发酵工业的空气除菌及其设备

发酵工业的空气除菌及其设备

空气除菌的意义

空气净化除菌的原理和方法空气调节设备空气介质过滤除菌设备发酵工业是我国的一大产业,目前发酵生产的有酶、氨基酸、核苷、抗生素、维生素等多个系列的产品。发酵生产要顺利进行的一个重要条件就是要保证微生物的纯培养。在实际生产中,由于工艺设计不合理、设备缺陷、人员失误等原因,往往造成发酵染菌。

空气除菌的意义

常见的染菌原因主要有如下几种:空气带菌、培养基灭菌不彻底、设备死角、环境影响、人员操作等方面。溶解氧是这些微生物生长和代谢所必不可少的条件，工业上通常以空气做为氧源，但是空气中含有各种各样的微生物，它们一旦随着空气进入培养液，在适宜的条件下就会大量的繁殖，干扰甚至是破坏预定发酵的正常进行，造成发酵彻底失败的事故。空气除菌的意义

因此，通风发酵所需要的空气必须是洁净无菌的，并且要有一定的压力和温度的空气，所以要对空气进行净化除菌和调节处理生物工业生产对空气质量的要求

1.空气中微生物的分布

空气净化除菌的原理和方法空气中的含菌量随环境不同而有很大差异：一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多，地面又比高空的空气含菌量多。各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103-104个／m3进行计算。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的微生物以细菌、芽孢和真菌的孢子较多，也有酵母、霉菌、放线菌和噬菌体

空气净化除菌的原理和方法生物工业生产对空气质量的要求

2.生物工业生产对空气质量的要求

空气净化除菌的原理和方法

各种不同的发酵过程，对空气无菌程度的要求也不同：不同菌种的生产能力、生长速度、发酵周期、产物性质、培养基营养成分和pH的差异等不同，对空气质量有不同的要求一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1~2次染菌。

例如酵母的生长能力强、繁殖快、培养基不丰富、pH值低,一般对无菌要求不太高。如果是采用营养缺陷型菌株的肌苷或肌苷酸发酵对无菌要求则十分严格,一般要采用多级空气过滤器,并要加强控制,以保证在发酵过程中不致于染菌而造成损失。生物工业生产对空气质量的要求

2.生物工业生产对空气质量的要求

无菌空气的概念

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到零或者达到洁净度100级的洁净空气，它已能够满足发酵工业的要求。

空气净化除菌的原理和方法

洁净度100级是指处理后的空气中≥0.5μm的微粒小于或等于100个ft3（1ft3=0.0283168m3）、生物微粒0.1个/ft3、沉降量1200个/（ft2.周）（1ft2=0.92903m2)空气净化除菌的方法

空气除菌就是杀灭或除去空气中的微生物，空气除菌的方法有很多种，如辐射，化学药品杀菌和加热杀菌（使有机蛋白质变性失活）静电吸附和介质过滤（利用分离的方法将微生物粒子除去）。目前仍以介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法1.热杀菌

是一种可靠的有效的杀菌方法，空气进入培养系统前，一般均需用压缩机，提高压力，此时空气的温度可达200℃以上，若能保持一定时间，可是微生物体内的蛋白质发生变性，从而实现杀菌的目的。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法1.热杀菌

空气进口温度为21℃，空气的出口温度为187～198℃，压力为0.7MPa。从压缩机出口到空气储罐管道加保温层，空气达高温后保持一段时间，保证微生物死亡。为了加长空气的高温时间，防止空气在贮罐中走短路，最好在贮罐内加装导流筒。将空气加热至一定温度，并维持一定时间，杀灭空气中的微生物。空气中的细菌芽孢在218℃维持24S，就被杀死。

空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法

1.热杀菌保温维持管空气压缩机储罐空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法

1.热杀菌采用热杀菌装置时，还应装有空气冷却器，并排除冷凝水，以防止在管道设备死角积聚而造成杂菌繁殖的场所。在进入发酵罐前，应加装分过滤器以保证安全。但采用这样系统压缩机能量消耗会相应增大，压缩机耐热性能要增加，零部件也要选用耐热材料加工。空气净化除菌的原理和方法

原理:射线、β射线、γ射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。应用范围:通常用于无菌室和医院手术室。空气净化除菌的方法

2.辐射灭菌杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。不适宜大规模的空气灭菌。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法3.静电除菌

