第三章-空气除菌

第三章空气除菌

一.空气除菌的意义绝大多数的工业微生物发酵都是好氧发酵。工业生产上均采用空气作为氧气来源。然而，空气中有各种各样的微生物，空气中大量杂菌：103-

104个/m3。它们在适宜条件下会大量繁殖，消耗营养物质，产生代谢产物，干扰甚至破坏发酵的正常进行，使得发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等。为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死（空气除菌）。空气除菌是发酵工业的一个重要环节。获得大量的无菌空气供给好氧发酵微生物是生化工程中极为重要的课题。二.空气中的微生物空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节而异，空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈高含菌量愈少；工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气含菌数为3000~10000个/m3。二、空气中微生物影响因素：高度、季节、地区、地点细小而轻的菌体是随水分的蒸发、物料的移动被气流带入空气中或粘附在灰尘上而漂浮在气流中，离地面愈高空气中含菌量愈少（每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级）温度和湿度影响微生物的生存，夏季空气中微生物的含量要多些寒冷、干燥的北方比温暖、潮湿的南方空气中含菌量少二、空气中微生物空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母、霉菌、放线菌和噬菌体。空气中灰尘粒子数量与人们的活动情况有关：工业城市比农村含菌量多，据统计大城市空气含菌数为3000~10000个/m3。厂区取风口多在偏僻角落，离开其它生产车间。二、好气性发酵对空气无菌度的要求好气性发酵中需要大量无菌空气，但空气绝对无菌是很难做到的，也是不经济的，只要使在发酵过程中不至于造成染菌而出现“倒罐”现象，这就是通风发酵对无菌空气的要求。不同类型的发酵，由于菌种生长活力、繁殖速度、培养基成分和pH值及发酵产物等不同，对杂菌抑制的能力不同，因而对无菌空气的无菌程度要求也有所不同。无菌要求：在工程设计上，一般要求无菌程度为N=10-3，即1000次使用周期中只允许有一个杂菌通过。三.空气除菌的方法然而，由于空气传热效率很低，温度分布很不均匀，并且有些耐热菌的孢子需要非常长的时间才能杀灭，所以加热的方法不能大量制造无菌空气。第一节空气过滤除菌流程空气除菌流程的要求：高空采风：进口风管设置在上风口，20~30m高，减少吸入空气的微生物含量前过滤器：压缩机前安装中效前置过滤器，保护压缩机和减轻总过滤器负担尽量选无油润滑压缩机，减少压缩后空气中的油雾污染。压缩机后采用冷却型空气储罐，可降低压缩后空气的温度，同时除去部分润滑油。采用冷却-旋风分离器，使油水分离较完全。采用除雾器（丝网分离器），除去空气中的雾滴。用蒸汽加热空气约50°C，使空气的相对湿度低于60%，再进入总过滤器，保证总过滤器维持干燥状态。空气经总过滤器除去大部分尘埃、颗粒和微生物后，进入每一个发酵罐上的分过滤器，再进入发酵罐。这样空气的除菌程度可达到99.99999%以上。空气除菌流程的要求空气除菌设备从总过滤器开始要都能采用蒸汽彻底灭菌，并能分段保压和灭菌。这样就不需要常常用蒸汽对过滤器或整个空气过滤系统进行灭菌。空气过滤系统要能定期排油，排水，能检测各阶段的空气温度及其净化程度，并能防止冷凝水倒流入总过滤器设备尽量简单。空气除菌的要求：

无菌、无尘、无油、无水、有压力空气过滤需要推动力；过滤介质要求在干燥条件下工作，才能保证除菌效率预处理:对进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空气状态（压力、温度、湿度）过滤:对空气进行过滤处理，除去微生物一、对空气预处理的要求（空气过滤时状态）1、加压：（0.2~0.3MPa）在发酵生产过程中，为了维持一定的罐压和克服设备、管道、阀门、过滤介质等的阻力，所供给的空气必须具有一定压力

