第五章灭菌与除菌

第五章灭菌与除菌第一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果：生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难杂菌会降解目的产物；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。培养基灭菌的目的第三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五灭菌方法化学物质灭菌辐射灭菌干热灭菌臭氧灭菌湿热灭菌过滤除菌第一节灭菌和除菌的基本原理、方法灭菌（sterilization）：采用化学或物理因素杀灭或除掉物料及设备中一切微生物的技术或工艺过程，称为灭菌。第四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1、化学试剂灭菌法化学试剂：甲醛、乙醇或新洁尔灭、高锰酸钾等适用范围：环境空气、皮肤及器械的表面消毒2、射线灭菌法电磁波、紫外线或放射性物质适用范围：无菌室、接种箱第五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五3、干热灭菌法工业上采用灭菌条件为在160℃下保温1-2h适用范围：金属或玻璃器皿4、湿热灭菌法利用饱和蒸汽进行灭菌、条件为：121℃，30’

适用范围：广泛应用于生产设备及培养基的灭菌例：高压灭菌锅第六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五5、过滤除菌法利用过滤方法阻留微生物适用范围：热敏物质、制备无菌空气等第七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五

项目

方法本质优点缺点化学物质灭菌化学反应简单不适合培养基灭菌辐射灭菌紫外线与菌体核酸的光化学反应；其它射线使水分子产生自由基，强氧化性紫外线应用广泛Ｘ-射线不经济，不安全干热灭菌加速与温度有关的胞内反应湿热灭菌蒸汽释出潜热使蛋白不可逆变性经济快速适用范围广臭氧灭菌氧化作用安全高效过滤灭菌过滤除去微生物可用于热敏物质第八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五一、热灭菌的原理高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等。湿热灭菌要比干热灭菌更有效，①蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。②蒸气放出大量潜热，加速提高温度。③湿热的穿透力比干热大

热灭菌方法：（1）常压法（2）加压法第九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五实验室培养基灭菌方法1、高压蒸汽灭菌锅、手提式灭菌锅。容量小。2、立式或卧式灭菌锅。容量较大，一般能装几十瓶或几百瓶。3、灭菌柜。要和蒸汽锅炉配套，用于大量种瓶培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶。

第十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五杀死微生物的极限温度称为致死温度(lethaltemperature)。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间；在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。

湿热灭菌中的相关定义第十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五微生物相对热阻营养细胞和酵母1.0细菌芽孢3×106霉菌孢子2~10病毒和噬菌体1~5微生物的热阻：是指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。相对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。问题：芽孢或孢子的热阻要比营养细胞的热阻大的原因？吡啶二羧酸(dipicolicacid)第十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1.对数残留定律

实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即：t：灭菌时间sk：比死亡速率s-1，dNt/dt代表菌的瞬时变化速率)N0：开始灭菌时原有菌体数Nt：残留菌体数，个/ml二、灭菌动力学第十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五10t(min)N/N0大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线10-110-210-310-42468106058565410t(min)N/N0嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢在不同温度下的死亡曲线10-110-210-310-4510152025121116110108105实验证明，细菌孢子的热杀灭动力学与营养细胞的有所不同。它表现为非对数的死亡动力学。这可能与孢子壁的化学成分及结构有关。但当温度超过120˚C时，热阻极强的嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡动力学即符合一级反应规律。2.非对数死亡规律第十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五培养基灭菌需解决的工程问题

将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数N(10-3)，需要多高的温度、多长的时间为合理。灭菌温度和时间的确定取决于：杂菌的热灭死动力学反应器的形式和操作方式培养基中有效成分受热破坏的可接受范围第十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五在一定温度下，比死亡速率k随微生物种类不同而不同。