静电除尘能除去空气中的水雾，油雾，尘埃和微生物等，利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒。一些工厂也会用静电除菌的方法，但不是常用的方法。常用于洁净工作室中使用空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法3.静电除菌

电离区是一系列等距平行且接地的极板，极板间带钨丝或不绣钢丝放电线，叫离化线。放电线接上10kＶ的直流电压时，它与接地极板之间形成很强的电位梯度电场。空气所带的细菌微粒通过电离区后，被电离而带电荷。

空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法3.静电除菌

捕集区是由高压电极板与接地电极板组成，交替排列，平行于气流方向。高压电极板上加上5kv直流电压，极板间形成一均匀电场，气流流过时，带正电荷的微粒受库伦力作用，产生一个向负极板移动的速度，这个速度与气流的拖带速度合成一个倾向负极板的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。

空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法3.静电除菌

空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法3.静电除菌

捕集的微粒积聚到一定厚度，极板间的火花放电加剧，极板电压下降，微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，除菌效率很快下降。要保持高的除菌效率，应定期清洗，一般电极板上尘厚lmm时应清洗。通常是采用喷水管自动喷水清洗。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法4.过滤除菌

让含菌空气通过过滤介质以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤处理的空气可达无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供耗氧培养过程使用。该法是目前广泛用来获得大量无菌空气的常规方法。一个空气过滤器的功能是从气体中除去污染物（微生物）以使达到所需的气体的无菌程度。过滤除菌是目前生物技术工业常使用的空气除菌方法空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法4.过滤除菌

为了保证过滤后的空气达到净化标准,过滤前的空气要进行降温、除水、除油、减湿的处理。据文献记载,只有当压缩空气的相对湿度60%,高效过滤器内的过滤介质保持干燥时,空气通过高效过滤方能达到过滤的期望值。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法

4.过滤除菌

过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道”的结果对污染物的去除起到了辅助作用。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法

4.过滤除菌

绝对过滤和深层过滤绝对过滤：主要特点是过滤介质孔隙小于或大大小于被过滤的微粒直径，其孔隙小于0.5mm，甚至小于0.1mm（一般大小为1mm），将空气中的细菌除去。空气净化除菌的原理和方法空气净化除菌的方法

4.过滤除菌

深层过滤：污染物被过滤介质内部捕获的一种过滤方式，滤孔贯穿于整个介质厚度。又分为两种——

②用超细玻璃纤维（纸）、石棉板、烧结金属板、聚乙烯醇、聚四氟乙烯等为介质，滤层薄，仍属于深层过滤的范畴。①以纤维（以棉花、玻璃纤维、尼龙等）或颗粒状（活性炭）介质为过滤层，这种过滤层较深，其空隙一般大于50mm，即远大于细菌，因此这种除菌不是真正意义上的过滤作用，而是靠静电、扩散、惯性和阻截等作用将细菌截留在滤层中。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

当微粒随气流通过过滤器层时，过滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次改变运动速率和运动方向，绕过纤维等介质而前进，而灰尘和微生物因碰撞、阻截、吸附、扩散等作用被截留在截止层内，达到除菌的目的。

介质过滤的设备及操作费用低廉，适用于大量空气的净化处理。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

阻碍导致气流出现无数次改变运动速度和方向，绕过纤维前进，从而产生了五种作用机理。1、惯性冲击滞留作用机理2、拦截滞留作用机理3、布朗扩散作用机理4、重力沉降作用机理5、静电吸附作用机理空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

1、惯性冲击滞留作用机理

当微生物等颗粒物随空气以一定速度接近纤维时，气流遇到纤维阻碍，会改变运动方向绕过纤维继续前进，而颗粒物由于具有一定的质量，借惯性作用而碰在纤维表面，并由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上，这叫做惯性冲击滞留作用。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

1、惯性冲击滞留作用机理

(a)惯性空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

1、惯性冲击滞留作用机理

惯性力与气流流速成正比，当流速过低时，惯性捕集作用很小，甚至接近于零；当空气流速增至足够大时，惯性捕集则起主导作用。当气流速度下降时，微粒的运动速度随之下降，微粒的动量减少，惯性力减弱，微粒脱离主导气流的可能性也减少，相应纤维滞留微粒的宽度减小，即捕集效率下降。

