第九章空气除菌

第九章空气除菌1、概述空气除菌的目的及重要性在好氧深层培养中，微生物细胞的繁殖代谢需要溶解氧，因为有氧氧化对生物体来说是能量放出最多的途径。在该过程中脱去了很多H，H经电子传递链，最后被O2吸收，所以要提供氧。现在深层培养都是纯种培养，培养基接种之前都经过灭菌，通入的氧气也应是无菌的。通入的氧气（空气）的量有多大？

举例：一个50m3的发酵罐，装填系数0.7，通气量0.8vvm，170h周期，那么每个培养周期需通入：170×60×0.8×0.7×50=2.86×105m3空气。空气中微生物的数量与环境条件有关。城市空气中微生物的密度较高，农村和山区则较低，工厂附近又以主风向上游密度较低。地平面空气含微生物比高空多。

空气中微生物的分布

空气中微生物的含量和种类，随地区、季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。就种类而言，通常细菌芽孢、霉菌孢子居多；空气中的微生物一般附着在尘埃、雾滴上；一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／米３。生物工业生产对空气质量的要求

生物工业生产中对空气质量的要求是：无菌、无灰尘、无杂质、无水、无油、温度、湿度、正压等要求；

生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是：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=10-3。空气除菌方法

加热灭菌：采用加热手段（电、蒸汽、空压机）将空气加热到灭菌温度进行灭菌。静电除菌：被电离的空气离子在向电极快速移动过程中撞击上空气中的尘埃、菌体后，使菌体、尘埃移向电极，最终沉降吸附在电极上，以达到除尘除菌的目的。介质过滤除菌：实际使用时根据具体发酵选用除菌方式，一般常用过滤除菌的方法。

2、空气净化除菌的方法与原理(1)加热灭菌空气热灭菌流程示意图1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机8-预热器9-粗过滤器10-空气吸入塔(2)

静电除菌电极钢丝钢管绝缘瓶钢板空气出口封头管板法兰空气进口静电除尘器装置图管式静电除菌器

介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA（聚乙烯醇）烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。(3)介质过滤除菌介质过滤除菌机理惯性碰撞滞留作用

阻拦滞留作用布朗扩散作用重力沉降作用静电吸附作用

介质过滤机理1）惯性碰撞作用当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，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的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上，这叫做惯性滞留作用。当气流达到一定速度时，它是介质过滤除尘的主要作用。气流宽度b，纤维直径df，单纤维的惯性碰撞捕集效率，用η1表示，即η1=b/df单一纤维的流动模型2）阻截作用

在气流速度在临界速度以下，由于速度很低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留，这种作用称为阻截作用。3）布朗扩散运动

很小的颗粒如噬菌体等直径<1um的菌体，在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗扩散运动。只在气流速度很慢和很小的纤维间隙才起作用。

4）重力沉降：当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。在空气介质过滤除菌方面，此作用可以不考虑。

5）静电吸附：很多微生物都带电荷（譬如枯草芽孢杆菌孢子中20％带正电荷，15％带负电荷）；当气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更加显著。当菌体所带电荷与介质所带电荷相反时，就能产生静电吸引作用。(c)扩散(b)阻拦滞留作用(a)惯性作用碰撞纤维被阻截(d)重力(e)静电空气过滤空气微粒随气流通过滤层时，由于滤层纤维的层层阻碍，使气流出现无数次改变运动速度和方向的绕流运动，引起微粒与滤层纤维间产生惯性冲击、拦截、布朗扩散、重力沉降、静电引力等作用把微粒滞留在纤维表面上，实现过滤的目的。过滤效率：

过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤设备过滤能力的指标。3、空气介质过滤除菌设备及计算穿透率（P）为：过滤效率：：过滤前空气中的微粒数；：过滤后空气中的微粒数；：穿透率；：过滤前空气中的微粒数；将上式变形后积分：

