第五章空气供给工程设备

第五章空气供给工程设备内容空气中微生物的分布发酵工业对空气无菌程度的要求空气除菌的方法介质过滤除菌的机理介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的设备及计算空气调节的方法空气调节的工艺设备及计算概述需氧微生物的纯培养纯O2，是否可以？关于抗生素生产企业发酵染菌的分析及资料统计染菌原因比例/%染菌原因比例/%种子染菌或怀疑种子带菌9.64接种管道渗漏0.39接种子罐压跌零0.19阀门泄露1.45培养基灭菌不彻底0.79搅拌轴封泄露2.09总空气系统带菌19.96罐盖泄露1.54泡沫升至罐顶0.48其他设备泄露10.15夹套穿孔12.36操作问题10.15蛇管穿孔渗漏5.89原因不明24.91GMP生物工程技术生产药品时，要符合《药品生产和质量管理规范》（GoodManufacturingPractice，GMP)洁净级别：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

空气除菌设备一、空气除菌和灭菌方法二、空气过滤除菌流程三、空气预处理设备四、介质过滤除菌

一、空气除菌和灭菌方法1.空气中微生物的分布2.发酵对空气无菌程度的要求3.空气除菌及方法1.空气中微生物的分布空气的组成：各种气体及颗粒空气中的微生物：细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒分布方式：依附在尘埃上数量：103~104个/m3

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。空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母，霉菌和病毒。这些微生物一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。空气中微生物如何检测？检测：培养法或光学法测定其近似值？2.发酵对空气无菌程度的要求

好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要做到绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。发酵对无菌空气的要求是：无菌，无灰尘，无杂质，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因菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短等的不同而异。其要求为：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。“无菌空气”：是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一个水平，从而使污染的可能性降至极小。根据生物产品的不同，可以按染菌概率10-3~10-6来表示无菌程度，10-3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气只允许1次染菌。空气除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制定的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。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）0.2-0.4MPa；（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高10－30℃；（5）压缩空气的洁净度，取失败率为10-3。3.空气除菌及方法定义：除去或杀灭空气中的微生物。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。（1）辐射杀菌超声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线。紫外线：253.7~265nm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。辐射灭菌：一些表面的以及对流不强情况下有限空间内空气的灭菌应用范围与缺点通常用于无菌室和医院手术室。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。（2）热灭菌法

机理：加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡。

有效、可靠需要消耗大量能源和增设大量的换热设备，从技术经济上来看不是很合理。（3）静电除菌

利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的优点：阻力小，染菌率低，平均低于10-15％，除水、除油的效果好，耗电少，可同时除去水雾、油雾、尘埃缺点：设备庞大、一次性投资较大、捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。受气体温、湿度等的操作条件影响较大。按气流方向分为立式和卧式，按沉淀极极型式分为板式和管式，按沉淀极板上粉尘的清除方法分为干式、湿式等卧式静电除尘器管式静电除尘器（4）介质过滤除菌

含菌空气通过过滤介质，以阻截空气流中所含微生物，从而取得无菌空气的方法。最常用的获得大量无菌空气的常规方法。

从经济性、可操作性、有效性等方面考虑，生物加工过程的无菌空气基本上采用介质过滤的方法进行。（4）介质过滤除菌1.介质过滤除菌机理2.空气过滤设备的计算设计3.过滤介质过滤介质分类介质间孔隙大于微生物直径，有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、烧结材料等而另一类孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。除去0.2μm左右的粒子，故可以把微生物全部过滤除去。介质过滤除菌机理直接拦截惯性冲击重力沉降拦截布朗扩散静电吸附直接拦截流体中的基本过滤机制本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒绝对截留：颗粒直径大于过滤介质间隙-颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中搭桥作用：通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截直接拦截直接拦截直接拦截通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截搭桥机理：不规则形状的颗粒/方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔堆积在过滤器表面的颗粒可以形成滤饼，提高过滤效率拦截在过滤器表面的颗粒堆积成颗粒层当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的“滤饼”即已形成了。滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高直接拦截不规则形状的搭桥惯性冲击滞留作用机理空气通过滤层时，气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，错综复杂，迫使空气流不断地改变运动方向和速度。惯性冲击滞留作用：当微粒以一定的速度垂直纤维方向运动时，空气受阻即改变方向，绕过纤维前进。而微粒由于运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维的表面，由于摩擦黏附就滞留在纤维表面上。惯性撞击当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。惯性撞击停留的颗粒减小了滤孔孔径惯性撞击惯性撞击当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留拦截滞留作用拦截滞留作用：当微粒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而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区内的气流速度更慢，进入其中的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附滞留布朗扩散截留作用布朗扩散：直径很小的微粒在缓慢流动的气流中能产生一种不规则的直线运动；较大空间、较大气速时不起作用；缓慢流动的气流和极小的纤维间隙间：增强了微粒与纤维的接触和被捕捉扩散拦截被随机运动的气体分子碰撞的颗粒撞击到过滤介质上并被吸附截留过滤除菌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，除菌效率随空气流速的增加而增加，惯性冲击起主要作用；气流速度较小，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时扩散起主要作用；气流速度中等，可能是截留起主要作用。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。