2、降温：（tF=30~35℃）与发酵温度一致3、减湿：（φ=50~60%）湿空气经压缩冷却后会有水分析出，而目前所采用的介质过滤除菌方法，要求过滤介质处于干燥状态，才能保证过滤除菌效率4、去油：往复式空气压缩机工作需用润滑油，在高温下润滑油汽化进入空气，经冷却析出，影响过滤除菌效率二、空气过滤除菌流程制定原则：生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程度、空气压力、温度等吸气环境的空气条件所用除菌设备的特性要求：尽量采用新技术新设备，提高除菌效率，减少设备数量，降低设备投资、运转费用和动力消耗，便于操作（一）两次冷却、分离、加热的空气除菌流程

1、流程两次冷却、两次分油水、适当加热空气第一次冷却到30～35℃，第二次冷却至20～25℃经两次分油水后相对湿度仍为100％，加热到30～35℃相对湿度下降到50～60％2、特点两次冷却、分离、加热的空气除菌流程比较完善、典型的空气过滤除菌流程，可适应各种气候条件所需设备最多，投资较大，占地面积大，阻力大两次冷却后又加热，冷却和加热介质消耗较多一次冷却、分离、加热的空气除菌流程（二）一次冷却、分离、加热的空气除菌流程

1、流程：将压缩空气冷却至20～25℃，分离析出水分后升温使相对温度降为60%左右，进入过滤器2、特点省去第二次冷却、分离设备使用无油润滑压缩机或离心式压缩机（三）空气压缩冷却过滤除菌流程1、流程：将压缩空气冷却到30～35℃、相对湿度为60%～70%以下1-粗过滤器2-空气压缩机3-贮罐4-冷却器5-过滤器

2、特点空气压缩冷却过滤除菌流程流程最简单，所用设备最少适用于北方和内陆气候干燥地区（四）冷热空气间接换热的空气除菌流程1、流程：压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热交换1-高空采风2-粗过滤器3-空压机4-热交换器5-冷却器

6、7-旋风分离器8-空气总过滤器9-空气分过滤器2、特点冷热空气间接换热的空气除菌流程省去加热介质，热交换器还兼作缓冲罐气-气换热的传热系数很小，需要较大换热面积（五）冷热空气直接混合的空气除菌流程

1、流程：压缩空气从缓冲罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水雾后与另一部分高温气体混合2、特点冷热空气直接混合的空气除菌流程省去加热介质和加热设备适用于空气的湿含量为中等的地区要经常根据气候条件调节冷热空气的比例（六）前置高效过滤器的空气除菌流程

1、流程：在压缩机前设置一台高效过滤器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2、特点前面高效过滤，减轻后面过滤负荷多次高效过滤，空气无菌程度比较高

吸气阻力大，影响压缩机的吸气量（七）后置冷却器的空气除菌流程

1、流程：前冷却器冷却空气到相对湿度50～60%

进入过滤器，后冷却器冷却空气温度到30～35℃进入发酵罐空气高空取气管粗过滤器压缩机后冷却器无菌空气缓冲罐前冷却器过滤器2、特点省去分离设备、加热设备和加热介质空气过滤除菌后易重被污染空气预处理流程的选择除菌效率达到要求（气候、环境）设备数量、投资、运转费用和动力消耗较少操作简便第二节深层过滤除菌原理过滤除菌方法:绝对过滤和深层过滤绝对过滤：介质的孔隙小于被滤除的尘埃或微生物，当空气流过介质层时，空气中的尘埃和微生物被截留在介质层的表面深层过滤：介质间的孔隙大于被滤除的尘埃或微生物。空气流过这种介质过滤层时，借助惯性碰撞、拦截、静电吸咐、扩散、沉降等作用，将其尘埃和微生物截留在介质层内一、深层过滤除菌机理空气过滤空气过滤介质的孔隙（20～50μm），要除去微生物颗粒（0.5～2μm），利用惯性碰撞、拦截、布朗运动、重力沉降和静电吸引等作用除菌1、惯性冲击滞留作用机理原理：当微生物等颗粒随空气流动进入过滤介质，气流碰到滤层纤维时，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时而有惯性在惯性力作用下穿过气流层碰到纤维，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上单纤维惯性冲击捕集效率：式中：b—单纤维能滞留微粒的气流宽度，m

