第四章发酵工程的灭菌与空气除菌

第四章发酵工程的灭菌与空气除菌第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五本章内容第一节常用的灭菌方法第二节培养基与发酵设备的灭菌第三节空气的除菌第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五如，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；杂菌会污染最终产品；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。因此，要求保证纯种培养，在接种前，要对发酵罐、管道、空气除菌系统及补料系统等设备进行空气消毒，对培养基、消泡剂、补料液和空气需彻底除菌，还要对生产环境进行消毒处理，防止杂菌和噬菌体的大量繁殖。在发酵过程中夹杂其它杂菌会造成严重的后果第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五本章内容第一节常用的灭菌方法第二节培养基与发酵设备的灭菌第三节空气的除菌第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第一节常用的灭菌方法一、定义1、培养基灭菌的定义是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用。2、灭菌与消毒的区别灭菌（sterilization）：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五二、工业生产中的灭菌1、工业上具体措施包括（1）使用的培养基和设备须经灭菌；（2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理；（3）设备应严密，发酵罐维持正压环境；（4）培养过程中加入的物料应经过灭菌；（5）使用无污染的纯粹种子。2、培养基灭菌的目的杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件。3、培养基灭菌的要求（1）达到要求的无菌程度（10-3）（2）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。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五4、灭菌的方法（1）化学法（化学药品灭菌法）：化学药品直接作用于微生物而将其杀死的方法。消毒剂与防腐剂的区分并不严格，常用的化学药剂有：石碳酸、甲醛、氯化汞、碘酒、酒精等。主要用于生产车间环境、无菌室空间、接种操作前小型器具及双手的消毒等以及染菌后的培养基。根据灭菌对象的不同使用方法有浸泡、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（2）物理法①干热灭菌法：灼烧灭菌法；玻璃器皿、金属器材和其他耐高温的物品在干热灭菌器中，于160℃下保存1h。有纸或棉塞者灭菌不能超过170℃。②射线灭菌法：利用紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的γ射线进行灭菌的方法，波长范围在200～275nm的紫外线具有杀菌作用，杀菌作用最强的范围是250～270nm，波长为253.7nm的紫外线杀菌作用最强。在紫外灯下直接暴露，一般繁殖型微生物约3～5min，芽孢约10min即可杀灭。但其穿透力较差，一般只适于接种室、超净工作台、无菌培养室及物质表面杀菌。不同微生物对紫外线的抵抗力不同，对杆菌杀灭力强，对球菌次之，对酵母菌、霉菌等较弱，因此常与化学灭菌结合使用。③过滤除菌：使用适当的过滤材料或介质对液体或气体进行过滤，出去微生物的方法。主要适用于：热敏感物质（生长因子、抗生素、培养基）的灭菌和发酵用无菌空气的制备。第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五④湿热灭菌法：利用饱和蒸汽进行灭菌。释放大量热量和强大穿透力使生物大分子化学键受到破坏。常用于培养基、发酵设备、附属设备、管道和实验器材的灭菌。煮沸灭菌法：将物品在水中煮沸15-20min，一般微生物细胞可杀死，但不能杀死孢子。适用于食品、器具消毒。无芽孢菌用60℃10min，芽孢用100℃10min，嗜热细菌用120℃20-30min可完全杀死。巴氏消毒法：有的食物经煮沸或用更高的温度处理会损害它的营养价值或色香味，则采用巴氏消毒，已达消毒和防腐目的。60-62℃30min或70℃15min，以杀死其中的病原菌或部分微生物的营养体。适用于牛奶、啤酒、黄酒酱油、醋等食品。间歇灭菌法：反复几次的常压蒸汽灭菌，已达到杀死微生物营养体和芽孢的目的。100℃30-60min而杀死微生物营养体，置37℃培养1h，使其芽孢发育成营养体，次日再同样的方法处理，反复3次。适用于不能高压灭菌的物质，如糖类明胶牛奶培养基等。高压蒸汽灭菌：使用密闭的高压蒸汽灭菌锅。实验室常用压力为0.1兆帕（MPa，一公斤的压力），121℃15-30min，可杀死各种微生物及芽孢。常用于培养基、发酵设备、管道、实验器材等。

