空气除菌与空气调节设备

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）季节空气中杂菌含量及分布空气中含杂菌一般在103~104（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。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10－3。3.空气含菌量的测定（1）光学法－粒子计数器（0.3～0.5μm)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

α－射线、χ－射线、β－射线、γ－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，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。1.惯性撞击截留作用

当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，空气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，层层叠叠，迫使空气流不断改变运动方向和速度。由于微生物颗粒的惯性大于空气，因而当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒未能及时改变它的运动方向，而撞击并被截留于纤维的表面。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。4重力力沉降5静电电吸引力力惯性截留留、拦截截和布朗朗扩散的的除菌作作用较大大，重力力和静电电引力的的作用较较小。气速与除除菌效率率的关系系：当气流速速度较小小时，除除菌效率率随气流流速度的的增加而而降低，，扩散起起主要作作用；当当气流速速度中等等时，可可能截流流起主要要作用；；当气流流速度较较大时，，除菌效效率随空空气流速速的增加加而增加加，惯性性冲击起起主要作作用；如如果气速速过大ηη又会下下降，可可能是已已扑集的的微粒又又被卷起起的原因因。第二节空空气介介质过滤滤除菌设设备及计计算一.介介质过滤滤除菌流流程（一）空气除菌菌流程的的确定：：1.根据据发酵生生产对无无菌空气气的要求求（无菌菌程度、风温温、风湿湿及风压压）2.采气气环境的的空气条条件、空空气性质质3.所用用除菌设设备的特特性（二）空空气除菌菌流程1.两级冷却却、加热热除菌流流程是是一一个比较较完善的的空气除除菌流程程，可适适应各种种气候，，尤其适适用于潮潮湿地区区。它能充分分地分离离油水，，使空气气达到相相对湿度度较低下下进入过过滤器，，提高过过滤效果果.典型空气气除菌流流程1.采风风塔2.粗粗滤器3.空压机机4.贮贮气罐罐5.一级冷冷却6.一级油油水7.二二级冷却却分离器器8.二级级油水分分离器9.加热器器10.总总过滤器器345678910212.冷冷热空气气直接混混合式空空气除菌菌流程特点：省去第二二级冷却却器后的的分离设设备和空空气加热热设备，，流程较较简单，，冷却水水用量少少。适用用于中等等湿含量量地区，，不适合合于空气气湿含量量高的地地区。3.高高效前置置过滤空空气除菌菌流程特点：采采用高效效率的前前置过滤滤设备，，减轻主主过滤器器的负担。4将空空气冷却却至露点点以上的的流程将空气冷冷却至露露点以上上，使进进入过滤滤器的空空气相对对湿度60－70％以以下。适适用于北北方和内内陆气候候干燥地地区。5.利用用热空气气加热冷冷空气的的流程利用压缩缩后的热热空气和和冷却后后的冷空空气进行行热交换换，使冷冷空气的的温度升升高，降降低相对对湿度。。特点：对对热能的的利用合合理，但但加热面面积要足足够大才才能满足要要求。6.一一次冷却却和析水水的空气气过滤流流程将压缩空空气冷却却至露点点以下，，析出部部分水分分，升温温使相对对湿度为为60％％，再进进入空气气过滤器器，采用用一次冷冷却一次次析水。。二.空气气介质过过滤设备备及设计计计算只讨论选选择设备备时的一一些原则则和计算算方法。。