空气除菌与空气调节设备

第三章空气除菌与空气调节设备

好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的氧气，这些氧气通常由空气提供。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。第一节空气除菌的原理与方法

一.生物工业对空气质量的要求1.空气中微生物的分布地域（南方与北方、城市与乡村）季节第一页，共四十六页。空气中杂菌含量及分布空气中含杂菌一般在103~104（个）/m3。杂菌含量多少与地域、季节有关，南方多，北方少；低空多，高空少；城市多，农村少；夏季多，冬季少。为了获得含杂菌少的空气，工厂多采用采风塔（高20多米）采风。无菌空气要求工厂对空气除菌，要求达到一定程度，通常设计指标，通风1000罐次，只感染1个杂菌。第二页，共四十六页。2.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）0.2-0.35MPa；（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稍高（5）压缩空气的洁净度，取失败率为10－3。3.空气含菌量的测定（1）光学法－粒子计数器（0.3～0.5μm)微粒的各种浓度,测得结果是空气中的灰尘和微生物，不准确（2）培养法－－微生物培养（准确培养的活微生物）第三页，共四十六页。二.空气净化除菌方法

（一）空气除菌方法1辐射杀菌

α－射线、χ－射线、β－射线、γ－射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质等生物活性物质，从而起到杀菌的作用。辐射灭菌目前仅用于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌，对于大规模空气的灭菌还无法应用。2热杀菌空气进入发酵罐之前，一般匀需用压缩机压缩，提高压力。利用空气压缩时放出的热量进行保温灭菌。见流程第四页，共四十六页。第五页，共四十六页。3.静电除菌

利用静电引力吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物，大多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电微粒，但对于一些直径小的微粒，所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒布朗扩散运动的动量时，微粒不能被吸附而沉降，因此静电除尘对很小的微粒效率较低。4.介质过滤除菌第六页，共四十六页。三.介质过滤除菌机理

依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力和静电引力等作用，从而把微生物截留、捕集在纤维表面上，实现过滤目的。下面图为过滤除菌时各种除菌机理的示意图。第七页，共四十六页。1.惯性撞击截留作用

当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，空气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，层层叠叠，迫使空气流不断改变运动方向和速度。由于微生物颗粒的惯性大于空气，因而当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒未能及时改变它的运动方向，而撞击并被截留于纤维的表面。第八页，共四十六页。2.拦截截留作用

当微粒直径小、质量轻，它随气流运动慢慢靠近纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周围形成一层边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。拦截截留的截留效率与气流的雷诺准数和微粒同纤维的直径比有关。

3.布朗扩散截留作用

布朗扩散的运动距离短，在较大的气速、较大的纤维间隙中不起作用，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用增加了微粒与纤维的接触滞留机会。第九页，共四十六页。第十页，共四十六页。4重力沉降5静电吸引力惯性截留、拦截和布朗扩散的除菌作用较大，重力和静电引力的作用较小。

第十一页，共四十六页。第十二页，共四十六页。第十三页，共四十六页。气速与除菌效率的关系：当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能截流起主要作用；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；如果气速过大η又会下降，可能是已扑集的微粒又被卷起的原因。第十四页，共四十六页。第二节空气介质过滤除菌设备及计算一.介质过滤除菌流程

（一）空气除菌流程的确定：1.根据发酵生产对无菌空气的要求（无菌程度、风温、风湿及风压）2.采气环境的空气条件、空气性质3.所用除菌设备的特性第十五页，共四十六页。（二）空气除菌流程

1.两级冷却、加热除菌流程

是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候，尤其适用于潮湿地区。它能充分地分离油水，使空气达到相对湿度较低下进入过滤器，提高过滤效果.第十六页，共四十六页。典型空气除菌流程

1.采风塔2.粗滤器3.空压机4.贮气罐5.一级冷却6.一级油水7.二级冷却分离器8.二级油水分离器9.加热器10.总过滤器

34567891021第十七页，共四十六页。2.冷热空气直接混合式空气除菌流程特点：省去第二级冷却器后的分离设备和空气加热设备，流程较简单，冷却水用量少。适用于中等湿含量地区，不适合于空气湿含量高的地区。

第十八页，共四十六页。3.高效前置过滤空气除菌流程特点：采用高效率的前置过滤设备，减轻主过滤器的负担。第十九页，共四十六页。4将空气冷却至露点以上的流程将空气冷却至露点以上，使进入过滤器的空气相对湿度60－70％以下。适用于北方和内陆气候干燥地区。第二十页，共四十六页。5.利用热空气加热冷空气的流程利用压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。特点：对热能的利用合理，但加热面积要足够大才能满足要求。第二十一页，共四十六页。6.一次冷却和析水的空气过滤流程

将压缩空气冷却至露点以下，析出部分水分，升温使相对湿度为60％，再进入空气过滤器，采用一次冷却一次析水。

第二十二页，共四十六页。二.空气介质过滤设备及设计计算只讨论选择设备时的一些原则和计算方法。原因是完成同一任务的设备类型很多。（一）粗过滤器1.安装位置2.常用型式：布袋过滤器、填料式过滤器、油浴洗涤和水雾除尘等（二）空压机：1.作用：提供0.2~0.3MPa的压力，大量的低压理想空气2.形式：涡轮式：出口压力0.25~0.5MPa，出口风量较稳定；

往复式：出口压力不稳定。多缸稳定。须用润滑油，空气中带油污粒子，须改善油污污染问题。第二十三页，共四十六页。（三）空气储罐：1.作用：消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳定空压。2.安装位置：紧安在空压机之后3.有关计算：V容＝0.1~0.2Vc.Vc—空压机排气量（四）气液分离器：1.作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去。2.种类：旋风式、填料式（利用填料拦截－丝网分离器，填料种类很多－活性炭、焦炭、瓷环、金属网、塑料网等）（五）空气冷却器：