营养细胞VS芽孢(spore,endospore

)同一种微生物来说，比死亡速率k值随着温度的变化而变化。营养细胞的热死表现出典型的对数死亡速率三、灭菌的温度和时间第十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五同一种微生物来说，比死亡速率k值随着温度的变化而变化。阿仑尼乌斯定律A：系数∆E：活化能从（4）可以看出：活化能ΔE的大小对k值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，k越低，热死速率越慢。不同菌的热死灭反应ΔE可能各不相同。Arrheniuslaw第十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五（5）1/Tk（min-1）对（4）两边取对数，得（5）第十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五大部分培养基的破坏可认为是一级反应培养基成分的破坏第二十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五培养基温度微生物死亡比速第二十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五培养基成分的破坏两式相除微生物死亡比速第二十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和维生素B1的lnk-1/T图将灭菌温度从105˚C提高到127˚CKVB从0.02(min-1)提高到0.06(min-1)KBS从0.12(min-1)提高到40.0(min-1)将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少。第二十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为N/N0=10-16时，灭菌温度对维生素B1破坏的影响灭菌温度（˚C）达到灭菌程度的时间（min）维生素B1的损失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.0151第二十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五培养基灭菌的要求达到要求的无菌程度（10-3）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程中，培养基组分的破坏，是由两个基本类型的反应引起的：培养基中不同营养成分间的相互作用；对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解。第二节培养基和发酵设备的灭菌第二十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五

概念：将配制好的培养基输入发酵罐内，用直接蒸汽加热，达到灭菌要求的温度和压力后维持一定时间，再冷却至发酵要求的温度，这一工艺过程称分批灭菌（实罐灭菌）。优点：设备要求低，操作简便缺点：营养成份有损失罐利用率低不能采用高温快速灭菌工艺一、分批灭菌(batchsterilization)第二十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌。全过程包括升温、保温、降温三个过程第二十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1)升温阶段前期：G、培养基质量；c、比热容；Ts、蒸汽温度；h、传热系数；F、换热面积其中：夹套的传热系数230-350W/m2℃蛇管的传热系数350-520W/m2℃整理后温度和时间的关系为：第二十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1)升温阶段后期：升温阶段，随着温度升高，比死亡速率常数不断增大，100℃后更为明显，故不能用一级反应动力学计算。若升温结束时菌数为N1，则：第二十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五死亡比速为常数2)保温阶段死亡比速不是常数3)冷却阶段第三十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五孢子热死亡的规律符合积分，得

在分批灭菌过程中第三十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五升温、冷却阶段T是时间t的函数，K不是常数，所以：

式中Kh是保温阶段的孢子比热死亡速度常数第三十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五总灭菌时间：各阶段的灭菌贡献大致为：20:75:5第三十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1)升温阶段加热蒸汽用量l和Cs分别为蒸汽的热焓和比热容2）保温阶段F：蒸汽排出口的面积；P：蒸汽压力；V、蒸汽的比体积t:蒸汽排出的时间

19.1vPFtS=第三十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五注意事项：a)经一段预热时间预热至90℃，使物料受热均匀，减少冷凝水量b)达到灭菌温度（120℃）时，开始计算维持时间（保温时间）。生产上采用30minc)采用快速冷却方式，减少营养成份的损失d)灭菌结束时，立即向罐内通入无菌空气，以维持罐压，再开启冷却系统进行冷却。第三十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五三路进汽：直接蒸汽从通风、取样和出料口进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并维持一定的时间。这就是所谓的“三路进气”。

四路出汽：直接蒸汽从排气、接种、进料和消沫剂管排气分批灭菌设备示意图第三十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五连续灭菌(continuoussterilization)概念：培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌，冷却后送入一灭菌的发酵罐内的工艺过程称为连续灭菌优点：可采用高温快速灭菌工艺发酵罐非生产占用时间缩短，容积利用率提高热能利用率合理，适于自动化控制

缺点：不适合高粘度的培养基的灭菌染菌可能性增高第三十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五ＡＢＣＤＥ清洗系统灭菌后的培养基由热交换器组成的连续灭菌系统第三十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五薄板换热器连续灭菌流程进料35℃100℃120℃维持120℃蒸汽147℃120℃55℃出料35℃水20℃31℃流程中采用了薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，蒸汽在薄板换热器的加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一定时间后，培养基在薄板换热器的冷却段进行冷却，从而使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。该流程的加热和冷却时间比喷射加热连续灭菌流程要长些，但由于在培养基的预热过程同时也起到了灭菌后培养基的冷却，因而节约了蒸汽和冷却水的用量。连续灭菌的流程1第三十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五由热交换器组成的连续灭菌系统的特点螺旋板式流道宽，流速快，适合于粘度较大的培养基的灭菌；板式适于粘度较小的培养基的灭菌含淀粉的培养基，须经酸解或酶解降低粘度后，才能进行连续灭菌粘度过大的培养基需增加灭菌时间连续灭菌Ⅰ第四十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五蒸汽直接加热培养基的连续灭菌系统