原因是是完成同同一任务务的设备备类型很很多。（一）粗粗过滤器器1.安装装位置2.常用用型式：：布袋过过滤器、、填料式式过滤器器、油浴浴洗涤和和水雾除除尘等（二）空空压机：：1.作用：提提供0.2~0.3MPa的的压力，，大量的的低压理理想空气气2.形式式：涡轮式：：出口压压力0.25~0.5MPa，出口口风量较较稳定；；往复式：：出口压压力不稳稳定。多多缸稳定定。须用用润滑油油，空气中带带油污粒粒子，须须改善油油污污染染问题。。（三）空空气储罐罐：1.作用用：消除除压缩机机排除空空气量的的脉冲，，维持稳稳定空压。2.安装装位置：：紧安在在空压机机之后3.有关关计算：：V容＝0.1~0.2Vc.Vc—空压机机排气量量（四）气液分离离器：1.作用用：将空空气中被被冷凝成成雾状的的水雾和和油雾粒粒子除去。2.种类类：旋风式式、填料料式（利利用填料料拦截－－丝网分分离器，填料料种类很很多－活活性炭、、焦炭、、瓷环、、金属网、塑料料网等））（五）空空气冷却却器：1.作用用2.种类类：列管管式、沉沉浸式、、喷淋式式（六）空空气过滤滤器（设设计适用用的过滤滤器）1.空气除菌菌效率（（衡量过过滤设备备的过滤滤效能的的指标））：滤层所所滤去去的微微粒与与原来来微粒粒数的的比值值。N1—_过滤前前空气气的微微粒数数；N2—过滤后后空气气的微微粒数数2.穿透率率影响过过滤效效率的的因素素很多多：微微粒的的大小小、过过滤介介质的的种类类和规规格、、介质质的填填充密密度、、过滤滤介质质厚度度及所所通过过的空空气气气流速速度有有关。。3.空空气过过滤除除菌的的对数数穿透透定律律（过过滤规规律））研究空空气过过滤器器的过过滤规规律时时为了了简化化做了了四个个假定定条件件下：：（1）流流经过过滤介介质的的每一一纤维维的空空气流流态并并不因因其它它临近近纤维维的存存在而而受影影响；；（2）空空气中中的微微粒与与纤维维表面面接触触后即即被吸吸附，，不再再被气气流卷卷起带带走；；（3）过过滤器器的过过滤效效率与与空气气中微微粒的的浓度度无关关；（（4））空气气中微微粒在在滤层层中的的递减减均匀匀，即即每一一纤维维层除除去同同样百百分率率的微微粒数数。在这些些假定定条件件前提提下发发现，，空气气通过过单位位滤层层后，，微粒粒下降降的浓浓度与与进入入空气气的微微粒浓浓度成成正比比。即对数数穿透透定律律对数穿穿透定定律：：空气通通过滤滤层，，其微微粒数数随着着滤层层的厚厚度逐逐渐降降低，，即：：N－滤滤层中中空气气的微微粒浓浓度，，个/m3.L–过过滤滤介质质的厚厚度，，m。。dN/dL-----单单位滤滤层除除去的的微粒粒数，，个/m3.K---过过滤常常数L过滤介质N1N2对数穿穿透定定律公公式揭揭示了了深层层介质质过滤滤除菌菌时进进入滤滤层的的空气气微粒粒浓度度与穿穿过滤滤层的的微粒粒浓度度之比比的对对数是是滤层层厚度度的函函数。。常数K值与与多个个因素素有关关，如如纤维维种类类、纤纤维直直径、、填充充密度度、空空气流流速、、空气气中微微粒的的直径径等，，通常常可选选择特特定的的条件件通过过实验验方法法求得得。课课本381页表3－1－2，3－1－3等K—过过滤常常数（（m-1）与过滤滤介质质种类类、纤纤维直直径、、风速速、填填充密密度（（填充充系数数）有有关。。当以上上条件件一定定时，，K为为常数数。积积分后后：K值通通过实实验求求出：：对df=16μm的棉花花纤维维，填填充系系数8%，在不不同风风速下下测得得K′空气流流速υ0(m/s)0.050.100.51.02.03.0K′(1/m)19.313.510.019.5132232对df=14μm的玻璃璃纤维维，填填充系系数8%，在不不同风风速下下测得得K′空气流流速υs（m/s）0.030.150.30.921.523.15K′(1/m)56.725.219.329.4150605K值由由计算算求出出：4）深层过过滤阻阻力（（压力力降））计算算L-过过滤层层厚度度（m)ρ––空气密密度（（kg/m3)α––介质填填充系系数υo–空气在在介质质空隙隙中的的流速速（m/s)υo=υs/(1－α)υs-空罐罐截面面气速速（m/s)df–介质质纤维维直径径（m）m––实验验指数数，棉棉花m=1.45；；19μm玻璃纤纤维,m=1.358μm玻璃纤纤维,m=1.55C––阻力力系数数，棉棉花C=100/Re;玻璃纤纤维C=52/Re5)深深层过过滤器器直径径计算算Q-通通风量量（m3/s)(注注意：：总过过滤器器一般般用2~4个并并联，，Q是是单个个的通通风量量）。。