空气灭菌的方法热灭菌法辐射灭菌法静电除菌法介质过滤除菌法第七页，共六十一页，2022年，8月28日1、热灭菌法空气热灭菌不需要通过蒸汽或者加热载体加热，直接通过空气压缩之后的温度提升即可完成灭菌过程。小型空气压缩机第八页，共六十一页，2022年，8月28日2、辐射灭菌法各种射线级超声波等理论上都能破坏微生物细胞结构，从而起到杀菌作用。辐射灭菌仅用于表面灭菌和有限空间灭菌。应用最广泛的是紫外线灭菌，常与甲醛蒸汽一起结合进行灭菌。第九页，共六十一页，2022年，8月28日3、静电除菌法近年来一些工厂已使用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾和尘埃，同时也除去了空气中的微生物。利用静电引力来吸附带电的粒子达到除尘灭菌的效果。1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板；5-空气入口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。

第十页，共六十一页，2022年，8月28日4、介质过滤除菌法让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中含有的微生物，从而获得无菌空气。原理：将介质填充到过滤器中，空气流过借助于惯性碰撞、阻截、扩散、静电等作用将尘埃微生物留在介质中，达到除菌效果。过滤器有很多种，根据过滤方式和过滤介质的不同可以进行区分。第十一页，共六十一页，2022年，8月28日无菌空气质量要求发酵用无菌空气的质量标准连续提供一定流量的压缩空气；空气的压强（表压）0.2-0.35MPa；进入过滤器之前，空气的相对湿度小于70％；进入发酵罐的空气温度可比培养温度稍高压缩空气的洁净度，取失败率为10－3。第十二页，共六十一页，2022年，8月28日第二节空气的过滤除菌原理和

过滤介质空气过滤除菌的原理空气过滤除菌的介质介质过滤的效率影响过滤除菌效果的因素提高过滤除菌效率的措施第十三页，共六十一页，2022年，8月28日一、空气过滤除菌的原理介质过滤是以大空隙的介质过滤层除去较小颗粒，这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是一种滞留现象。这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸引等。第十四页，共六十一页，2022年，8月28日1、惯性冲击滞留作用

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质量，在以一定速度运动时具有一定惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。这种现象称作

惯性冲击滞留作用第十五页，共六十一页，2022年，8月28日惯性冲击滞留作用纤维能滞留微粒的宽度区域b与纤维直径df之比，称为单纤维的惯性冲击捕获效率，可用1表示：纤维滞留微粒的宽度b的大小由微粒的运动惯性所决定；微粒的运动惯性越大，它受气流换向干扰越小，b值就越大。1=

bdf第十六页，共六十一页，2022年，8月28日惯性冲击滞留作用

气流速度下降到微粒的惯性力不足以使微粒脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任一处，微粒也随气流改变方向而绕过纤维前进，即b=0，纤维的碰撞滞留效率等于0，这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。vc=Vs1－Vs

—

容器截面的空气速度；—

介质填充密度惯性碰撞的临界速度受填充密度的影响第十七页，共六十一页，2022年，8月28日2、拦截滞留作用

当气流速度在临界速度以下，颗粒不再由于惯性碰撞而滞留。但是，颗粒质量很小，在气流绕过纤维时，颗粒仍然随气流运动，在气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞流区内气流速度更慢，进入滞留区的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘附作用而被滞留。这就是阻截（拦截）滞留作用第十八页，共六十一页，2022年，8月28日

在介质过滤除菌中并非主要作用拦截滞留作用对微粒的捕获效率2与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比相关拦截滞留作用