惯性捕集是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，也就是取决于气流的流速。

空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

1、惯性冲击滞留作用机理

纤维能滞留微粒的宽度区间d与纤维直径df之比称为单纤维的惯性碰撞捕集效率，用η1表示即

η1＝d/df实践证明，η1是惯性力的无因次准数φ的函数

空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理2.拦截滞留作用

降低气流速度，可使惯性截留作用接近于零，此时的气流速度成为临界气流速度。气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截滞留作用。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理2.拦截滞留作用

微生物微粒直径很小，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，从而改变流动方向，绕过纤维前进，而在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留，称为拦截滞留作用。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理2.拦截滞留作用

单个纤维对微粒阻拦效率可表示为R－微粒和纤维直径之比ρ－空气密度（kg/m3）Re－空气流的雷诺准数Re=dfVρ/μ空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理2.拦截滞留作用

(b)拦截空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦滞留作用愈大。在介质过滤除菌中，拦截滞留作用不是主要的。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理3.布朗扩散截留作用

小颗粒在流速很慢的气流中产生的一种不规则直线运动，称为布朗扩散运动。

这种运动使较小微粒凝聚为较大微粒，随即可能产生重力沉降或被介质截留。微粒愈小，分子运动的速度愈大。空气流速低时，分子运动比较显著，微小粒子被除去的机会增加；空气流速大时，凝聚现象为惯性冲击滞留所取代。(c)扩散空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理3.布朗扩散截留作用由于扩散而导致的微粒阻集效率η3。R－微粒和纤维直径之比Re－空气流的雷诺准数df纤维直径空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理4、重力沉降作用

微粒虽小，但仍具有重力。当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象。

就单一重力沉降而言，大颗粒比小颗粒作用显著对于小颗粒只有气流速度很慢时才起作用。重力沉降作用一般是与拦截作用相配合(d)重力空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理5、静电吸附作用

干空气对非导体的物质作相对运动摩擦时，会产生静电现象，对于纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理5、静电吸附作用

此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附作用。(e)静电空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

当空气流过介质时，上述五种除菌机理同时起作用，气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。

当气流速度较大时，除菌效率随气流流度的增加而增加，此时惯性冲击起主要作用；当气流速度较小时，除菌效率随气流流度的增加而降低，此时布朗扩散起主要作用；当气流速度中等时，拦截滞留起主要作用。如果空气流速过大，除菌效率又下降，则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

上述机理中，有时很难分辨是哪一种单独起作用。图是单纤维除菌总效率ηs(包括惯性、扩散、拦截等作用)与气流速度的关系。空气净化除菌的原理和方法介质过滤除菌的原机理

就纤维过滤器而言，重力沉降作用和静电吸附不计，则单个纤维的阻集效率η可表示为

η＝η1+η2+η3空气介质过滤除菌的流程1.对空气过滤除菌流程的要求

空气过滤除菌流程是按发酵生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程度、空气压力、温度等，并结合吸气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而制定的。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌的流程1.对空气过滤除菌流程的要求

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。

如在环境污染比较严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的南方，要加强除水设施，以确保和发挥过滤器的最大除菌效率；在压缩机耗油严重的设备流程中则要加强消除油雾的污染等等。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌的流程1.对空气过滤除菌流程的要求

总之，生物工业生产中所使用的空气除菌流程要根据生产的具体要求和各地的气候条件而制定，要保持过滤器具有较高的过滤效率，要维持一定的气体流速和不受油和水的干扰，满足发酵生产的需要。

由于空气中的杂菌通常依附在尘埃、油雾、水雾等，纯净干空气不适合杂菌的生存，因此，空气除菌前有个预处理过程。无菌空气预处理包括对空气进行冷却、除水及杂质、加热以降低相对湿度的一系列过程。下面简单的介绍几种典型的空气除菌的流程。空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

1.两级冷却、分离、加热的空气除菌流程

尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程1.两级冷却、分离、加热的空气除菌流程

这是一个比较完善的空气除菌流程。其特点是：两次冷却、两次分离和适当加热。两次冷却、两次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油水分离比较完全，保证干过滤。压缩空气经第一次冷却后，大部分的水、油结成颗粒较大、浓度较高的雾粒，可用旋风分离器分离；第二次冷却，使空气进一步析出其中的油和水，形成较小的雾粒，可用丝网分离器分离。此时，空气的相对湿度还是100%，可用加热的方法把空气的相对湿度降到50～60%。空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程1.两级冷却、分离、加热的空气除菌流程