6）深深层过过滤器器的安安装结结构孔板金属丝丝网麻布棉花活性碳碳例题:设计一一台通通风量量为10m3/min的的棉花花过滤滤器，，空气气压强强为392KPa(绝对对压力力），，通入入过滤滤器的的空气气含菌菌量是是5000个/m3，发酵酵周期期100小小时，，要求求发酵酵1000罐漏漏入一一个杂杂菌，，工作作温度度30℃。。解:选选用16μm棉花作作过滤滤介质质，填填充系系数为为8%，空气气流速速υo=0.1m/s。由由表查查的过过滤常常数K=13.5m-1。过滤器器直计计算(D)：下标1为空空气压压缩前前的空空气状状态，，下标标2为为压缩缩进入过过滤器器的空空气状状态。。压力损损失(▽P)计算算：υo=υs/(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s）进入过过滤器器密度度：空气黏黏度查查得：：μ=18.6×10-6Pa·S引起染染菌的的主要要途径径：（1））缺少少正规规的操操作流流程方方案；；（2））使用用湿的的灭菌菌过滤滤器；；（3））冷却却盘上上的销销孔的的污染染；（4））设计计不合合理的的空气气排放放系统统；（5））不恰恰当地地加入入染菌菌的油油和消消泡剂剂；（6））阀门门的泄泄漏；；密封封设施施不严严密。。提高过过滤除除菌效效率的的措施施减少进进口空空气的的菌数数：加强生生产场场地的的卫生生管理理，选选择压压缩空空气站站为上上风口口，提提高采采风位位置，，加强强空气气预处处理。。设计和和安装装合理理的空空气过过滤器器，选选用除除菌效效率高高的过过滤介介质。。设计计合合理理的的空空气气预预处处理理设设备备，，达达到到除除油油、、水水和和杂杂质质的的目目的的。。降低低进进入入空空气气过过滤滤器器的的空空气气的的相相对对湿湿度度，，保保证证过过滤滤介介质质在在干干燥燥的的状状态态下下工工作作。。使用用无无油油压压缩缩机机加加强强冷冷却却和和去去油油、、水水，，提提高高空空气气温温度度，，以以降降低低相相对对湿湿度度。。（七七））过过滤滤介介质质棉花花棉花花都都用用作作深深层层过过滤滤，，一一般般选选纤纤维维细细长长、、疏疏松松的的新新鲜鲜棉棉花花。。棉棉花花纤纤维维直直径径一一般般在在16~21μm，填填充充密密度度130~150kg/m3（也也称称表表观观密密度度、、虚虚密密度度））。。棉棉花花的的真真实实密密度度1520kg/m3，虚虚密密度度与与真真实实密密度度比比值值称称填填充充系系数数。。填填充充系系数数在在8%左左右右。。玻璃璃纤纤维维纤维维直直径径在在3~20μm，常常用用的的20μm左右右，，填填充充系系数数8%。超细细玻玻璃璃纤纤维维纤维维直直径径在在1~1.5μm，用用作作纸纸的的方方法法，，做做成成0.25~1mm厚厚的的纤纤维维纸纸，，孔孔隙隙网网格格直直径径0.3~5μm，0.3μm能达达到到据据对对过过滤滤除除菌菌。。在在实实验验室室常常用用超超细细玻玻璃璃纤纤维维纸纸作作空空气气过过滤滤除除菌菌介介质质。。石棉棉滤滤板板（（3~5mm）常用用作作分分过过滤滤器器。。烧结结材材料料烧结结材材料料种种类类很很多多，，有有烧烧结结金金属属、、烧烧结结陶陶瓷瓷、、烧烧结结塑塑料料。。3.1.3过过滤滤除除菌菌机机理理1））单单纤纤维维机机理理惯性性冲冲击击（（碰碰撞撞））惯性性冲冲击击捕捕集集效效率率惯性性准准准准数数当此时时的的气气流流速速度度复习习题题1.名名词词解解释释：：（（1））空空气气过过滤滤除除菌菌效效率率（2））深深层层过过滤滤除除菌菌穿穿透透定定律律（3））空空气气过过滤滤除除菌菌穿穿透透率率2.介介质质过过滤滤空空气气除除菌菌流流程程的的确确定定应应根根据据那那些些要要求求？？