第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五本章内容第一节常用的灭菌方法第二节培养基与发酵设备的灭菌第三节空气的除菌第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第二节培养基与发酵设备的灭菌一、灭菌的机理（一）化学灭菌机理：化学物质（高锰酸钾、漂白粉等）与微生物细胞中的某些成分产生化学反应，如蛋白质变性、核算的破坏、酶的失活、细胞膜头型的改变而杀死微生物。（二）紫外线灭菌机理：在紫外线照射下微生物细胞的DNA遭到破坏，形成胸腺嘧啶二聚体和胞嘧啶水合物，抑制DNA的复制。此外，空气在紫外线照射下生成的臭氧也有一定的杀菌作用。（三）干热灭菌机理：在干燥高温条件下，微生物细胞内的各种与温度有关的氧化还原反应速度迅速增加，致死微生物。第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（四）湿热灭菌

1、湿热灭菌中的相关定义杀死微生物的极限温度称为致死温度。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。

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。一般评价灭菌彻底与否的指标主要是看能否完全杀死热阻大的芽孢杆菌。

各种微生物对湿热的相对热阻第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

2、湿热灭菌的优点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。

3、湿热灭菌的机理每一种微生物都有一定的最适生长温度范围。当微生物处于最低温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。微生物受热死亡的原因主要是高温使微生物体内的一些重要蛋白质发生凝固、变性，而致使微生物。致死温度、致死时间两者呈反比一般情况微生物营养体60℃10min即可死亡，但是细菌芽胞需要100℃几十分钟及数小时才能被杀死。第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五4、培养基湿热灭菌需解决的工程问题1）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。2）灭菌温度和时间的确定取决于：（1）杂菌孢子的热灭死动力学（2）反应器的形式和操作方式（3）培养基中有效成分受热破坏的可接受范围5、生物热死动力学（对数残存定律）

在一定的温度下，微生物致死遵循分子反应速率理论，即：表达式：dN/dt=-kN，即微生物的死亡速率（dN/dt）与任何一瞬间残留的活菌数成正比，所以称为对数残存定律。

(N为活细菌数，t为受热时间，k热死速率常数）对上式积分得：N=N0e-kt

或：t=ln(N0/N)/k(N0为开始灭菌时的活细菌数；N为经时间t后残存的活细菌数）可以根据残留菌数的要求用上式计算灭菌时间t0（理论N=0，实际N=0.001）第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五几种微生物的对数残存量与时间的关系曲线第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五①K与菌种的特性有关相同温度下，微生物越耐热，k值越小。相同温度下，微生物越不耐热，k值越大。6、反应速率常数K②K与灭菌温度有关K=A·e–⊿E/RT（遵循阿仑乌斯定律）lgK=-⊿E/(2.303RT)+lgAA：比例常数R：气体常数（J/(mol·K)）T：绝对温度（K）⊿E：杀死细菌所需的活化能（J/mol）第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五7、杀灭细菌芽孢的温度和时间成熟的细菌芽孢除含有大量的钙-吡啶二羧酸成分外，还处于脱水状态，成熟芽孢的核心只含有营养细胞水分的10%～30%。这些特性大大增加了芽孢的抗热和抵抗化学物质的能力。在相同温度下杀灭不同细菌芽孢所需时间不同，一方面因为不同细菌芽孢对热的耐受性不同，另外培养条件的不同也使耐热性产生差别。表多数细菌芽孢的灭菌温度与时间温度/℃100110115121125130时间/min120015051156.42.4第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五8、影响培养基灭菌的因素（1）培养基成分培养液中油脂、糖类及一定浓度的蛋白质会增加微生物的耐热性。高浓度盐类、色素能削减其耐热性。随着灭菌条件的强化,培养基成分的热变质加速，特别是维生素。因此培养液灭菌一般都采用高温短时加热的方式，这样可以达到彻底灭菌和把营养分破坏减少到最低限度的目的。（2）培养基成分颗粒度培养基成分的颗粒越大，蒸汽穿透所需时间越长。小于1mm颗粒的培养基，可不必考虑颗粒对灭菌的影响，但对于含有少量大颗粒及粗纤维培养基的灭菌，特别是存在凝结成团的胶体时会影响灭菌效果，则应适当提高灭菌温度或过滤除去。第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（3）培养基pHpH对微生物耐热性影响很大。微生物一般在pH6.0～8.0时最耐热；pH＜6.0，氢离子易渗入微生物细胞内，从而改变细胞的生理反应促使其死亡。pH越低，灭菌所需时间越短。（4）微生物细胞含水量

