第三章 空气除菌 修订

生化工程

第三章空气除菌

主要内容：

1、空气除菌的目的及预处理；

2、空气过滤设计；

3、深层过滤计算

重点：空气过滤的原理及设计

难点：深层过滤的计算第三章空气除菌1、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。第三章空气除菌通入的氧气（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。

每m3大气中约含有103～104个微生物，而每提高2.5米,空气中的微粒数可减少一个数量级。

103～104个微粒/m3的浓度，与布满工业尘埃的空气相比是小的。例如：铸铁车间的风管空气含尘埃颗粒数约为

7.6×1010微粒/m3

空气中的微粒多为细菌及孢子，也有真菌、酵母和病毒。其大小从几个微米到几百微米不等。小的微生物附在空气中的尘埃上，灰尘的尺寸约为0.6微米。在工程上如何解决向培养液提供大量无菌空气的问题？工业上利用过滤方法制备大量无菌压缩空气，用过滤介质阻隔微生物。第一节

空气的预处理，1、流程空气贮罐冷却器冷却器加热器粗滤器：高空20-30m空气压缩机FreshMediaFeedDissolveO2SensorThermocoupleInletAirFlowExitGasFlowAcid/baseAntifoampHSensorLevelSensorAgitatorSparserExitLiquidFlowQ，N0

Q，N旋风分离器丝网分离器空气预处理流程旋风分离器丝网除雾器空气过滤器空气过滤器注意提高空气压缩前空气的洁净度主要措施：提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。20-30米高空采风；在吸气口处设置空气粗过滤器：常用布袋过滤器。第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化（1）压缩压缩机的工作循环：恒压吸气、压缩和恒压排气过程组成。气体经压缩后，分子密度增大，分子的距离缩短，分子的碰撞增加，分子原有的能量转变为热能，若热量没有向外界传出，则气体温度升高，这种压缩过程称为绝热压缩过程。气体的压缩程度越大，则气体温升越高。第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化式中T1、T2是空气压缩前后的绝对温度P1、P2是空气压缩前后的绝对压强CP：定压比热 CV：定容比热

K=

绝热指数，空气为1.4（1）压缩下面看空气压缩后T2升高的情况

例15℃的空气由1×105Pa被压缩到3×105Pa（绝压）T2=T1、=394K=121℃如果压缩比更大，压缩空气的温度就更高。压缩比P2/P12.06.08.010.0绝热压缩气体温度（℃）85217257292等温压缩过程：若压缩过程中气体放出的热量能全部排出外界，使气体压缩前后的温度相等。实际压缩的多变过程：实际上气体在压缩过程中，压缩气体产生的热量必然有一部分排到外界，不能达到绝热压缩；也不可能全部排到外界而达到等温过程，实际的压缩过程称之为多变过程，它介于绝热过程与等温过程之间。高温压缩空气直接通入空气过滤器的后果：（1）引起过滤介质的炭化或燃烧。（2）增大反应罐的降温负荷，给培养温度的控制带来困难。措施：用列管式冷却器进行冷却。第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化（2）、压缩空气的冷却及除水除油复习概念：相对湿度φ，湿含量X（湿度）空气中水蒸汽分压与同温度时的饱和水蒸汽压力之比称为相对湿度φ。PW：空气中水蒸汽的分压PS：同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压每1kg干空气中所含有的水蒸汽的kg数称为空气的湿含量。湿含量（湿度）=φ=

（2）、压缩空气的冷却及除水除油

φ=

如果将φ<1的湿空气冷却，开始一段时间X不变，则PW也不变，但由于饱和水蒸汽压PS随空气温度下降而下降，因此相对湿度逐渐增大。当相对湿度φ下降为1时，空气中的水蒸汽已饱和，这时的温度称为:

露点。如果气体温度继续下降，空气中的水蒸汽开始冷凝成水，空气的相对湿度保持为1，湿含量X则开始下降，所以冷却过程可分为二段。

第一段T↓第二段：T↓φ↓φ=1 φ=1 X不变 X下降 等湿冷却 减湿冷却

压缩空气经冷却会有水析出，混在空气中，如果使用活塞式空气压缩机，空气中还混杂有油滴（油作润滑作用），为了保证空气过滤器的效能，必须除去空气中的水分和油滴。分水的方法：（1）旋风分离器分离：较大的水滴（2）丝网除雾器：小的水滴（直径5m）用不锈钢丝网、铜网或塑料网填充。旋风分离器丝网除雾器第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化(3)、空气的加热目的：降低空气相对湿度，防止过滤介质被打湿。控制空气状态参数：