雷诺准数是一个无因次数群，是流体流动状态各方面因素的综合体现，是许多化工过程计算的必需参数。

第十九页，共六十一页，2022年，8月28日3、布朗运动

直径小于1m的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，即布朗运动。使较小的颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留；气流速度大时，凝聚现象为惯性碰撞所取代第二十页，共六十一页，2022年，8月28日4、重力沉降作用再小的微粒也有重力；当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会沉降。对于小颗粒而言，只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕获效率。第二十一页，共六十一页，2022年，8月28日5、静电吸引作用许多微生物和孢子都带有电荷具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸附作用第二十二页，共六十一页，2022年，8月28日二、空气过滤除菌的介质常用的过滤介质：4）超细玻璃纤维丝利用高质量的无碱玻璃采用喷制法制成的1–1.5m的细丝；1）棉花宜选用纤维细长、疏松的新棉花；2)活性炭3mm,长5–10mm,圆柱状，有较大的表面积，通过物理吸附作用而吸附微生物。；3）玻璃纤维8–19m；活性炭玻璃纤维第二十三页，共六十一页，2022年，8月28日二、空气过滤除菌的介质5）纸类过滤介质指玻璃纤维纸，属于深层过滤技术；6）微孔滤膜类过滤介质小于0.5m，甚至小于0.1m，能将空气中的细菌真正滤去，也是绝对过滤。第二十四页，共六十一页，2022年，8月28日三、介质过滤效率

滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比称为过滤效率，用表示，是衡量过滤设备过滤能力的指标。=

N1

－N2N1=1－N2N1=1－PN1—

过滤前空气中的微粒含量（个）；

N2

—

过滤后空气中微粒含量（个）；

N2/N1

—

过滤后过滤前空气中微粒数的比值，称为穿透率P

第二十五页，共六十一页，2022年，8月28日

空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和规格（纤维直径）、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等因素有关。

在一定条件下（包括气流速度、温度、介质种类、填充密度、杂菌种类等），通过单位高度介质层后，杂菌浓度的下降量与进入此介质层的杂菌量成正比。即：dN/dL=－KN0dN/dL

—

单位滤层所除去的微粒数（个/cm）；L

—

滤床厚度（cm）；K

—

过滤常数或除菌常数（cm－1）第二十六页，共六十一页，2022年，8月28日上式整理并积分，可得：lnNsN0=－KL对数穿透定律—表示进入滤层的微粒数与穿透滤层微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。L=

1KlnN0NsN0

—

过滤前空气中的微粒含量（个）；Ns—

过滤后空气中微粒含量（个）；K

—

过滤常数或除菌常数（cm－1）第二十七页，共六十一页，2022年，8月28日常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度以及空气中颗粒大小等有关。K值可通过实验测得，也可通过计算求得。若令Ns=0，则L=∞，事实上也不可能；一般取Ns=0.001对数穿透定律表达式说明介质过滤不能长期获得100%的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长空气中带菌微粒在过滤器中滞留的时间。过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过。所以过滤器必须定期灭菌。第二十八页，共六十一页，2022年，8月28日四、影响过滤除菌效果的因素1）纤维直径介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。2）介质填充厚度3）介质填充密度增加填充密度，可提高过滤效率4）空气流速在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高。第二十九页，共六十一页，2022年，8月28日五、提高过滤除菌效率的措施减少进口空气的含菌量；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；设计合理的空气预处理设备，以达到除油、水和杂质的效果；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状态下工作。第三十页，共六十一页，2022年，8月28日第三节空气过滤除菌的工艺技术对空气过滤除菌工艺流程的要求空气的预处理空气过滤除菌工艺流程第三十一页，共六十一页，2022年，8月28日一、对空气过滤除菌工艺流程的要求需要空气压缩机提供具有足够能量的空气；需要具有高效的过滤除菌能力的设备；需要精简工艺流程，降低设备投资等；工艺设计要选择好吸风条件、加强除水设备、降低负荷、提高空气无菌程度。第三十二页，共六十一页，2022年，8月28日空气压缩机小型空压机大型空压机第三十三页，共六十一页，2022年，8月28日排出压力：一般2～4kg/cm2工作的基本原理：打气筒如何工作？