空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

2.冷热空气直接混合式空气除菌流程

该流程适应于中等湿含量的地区，特点是：可省去第二次冷却分离设备和空气再加热设备，流程简单，冷却水用量少，利用压缩空气的热量提高空气温度。压缩空气从贮罐分成两部分流出，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理的高温高压空气混合后进入过滤器过滤。空气的冷却温度和空气分配比的关系随吸取空气的参数而变化。空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

2.冷热空气直接混合式空气除菌流程

空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

3.高效前置过滤空气除菌流程

该流程使空气先经中效、高效过滤后，进人空气压缩机。经前置高效过滤器后，空气的无菌程度已达99.99％，再经冷却、分离和主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高。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做过滤介质。

空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

3.高效前置过滤空气除菌流程

特点是利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，这样就降低了主过滤器的负荷。采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。

空气介质过滤除菌设备几种典型的空气除菌流程

3.高效前置过滤空气除菌流程

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备1.粗过滤器

安装在空气压缩机前的粗过滤器，其主要作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷。粗过滤器一般要求过滤效率高，阻力小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备1.粗过滤器

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空气介质过滤除菌设备1.粗过滤器油浴洗涤器

空气进入装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而被除去，经过油浴的空气因带有油雾，需要经过百叶窗式的圆盘，分离较大粒油雾，再经过滤网分离小颗粒油雾后，由中心管吸入压缩机。这种洗涤器效果比较好，对有分离不净的油雾带入压缩机时也无影响，阻力也不大，但耗油量大。空气介质过滤除菌设备空气入口空气介质过滤除菌设备1.粗过滤器水雾除尘器

空气从设备底部进入，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附沉降，从器底排出。带有微细小雾的洁净空气经上部过滤网过滤后排出，进入压缩机经洗涤后的空气可除去大部分的微粒和小部分微小粒子。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

由于供发酵工业生产用的空气要求在生产过程中克服各种阻力，因此要求提供生产用的空气有一定的压力，压力有0.2-0.3MPa具有这样压力的空气属于低压压缩空气，提供大量的低压压缩空气最理想的设备是离心式空气压缩机。但是目前往复式空气压缩机还广泛的应用于工业生产上。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备

2.空气压缩机空气除菌中除去水雾油雾的原因：（1）导致传热系数降低，给空气冷却带来困难。（2）如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维空隙，增大空气压力损失。（3）黏附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而破坏过滤效果。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

分为离心式空气压缩机和往复式空气压缩机两种。离心式：输气量大，输出空气压力稳定，效率高，输出的空气不带油雾。往复式：靠活塞在气缸内的往复运动而将空气抽吸和压出。压力不稳定，有油雾。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

离心式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时产生的空穴现象，吸入空气并使得空气获得较高的离心力，在通过固定的导轮和涡轮形成机壳，使部分动能转变为静压后输出。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

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，因此出口的压力不稳定，而且因为汽缸内要加入润滑活塞的润滑油，使空气中带有油雾，导致传热系数降低，给空气的冷却带来困难，如果油雾冷却分离的不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质，增大空气压力损失。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

往复式空气压缩机有单缸，多缸之分。多缸的有W形V形L形H形对置式等气缸排列方式，直立式和卧立式现在生产已经很少见，若以出口的压力来分类，往复式空气压缩机可以分为高压（8~100MPa）及低压（1MPa）之分。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备2.空气压缩机

目前国内生产的往复式的压缩机除小型的单缸之外，大多是双缸二级压缩的。所谓的二级压缩是指，空气进入第一级汽缸压缩和中间冷却后进入第二级汽缸进行压缩，然后排出，双缸的压缩机多以L型的最为普遍，对于生物工业生产而言，认为压力过高，对动力消耗不够节约，因此常常把二级压缩的气缸改为可以单独吸入新鲜空气的低压气缸，这样两个低压气缸都可以吸入新鲜空气，输气量为之增加，出口的压力降低。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备3.空气储罐贮气罐的作用：（1）消除脉动维持罐压的稳定。（2）使部分液滴在罐内沉降。（3）保温灭菌。

空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备

3.空气储罐

大多数空气储罐紧接着压缩机安装，虽然由于空气温度较高，容器要求稍大，但对设备防腐，冷却器热交换都有好处，往复式空气压缩机由于排气压力不稳定，在其后面安装空气储罐，以使后面的管道，容器压力稳定，气流速度均匀。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备3.空气储罐