φ下降到50～60%，

T升高到发酵温度

X不变第二节典型空气除菌流程

（1）一级压缩，二次冷却，一次加热流程

（2）一级压缩，一次冷却流程空气（t0、x0、φ0）（t1、x1、φ1）（t2=35℃、x2、φ2=60%）x0=x1=x2，这样的流程是否可行？

在北方的冬天，空气的湿含量低，可以进行一级压缩，一级冷却的流程，可以节约大量冷却水和加热蒸汽。

（3）节能流程

为达到节约能源的目的，将一部分压缩后的空气冷却到相对湿度100%，然后用部分未冷却的热空气混合，达到要求的湿度和温度。T0

X0φ0压缩T1

X1φ1T2

X2φ2T3X3φ3减X冷却35℃-50℃60%

100%采用这个流程时，要进行物料平衡和热量平衡计算，合理控制这两部分的比例，比例还要随气候条件进行调节。

第三节

空气过滤设计空气过滤器使用的过滤介质，按其孔径大小可分为二类：1)

绝对过滤介质：绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。2)

深层过滤介质：深层过滤介质的截面孔隙大于微生物，为了达到所需的除菌效果，介质必须有一定的厚度，因此称为深层过滤介质。深层过滤介质深层过滤介质除菌的机理主要是：（1）纤维介质对颗粒的拦截，（2）颗粒的惯性冲撞，（3）布朗扩散等因素。目前在我国的工厂和实验室，多采用深层过滤介质制备无菌空气。一、深层过滤原理

深层过滤介质有一定厚度，介质的截面上孔隙比过滤要除去的颗粒大得多。尘埃颗粒直径0.5~2m。细菌0.1~0.3m，介质的截面纤维孔隙：16~25m（df=16m，装填密度为8%。为什么能除去杂菌呢？纤维深层随机排列。

一、深层过滤原理

深层除菌的机理，有许多学者研究过，现在普遍认为：惯性碰撞，拦截和布朗扩散因素是深层过滤能够除菌的主要因素，总的过滤因素是这三种效率之和。η0=η1+η2+η3扩散机制拦截惯性冲撞重力静电外加电场1、惯性冲撞机制（η1

）（大颗粒）气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性，当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。η1式中：微粒密度

μ：空气粘度

V：微粒流速

dp：微粒直径

df：纤维直径

C：修正系数操作参数是V，η1随V的增大而增大。当φ=1/16，η1=0此时的空气流速叫临界流速VcVη1

10-4

10-3

10-2

10-1

VC

2、阻截（截留）机制（η2）

（小颗粒）阻截机制对阻截小颗粒比较有效。细菌的质量小，紧随空气流的流线前进，当空气流线中所携带的颗粒和纤维接触时被捕集。截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微粒的直径，和气流速度关系不大。

η2=

NR=

NRe

=

dfuρ/μ

气流雷诺数

η2=NR=dp/df

，NRe

=

dfuρ/μVη2

10-2

3、布朗扩散机制碰撞:微小的颗粒之间，颗粒与空气分子之间。碰撞→布朗运动→与纤维介质相撞→被捕集。颗粒直径越小，气流速度越小，扩散捕集效率越高，反之则小。设颗粒位置移动为2X0，那么在2X0范围内都可以碰撞到纤维，用2X0代替阻截效率η2计算式中的dp。那么,2Xo怎么求？它是什么值的函数呢?η3=

DBM：微粒扩散系数

K：Boltzmann波尔曼常数1.41×10-24kg·m/kT：绝对温度DBM=CKT/3πμdp

C：修正系数=1+

3、布朗扩散机制平均自由程M：气体分子量；ρ：气体密度。

Vη3

还有其它一些机制，象布朗扩散和拦截的联合作用机制，重力沉降机制，但以上三种机制是最重要的。设计深层过滤器时，以η0最低为设计点。10-1

10-2

10-310-4

η0

η1

η2

η3

VcVη0=η1+η2+η3

二、深层过滤计算

概念：菌体穿透率

不同的培养过程，鉴于其所使用的菌种不同，生长能力、生长速度、培养周期、培养基组成等的不同，对空气灭菌的要求不同，但一般仍可按10-3的染菌机率，进行设计计算。Q0，N0

Q，N二、深层过滤计算

要解决的问题是：处理空气量为Q时，含菌个数No的空气要达到N=10-3，需要的介质层厚度L=？Q0，N0

Q，N

那么与L的关系怎样？有学者作了实验：测定与L之间的关系。

lnLSlope=Kln=-KL对数穿透定律：

L：滤床厚度、K：与纤维捕集效率有关的系数对数穿透定律的四点假设：1)

过滤器中过滤介质中，每一根纤维周围的空气流态并不因其它临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，不再被空气带走。3)

过滤器中的过滤效率与空气中的微粒的浓度无关。4)

空气中微粒在滤层中的减递均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。