第三章-空气除菌

第三章空气过滤除菌第一节概述3.发酵用无菌空气的质量标准细菌、酵母菌、霉菌和病毒是空气中的主要微生物，它们大多附着在空气中的灰尘上。一般来说，凡是尘埃浓度高的地区，空气中所含微生物的量也越多。城市市中心空气中的微生物含量也高于农村。夏季的空气中所含微生物也比冬季多，离地面近的空气中所含微生物也比离地面高的多。工程设计中常以微生物浓度104个／m3作为空气的污染指标。发酵用的无菌空气需要达到得标准：①、连续提供一定流量的压缩空气。VVM一般为0.1～2.0m3

。②、空气的压强(表压)为0.2～0.4MPa。③、进入过滤器之前，空气的相对湿度￠≤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，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为10-3为指标。4.空气除菌的意义（参见培养基灭菌）

1.生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降。2.杂菌也会产生代谢产物，这就使产物的提取更加困难，造成得率降低，产品质量下降。3.有些杂菌会分解产物，使生产失败。4.杂菌大量繁殖后，会改变反应液的pH值，使反应异常。5.如果发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，使生产失败。附：据日本抗生素生产的统计资料，设备渗漏和空气除菌不彻底是导致染菌的主要原因。5.好气性发酵对空气除菌的要求1.工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同而异。2.半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般无需复杂的空气净化处理。3.密闭的深层通气发酵培养需氧微生物需严格的纯净培养。进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除菌等处理，才能满足生物工程的要求。4.绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。在工程设计中一般要求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。

5.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。1.2加热灭菌法基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）热变性而得以实现。它与培养基的加热灭菌相比，虽都是加热法把微生物杀死，但两者的本质是有区别的。鉴于空气在进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力，所以，空气热灭菌时所需的温度，就不必用蒸汽或其他载热体加热，而可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。空气经压缩后温度可升到200℃以上，保持一定时间后，便可实现干热杀菌。利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气具有特别重要的意义。在实际应用时，对培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置的管道灭菌以及管道长度等问题都必须加以仔细考虑。

1.4介质过滤除菌1.概念：介质过滤除菌是使空气通过经无菌介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌目的。2.介质过滤除菌的分类：根据介质间的孔隙分类。常规介质过滤：是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为常规介质过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；绝对过滤：介质的孔隙小于细菌，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。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多，它可以除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部过滤除去。16化学药剂灭菌法某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器具的灭菌等。化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。180M3发酵罐车间大型空气压缩机发酵车间的空气过滤器

空气净化系统流程图见图5—11。习惯上把这一流程中过滤器以前的部分称为空气预处理。主要包括采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮罐、冷却器、空气加热设备等。另外空气预处理流程也应根据当地空气情况作相应的变化。

二、空气预处理5－11空是除菌设备流程图(1)、采风塔应建在工厂的上风头，远离烟囱。采风塔可用灰铁皮或砼制成，采风塔越高越好，至少10m，设计气流速度8m／s左右。为节省地方和利用空间，可把采风塔做成采风室，直接构筑在空压机房的屋顶上。高空取气管

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)、粗过滤器

安装在空压机吸入口前，又称前置过滤器。

作用：拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时也起到一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。粗过滤器应具有阻力小、容尘量大的特点，否则会成为阻力而影响压缩机吸气。过滤介质可采用泡沫塑料(平板式)或者无纺布(折叠式)，设计流速为0.1—0.5m/s。(3)、空气压缩机

作用：提供动力。

类型：往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压机的特点合理选用。为保证连续供气，一般不提倡单台空压机。(4)、空气贮罐

作用:

消除压缩空气的脉动.

这对往复式空压机尤为重要。涡轮式或螺杆式空压机，由于排气是均匀而连续的，则贮罐可省去。贮罐的H/D=2—2.5，其容积可按下式估算：

VR=(0.1～0.2)VAm3VA为空压机每分钟排气量(20oC，1×l05Pa状况下)，m3

空气贮罐消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力。利用重力沉降作用除去部分油雾。紧接空压机安装。有些装有冷却管。(5)、冷却器空压机出口气温一般在120℃左右，必须冷却。另外在潮湿地域和季节，空气中含水量较高，为了避免过滤介质受潮而失效，冷却还可以达到降湿的目的。可采用列管式热交换器，空气走壳程，管内走冷却水。为了增加冷却水的流速，提高传热系数，采用双程或四程结构。为防止压缩空气走短路及提高传热效率，管间装有4～5块圆缺挡板。空气冷却器的传热系数为105W／(m2·℃)左右。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(6)、气液分离设备