V=0.1~0.2VCV储罐体积,m3VC压缩机的排气量m3/min空气介质过滤除菌设备安全阀压力表排气管人孔进气管排污口空气介质过滤除菌设备3.空气储罐

储罐的结构简单，有些单位在储罐内安有冷却蛇管，利用空气冷却器排出的冷却水进行冷却，提高冷却水的利用效率，有的在储罐内加装导筒，使进入储罐的热空气沿一定的路线经过，增加杀菌效果。空气介质过滤除菌设备人孔空气介质过滤除菌设备4.气液分离器

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抽雾。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。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备4.气液分离器（1）旋风分离器构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等操作原理：空气介质过滤除菌设备含尘气体由进气管进入旋风分离器后，沿圆筒的切线方向，自上而下作圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心力大，故逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿壁面落下，自锥体排出进入灰斗。净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上做旋转运动，最后经顶部排气管排出。空气介质过滤除菌设备4.气液分离器（1）旋风分离器

①

旋风分离器的直径不要太大，因为气流旋转运动所产生的离心力与分离器的半径成反比，如果半径太大，分离的效率进会降低，要分离空气量大时，可采用多个分离器并联。②进口的空气流速要适当，气流速度小分离的效果差，但如果气流速度过大，则能量损失的多，同时也会产生涡流降低效率。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备4.气液分离器（1）旋风分离器

旋风分离器对于分离10μm以上的微粒效率较高，但是10μm以下的微粒较为困难分离，一般的冷凝水雾粒的大小为10~200μm可以选用旋风分离器进行分离，旋风分离器的压头损失通常是500~2000Pa。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备4.气液分离器（2）填料式分离器

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。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备5.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、喷淋式热交换器等等。目前采用的冷却器多为列管式换热器。热空气中夹带的油、水蒸汽经冷凝，由器底的油水排出阀排除。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备5.空气冷却器

使用列管式的热交换器时，冷却水在管内流动，流速为0.5-3m/s空气在壳体内流动，流速为2-15m/s。为了增加冷却水的流速，可采用多程（一般为2-4程）热交换器，同时增加空气在壳内的湍流运动，如果水质条件好杂质不易积成水垢时，为了提高空气的给热系数，可安排空气走管内，造成多程流动以提高空气的流速。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律

过滤除菌效率穿透率是经过滤后空气中剩留颗粒数与原有颗粒数之比，过滤效率是被捕集的颗粒数与原有颗粒数之比（也叫捕集效率）。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律四点假定：

在研究空气过滤器的过滤规律时，先排除一些复杂的因素,因此我们假定（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。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律

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。对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流量有关。空气介质过滤除菌设备空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律

空气介质过滤除菌设备式中N1——过滤前空气中微粒含量，个／m3 N2——过滤后空气中微粒含量，个／m3。我们把过滤前后空气中微粒浓度的比值，即穿透滤层的微粒浓度N2与原微粒浓度N1的比值，称为穿透率。过滤效率空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律

空气介质过滤除菌设备式中L－－过滤介质层厚度，m； K——过滤常数，1／m。上式即为深层介质过滤除菌的对数穿透定律，它表示进人滤层的微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之值的对数是滤层厚度的函数。其常数K的值与多个因素有关，如纤维的种类、直径、填充密度，空气流速和空气中微粒的直径等。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律

空气介质过滤除菌设备L90：过滤效率90％的滤层厚度。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

过滤介质是过滤除菌的关键，它的好坏不但影响到介质的消耗量，过滤过程的动力消耗，操作的劳动强度，维护管理等，而且决定设备的结构、尺寸还关系到运转过程的可靠性。过滤对介质的要求：吸附性强，除菌效率高，耐受高温高压，不易被油水污染，阻力小，空气流量大，成本低，易更换。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

要评价过滤介质是否优越，最重要的是看它的过滤效率，而过滤效率是过滤常数K和虑层厚度L的函数，K值越大，L值越小越好同时阻力降ΔP越小越好，因此可以把KL/ΔP的值做为过滤介质的综合评价指标。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

1.棉花

棉花是传统的过滤介质，工业上和实验上都常用，储藏过久纤维会发脆甚至是断裂，增加了压强降，脱脂棉因为吸湿而降低了过滤效果。装填时要分层均匀铺砌，最后要压紧，装填密度150~200kg/m3为好，如果压的不紧或者是装填不均匀，会造成空气短路，甚至是翻动而丧失过滤效果。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

