空气的过滤除菌

第四章空气的除菌Q：为什么要进行空气的净化？

为保证纯种培养，必须经过严格处理，除去其中含有的微生物等悬浮颗粒。在发酵生产过程中，大多数是好气性微生物的培养，它们的生长繁殖和代谢都需要消耗氧气

第一节空气的净化一、通风发酵对无菌空气的要求空气中微生物的分布空气含菌量的测定

培养法粒子计数器用粒子计数器通过微粒对光线的散射作用来测量粒子的大小和含量。发酵对空气无菌程度的要求将自然界的空气经过压缩、冷却、减湿、过滤等过程，达到一定的质量指标。

无菌空气发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。空气中微生物的分布通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。因此，研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容。各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103-104个／m3进行计算。无菌空气的质量要求1.无菌空气的压强：0.2-0.4MPa（表压）2.相对湿度小于70%3.空气温度比培养温度高10-30度4.空气的洁净度，一般取10-3为指标洁净度级别尘埃最大允许数/平方米微生物最大允许数0.5um5um游离菌/m3沉降菌个/皿.30min100350005110000350,000200010031000003,500,00020,0005001030000010,500,00061,800NA15

第一节空气除菌的方法

1.辐射杀菌

高能阴极射线、X射线、γ、β射线、紫外线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫外线用的较多，它在波长253.7nm-265.0nm时杀菌最强，其杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。一般用于无菌室、手术室杀菌。但杀菌效率低，且杀菌时间较长，一般要结合甲醛熏蒸或苯酚喷雾等化学灭菌方法。2、静电除菌静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在85-99%之间，但由于它消耗能量小，每处1000m3的空气每小时只需电0.2-0.8kw。空气压头损失小，一般只在4-20mm水柱。静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的电荷，

没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降所以静电除菌对很小的微粒效率很低。静电除尘器1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板；5-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。用静电除菌净化空气有如下优点：(1)阻力小，约1.01325×104Pa；(2)染菌率低，平均低于10~15％；(3)除水、除油的效果好；(4)耗电少。缺点是设备庞大，需要采用高压电技术，且一次性投资较大；对发酵工业来说，—其捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。

3、加热杀菌

将空气加热到一定温度后保温一定时间,使微生物蛋白热失活而致死。热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌目的，这是十分不经济的。工业上是利用空气压缩时放出的热量进行杀菌。实用流程图如下。压缩机粗过滤器保温层贮气罐空气进口温度为21°C，出口温度为187~198°C，压力为0.7MPa。压缩后的空气用管道或贮气罐保温一定时间以增加空气的受热时间，促使有机体死亡。为防止空气在贮罐中走短路，最好在罐内加装导筒。这种灭菌方法已成功地运用于丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产上。一个用于石油发酵的无菌空气系统，采用涡轮式空压机，空气进机前利用压缩后的空气进行预热，以提高进气温度并相应提高排气温度，压缩后的空气用保温罐维持一定时间。4、过滤除菌（1）绝对过滤绝对过滤是介质之间的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。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，它是多年来受到国内外科学工作者注意和研究的问题。它采用很细小的纤维介质制成，介质空隙小于0.5um。（2）介质过滤介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等。●第三节空气过滤除菌原理介质深层过滤除菌绝对过滤除菌一、过滤介质1、棉花棉花纤维一般直径为16-21um，长度2-3cm。棉花随品种和种植条件的不同而有较大的差别，最好选用纤维细长疏松的新鲜的非脱脂棉花。储藏过久，纤维会发脆，断裂，堵塞而增大了压力降；脱脂纤维会因易吸湿而降低过滤效果。装填时要分层均匀铺，最后要压紧，装填密度达到150-200kg/m3为好。如果压不紧或装填不均匀，会造成空气走短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果。棉花作为过滤介质的缺点是阻力大，容易受潮，受潮后阻力大。2、玻璃纤维