作用：除去空气中的水和油，以保护过滤介质。一般有两类：

a、利用离心力沉降的旋风分离器；

b、利用惯性拦截的介质分离器。a．旋风分离器

是利用离心力进行气—固或气—液沉降分离的设备。它结构简单、阻力小、分离效率高，结构示意见图5—13。旋风分离器

使用时，压缩空气以15～25m／s的流速以切线方向进入旋风分离器，并在环隙内作圆周运动，水滴或固体颗粒因其密度比空气大得多而具有较大惯性而被甩向器壁最后被收集。

可除去空气中绝大多数的20μm以上的液滴。但对于10μm大小的液滴，除去效率只有60％～70％。

对压缩空气中夹带的雾状液滴，应采用比旋风分离器效率更高的丝网除沫器来除去。丝网除沫器可除去1μm以上的雾滴，去除率约为98％。丝网除沫器的结构见图5—14。b．丝网除沫器

采用惯性拦截等机理，有效去除空气中的水、油雾、尘埃，不锈钢丝网可清洗，使用寿命长。(7)、空气加热设备

作用：把空气相对湿度从100％降低到70％以下。一般都采用列管换热器，空气走管程，蒸汽走壳程。或者采用套管式加热器，空气走管程，蒸汽走夹套。列管式换热器的传热系数一般为160W／(m2·℃)，套管加热器的传热系数约为90W／(m2·℃)。加热器的安装位置应靠近空气总过滤器，其出口管道应采取保温措施。按过滤介质孔隙将空气过滤器分为两类：

第一类：绝对过滤

介质孔隙小于被拦截的微生物大小，如用聚四氟乙烯或者纤维素酯材料做成的微孔滤膜（孔径0.22μm)

三、空气的过滤除菌例如:

将聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩合，制成多孔性的聚乙烯醇缩甲醛树脂(PVF)，经过耐热处理制成孔径小于0．3微米的滤膜。这种材料有很好的除菌效果，通气性好，并且可以用蒸汽灭菌，耐受多种有机溶媒和酸碱。第二类：深层过滤

介质孔隙大于被拦截的微生物大小，但介质层有一定的厚度，机理是静电、扩散、惯性及拦截作用。

例如：棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、金属烧结管等。纤维介质截获空气中颗粒的机理：

在实验室或中试规模，空气过滤器只设一级，而大型发酵工厂大多采用两级甚至三级过滤。第一级过滤器常称为总过滤器，二、三级称为分过滤器。过滤器的级数：对数穿透定律：

对于深层过滤介质，假定颗粒一旦被截获就不再逃逸，而且在与气流垂直的截面上颗粒是均匀分布的，那么在任何单位厚度介质层中颗粒被捕截的比例相同。即：

式(25—48)表示穿透的菌数与原菌数之比的对数值与介质层厚度成正比，因此也称为对数穿透定律。

假设空气中的浓度为10000个/m3，空气流量为200m3/min，持续时间为2000h，则No为2.4X1011，按染菌概率为千分之一，No/Ni=2.4X1014深层过滤介质又分成两类:

第一类如棉花纤维、玻璃纤维、合成纤维和颗粒状活性炭，在空气过滤中填充一定的厚度，它们中间的孔隙大于50微米。

第二类是将过滤材科制成纸、板或管状，如超细玻璃纤维滤纸、金属烧结板等等。这些材料的除菌效率较高，无需填充很厚。如用超细玻璃纤维纸时只需几张，用石棉纸浆滤板时只需一层。

国外开发出一种高效过滤介质，用直径0．3微米的玻璃纤维制成厚度2mm的滤材，可截留直径为0．01微米的颗粒。为保护过滤介质，在两侧再加一层可分离2微米颗粒的粗滤层，将这种复合过滤介质用金属丝网保护再制成滤管，可方便的装到过滤器上。下图是其工作原理。

(1)、纤维及颗粒状介质过滤器

纤维及颗粒状介质过滤器一般都被用作总过滤器。图5－16纤维及颗粒介质过滤器常用过滤器简介：纤维及颗粒状介质过滤器常用的介质：棉花、玻璃纤维、活性炭等

a．棉花常用未经脱脂（脱脂棉花易于吸水而使体积变小），压紧后仍有弹性，纤维长度适中（约2～3cm）的棉花。棉花纤维直径约为16～20μm，其实密度（或称真密度）为1520kg/m3，通常的填充密度为130～150kg/m3，故其填充率为8.5％～10％。为了使棉花垫填放平整，可先将棉花弹成比筒稍大的棉垫后再放人器内。b．玻璃纤维用无碱的玻璃纤维作为过滤介质（普通玻璃纤维遇水或经蒸汽灭菌后易于粉碎）。常用纤维直径3～20μm，实密度2600kg/m3，常用填充密度130～280kg/m3，填充率为5％～11％。较细的玻纤不易折断，效果较好，但空气阻力较大，故最常用纤维直径为10μm，填充率8%(210kg/m3）。为减少玻纤的粉碎、提高除菌效率及填放方便，可用酚醛树脂、呋喃树脂等将其粘合成过滤垫后再放人过滤器。c．活性炭