2.玻璃纤维

直径8-19μ

m，直径越小越好，但小易断，增加空气阻力，填料系数不宜过大一般采用6%~10%，阻力损失一般比棉花要小，如果采用硅硼玻璃纤维，可制成较细直径的高强度纤维可除去0.01μm的微粒，故可以除去噬菌体3.活性碳

大表面，物理吸附，空气阻力小，常夹带在二层棉花中降低阻力，为整个过滤器的1/3-1/2空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

4.超细玻璃纤维纸:

超纤微玻璃纸是利用较好的无碱玻璃，采用喷吹法制成的直径很小的纤维（1~1.5μm）由于纤维特别的小故不宜散装填充，而是采用造纸的方法做成0.25~1μm厚的纤维纸，过滤效率较高。超纤微玻璃纸虽然过滤效率较高，但是由于纤维细短，强度很差，容易收到空气的冲击而破坏。为了增加强度采用树脂处理，但是要注意树脂的浓度，浓度过大会堵塞小孔，采用厚滤纸可以增加过滤效率和强度，但是也增大了过滤阻力空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

蓝石棉20％加80％纸将混合打浆。温强度大，过滤效率低，耐蒸气反复杀菌。由于纤维空隙比较大，虽然滤板较厚（3~5mm）但过滤效率较低，其特点是湿强度大，受潮时也不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长。5.石棉滤板：

空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

6.烧结材料过滤介质：

烧结过滤材料介质种类很多，如烧结金属、烧结陶瓷，烧结塑料等，制造时用这些材料的微粒粉末加压成型后，处于熔点温度以下凝结成型，但是只是粉末表面熔融黏结保持粒子的空间和空隙，形成微孔道，具有微孔过滤作用。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备（2）空气过滤常用介质

随着科学的发展和发酵条件的需要，研究出来的一种新型的过滤介质微孔径只有0.1-0.22μm小于细菌的直径，故菌体粒子不能通过，也就是绝对过滤7、新型过滤介质：

可耐蒸汽杀菌的膜材料有PVDF(聚偏氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)这种滤膜可以全部滤除微生物，但不能滤除噬菌体，另一类可以除去小至0.01μm的微粒所以可以滤除所有的噬菌体。（英国的DH公司研究出的空气过滤器可以100%的滤除0.01μm以上的微粒，可以耐121℃反复杀菌，被公认为是最保险安全的空气过滤器.)7、新型过滤介质：

圆筒型JPF空气过滤器

1—滤芯2--壳体空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

空气介质过滤除菌设备提高过滤除菌效率的措施鉴于目前所采用的过滤介质均需要干燥条件下才能进行除菌，因此需要围绕介质来提高除菌效率。（3）保证进口空气清洁度，如加强生产场地卫生管理，正确选择进风口，加强空气压缩前的预处理。（4）降低进入空气过滤器的空气相对湿度，如使用无油润滑的空气压缩机，加强空气冷却和去油，提高进入过滤器的空气温度。（1）设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。（2）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。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备

纤维介质深层过滤器孔板——金属丝网——麻布织品——棉花——麻布织品——活性炭——麻布织品——棉花——麻布织品——金属丝网——孔板立式圆筒形，内部充填过滤介质，空气由下向上通过过滤介质，以达到除菌的目的。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备

纤维介质深层过滤器

空气过滤器的尺寸主要包括直径D和有效滤层高度L。其中，D可由下式求出式中qv——空气流经过滤器时的体积流量，m3／s； vs——空截面空气速度，m／s。空截面空气速度一般取0.1～0.3m／s，按操作工艺而定，原则是应使过滤器在较高过滤效率的气流速度区运行。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备平板式纤维纸分过滤器由筒身、顶盖、滤层、夹板和缓冲层构成。空气从筒身中部切线方向进入，空气中的水雾油雾沉于桶底，由排污管排出，空气经缓冲层通过下孔板经薄层介质过滤后，从上孔板进入顶盖排气孔排出。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备平板式纤维纸分过滤器过滤器的直径可由过滤面积决定。过滤面积按通过过滤器的空气体积流量V（m3／s）和空气流过该介质时的视过滤速度Vs（m／s）计算空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备