（微粒大小、密度、气流速度、空气粘度）df—纤维直径，m准数：式中：c—修正系数，11.46ρp—微粒密度，kg/m3dp—微粒直径，mu0—气流速度，m/sμ—空气粘度，Pa.s临界气流速度：当b=0时η1=0当气流速度低于临界速度时，颗粒不会因惯性碰撞而被滞留在气流绕过纤维时，颗粒随之改变方向气流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，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2、拦截滞留作用机理因布朗运动性碰撞介质纤维而被滞留，这种作用称为布朗扩散作用很小的颗粒在流动速度很低的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗运动3、布朗扩散作用机理布朗扩散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过滤介质截留4、重力沉降作用机理当气流对微粒的拖带力小于微粒的重力时，微粒就沉降对于小颗粒，只有当气流速度很低时才起作用在空气的介质过滤除菌方面，这一作用很小5、静电吸附作用机理当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，特别是用树脂处理的纤维表面产生电荷更明显许多微生物都带有电荷。枯草杆菌芽孢有20%以上带正电荷，15%以上带负电荷当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生静电吸引作用过滤除菌效率(η)与气速(vs)的关系η＝η1＋η2＋η3＋η4＋η5当气流速度较小时，没有惯性碰撞作用，以拦截、重力沉降和布朗运动现象为主，此时，除菌效率随气流速度增大而降低当气流速度增大到某值时，除菌效率最小，此为临界速度当气流速度继续增加，惯性碰撞开始发挥作用，除菌效率随着气流速度增加而提高如果气流速度过大，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总作用效果与气流速度关系二、深层过滤除菌效率式中：η—过滤效率，（%）N1—过滤前空气中的尘埃颗粒数N2—过滤后空气中的尘埃颗粒数P—穿透率，即过滤后空气中残留颗粒数与原有颗粒数之比1、过滤效率滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值衡量过滤设备过滤能力的指标2、影响过滤效率的因素影响因素：过滤介质的种类、规格介质层的填充密度、厚度空气流速、需滤除微粒大小不同过滤介质的理化性质不同，其过滤效率有较大差异同一介质，过滤效率与介质纤维直径关系很大，介质纤维直径越小，过滤效率越高过滤效率与介质滤层厚度、填充密度和空气流速有关3、对数穿透定律四点假定：

过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近纤维的存在而受影响空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附，不再被气流卷起带走过滤效率与空气中微粒的浓度无关空气中微粒在滤层中递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体多层细小的纤维将空气中粒子拦截在介质层中，因此过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的式中：N—滤层中空气的颗粒数，个

L—过滤介质层厚度，m

K—过滤常数，1/m经过dL厚度过滤介质过滤后，空气中颗粒数的减少数为-dN此式称为对数穿透定律，它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移项后积分：或对于薄层纤维过滤（厚度<40mm），对数穿透定律是正确的；对于厚层纤维，过滤时颗粒呈纵向分布，故对数穿透定律不完全适用，但仍采用它进行计算。过滤常数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当棉花纤维直径df=16μm，纤维填充率为8%时，实验室测得与空气流速之间的关系如下：空气流速u，m/s0.050.100.501.02.03.0K’，1/m19.313.5010.019.5132255实验测定K值:为了实验和计算的方便，可采用过滤效率为90％时的滤层厚度作为对比基准：空气流速u，m/s0.030.150.300.921.523.15K’

，1/m56.725.219.339.4150605当采用df=14μm，经糠醛树脂处理过的玻璃纤维，以枯草杆菌为实验时，测得值如下：

4、过滤压力降

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三、绝对过滤性能：利用孔隙小于0.5μm的微孔滤膜，将空气中细菌（0.5～1μm）滤除特点：过滤效率高（细菌100％），节约能量和时间，操作简便介质：纤维纱脂微孔滤膜（孔径≤0.5μm）硅酸硼纤维微孔滤膜（孔径0.1μm）聚四氟乙烯微孔滤膜（孔径0.2或0.5μm）第三节过滤除菌设备一、空气预处理过程设备二、空气过滤除菌设备一、空气预处理过程设备1．粗过滤器