含水量少，蛋白质不易变性，但在灭菌时，如果是含水量很高的物品，高温蒸汽的穿透效果也会降低，所以灭菌时间也要延长。第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（5）微生物性质与数量各种微生物对热的抵抗力相差较大，细菌的营养体、酵母、霉菌的菌丝体对热较为敏感，而放线菌、酵母、霉菌孢子对热的抵抗力较强；繁殖期的微生物对高温的抵抗力比衰老期微生物抵抗力小得多；微生物数量越多，所需灭菌时间越长；天然原料配成的培养基含菌量高于纯粹用化学试剂配制成的组合培养基。（6）冷空气排除情况高压蒸汽灭菌的关键是为热的传导提供良好条件，而其中最重要的是使冷空气从灭菌器中顺利排出。因为冷空气不但导热性差，阻碍蒸汽解除欲灭菌的物品，还可会降低蒸汽分压，使罐内实际温度低于压力表所对应的温度，造成灭菌温度不够。（7）泡沫泡沫中的空气形成隔热层，使热量难以渗透进去，需加消泡剂。（8）搅拌

避免局部过热或形成灭菌死角第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五二、培养基的灭菌

无菌的标准：根据微生物热死灭方程，要求灭菌后达到绝对无菌是很难做到的，也是不必要的。因此在工程设计中常取N=10-3。工业化生产中培养基的灭菌采用湿热灭菌方式，主要有两种方法：分批灭菌和连续灭菌。分批灭菌和连续灭菌比较

连续灭菌与分批灭菌比较具有很多优点，尤其是当生产规模大时，优点更为显著。主要体现在以下几方面：①可采用高温短时灭菌，培养基受热时间短，营养成分破坏少，有利于提高发酵产率；②发酵罐利用率高；③蒸汽负荷均衡；④采用板式换热器时，可节约大量能量；⑤适宜采用自动控制，劳动强度小。

但当培养基中含有固体颗粒或培养基有较多泡沫时，以采用分批灭菌为好，因为在这种情况下用连续灭菌容易导致灭菌不彻底。对于容积小的发酵罐，连续灭菌的优点不明显，而采用分批灭菌比较方便。