常用颗粒状活性炭是小圆柱体，直径3×(10～15)mm，过滤器用活性炭要求质地较坚硬不易压碎、颗粒均一，装填时细粒及粉末要筛去。不单独作过滤介质，常与纤维状介质分层堆放成过滤床。国外亦有用20～50目椰壳烧成的活性炭作过滤介质的。介质层的高度：介质层高度与纤维性质、直径、填充密度、气流速度和过滤器持续使用时间有关。装填时，可以单纯用纤维介质，也可兼用纤维介质及颗粒介质。前者的介质层高度约为0.2～0.3m，后者介质层总高度约为0.3～1.0m。其中活性炭放在两纤维介质之间，或放在纤维介质层之下。纤维层：活性炭层：纤维层高度为1:1:1～1:2:1，只有一层纤维层时，纤维层与活性炭层之比为1:(2～3）。

通过过滤器的气流速度（以压缩空气通过过滤器筒身的截面积为基准）一般为0.2～0.3m/s，相应的压力降也较小。

过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.2～0.4MPa（表压）的蒸汽，灭菌45min左右后用压缩空气吹干备用。总过滤器约每月灭菌一次。为了使总过滤器不间断地进行工作，一般应有一个备用，以便灭菌时替换使用。

(2)、滤纸过滤器

图5－17滤纸过滤器滤纸过滤器的结构：

类似旋风分离器。过滤器以超细玻璃纤维纸为介质。其孔径约为1～1.5μm，厚约0.25～0.4mm，实密度2600kg/m3，虚密度为384kg/m3，故填充率为14.8%，平时以3～6张滤纸叠合在一起使用。

滤纸的除菌效率很高（对≥0.3μm的颗粒去除效率为99.99％以上），阻力很小。但强度不太大，特别是受潮后强度更差。优缺点：

滤纸常用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂、嗜胺树脂、含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理，以提高其防湿能力和强度。也可在制造滤纸时，在纸浆中混入7％一50％的木浆，这样滤纸强度就有显著改善；为了使滤纸平整地置于过滤器内，能经受蒸汽和空气的冲击，在过滤器筒身和顶盖的法兰间夹有两块相互契合的多孔板（开有很多ø8的小孔，孔隙率40％左右）以夹住滤纸。安装时须在滤纸上下铺上铜丝网、细麻布和橡皮垫圈。提高滤纸强度的方法：

空气在过滤器内的流速为0.2～1.5m/s，而且阻力很小，未经树脂处理过的单张滤纸在气流速度为3.6m/s，压降仅3mmH2O左右。经树脂处理或混有木浆的滤纸，阻力稍大。(3)、金属烧结管空气过滤器

20世纪80年代初中国核工业第八研究所研制成功了JLS型金属烧结管空气过滤器，这种金属烧结过滤管是用粉末冶金方法制造的，用来除去含有各种固体粒子的一种新型、高效过滤器。

图5－18金属烧结管空气过滤器

它是由单根或几十根或上百根金属微孔滤管安装在不锈钢过滤器壳体内，现在已有处理量每分钟从数升到100m3的系列产品。

结构：(4)、微孔膜过滤器——绝对过滤器由耐高温、疏水的、厚度为150μm的聚四氟乙烯薄膜构成。它能绝对滤除所有大于0.01μm以上的微粒，能除去几乎所有空气中夹带的微生物，获得发酵用的无菌空气。

为增强膜芯强度，用316不锈钢做中心柱，把附加里衬的滤膜做成折叠型的过滤层绕在不锈钢中心柱上，外加耐热的聚丙烯外套。见下图。

微孔膜过滤器体积小、处理量大、压降小、除菌效率高。空气经过滤膜的气速应控制在0.5～0.7m/s左右，压降≤100Pa。

膜过滤器较贵，为延长使用寿命，应配置与其相匹配的预过滤器和蒸汽过滤器，除去管道内的铁锈和污垢微粒对微孔膜的污染。预过滤出口之后的管道应采用不锈钢管。其安装方法见图5－20。图5－20膜过滤器结构及安装表5－2几种传统过滤器的适用条件及性能比较表5－3新一代微孔过滤器的适用条件第四节无菌检测及发酵废气废物的安全处理一、