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要求：过滤效率高、阻力小类型：过滤式（布袋过滤、填料式过滤）

洗涤式（油浴洗涤、水雾除尘）油浴洗涤空气装置水雾除尘装置

2、空气压缩机

类型：往复式、离心式往复式空气压缩机是靠活塞在气缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此排气不连续，产生空气的脉动离心式空气压缩机体积和重量都小而流量较大、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3．缓冲罐安全阀压力表排气管人孔进气管排污口

作用消除脉动、维持稳定沉降部分非气相物质保温灭菌

尺寸

式中：V—缓冲罐的容积，m3

ν—压缩空气流量，m3/min

容积：H:D=2~2.5:1H和D：4、空气冷却器、加热器类型：立式列管换热器、沉浸式冷却器喷淋式冷却器、板翘式换热器

5、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旋风分离器类型：离心式过滤式过滤式分离器过滤介质：活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网丝网分离器二、空气过滤除菌设备（一）常用过滤介质1、要求：吸附性强，过滤效率要高，保证空气质量处理空气量要大，满足大生产需要过滤压力降要小，减少动力消耗能耐干热，保持高效率，可重复长期使用2、种类：棉花、玻璃纤维、活性炭、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、烧结材料、微孔膜类棉花：使用未脱脂棉，纤维长度约2～3cm，纤维直径为16～20μm，填充率为8.5%～10%

玻璃纤维：纤维直径5～19μm，填充率5%～11%；常用直径为10μm，填充率为8%纤维直径小，过滤效率高，但空气阻力大活性炭：圆柱体状的颗粒活性炭，φ3×10～15mm，填充率为44%活性炭的过滤效率较低超细玻璃纤维纸:厚度约为0.25～0.4mm，纤维间的孔隙约为1～1.5μm，填充率为14.8%将3～6张滤纸叠在一起使用，属于深层过滤过滤效率较高，对于大于0.3μm的颗粒的去除率为99.99%以上，同时阻力也比较小强度不大，特别是受潮后更差石棉滤板：不怕潮湿，使用时间长，但过滤效率较低

烧结材料：烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料多孔形状稳定，过滤精度高，阻力增加较慢，压力损失较小金属的耐高温，非金属的能抵抗酸、碱的侵蚀金属的可采用逆流过饱和蒸汽、化学溶剂进行清洗再生，非金属的可用气体反吹法反复再生，使用寿命较长价格较高微孔滤膜：介质的孔隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中的细菌全部滤去，属于绝对过滤（二）空气过滤器深层介质过滤器：以纤维状物质（如棉花、玻璃纤维、腈纶、涤纶、维尼纶等）或颗粒状物质（如活性炭）为介质的过滤器过滤纸类介质过滤器：以超细玻璃纤维纸、石棉滤板、烧结材料等为介质，制成平板式、管式、接迭式过滤器新型过滤器：以微孔滤膜为过滤介质的所谓绝对过滤器1．深层介质过滤器

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构造：以纤维状或颗粒状介质组成过滤床过滤器内有上、下孔板介质置于两孔板之间，被孔板压紧下部有切线进口，上部有排出口所用过滤介质：棉花、玻璃纤维、活性炭要求：空气分布均匀，介质装填均匀、贴壁、平整，有一定填充密度，防止空气走短路或介质被空气吹翻棉花—活性炭过滤器滤层安装顺序一般棉花置于上、下层，活性炭在中间，也可全部用纤维状介质孔板→铁丝网→麻布→棉花→麻布→活性炭→麻布→棉花→麻布→铁丝网→孔板压紧装置周边螺栓压紧装置顶盖压紧装置特点滤层纤维孔隙超过50μm，远大于细菌，属于深层过滤过滤效率较低，对于0.3μm以下颗粒的过滤效率仅99%，需要再次过滤才能达到较高无菌程度体积大、占有空间大操作困难，装填介质费时费力，介质装填的松紧程度不易掌握空气压力降大介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气尺寸直径：高度：(m)式中：qv－空气流过滤器时的体积流量，m3/s