空压机的压缩过程是依靠汽缸内的活塞作往复运动而进行的（故称往复式）

其工作过程分3步：吸气→压缩→排气第三十四页，共六十一页，2022年，8月28日空压机工作原理示意图吸气阀排气阀活塞汽缸排气阀吸气阀单吸式双吸式第三十五页，共六十一页，2022年，8月28日空压机工作原理◆

活塞来回一次，完成一次工作循环

（吸气→压缩→排气）◆

冲程：活塞每来或回一次的距离◆

余隙：在实际压缩过程中，活塞并不压到汽缸的最底部；一般占汽缸总体积的3～8%。◆

气缸冷却：水冷和风冷；水冷更常用第三十六页，共六十一页，2022年，8月28日曲轴带动活塞工作第三十七页，共六十一页，2022年，8月28日多级压缩要得到压力较高的压缩空气，单靠一级压缩是不能完成的；因气体被压缩会产生大量的热，气体温度上升，气体的压缩比（气体压缩后与压缩前的压力比）愈大，则气体的温度上升越高，当压力比达到一定数值时，气体的温度达到压缩机润滑油的闪点（200～240℃），润滑油被烧成炭渣。同时，气体温度越高，所消耗的动能也越大。在多级压缩中，每级的压力比都较低，逐级提高压力比，而且在每级压缩后，有级间冷却器把前一级压缩的气体冷却到第一级吸入时的温度，故消耗功率低。第三十八页，共六十一页，2022年，8月28日二、空气的预处理空气预处理的目的：提高压缩前空气的洁净度和去除压缩后空气中所带的油和水。1.提高压缩前空气的洁净度（1）提高空气吸气口的位置（2）在空气入口处设置粗过滤器——捕集较大的灰尘颗粒，并保护空压机。第三十九页，共六十一页，2022年，8月28日高空取气管为远离地面几十米的管子。每升高10米，空气中杂菌降低一个数量级。因此从高空取气要比从低空取气有利得多。第四十页，共六十一页，2022年，8月28日粗过滤器作用：主要是捕集较大的灰尘颗粒

要求：过滤效率高，阻力小（阻力大则增加空压机的吸入负荷，降低压缩空气的排出量）

型式：布袋式过滤器、油浴洗涤过滤器水雾除尘过滤器、填料式过滤器旋风分离式过滤器第四十一页，共六十一页，2022年，8月28日压缩空气的冷却空气在压缩后湿含量不变，在其未经冷却时，由于温度很高，所以相对湿度很小，但当其冷却时，相对湿度急剧增大。这一点对空气除菌是不利的，因为压缩后的空气必须冷却，而冷却后的空气相对湿度将增加，很有可能达到饱和而有水滴析出，从而打湿空气过滤介质。第四十二页，共六十一页，2022年，8月28日空气露点空气露点：使水蒸气达到饱和时的温度。测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。第四十三页，共六十一页，2022年，8月28日夜间空气温度降低时，空气中的水分会有一部分析出，形成露水或霜。这说明在水蒸气含量不变的情况下，由于温度的降低，能够使空气中原来未达饱和的水蒸气可变成饱和蒸气，多余的水分就会析出。测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。第四十四页，共六十一页，2022年，8月28日压缩空气的冷却过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器，有可能引起过滤介质的炭化或燃烧；且增大了发酵罐的降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分的蒸发，影响微生物的生长。冷却器类型：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器第四十五页，共六十一页，2022年，8月28日压缩空气除水和除油使用气液分离器除去压缩后的湿空气。气液分离器型式：旋风分离器和丝网分离器第四十六页，共六十一页，2022年，8月28日旋风分离器

利用气流从切线方向进入容器，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。第四十七页，共六十一页，2022年，8月28日丝网分离器利用填料的惯性拦截第四十八页，共六十一页，2022年，8月28日三、空气过滤除菌工艺流程两级冷却、加热除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程利用热空气加热冷空气的流程一次冷却和析水的空气过滤流程第四十九页，共六十一页，2022年，8月28日两级冷却、加热除菌流程1--粗过滤器2--压缩机3--贮罐4，6--冷却器5--旋风分离器7--丝网分离器8--加热器9--总过滤器

