《发酵工程》第9章 空气除菌

第九章空气除菌学时：教学内容：31.了解空气中的微生物2.掌握空气的除菌方法3.了解介质过滤除菌4.了解空气的预处理

好气性微生物的培养占微生物产品的生产的绝大部分，所需氧气均来源于空气。除菌与除油和除水等处理过程，构成了一个空气处理系统。它是发酵工程中的一个重要环节。空气中不仅有各种各样的微生物，还含有大量的水份，油份以及灰尘颗粒等，这些物质如果进入到培养基中，势必对微生物发酵造成不利的影响过滤除菌是发酵工业中经济而实用的空气除菌方法，该方法采用定期灭菌的介质来阻截空气中的微生物获得无菌空气，常用介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机或无机烧结材料等。第一节空气中的微生物与除菌方法一.空气中的微生物二.发酵对空气无菌程度的要求三.空气的除菌方法一.空气中的微生物空气中微生物的含量和种类，随地区、海拔、季节、空气中尘埃多少以及人类活动情况而异。一般寒冷的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；雨后的空气比雨前的空气含菌量少；海拔愈高含菌量愈少；农村比工业城市空气含菌量少；地面又比高空含菌量多.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。二、发酵对空气无菌程度的要求•各种不同的发酵过程，对空气无菌程度的要求也不同。影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具体的工艺要求。•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。三.空气除菌方法空气的灭菌和除菌方法主要有以下几种：加热灭菌电除尘介质过滤除菌辐射灭菌1、原理•α射线、X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。（一）、辐射灭菌2、应用范围•通常用于无菌室和医院手术室。3、缺点•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。（二）、加热灭菌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。方法：蒸汽、电和空气压缩机产生的热量，后一种方法比较经济。空气进口温度为21°C，出口温度为187~198°C，压力为0．7MPa。（三）（静）电除尘1、原理•利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。2、优点•阻力小，约1.01325×104Pa•染菌率低，平均低于10-15％•除水、除油的效果好•耗电少3、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。

原理：当正极（钢管）附近的电场强度大于1kV／cm时，负极（导线）附近的电场强度更大，这时在负极周围可出现放电现象，称为电晕现象。结果使附近中性的空气分子电离为带正电荷和负电荷的空气离子，并分别向两极运动。

当带有一定动能的空气离子在向正负极运动过程中，遇到空气中的固体微粒（尘埃、微生物）及液体微粒（水雾、油雾），就会使它们也带上电荷而分别向两极移动。由于电离主要是在负极周围产生的，因此，负离子的移动距离比正离子长，且因负离子的运动速度要比正离子大1.37倍左右，使大多数微粒带有负电荷而向正极沉降，因此正极称为沉淀电极，负极称为电晕电极。沉降至正极上的微粒要定期清除，以防降低绝缘性能和除雾效果。（四）、介质过滤除菌高温灭菌的介质过滤层，空气中的微生物等颗粒被阻截在介质层。

加热灭菌可以杀灭难以滤除的噬菌体。但蒸汽或电加热的费用昂贵，无法处理大量空气。目前，发酵工业上的空气除菌几乎都是采用介质过滤除菌。

利用空气压缩热灭菌，由于是干热灭菌，必须维持一定时间的高温，使空气温度达到220℃左右，保温15s。但该方法需要消耗大量的能源。电除尘的除菌效率较低，一般只能作为初步除菌。第二节介质过滤除菌按过滤除菌机制不同而分为绝对过滤和深层介质过滤。孔隙小于0.5um的微孔滤膜，滤除细菌。过滤除菌绝对过滤深层（介质）过滤纤维状（玻璃纤维等）或颗粒状（活性炭）介质为过滤层，依靠静电、扩散、惯性和阻截等作用将细菌截留在滤层中。利用超细玻璃纤维、石棉板、烧结金属板、聚四氟乙烯等为介质。空气过滤器的功能