管式过滤器将过滤介质卷入装在孔管上成为管式过滤器，过滤面积大，其单位体积的过滤面积比平板式大得多。可用于一般的含微粒小的空气过滤。空气介质过滤除菌设备6.空气过滤器

（3）过滤器结构

空气介质过滤除菌设备

折叠式过滤器为了将很大的过滤面积安装在较小体积的设备内，可将长长的滤纸接折成瓦楞状，安装在楞条支撑的滤框内，滤纸的周边用环氧树脂与滤框粘结密封。

生物工业生产均涉及纯培养，均需要洁净的环境，而且对空气也有一定的要求，不仅要求空气具有一定的无菌度和压力，而且要求空气具有一定的湿度和温度，在对空气进行处理时既要进行净化除菌操作，又要进行状态调节。空气调节设备空气调节设备空气增减湿的原理

1.湿空气的性质（1）湿度x湿空气中所含的水蒸气质量与所含的绝干空气质量之比，称为空气的湿度，也称湿含量，以x表示，单位为Kg水蒸气/Kg干空气。

若湿空气中水蒸气的分压强PW等于该空气湿度下水的饱和蒸气压PS，这空气就称为被水蒸气所饱和，空气的饱和湿度用XS表示可由下式所决定：

由于水的饱和蒸气压只与温度有关，故饱和湿度Xs决定于它的温度和总压。空气调节设备空气调节设备

（2）相对湿度ф相对湿度是表示湿空气饱和程度的一个量，它是湿空气里水蒸气分压与同温度下水的饱和蒸气压之比（通常以百分数表示）。—空气中水蒸汽分压（Pa）—同温下水的饱和蒸汽压（Pa）空气调节设备（3）热含量I湿空气的热含量（或简称焓）就是其中绝干空气的热含量与水蒸气热含量之和。为了便于计算，以1kg绝干空气为基准，以0℃为基温（起点），取0℃时空气的热含量和液体水的热含量都为零，所以空气的热含量只计算其显热部分，而水蒸气的热含量则包括水在0℃时的汽化潜热和水蒸气在0℃以上的显热。空气调节设备空气增减湿的原理

2．空气增减湿的原理

定义：空气的增湿或减湿过程是空气与水两相间的传热与传质同时进行的过程，所谓的增湿，是指增加空气的湿含量；减湿则是减少空气的湿含量。

空气增湿机理：MN是水与空气的两相界面，在界面上空气的湿含量为xi，空气主体湿含量为x，湿球温度为ti，所以xi就是ti下饱和空气的湿含量。由于xi大于x，故在湿含量差Δx＝xi-x的作用下，空气不断增湿，也就是说，在湿度差推动力的作用下，水分不断由两相界面扩散到空气中去，进行传质。与此同时也进行着传热过程。由于空气的温度高于水的温度，借助对流给热，空气把热量传给水，放出显热而使自身温度降低，水吸收空气的显热而温度升高。空气调节设备空气调节设备空气增减湿的原理

2．空气增减湿的原理

水MN空气xix水分ttwti潜热显热空气增湿机理空气减湿机理水MN空气xix水分ttwti潜热显热显热空气调节设备空气的增湿和减湿方法增湿方法（1）往空气中通往直接蒸汽。当空气初温较低时，可按计算蒸汽直接加入空气中混合，使空气增湿。其结果是空气的湿含量增加了，但温度也随之升高。应用：当大气温度温度太低时，可以采用此法，以达到既增湿又升温的目的。缺点：采用这种方法来增湿，既难于使湿空气达到饱和，又不能使空气降温，故通常不能单独使用。（2）喷水。使水以雾状喷入不饱和空气中使空气增湿。最常用的方法是将大量水喷洒于不饱和空气中，结果使部分水汽化后进入空气中，得到近乎饱和的湿空气，并使空气降温。缺点：该法在生产操作中难于精确控制，因而不方便应用。应用：使水喷洒于不饱和空气中，结果使部分喷水净化后进入空气中，并使空气降温。这是应用最普遍的增湿方法。空气调节设备（3）空气混合增湿：使待增湿的空气与高湿含量的空气混合而增湿。这种把两种不同状态的空气混合的方法，可以得到未饱和空气、饱和空气或过饱和空气。应用：这种利用两种不同状态的空气进行混合的过程，在通风式发芽的空气调节中获得广泛的应用。优点:从表层出来的空气，湿含量高，把其中一部分循环与