系统：直接用蒸汽加热培养基至灭菌温度缺点：随蒸汽冷凝培养基被稀释，引起培养基粘度变化，使灭菌的温度和压力不易控制连续灭菌第四十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五喷射加热连续灭菌流程灭菌介质原料介质蒸汽T=140度保温段真空流程中采用了蒸汽喷射器，它使培养液与高温蒸汽直接接触，从而在短时间内可将培养液急速升温至预定的灭菌温度然后在该温度下维持一段时间灭菌，灭菌后的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却，从图中可以看出，由于该流程中培养基受热时间短，营养物质的损失也就不很严重连续灭菌的流程2第四十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五喷射加热器第四十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五发酵罐蒸汽蒸汽冷却水无菌培养基配料罐泵连消塔维持罐冷却管包括（1）配料预热罐，将配制好的料液预热到60-70℃，以避免连续灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击；（2）连消塔，连消塔的作用主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混和，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126-132℃

）；（3）维持罐，连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的，维持罐的作用是使料液在灭菌温度下保持5-7min，以达到灭菌的目的；（4）冷却管，从维持罐出来的料液要经过冷却排管进行冷却，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到40-50℃后，输送到预先已经灭菌过的罐内。Ⅲ.连消系统第四十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五连续灭菌设备的结构（1）设备结构：套管式连消塔第四十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五喷嘴式连消塔第四十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五维持罐第四十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五冷却设备常用喷淋冷却器、套管冷却器和板式热交换器。另外，管式热交换器和螺旋板式热交换器也有使用。第四十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第五十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第五十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第五十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第五十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五调浆缸连消泵连消塔维持罐喷淋冷却器冷却水蒸汽放汽灭菌好的培养基连消灭菌系统第五十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五连续灭菌与分批灭菌的比较与选择分批灭菌优点：1．不需附加设备2．

蒸汽利用率高3．

节约劳动力

缺点1．灭菌后培养基质量比较差2．

罐的利用率低3.冷却水用量大连续灭菌优点：1采用高温快速灭菌法2．有利于自动控制3．节省冷却水4.物料分开灭菌缺点1．

投资费用高2．

对物料要求高3．

蒸汽用量大第五十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五发酵设备灭菌发酵罐灭菌

实罐灭菌（实消），与培养基一起灭菌连续灭菌时，发酵罐需在培养基灭菌前进行空罐灭菌（空消）附属设备灭菌分空气过滤器补料系统消泡剂系统第五十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五发酵罐空消之后不能立即冷却，先用无菌空气保压，待灭菌的培养基输入罐内后，才可以开冷却系统进行冷却。分空气过滤器在发酵罐灭菌之前进行灭菌，灭菌后用空气吹干备用。补料罐的灭菌温度视物料性质而定，如糖水，灭菌时蒸汽压力为0.1MPa(120℃)，保温30分钟。油罐(消泡剂罐)灭菌时，其蒸汽压力为0.15-0.18MPa，保温60分钟。补料管路、消泡剂管路可与补料罐、油罐同时举行灭菌，保温时间为1小时。移种管路灭菌一般要求蒸汽压力为0.3～0.45MPa，保温1小时。发酵设备的灭菌第五十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五补料液的灭菌在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不同的料液。这些料液都必需经过灭菌。灭菌的方法则视料液的性质、体积和补料速率而定。如果补料量较大，而具有连续性时，则采用连续灭菌较为合适。也有利用过滤法对另补料液进行除菌。补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。所有的附属设备和管道都要经过灭菌。第五十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第三节空气灭菌发酵工业应用的“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”。无菌空气(Asepticair)的概念第五十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气中微生物的分布空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较少，离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／米3。空气的灭菌要求和方法第六十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母，霉菌和病毒。微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。灰尘粒子的平均大小约0.6μm左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1μm）第六十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气除菌的方法和要求工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同而异。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；密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，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。第六十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五发酵用空气质量标准连续提供一定量的压缩空气。VVM来表述：单位时间(min)、单位体积(m3)培养基中通入标准状况下空气的体积(m3)空气的压强，一般为0.2-0.4Mpa进入过滤器之前，空气的相对湿度≤60%第六十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五一、空气除菌的方法和杀菌机理（一）辐射杀菌种类：超声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线等原理：破坏核酸、蛋白质活性而起杀菌作用。第六十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五目前应用较广泛的还是紫外线。紫外线波长为253.7-265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。应用：常用于无菌室和医院手术室等空气对流不大的环境下消毒。缺点：效率低，需要时间长，一般要结合其他方法（甲醛熏蒸等）。