一个空气过滤器的功能是从气体中去除污染物（微生物）以使达到所需的气体的无菌程度一.绝对过滤

绝对过滤是利用介质孔隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。（也叫表面过滤）它是采用很细小的纤维介质制成，介质空隙小于0.5um，如纤维素微孔滤膜(孔径与0.5um、厚度0.15mm)，硅酸硼纤维微孔滤膜(孔径0.1um)，聚四氟乙烯微孔滤膜(孔径0.2或0.5um、孔率80％).绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便。我国研制成功的微孔滤膜，有混合纤维素脂微孔滤膜和醋酸纤维素微孔滤膜。醋酸纤维素膜热稳定性和化学稳定性比混合纤维素膜好。经过0.1MPa蒸汽灭菌30min处理孔径不变形。孔径为0.45um的微孔滤膜，对细菌的过滤效率达100％。

在空气过滤之前应将空气中的油、水除去，以提高微孔滤膜的过滤效率和使用寿命。1976年，Hecker介绍了一种孔径为0.2um的Fluoropore（TPFE）微孔滤膜，阻力小，疏水性好，不受水的影响而堵塞滤孔，耐125℃蒸汽灭菌。有蝶式、单管式和折叠式等多种，壳体为不锈钢，有四种不同规格，流量最小为3m3／min，最大为3,000m3／min，使用寿命8个月。二.介质过滤（深层介质过滤、深度介质过滤）

以棉花、玻璃纤维等纤维材料或活性炭作为介质填充成一定厚度的过滤层，或将玻璃纤维、聚四氟乙烯、金属烧结材料制成过滤层，其介质间的空隙大于被滤除的尘埃或微生物。当空气流过介质滤层时，借助惯性碰撞、阻截、静电吸附、扩散等作用，将尘埃和微生物截留在介质层内，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。1.介质过滤机理惯性碰撞作用阻截作用布朗扩散作用重力沉降作用静电吸附作用是以大孔隙的介质过滤层除去较小颗粒，这是一种滞留现象。这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有：（1）惯性碰撞作用

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，这叫做惯性碰撞作用。当气流达到一定速度时，它是介质过滤除尘的主要作用。（2）阻截作用

当气流速度低于临界速度时，在纤维周边形成一层边界滞留区，滞留区内的气流速度更慢，颗粒不是因惯性碰撞而被滞留，而是由于摩擦、粘附作用而被滞留，这种作用称为阻截作用。在介质过滤除菌中，阻截作用不是主要的。（3）布朗扩散作用

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，凝聚现象为惯性碰撞所取代。（4）重力沉降作用

当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒即沉降，称为重力沉降作用。对于小颗粒，只有当流速很低时才起作用。这一作用对过滤除菌的影响很小。（5）静电吸附作用许多微生物和孢子都带有电荷。有人测定，枯草杆菌芽孢有70％带1~60负电单位，15％带5~14正电单位，其余为中性。在介质过滤系统中，哪一种过滤机制起主导作用，由颗粒性质、介质性质和气流速度所决定，只有静电吸引受尘埃或微生物和介质所带电荷作用，不受其他外界因素影响。当气流速度小时，惯性碰撞作用不明显，以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，此速度称为临界速度。当气流速度继续增加，惯性碰撞代替沉降和布朗运动，除菌效率随着气流速度增加而提高。

当具有一定速度的气流通过介质时，由于摩擦作用而产生诱导电荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更显著。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。2.介质过滤效率