这就是对数穿透定律，表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数，过滤常数K的值与空气流速、纤维充填密度和直径、空气中微粒大小等因素有关。

对数穿透定律

四点假定：

(1)过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻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，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。

空气过滤压力降的计算式中

L—过滤层厚度，m；ρ—空气密度，kg/m3；α—介质填充系数；

v—空气在介质间隙中的流速，m/s；v＝vs/(1-α);

vs—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，

m＝1.45；19μm玻璃纤维，m＝1.35；8μm玻璃纤维，m＝1.55；c—阻力系数，棉花介质c≈100/Re;玻璃纤维介质c≈52/Re。过滤阻力提高过滤效率的措施

1.减少进口空气的含菌数。可以从以下几个方面着手：

(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。主要从以下几个方面入手：(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。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。过滤器的结构－纤维介质深层过滤器填充物安装顺序：孔板－铁丝网－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－铁丝网－孔板弹簧压紧装置过滤器的结构－平板式纤维纸过滤器纤维纸平板过滤器由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成。过滤器的结构管式过滤器接迭式低速过滤器新型过滤器的结构－JPF空气过滤器过滤器的结构－YUD-Z空气过滤器过滤器的计算例：试设计一台通风量为10m3/min的棉花过滤器，空气压力为392kPa(绝对压力＝表压+大气压)，进入空气过滤器的空气含菌量是5000个／m3，要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%（即1000次发酵周期漏进一个杂菌），发酵周期100h。工作温度为30℃，当地气压为98070Pa，当地气温为20℃。计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。解:选用棉花纤维直径df

=16μm，填充系数α=8%，空气流度vs

=0.1m/s；过滤常数K=0.31/cm。（1）计算过滤层厚度：每批发酵通风过滤前含菌总数为：N1=5000×10×60×100＝3×108（个）过滤后含菌数为N2=10-3个∴过滤层厚度L为：（2）计算过滤器直径D

进口空气压强p1＝98070Pa

过滤工作压强p2＝392000Pa

通气量V1=10m3/min=0.17m3/s

过滤器空气流量(状态方程p1v1/T1=P2V2/T2)为：

故过滤层直径为：

制备无菌空气的大致过程4、空气介质过滤除菌设备无菌空气空气高空取气管除尘器空气压缩机贮气罐一级冷却器油水分离器二级冷却器除雾器加热器过滤器空气除菌流程的要求

设备要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简设备投资、运转费用和动力消耗，简便操作。流程的制订就根据所在的地理、气候环境和设备条件而考虑。空气除菌流程两级冷却、分离、加热的空气除菌流程前置高效过滤除菌流程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-过滤器冷热空气直接混合式空气除菌流程提高压缩前空气的洁净度（1）提高空气进气口的位置（高采风口），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。（2）在空气入口处设置粗过滤器（预过滤）

——捕集较大的灰尘颗粒，并保护空压机。（3）加强生产环境的卫生管理，减少环境空气中的含菌量。1、粗过滤器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，防止压缩机受磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。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。空气介质过滤除菌设备油浴洗涤空气装置粗过滤器水雾除尘装置2、空气贮罐

作用：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。安全阀压力表排气管人孔进气管排污口压缩空气的除油除水

冷却降温后的空气湿度增大，会使过滤介质受潮失效。两类设备旋风分离器——利用离心力进行沉降，对于10m以上的微粒分离效率较高。丝网分离器——利用惯性进行拦截，分离效率较高，能除去2～5m的细小颗粒。

3、汽液分离器

作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。一般常用的有旋风式和填料式。旋风分离器填料式分离器是利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、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。丝网分离器汽液分离器空气压缩和压缩空气的冷却（1）空气压缩：克服输送过程中过滤介质的阻力并维持一定的气流速度。（2）压缩后空气温度显著上升，需冷却。

因为压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或燃烧增大发酵罐的降温负荷增加培养液水分的蒸发一般用列管式冷却器进行冷却。4、空气冷却器

常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。5、空气过滤器