空气从采气口进入过滤系统前，先经过粗过滤器过滤，再进入空气压缩机，经压缩升温后的空气经过两次冷却后，再被加热和过滤。第五十页，共六十一页，2022年，8月28日冷热空气直接混合式空气除菌流程经粗过滤和压缩后的空气，从储罐出来后分两部分，一部分进入冷却器，冷却到低温，经分离器分离油水之后与另一部分未处理的高压空气混合，再进入过滤器。1--粗过虑器2--压缩机3--贮罐4--冷却器5--丝网分离器6---总过滤器第五十一页，共六十一页，2022年，8月28日高效前置过滤空气除菌流程采用高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经过中、高温过滤器后，再进入空压机，降低主过滤器的负荷。1--高效前置过滤器2--压缩机3--贮罐4--冷却器5--丝网分离器6--加热器7--总过滤器第五十二页，共六十一页，2022年，8月28日注意事项空气取气口伸向高空，背风取气。空气进入空压机前，要先经过粗过滤器。否则空气中的尘埃颗粒就会直接进入到空压机的汽缸内，与汽缸发生摩擦造成汽缸磨损。汽缸就会产生缝隙而漏气，从而影响空压机的工作效率。空压机出来的压缩空气需要布置贮气罐。空压机出来的压缩空气是一个脉冲状态的气流，但是在介质过滤器的过滤要求是一个稳态流体。空气贮罐，可以把压缩机出来的脉冲压缩空气流态转为稳态。第五十三页，共六十一页，2022年，8月28日压缩空气进入介质过滤器前要适当加热至空气露点温度以上。结露析出水分、油渍时压缩空气处于饱和状态，相对湿度100%，果直接进入过滤器，就会很容易湿润过滤介质，引起空气除菌不彻底。加热，使压缩空气的相对湿度下降到60%左右，才能进入过滤器。介质过滤器要定期拆洗、杀菌。介质过滤不能长期获得100％的过滤效率。灭菌后的过滤介质一定要用空气吹干后再投入使用。无菌空气在进入发酵罐前要经过分过滤器。无菌空气制备流程线路较长，比较容易在管路中出现二次污染，为了避免二次污染带到发酵罐，在发酵罐前设置分过滤装置。第五十四页，共六十一页，2022年，8月28日过滤器壁不要形成氧化层，氧化铁是多孔物质，带菌空气可从中穿过。过滤器壁外要有保温层，否则壁内易形成冷凝水，使介质受潮而失效，加剧器壁的氧化生锈。注意气流速度和压力的变化，防止突然开大流量或降低压力，介质上边和下边的空气压差过大或气流冲力过大造成介质层的翻动移位或破坏。控制好油水分离器液位，及时排放分离掉的油水，避免器内液位过高而引起气体带液，降低分离器的分离效率。防止空气冷却器漏水，操作中控制冷却水压力不超过空气压力。第五十五页，共六十一页，2022年，8月28日第四节常用空气过滤器介绍及检测过滤器介质目前我国的制药厂发酵装置使用的空气过滤器的过滤介质以玻璃纤维滤纸、金属烧结膜、聚偏二氟乙烯等过滤器。大部分是国内制造,也有小部分为进口。过滤器分类疏水型的呼吸过滤器（呼吸器）和亲水型的产品过滤器（微孔膜过滤器）。疏水型的适合于气体的过滤，而亲水型的则更适宜液体的过滤。第五十六页，共六十一页，2022年，8月28日完整性检测完整性测试主要是测试滤膜的完整性，过滤的主要原理是通过滤膜来拦截比膜孔大的污染物，虽然过滤效果与滤膜的材质、类型以及所拦截污染物的性质等多因素有关，但滤膜的有效性是