4、过滤介质的类型表面过滤介质:编织网粉末烧结深度过滤介质:纤维材料结构棉花活性炭或玻璃纤维有机合成纤维浇铸膜结构1表面过滤介质所有滤孔在一个平面上依靠直接拦截捕获颗粒表面或筛网过滤的局限主要依靠直接拦截。小于孔径的颗粒将穿过。惯性撞击无效.扩散拦截有微效.2深度过滤介质污染物被介质内部结构捕获的一种过滤介质，滤孔贯穿于整个介质厚度。调整流道可以获得高容污能力深度过滤介质介质过滤除菌的工艺空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制订的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。对于一般要求的低压无菌空气，可直接采用一般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。而一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。二、空气过滤除菌流程

按生产对无菌空气要求具备的参数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。空压机或鼓风机：提高压力，克服阻力，（除水除油）风压要求低，输送距离短，无菌要求也不高的场合及具有自吸作用的发酵系统离心式鼓风机增压。发酵厂所使用的空气除菌流程，随各地的气候条件及设备条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。气流速度可由操作来控制；要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50~60％的条件下过滤。（一）两级冷却、加热除菌流程两级冷却、加热除菌流程优点适应各种气候条件，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，以提高过滤效率两次冷却、两次分离、适当加热。两次加热、两次分离油水的好处是能提高传热系数，节约冷却水，油水分离得比较完全

油水分离装置－两级冷却器第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。

第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离

加热装置第一级冷却到30~35℃，第二级冷却到20~25℃。除水后，空气的相对湿度仍较高，须用丝网分离器后的加热器加热空气，使其相对湿度降低至50~60%，以保证过滤器的正常运行。分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程原理：压缩空气从贮罐出来后分成两部分：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过的高温压缩空气混合，混合空气已达到温度为30~35℃，相对湿度为50~60%的要求，再进入过滤器过滤。优点特点：可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等此流程适用于中等混合量的地区。

（三）高效前置过滤空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机

空气无菌程度比较高

（四）利用热空气加热冷空气的流程利用热空气加热冷空气的流程利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。此流程对热能的利用比较合理，热交换器还可以兼做贮气罐但由于气—气交换的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求

填充物的装填顺序如下：

孔板→铁丝网→麻布→棉花→麻布→活性碳→麻布→棉花→麻布→铁丝网→孔板

三、空气预处理过程设备（一）空气预处理的作用与原理（二）空气预处理设备（一）空气预处理的作用与原理目的1．提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷；2．去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器。如何提高压缩空气的洁净度？提高压缩前空气的洁净度的主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。前过滤：布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置

（二）空气预处理设备1．粗过滤器：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。常用的粗过滤器：布袋过滤；填料过滤；油浴洗涤；水雾除尘。袋式过滤器是应用广泛的一种除尘器，对细尘粒（1~5μm）的效率达到99％以上。其适应性较强，不受粉尘比电阻的影响，也不存在其它污染问题。袋式除尘器早期布袋除尘器用人工或机械振打清灰，应用受限。1950年以来，随着逆向喷吹型（反吹风）和脉冲型技术的发明与应用，使除尘能够连续进行，由于阻力稳定，气流速度高，以及新型、耐用、耐腐蚀滤材的应用，尤其是非织物的聚合物滤材和金属织物混合物滤材的发展，其应用日益广泛。布袋除尘器除尘原理：重力沉降；筛滤；惯性冲击；布朗扩散；集灰方式：振动滤袋法；反吹风法；脉冲喷气法；声波清灰法。滤材：天然纤维：棉纤维、毛纤维等；无机纤维：玻璃纤维等；合成纤维：尼龙纤维等。新技术：聚四氟乙烯覆膜技术，耐高温，可以阻挡粉尘透过聚四氟乙烯膜，不会在滤料内形成尘饼，及时剥离表层尘粒，滤料透气性降低有限，压力降小。脉冲布袋除尘器脉冲袋式除尘器油浴洗涤装置