作为散装填充过滤器的玻璃纤维，一般直径为8-19um不等，而纤维直径越小越好，但由于纤维越小，其强度越低，很容易断而造成堵塞，增大阻力。因此填充不宜过大，一般采用6-10%，它的阻力比一般棉花较小。玻璃纤维最大的缺点是更换玻璃纤维介质时将造成碎末飞扬，易使人过敏。3、活性炭活性炭有非常大的表面积，通过表面物理吸附而吸附微生物。一般采用直径3mm、长5-10mm的圆柱状活性炭。其粒子间隙很大，故对空气的阻力较小，仅为棉花的1/12，但它的过滤的效率比棉花要低得多。目前工厂都夹装在三层棉花中使用，以降低滤层阻力。活性炭的好坏决定于它的强度和表面积，表面积小，则吸附能力差，过滤效率低，强度不足，则很容易破碎，堵塞孔隙，增大气流阻力，它的用量约为整个过滤层的1/3-1/2。4、超细玻璃纤维以质量好的无碱玻璃，用喷吹法制成的直径很小的纤维。由于直径很小，不易散装填充，因而采用造纸的方法，做成0.25-0.3mm厚的纤维纸，使用时将3-6层叠在一起。由于丝径小，制得网格孔径也小，约为5um以下，比棉花填充后的孔径小10-15倍，因此除菌效率高。这种纸具有吸湿性，不疏水，当被水湿后，就失去除菌能力，且潮湿后强度很差，易被气流冲破。因此，一般须经疏水处理。常用的疏水剂有2-5%的2124酚醛树脂酒精溶液，采用沉降、涂抹或喷洒处理，可提高机械强度，但不防水。用硅酮（5%有机硅）处理，防潮性能好但不防油。5、绝对过滤介质这是一种能控制孔径的过滤介质，孔径在0.45um以下，小于一般菌体，对微生物及0.45um以上颗粒能完全过滤，所以成为绝对过滤介质。国外已有商品出售，国外也已试制成功并有少量生产。这种滤纸的材料有硝酸纤维脂类、聚四氟乙烯等。6.过滤纸类过滤介质过滤介质为超细玻璃纤维纸，为了增加强度，在纸浆中加入7%-50%的木浆。旋风式套管式7.新型过滤介质（1）烧结材料过滤介质有烧结金属（蒙乃尔合金、青铜等）、烧结陶瓷、烧结塑料等。烧结材料过滤介质是将金属、陶瓷、塑料的粉末加压成型后，然后再其熔点温度下粘结固定，于是在各种材料粉末的表面由于熔融粘结而保持了粒子的空间和间隙，形成了微孔通道，具备了微孔过滤作用。介质孔径大小决定于烧结粉末的大小，太小则温度、时间难以掌握，容易全部熔融而堵塞微孔。一般孔隙都在10-30μm。（2）皱褶过滤膜介质是以聚四氟乙烯（PTFE）材料为滤芯的子弹状的膜过滤器，其过滤层由聚四氟乙烯膜褶皱组成，体积小，阻力小，过滤面积大，过滤器易于拆装，膜易更换。除聚四氟乙烯外，常用的滤膜还有醋酸纤维酯类、聚偏四氟乙烯、聚砜物质、尼龙膜等。推荐使用膜孔径0.2μm，属于绝对过滤的范畴。在空气欲处理较好的情况下，能彻底过滤掉干燥或潮湿空气中的微生物，但不能除去噬菌体。这是一种新型的值得开发的空气除菌介质。7.新型过滤介质二、过滤除菌的机制

空气的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，由于空气中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5-2um之间，深层过滤所用的过滤介质如棉花的纤维直径一般为16-20um。填充系数为8%时，棉花纤维所形成网络的孔隙为20-50um，微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流出现无数次改变运动速度和方向，绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。1、惯性冲击滞留作用机理当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、黏附作用，被滞留在纤维表面，这叫做惯性冲击滞留作用。。2、阻拦滞留作用气流速度下降到临界速度以下时，微粒不再由于惯性碰撞而被滞留。但是微粒质量很小，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维周围形成了一层边界滞留区。滞留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒缓慢靠近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。3、布朗扩散作用直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动（布朗扩散）而与纤维接触且俯着于纤维表面而被捕集。4、重力沉降作用当微粒所受重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。对于小颗粒，这种机制只能在气流速度很低时才能起作用。在空气介质过滤除菌方面，此作用是可以不考虑的。5、静电吸附作用当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。当菌体所带电荷与介质所带电荷相反时，就产生静电吸附作用。但关于介质过滤除菌机制中静电吸附作用的捕集效率的定量数据还未见报道。

介质中过滤系统中由哪一种过滤机理起主导作用，由颗粒性质、介质的性质和气流速度等决定，只有静电吸附只受尘埃或微生物和介质所带电荷作用，不受外界因素影响。当气流速度小时，惯性碰撞作用不明显，以阻截、沉降和布朗运动为主。

此时，除菌效率随速度的增大而降低，当增大到某值时，除菌效率最低，也就是临界速度，惯性碰撞代替阻截、沉降和布朗运动，除菌效率随气流速度的增加而提高，以上现象还和微粒的大小相关，只有较大的颗粒（1um以上）。在0.5um以下，几乎无惯性碰撞现象。三、空气过滤除菌流程

空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制订的，同时要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定高的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。1、空气除菌流程的要求空气净化处理的根本目的是除菌，然而目前所使用的过滤介质必须在干燥状态下工作才能保证过滤效率，因此就必须除油、除水。空气净化流程的选择必须围绕着提高过滤除菌效率进行。空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120~160°C)，先冷却至适当温度(20~25°C)除去油和水，再加热至30~35°C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。2、提高过滤除菌效率的主要措施（1）减少进口空气的含菌量。①加强环境卫生管理②提高空气进口位置（高采风口）③加强压缩机前的预处理（2）设计和安装合理的空气过滤器。（3）降低进入总过滤器的空气相对湿度，保证过滤在干燥条件下工作。①采用无润滑油的空压机②加强空气的冷却、除油、除水③提高总过滤器的空气的温度，降低其相对湿度。

在上述工艺过程中，各种设备系围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。3、几种典型的空气过滤除菌流程（1）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程如图所示：这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种的气候条件，能充分的分离空气中含有的水分，使空气达到低的相对湿度下进入到过滤器，提高过滤效率。流程的特点是：两次冷却，两次分离，适当加热。两次冷却，两次分离油水的好处是，能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。

p67经第一次冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效果高的作用。经二次分离的空气带的雾沫就较少，两级冷却可以减少油膜污染对传热的影响。这种流程适合湿度较大的地区。（2）冷热空气直接混合式空气除菌流程

它的特点：可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空气温度。压缩空气从贮罐分成两部分流出，一部分进入冷却器，冷却到较低的温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。冷热空气直接混合式空气除菌流程四、深层过滤效率

深层介质过滤除菌不是面积过滤，而是无数层纤维将空气中的微生物等颗粒滞留在介质中。它仅仅是延长了空气中微粒的滞留时间，随着时间的延长，微粒穿过介质过滤层的几率不断增加，达不到100%的过滤效率。但是在一段时间内，能够将微生物等颗粒阻截在介质中，从而防止杂菌漏入发酵罐引起污染。因此没使用一段时间后，介质层中的微粒堆积到一定数