第六十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五（二）热灭菌法热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。空气温度与微生物热死灭的时间

温度200℃250℃300℃350℃时间15.1s5.1s2.1s1.05s第六十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五直接加热：消耗大量能源，增设许多换热设备，不经济。空气压缩产热：空气在进入培养系统之前，一般需用空压机以提高压力，所以空气热灭菌时所需温度的提高，可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。第六十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气热灭菌流程示意图1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机8-预热器9-粗过滤器10-空气吸入塔1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机10-空气吸入塔9-粗过滤器8-预热器第六十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五（三）静电除菌原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。气体进入高压直流电场时会被电离。静电除尘器装置图电离区捕集区第六十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五优点：除尘效果好，耗能小（每处理1000m3空气每小时只耗电0.2-0.8kW），设备较小。缺点：对设备维护和安全技术措施要求较高（微粒积累到一定厚度时，极板间放电，极板电压下降，微粒吸附力减弱）。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很少，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运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。第七十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五（四）过滤除菌过滤除菌——使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。常用的过滤介质——棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤板、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。第七十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五常用的过滤介质按孔隙大小可以分为两类：介质孔隙大于微生物——需有一定厚度的介质滤层才能除菌，也称相对过滤。介质孔隙小于微生物——微生物直接被截留，也称绝对过滤。第七十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五

空气中常见杂菌的大小菌种细胞孢子宽，μm长，μm宽，μm长，μm金黄色小球菌0.5~1.0———产气杆菌1.0~1.51.0~2.5——蜡样芽孢杆菌1.3~2.08.1~25.8——普通变形杆菌0.5~1.01.0~3.0——地衣芽孢杆菌0.5~0.71.8~3.3——枯草芽孢杆菌0.5~1.11.6~4.80.5~1.00.9~1.8巨大芽孢杆菌0.9~2.12.0~10.00.6~1.20.9~1.7霉状分枝杆菌0.6~1.61.6~13.60.8~1.20.8~1.8第七十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五放大后的棉花（左）和尼龙纤维（右）活性炭空气过滤介质第七十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五玻璃纤维土工格栅无碱玻璃纤维短切纱第七十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五烧结金属多孔材料第七十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五常用的空气过滤器1、棉花活性炭、玻璃纤维过滤器立式圆筒形，内部充填过滤介质，空气由下向上通过过滤介质，以达到除菌的目的。第七十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五过滤器的结构孔板—金属丝网—麻布织品—棉花—麻布织品—活性炭—麻布织品—棉花—麻布织品—金属丝网—孔板1）总高度中，上下棉花层厚度为总过滤层的1/4--1/3；中间活性炭层为1/3-1/2。2）在铺棉花层之前先在下孔板铺上—层30--40目的金属丝网和织物(如麻布等)，使空气均匀进入棉花滤层。

第七十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1）在充填介质区间的过滤器圆筒外部装有夹套，夹套的作用是在消毒时对过滤介质加热，但要小心控制，温度过高，则容易使棉花焦化而局部丧失过滤效能，甚至有烧焦着火的危险。2）空气一般从下部圆筒切线方向通入，从上部圆筒排出。3）过滤器上方应装有安全阀、压力表，罐底装有排污孔，以便经常检查空气冷却是否完全，过滤介质是否潮湿等情况。第七十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第八十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五

是适应充填薄层的过滤板或过滤纸，结构如图4-11。由罐身、顶盖、滤层、夹板和缓冲层构成。2.平板式纤维纸分过滤器第八十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五工作原理：空气从筒身中部切线方向进入，空气中的水雾油雾沉于筒底，由排污管排出，空气经缓冲层通过下孔板经薄层介质过滤后，从上孔板进入顶盖排气孔排出。第八十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1）平板式过滤器过滤面积局限于圆筒的截面积，当过滤面积要求较大时，则设备直径很大。2）将过滤介质卷装在孔管上，如图4-12，总的过滤面积比平板式大很多。但卷装滤纸时要防止空气从纸缝走短路。过滤器的安装和检查比较困难。3.管式过滤器第八十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五金属烧结管过滤器金属烧结管过滤器金属烧结过滤芯是完全用金属粉末通过高温烧结而成。其孔隙大小可精确地调控，根据应用需要，金属粉末即可制成孔隙小到0.5μm，也能得到微孔达到200μm的过滤芯。