效果好阻力小费油压缩机空气过滤器（油浴式）水雾除尘装置

空气流速1-2米/秒2．空气压缩机

克服阻力

:管道、过滤介质0.2~0.3MPa的低压压缩空气。离心式空气压缩机、往复式空气压缩机离心式空气压缩机电机直接带动涡轮，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成机壳，使部分动能转变为静压后输出离心式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀、运转平稳、易损部件少、维护方便、获得的空气不带油雾等特点，是非常理想的生物加工过程供气设备。离心式空气压缩机适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.25~0.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。往复式空气压缩机活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，出口压力不够稳定，产生空气的脉动。往复式空气压缩机油润滑空气压缩机，使空气中带入油雾，导致传热系数降低，给空气冷却带来困难，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。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

往复式空气压缩机单缸和多缸，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等汽缸排列形式出口压力：高压（8~100MPa）、中压（1~8MPa）、低压（1MPa以下）低压小型（1m3/min）是单缸，大多数是双缸二级压缩的：空气先进入第一级（低压）汽缸经压缩和冷却后进入第二级（高压）汽缸进行压缩，然后排出，以L形的设计最为普遍，额定出口压力为0.8MPa，可在0.4~0.8MPa的范围内进行调节3．空气贮罐消除脉动维持罐压的稳定使部分液滴在罐内沉降利用高温灭菌圆筒部分高径比通常为2~2.5。应装安全阀，底部应装排污口，空气在贮罐中的流向应自下而上，若在罐内放置铁丝网除雾器则更为理想4．气液分离器压缩空气冷却后会有大量水蒸汽及油分凝结下来，使过滤介质受潮，使过滤器失效油水分离旋风分离器：离心力介质过滤器：利用惯性进行拦截旋风分离器结构简单、阻力小、分离效果较高的气—固或气—液分离设备气体通过进气口的速度为10~25m/s，一般采用15~20m/s所产生的离心力可以分离出小到5μm的颗粒及雾沫。排气口气流速度为4~8m/s，油水滴在旋风分离器中的径向速度与气流速度的平方成正比，但随回转半径的增加而减小填料过滤器利用块状介质、颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离空气中的水滴或油滴的方法。填料主要有焦炭、活性炭、瓷环、金属车屑、金属丝网、塑料丝网等。丝网分离器具有较高的分离效率，对直径大于5µm的颗粒的分离效果可达99%，大于10µm的可达99.5%，且能部分除去较细的颗粒，结构简单，阻力不大等，已被广泛应用于生产中缺点：在雾沫浓度很大的场合，会因雾沫堵塞空隙而增大阻力损失。丝网除沫器（又名丝网除雾器、捕沫器，：wiremeshdemister、wiremeshmisteliminators）原理：带雾沫气体速度上升通过丝网时，由于惯性作用，雾沫与丝网细丝相碰撞而被附着在细丝表面上。细丝表面上雾沫的扩散、雾沫的重力沉降，使雾沫形成较大的液滴沿着细丝流至两根丝的交接点。细丝的可润湿性等作用下，液滴越来越大，当液滴大到其自身重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时，液滴就从细丝上分离下落。5．空气冷却器立式列管式热交换器、喷淋式热交换器等要提高传热系数列管式换热器：冷却水在管内流动，流速为0.5~3m/s；空气在壳内流动，流速为2~15m/s。（二）空气过滤设备的计算设计过滤效率：就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤器过滤能力的指标。微生物在滤层中减少的规律符合对数穿透定律，类似一级衰减规律的形式

第二节生物加工过程的空气调节一、空气调节的方法二、湿空气焓—湿图

空气调节发展史人类改造客观环境的能力取决于社会生产力和科学技术的发展水平。AC17,-Fans,1831，AC18,-Coolingsystems,1831-AMPerkins(Boiler)，1902－1904，Belfast，1903-Carrier,1920－Effectivetemperaturechart,ASHVEwasfoundedin1894空调发展取决于时代的社会生产力和科学技术的发展水平1902,ACSystemswithairconditionedpartswasbuiltupinapressfactoryinUSA.1919,ACSystemswithairconditionedpartswasbuiltupinacinemainUSA.1931,FirstACSystemswithairconditionedpartswasbuiltupinaShanghaiTextileFactory,China.定义空气调节是指在一定的空间内对其空气温度、湿度、清洁度和空气流动速度进行调节，达到并保持满足人体舒适和工艺要求的过程途径改变空气的热焓量和湿含量等状态参数最常用的是各种湿热交换设备。热、湿交换的介质有水、蒸汽、液体吸湿剂和制冷剂。据工作特点可将它们分成两大类：直接接触式和表面式。直接接触式热、湿交换设备特点是空气进行热、湿交换的介质和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中去