1.作用2.种类：列管式、沉浸式、喷淋式

第二十四页，共四十六页。（六）空气过滤器（设计适用的过滤器）

1.空气除菌效率（衡量过滤设备的过滤效能的指标）：滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值。

N1—_过滤前空气的微粒数；N2—过滤后空气的微粒数2.穿透率影响过滤效率的因素很多：微粒的大小、过滤介质的种类和规格、介质的填充密度、过滤介质厚度及所通过的空气气流速度有关。第二十五页，共四十六页。3.空气过滤除菌的对数穿透定律（过滤规律）

研究空气过滤器的过滤规律时为了简化做了四个假定条件下：（1）流经过滤介质的每一纤维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，不再被气流卷起带走；（3）过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；（4）空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维层除去同样百分率的微粒数。在这些假定条件前提下发现，空气通过单位滤层后，微粒下降的浓度与进入空气的微粒浓度成正比。即对数穿透定律第二十六页，共四十六页。

对数穿透定律：空气通过滤层，其微粒数随着滤层的厚度逐渐降低，即：N－滤层中空气的微粒浓度，个/m3.L–过滤介质的厚度，m。dN/dL-----单位滤层除去的微粒数，个/m3.K---过滤常数L过滤介质N1N2第二十七页，共四十六页。

对数穿透定律公式揭示了深层介质过滤除菌时进入滤层的空气微粒浓度与穿过滤层的微粒浓度之比的对数是滤层厚度的函数。

常数K值与多个因素有关，如纤维种类、纤维直径、填充密度、空气流速、空气中微粒的直径等，通常可选择特定的条件通过实验方法求得。课本381页表3－1－2，3－1－3等第二十八页，共四十六页。K—过滤常数（m-1）与过滤介质种类、纤维直径、风速、填充密度（填充系数）有关。当以上条件一定时，K为常数。积分后：K值通过实验求出：

第二十九页，共四十六页。对df=16μm的棉花纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K′空气流速υ0(m/s)0.050.100.51.02.03.0

K′(1/m)19.313.510.019.5132232对df=14μm的玻璃纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K′空气流速υs（m/s）0.030.150.30.921.523.15K′

(1/m)56.725.219.329.4150605第三十页，共四十六页。K值由计算求出：第三十一页，共四十六页。4）深层过滤阻力（压力降）计算L-过滤层厚度（m)ρ–空气密度（kg/m3)α–介质填充系数υo–空气在介质空隙中的流速（m/s)υo=υs/(1－α)υs-空罐截面气速（m/s)df–介质纤维直径（m）第三十二页，共四十六页。m–实验指数，棉花m=1.45；19μm玻璃纤维,m=1.358μm玻璃纤维,m=1.55C–阻力系数，棉花C=100/Re;玻璃纤维C=52/Re5)深层过滤器直径计算Q-通风量（m3/s)(注意：总过滤器一般用2~4个并联，Q是单个的通风量）。

第三十三页，共四十六页。6）深层过滤器的安装结构孔板金属丝网麻布棉花活性碳第三十四页，共四十六页。

例题:设计一台通风量为10m3/min的棉花过滤器，空气压强为392KPa(绝对压力），通入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，发酵周期100小时，要求发酵1000罐漏入一个杂菌，工作温度30℃。解:选用16μm棉花作过滤介质，填充系数为8%，空气流速υo=0.1m/s。由表查的过滤常数K=13.5m-1。第三十五页，共四十六页。过滤器直计算(D)：下标1为空气压缩前的空气状态，下标2为压缩进入过滤器的空气状态。第三十六页，共四十六页。压力损失(▽P)计算：υo=υs/(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s）进入过滤器密度：空气黏度查得：μ=18.6×10-6Pa·S第三十七页，共四十六页。第三十八页，共四十六页。引起染菌的主要途径：（1）缺少正规的操作流程方案；（2）使用湿的灭菌过滤器；（3）冷却盘上的销孔的污染；（4）设计不合理的空气排放系统；（5）不恰当地加入染菌的油和消泡剂；（6）阀门的泄漏；密封设施不严密。

第三十九页，共四十六页。提高过滤除菌效率的措施减少进口空气的菌数：加强生产场地的卫生管理，选择压缩空气站为上风口，提高采风位置，加强空气预处理。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。设计合理的空气预处理设备，达到除油、水和杂质的目的。降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质在干燥的状态下工作。使用无油压缩机加强冷却和去油、水，提高空气温度，以降低相对湿度。第四十页，共四十六页。（七）过滤介质棉花棉花都用作深层过滤，一般选纤维细长、疏松的新鲜棉花。棉花纤维直径一般在16~21μm，填充密度130~150kg/m3（也称表观密度、虚密度）。棉花的真实密度1520kg/m3，虚密度与真实密度比值称填充系数。填充系数在8%左右。第四十一页，共四十六页。玻璃纤维纤维直径在3~20μm，常用的20μm左右，填充系数8%。超细玻璃纤维纤维直径在1~1.5μm，用作纸的方法，做成0.25~1mm厚的纤维纸，孔隙网格直径0.3~5μm，0.3μm能达到据对过滤除菌。在实验室常用超细玻璃纤维纸作空气过滤除菌介质。石棉滤板（3~5mm）常用作分过滤器。烧结材料烧结材料种类很多，有烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料。第四十二页，共四十六页。3.1.3过滤除菌机理1）单纤维机理惯性冲击（碰撞）惯性冲击捕集效率惯性准准数当此时的气流速度

第四十三页，共四十六页。复习题1.名词解释：（1）空气过滤除菌效率（