us－空截面空气流速，m/s，0.1～0.3(m)2．过滤纸类介质过滤器类型：平板式、管式、接迭式平板式纤维纸过滤器构造：由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成安装：将滤纸夹在多孔法兰板中间，板上开φ8mm小孔，开孔面积占板面积40%，在滤纸上、下分别铺上铜丝网和细麻布，外面各有一个橡胶垫圈所用过滤介质：超细玻璃纤维纸或石棉滤板，一般用3～6张滤纸叠在一起使用特点除菌效率相当高，对大于0.3μm颗粒的去除效率为99.99%以上阻力小，压力降小，受潮后易损坏处理量较小，用作分过滤器尺寸滤层直径：过滤器直径：过滤器高度：(m)(m)式中:qv－空气流过滤器时的体积流量，m3/s

us－空气流速，m/s超细玻璃纤维纸取1.0～1.5m/s石棉滤板取0.8～1.0m/s(m)管式过滤器构造：由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成所用过滤介质：超细玻璃纤维纸、烧结材料特点：单位体积过滤面积较大接迭式低速过滤器构造：由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成所用过滤介质：超细玻璃纤维纸特点：单位体积过滤面积较大，气流速度低，阻力小3、新型过滤器聚乙烯醇（PVA）过滤器Bio-x过滤器高流量过滤器JPF型膜过滤器

聚乙烯醇（PVA）过滤器构造：用具有特殊多孔型结构和耐热性能的聚乙烯醇海棉状物质为介质加工制成的。有圆板型和圆筒型两种。将聚乙烯醇（PVA）乙酰化并以耐热树脂（如硅氧树脂）涂敷，制成片式过滤介质，孔隙为10～20μm

特点：除菌效率达99.9999%以上，压力降在0.015MPa以下，能够经受蒸汽反复灭菌，使用可达一年以上，杀菌及干燥时间极短，更换方便，占地面积小Bio-x过滤器构造：用直径为0.5μm玻璃纤维制成1mm厚的滤材，卷成三卷，再以较粗的坚韧的玻璃无纺布做内外衬，再在内、外以不锈钢网固定，做成滤筒状特点：它能滤除0.01μm颗粒（噬菌体大小为0.02μm），过滤效率为99.9999%。空气流量大，压力降小，结构简单，体积小，安装方便。缺点是强度不大，易损而失效，受潮也失效高流量过滤器聚四氟乙烯（PTFE）材料为滤芯的以HighFlowBio-x和HighFlowTetporII为代表的高流量过滤器PTEE是一种坚韧的疏水性材质，可以做成折叠滤芯，增加了过滤面积，使空气流量为Bio-x的3倍，延长了使用寿命，进一步缩小了体积。这种过滤器的空隙率达94%，大于普通的膜过滤器（PTFE为75%，PVDF为66%）过滤器由蒸汽过滤器、预过滤器和精过滤器组成一套。预过滤器的过滤效率为99.97%，能凝聚压缩空气中的油、水成液滴予以排除，但不能用蒸汽灭菌JPF型膜过滤器JPF型聚二氟乙烯膜折叠式过滤器，通过微孔滤膜绝对过滤过滤精度极高，滤膜采用折叠形式，通气量大，压力降小，介质材料耐高温，疏水性强，使用寿命长提高过滤效率的措施

1.减少进口空气的含菌数加强生产环境的卫生管理，减少空气中的含菌量正确选择进气口，空气站应在生产车间的上风向提高空气进口位置，加强压缩前的空气预过滤

2.设计合理的空气预处理设备，除油、水和杂质采用无油润滑空气压缩机加强空气的冷却、分离除去油、水提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度3.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