表面式热湿交换设备：与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热、湿交换是通过处理设备的金属表面来进行的。二、湿空气焓—湿图（一）湿空气的几个主要状态参数（二）湿空气焓湿图介绍

（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法

（一）湿空气的几个主要状态参数1．水蒸汽分压PW,根据分压定律，PW与干空气分压之比摩尔水汽与摩尔干空气之比，其中为湿空气的总压

2.空气的湿含量H单位质量干空气中所含水汽的质量，称为空气的湿含量或绝对湿度，简称湿度，其单位为kg/kg，增湿或减湿过程中干空气质量不变Pw-空气中水汽分压；Mrw-水汽的相对分子质量，Mra-空气的相对分子质量3．空气的相对湿度

表示距离饱和状态的程度，常用相对湿度来衡量

,相对湿度定义为空气中水汽分压与同温度下饱和水汽压之比Pw/Ps-空气中水汽分压/同温度下饱和水汽压

4．露点温度

td、湿球温度tw与干球温度露点温度

td：空气在湿含量H不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度称为露点温度。湿球温度tw：温度计在温度t、湿度为H的不饱和空气流中，在绝热条件下达到平衡所显示的温度，称为空气的湿球温度。干球温度：相对于湿球温度而言，在空气流中普通温度计所测得的温度。5．湿空气的焓

I湿空气的焓等于干空气的焓与其中所带水汽的焓之和。以干空气作为基准，并以0℃作为基准温度，则湿空气的焓为

空气增湿、减湿方法：增湿向空气中通入直接蒸汽：空气初温较低时可行，增湿的同时，温度也上升；喷水：使水以雾状喷入不饱和空气中，使其增湿；空气混合增湿：将待增湿的空气和高湿含量的空气混合而增湿，经此处理，可以得到未饱和的空气、饱和的空气或过饱和的空气。喷淋低于该空气露点温度的冷水：使空气中水分冷凝析出而降湿减温；用热交换器把空气冷却至其露点温度以下：空气中部分水分冷凝析出而；将空气压缩后冷却至初温；用吸收或吸附方法除去水分；将湿空气与干燥空气混合。空气增湿、减湿方法：减湿（二）湿空气焓湿图介绍

将一定大气压力P下的t、H、ψ、I、PW等湿空气的状态参数之间关系用线算图表示出来

以焓为纵坐标，以含湿量为横坐标的焓湿图，又称I-H图

I-H图上的每一个点代表了湿空气的一个状态，而每一条线则表示了湿空气的状态变化过程。因此，I-H图既能联系以上讲过的状态参数，又能表达空气的各种状态变化过程

1．等焓线和等含湿线确定坐标比例尺之后，就可以在图上绘出一系列与纵坐标平行的等H线及与横坐标平行的等I线。T=0和H=0的干空气状态为坐标原点。2．等温线根据公式

当温度为常数时，I和H为直线关系。,I-H图上是一系列的直线。公式中1.01t为截距，2492+1.84t为斜率，当t值不同时每一条等温线的斜率是不相同的，显然，等温线为一组互不平行的直线，但由于1.84t远小于2492，温度t对斜率的影响不显著，所以各等温线之间又近似平行。3．等相对湿度线P下，ψ为常数时，H就取决于ps，而ps又是温度t的单值函数，其值可以从水蒸气性质表中查出。因此，给定不同的温度t，可求得相应的H值，根据t、H值就可以在I-H图上找到若干点，连接各点即成等ψ线。等ψ线是一组发散形的曲线。Ψ=0%的等ψ线是纵坐标轴，ψ=100%的等ψ线是湿空气的饱和状态线，该曲线左上方为湿空气区，右下方为水蒸汽的过饱和区。4．水蒸汽分压力线大气压力一定时，上式为函数形式，即水蒸汽分压力仅取决于含湿量

5．热湿比线湿空气状态变化前后的焓差和含湿量之比，称为热湿比

热、湿变化是同时的、均匀发生的

状态参数计算一般涉及的湿空气的状态参数共有t