使用寿命长、耐高热、气体阻力小、安装维修方便。第八十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五4.微孔膜过滤器是由耐高温、疏水的、厚度为150微米的聚四氟乙烯膜构成。孔径0.1-0.45微米体积小，处理量大，压降小，除菌效率高。第八十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第八十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五直接拦截绝对截留-颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中颗粒大于孔径(一）绝对过滤除菌机理第八十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五（二）相对过滤除菌机理原理：也称深层过滤，是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，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降及静电引力等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤。第八十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五除菌机理分类：——惯性冲击滞留作用机理——拦截滞留作用机理——布朗扩散作用机理——重力沉降作用机理——静电吸附作用机理第八十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五原理：当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进，而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向随主导气流前进，于是微粒直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上。1、惯性冲击滞留作用机理第九十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五２、拦截滞留作用机理

原理：当气流速度下降到一定值时，若微粒随气流慢慢靠近纤维时，受纤维所阻改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，当与纤维表面接触时就被捕集。第九十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五３、布朗扩散作用机理原理：直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的运动，称为布朗扩散。气体分子的热运动对空气中细微尘粒的碰撞，使尘粒也随之做布朗运动。尘粒越小，布朗运动越显著。注意：布朗扩散作用在较大的气速或较大的纤维间隙中是不起作用的。第九十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五４、重力沉降作用机理原理：重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降。这种作用只有在尘粒较大时才存在。第九十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五５、静电吸附作用机理原理：悬浮在空气中的微粒大多带有不同电荷，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。同时，气流通过纤维介质时，由于气流磨擦，使纤维上都带电荷。第九十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五图5过滤除菌效率（η）与气流速（υs）度的关系第九十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五介质过滤效率1、深层过滤效率的计算N1——过滤前空气中微粒含量N2——过滤后空气中微粒含量N2/N1——过滤前后空气中含有微粒数的比值，即穿透滤层的微粒数与原有微粒数的比值，称为穿透率。第九十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五2、对数穿透定律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。第九十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气通过单位滤层后，微粒浓度下降量与进入此介质的空气中的微粒浓度成正比，即：

(1)个数第九十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五将（1）整理，积分（2）（3）或第九十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五3、介质层厚度的计算式中的N1可根据进口空气的菌体浓度、空气流量及持续使用时间算出。如空气中的原始菌浓度为10000个／m3，空气流量为200m3／min，持续使用2000h，则N1为2.4×1011个菌，N2一般可假定为10-3个菌。于是N1／N2＝2.4×1014，在设计空气过滤器时，我们常把N1／N2＝1015作为设计指标。K值与纤维介质的性质、直径、填充率、气流速度以及菌体大小有关。

由（2）或（3）得（4）（5）或第一百页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第一百零一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第一百零二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五过滤压力降第一百零三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五过滤器的尺寸主要是确定过滤器的内径D和有效过滤的高度，最后定出整个过滤器的高度尺寸。过滤器的内径D可以根据空气量及流速求出：第一百零四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五过滤器失效压缩空气进入过滤器后便引起活性炭颗粒之间相互顶撞与摩擦，久而成为粉末(灰化)，活性炭的体积也逐渐变小，于是过滤器内的空间逐渐增大，到达-定程度时，便会发生棉花成90°翻身现象。这样空气便会未经过滤而进入罐内，引起染菌。棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近过滤器壁的棉花，因经受夹层蒸汽的烤干，受热更为剧烈，更容易变成粉末，而被空气带走，造成过滤层有缝隙，使过滤层疏松而漏风．甚至还因过高的压力和过长时间的烘烤而引起棉花活性炭着火的事故。第一百零五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五二、过滤除菌的流程第一百零六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气过滤除菌工艺一、对空气除菌流程的要求

空气压缩--------水分---------油雾流程的制订根据无菌空气的要求、环境条件、设备、投资等考虑。如在环境污染比较严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的南方，要加强除水设施，以确保和发挥过滤器的最大除菌效率；在压缩机耗油严重的设备流程中则要加强消除油雾的污染等等。第一百零七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气