介质过滤效率是指被介质层捕集的尘埃颗粒数与空气中原有颗粒数之比，即：N1、N2为过滤前、后空气中的尘埃颗粒数为过滤效率，(％)P为穿透率，即过滤后空气中残留颗粒数与原有颗粒数之比当进口空气颗粒数不同，而过滤后空气中残留颗粒数相同时，这一公式就不适用。☆研究过滤器的过滤规律时，先排除一些复杂的因素，假定：–过滤器中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后即被吸附，不再被气流带走；–过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；–空气中的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。对数穿透定律介质过滤不可能长期达到100％的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长空气中带菌微粒在过滤器中滞留的时间。当气流速度达到一定值时，或过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过，所以过滤器必须定期灭菌！！3.影响介质过滤效率的因素介质过滤效率与介质纤维的直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。对于相同的介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流速有一关。（1）介质填充厚度与过滤效率的关系在装填密度不变时（180~185kg／m3），随填充物厚度增加，过滤效率提高。（2）介质填充密度与过滤效率的关系增加填充物密度，可提高过滤效率。（3）空气流速与过滤效率的关系在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低，当气流速度增加至临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高。但当空气速度超过一定限度后，过滤效率又降低。空气流过滤层所产生的压力降，直接影响操作费和通气发酵效率。因此，在选择过滤介质时，要考虑到过滤效率高，又要使压力降小。三.空气过滤器的结构1.纤维状或颗粒介质过滤器过滤器内有上、下孔板，过滤介质置于两孔板之间，被孔板压紧。介质主要为棉花、玻璃纤维、活性炭，也有用矿渣棉。一般棉花（玻璃纤维）置于上、下层，活性炭在中间，也可全部用纤维状介质。介质放置时应注意均匀，贴壁、平整，有一定填充密度，以防止空气走短路或介质被空气吹翻。棉花：需用非脱脂棉，有弹性，纤维长度适中，约2~3cm，纤维直径为16~20um，实重度1520kg／m3，填充密度130~150kg／m3，填充率为8.5％~10％，也可先将棉花制成直径比过滤器内径稍大的棉垫后，放入器内。玻璃纤维：应用无碱玻璃纤维，纤维直径5~19um，实重度2600kg／m3，填充密度130~280kg／m3，填充率5％~11％；纤维直径小，不易折断，过滤效果好，但空气阻力大，常用直径为10um，填充率为8％。活性炭：常用小圆柱体的颗粒活性炭，大小为3×10~15mm，实重度为1140kg／m3，填充密度为470~530kg／m3，填充率为44％。要求活性炭质地坚硬，不易被压碎，颗粒均匀，装填前应将粉末和细粒筛去。活性炭的过滤效率低。此过滤器对介质的要求：通过过滤器的气流速度一般为0.2~0.5m／s，压力降0.01~0.05MPa。空气从过滤器下部切线进入，由上部流出。这种过滤器的滤层纤维空隙大于50um，远大于细菌，它的过滤除菌不是靠面积过滤，而是靠惯性碰撞、拦截、布朗运动、静电吸引等作用，对0.3um以下颗粒的过滤效率仅99％，难以满足发酵工业的无菌要求，需要再次过滤。缺点：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。2.过滤纸类过滤器过滤介质为超细玻璃纤维纸，分为旋风式和套筒式两种。过滤层很薄，一般用3~6张滤纸叠在一起使用，它属于深层过滤技术。纤维间的孔隙约为l~1.5um，厚度约为0.25~0.4mm，实重度为2600kg／m3，虚重度为384kg／m3，填充率为14.8％，除菌效率相当高，对大于0.3um颗粒的去除率为99.99％以上，阻力小，压力降小；但强度不大，特别是受潮后强度更差。为了增加强度，常用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂或含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理。也可在制造滤纸时，在纸浆中加入7％~50％木浆，以增加强度。安装时，将滤纸夹在多孔法兰花板中间，花板上开Φ8mm的小孔，开孔面积占板面积40％，在滤纸上、下分别铺上钢丝网和细麻布，外面各有一个橡胶垫圈。3.其他过滤器近年来，由于采用了大批新材料，出现了玻璃纤维、聚四氟乙烯、玻璃、陶瓷或金属粉末烧结材料制成的管式过滤器。（1）Bio-x过滤器英国DH公司用直径为0.5um玻璃纤维制成1mm厚的滤材，卷成3圈，以粗而坚韧的玻璃纤维无纺布做内外衬，再在内、外以不锈钢网固定，做成滤筒状。它能滤除0.01um颗粒(噬菌体为0.02um)，以油雾法(油雾直径为l.3~0.01um，平均0.3um)测定，过滤效率为99.9999％。填充率仅6％，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，易损或受潮失效。（2）高流量过滤器是DH公司开发的聚四氟乙烯(PTFE)材料为滤芯的高流量过滤器(如图)。其过滤机理和过滤效率均同BIO-x过滤器，但所用PTFE是一种坚韧的材料，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，进一步缩小了体积。（3）聚乙烯醇(PVA)过滤器

PVA过滤器是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(见图)两种，介质孔隙为10~20um，过滤效率可达99.9999％，压力降为0.015MPa。4.24.3(5)四.空气预处理流程过滤介质必须在干燥条件下工作，才能保证除菌效率，因此空气需要预处理以除去油、水和较大的颗粒。空气预处理流