高空取气管除尘器

空气压缩机

贮气罐

一级冷却器

油水分离器

二级冷却器除雾器

加热器

总过滤器分过滤器无菌空气典型的空气除菌流程分析发酵生产中制备无菌空气的大致过程如下:第一百零八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五0采风塔高空取气管是远离地面几十米的管子。一般而言，地面附近空气中所含的微生物和灰尘等均比高空空气中含的多，据资料介绍，每升高10米，空气中杂菌可降低一个数量级，因此从高空取气要比从低空取气有利得多。一、空气预处理设备第一百零九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五1、粗过滤器安装在空气压缩机前的粗过滤器。作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷。要求：过滤效率高，阻力小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。分类：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。第一百一十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五含尘气流从下部进入圆筒形滤袋，在通过滤料的孔隙时，粉尘被滤料阻留下来，透过滤料的清洁气流由排出口排出。沉积于滤料上的粉尘层，在机械振动的作用下从滤料表面脱落下来，落入灰斗中。

第一百一十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五填料式粗过滤器，一般用玻璃纤维或其他合成纤维等作填料，过滤效果比布袋过滤稍好，阻力损失也较小，但结构较复杂，占地面积也较大，内部填料经常洗换才能保持一定的过滤作用，操作比较麻烦。第一百一十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气进入装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油粘附而逐渐沉降于油箱底部而被除去。需除油雾。第一百一十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五空气从设备底部进入后，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒粘附沉降，从器底排出。空气流速不能太大，一般在1-2m/s的范围，否则带出的水雾太多，影响压缩机，降低排气量。第一百一十四页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五2、空气压缩机分类：离心式空气压缩机和往复式空气压缩机两种。离心式：输气量大，输出空气压力稳定，效率高，输出的空气不带油雾。往复式：靠活塞在气缸内的往复运动而将空气抽吸和压出。压力不稳定，有油雾。第一百一十五页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五3.贮气罐

往复式空气压缩机排出的气体具有不连续性，通过贮气缓冲罐的缓冲作用保证用供气的连续性，防止由于往复式空压机所产生的脉冲而引起的压力波动。维持稳定的空气压力，同时利用重力沉降作用分离部分油雾。

图10贮气罐1-安全阀2-压力表3-空气入口4-排污阀5-人孔6-空气进口图10贮气罐1-安全阀2-压力表3-空气入口4-排污阀5-人孔6-空气进口图10贮气罐1-安全阀2-压力表3-空气入口4-排污阀5-人孔6-空气进口图10贮气罐1-安全阀2-压力表3-空气入口4-排污阀5-人孔6-空气进口第一百一十六页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五4、空气冷却器分类：（1）立式列管式热交换器（2）喷淋式热交换器（3）沉浸式热交换器压缩后空气温度显著上升，需冷却——因为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。图17空气冷却器第一百一十七页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第一百一十八页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五5、气液分离器将空气中冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去。分类：旋风分离器和填料分离器两种。第一百一十九页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五旋风分离器：利用气体在切线方向进入容器时在容器内形成的螺旋转动产生的离心力场来分离重度较大的粒子。优点：结构简单，制造方便。适用于分离5um以上的微粒。构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等对直径在200μm以上的颗粒最好先用重力沉降法除去，以减小对器壁的磨损；对于直径5μm以下的颗粒，除尘效率很低，需采用袋滤器或湿法捕集。

第一百二十页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五第一百二十一页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五填料分离器：是利用各种填料如焦炭、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾第一百二十二页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五二级冷却器由于季节关系或其它原因对压缩空气的冷却效果达不到工艺要求的情况下，可增设二级冷却器，再次冷却。其结构和一级冷却器相似。6.除雾器

通过油水分离器净化过的空气，仍含有粒度较小的杂质及油水雾滴，需在除雾器中进一步除去。除雾器结构较简单，可为一个中间夹有填料瓷环或丝网的容器，油水雾滴遇到填料瓷环或丝网便凝聚下来，最后，可通过油水排出口排出,内部不锈钢丝网可清洗，使用寿命长。常用丝网除沫器

第一百二十三页，共一百三十七页，编辑于2023年，星期五7.加热器为了降低进入总过滤器的空气的相对湿度，使总过滤器保持干燥，需要在除雾器后加一个