第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（一）分批灭菌（batchsterilization）又称间歇灭菌，就是将配制好的培养基全部输入发酵罐内或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，再冷却到接种温度，这一工艺过程称为实罐灭菌，是使培养基和发酵罐同时灭菌的一种方式。优点：无需专一灭菌设备，操作简便。缺点：加热和冷却时间较长，易发生过热破坏营养分的现象，发酵罐利用率低。灭菌流程：培养基的加热一般用直接蒸汽通入罐内，冷却是冷却水通入蛇管或夹层间接进行。灭菌时间过程包括：加热、维持、冷却所需要的时间。第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五流程操作：先预热一定时间，使物料溶胀均匀受热，预热90℃以上时，将蒸汽直接通入培养基及罐中，可减少冷凝水生成量。温度达到120℃时计算维持时间。生产中常用维持时间30min。为了减少营养成分的破坏多采用快速冷却方式，立即向罐内通入无菌空气，以维持罐压,然后开启冷却系统进行冷却。第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五分批灭菌设备示意图三路进汽：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：在液面以上的管道口则应排放空气，即蒸汽从排气、接种、进料和消沫剂管排气。这样做可以达到不留灭菌死角。第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（二）连续灭菌(continuoussterilization)连续灭菌是将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连续流动灭菌后，进入预先灭过菌的发酵罐中的灭菌方式，也称之为连消。连续灭菌设备主要由灭菌系统、冷却系统、烘干系统及电器系统组成。附属设备由进料输送带散布机，出料输送带等组成。灭菌系统采用专一灭菌设备--连消塔(或器)。优点：①高温快速灭菌工艺，营养成分破坏的少；②发酵罐的非生产占用时间短，容积利用率提高；③热能利用合理，适合实行自动化控制；缺点：①不适用于粘度大或固形物含量高的培养基灭菌；②增加一套连续灭菌设备，增多了操作环节，增加染菌的机率。第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五连消塔-喷淋冷却连续灭菌的基本流程流程：在短时间内使物料在连消塔中的温度达到灭菌温度126℃～132℃，然后进入维持罐中保温5～8min，然后物料以层流(避免紊流造成混流、错流致使灭菌时间不准的现象发生)的方式保持先进先出、后进后出的状态流至维持罐出口完成灭菌时间，再进入冷却器快速换热冷却后进入灭菌完毕的发酵罐中。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五喷射加热-真空冷却连续灭菌流程图典型的蒸汽喷射式-真空冷却过程中培养基温度随时间的变化曲线喷射器结构示意图第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五连续灭菌与分批灭菌的比较1、连续灭菌的优缺点•优点–保留较多的营养质量–容易放大–较易自动控制；–糖受蒸汽的影响较少；–缩短灭菌周期；–在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；–发酵罐利用率高；–蒸汽负荷均匀。•缺点–设备比较复杂，投资较大。2、分批灭菌的优缺点•优点–设备投资较少–染菌的危险性较小–人工操作较方便–对培养基中固体物质含量较多时更为适宜•缺点–灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（三）固体培养基灭菌固体培养基要先蒸煮灭菌,但固体培养基呈粒状、片状或粉状，流动性差，不易翻动，吸水加热易成团,冷却困难。针对这些特点设计的转鼓式灭菌机常用于酒厂、酱油厂。转鼓式灭菌器，可以0.5～1r/min转动，培养基能得到较为充分的混匀，轴的中心是一带孔的圆管，蒸汽沿轴中心通入鼓内培养基中进行加热，达到一定温度后，进行保温灭菌。灭菌结束后用真空泵对转鼓抽气，降低鼓内压力和培养基的温度。1、吸气口；2、真空管；3、花管；4、搅拌叶；5、水蒸气转鼓式灭菌器第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五三、管道与发酵罐等的灭菌（1）种子罐、发酵罐、计量罐、补料罐等的空罐灭菌及管道灭菌从有关管道通入蒸汽，使罐内蒸汽压力达0.147MPa，维持45min，灭菌过程从阀门、边阀排出空气，并使蒸汽通过到达死角灭菌。灭菌完毕，关闭蒸汽后，待罐内压力低于空气过滤器压力时，通入无菌空气保持罐压0.098MPa。（2）空气总过滤器和分过滤器灭菌排出过滤器中的空气，从过滤器上部通入蒸汽，并从上、下排气口排气，维持压力0.174MPa灭菌2h。灭菌完毕，通入压缩空气吹干。（3）种子培养基实罐灭菌从夹层通入蒸汽间接加热至80℃，再从取样管、进风管、接种管进蒸汽，进行直接加热，同时关闭夹层蒸汽进口阀门，升温至121℃，维持30min。谷氨酸发酵的种子培养基实罐灭菌为110℃，维持10min。（4）消泡剂灭菌直接加热至121℃，维持30min。（5）补料实罐灭菌根据料液不同而异，淀粉料液为121℃，维持5min。（6）尿素溶液灭菌

105℃，维持5min。第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五本章内容第一节常用的灭菌方法第二节培养基与发酵设备的灭菌第三节空气的除菌一、发酵使用的净化空气的标准二、空气净化的方法三、介质过滤除菌的原理四、空气净化的工艺流程第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五一、发酵使用的净化空气的标准（一）无菌空气的概念

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”。（二）空气中微生物的分布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。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。第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（三）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：不同菌种的生产能力、生长速度、发酵周期、产物性质、培养基营养成分和pH的差异等不同，对空气质量有不同的要求；发酵周期长短的不同：氨基酸和抗生素；同一工厂的不同生产区域有不同的空气质量要求。

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。空气无菌程度用空气洁净度来表示，指洁净环境中空气含尘（微粒）量多少的程度。空气洁净度的具体高低用空气洁净度级别来区分，这种级别又是用操作时间内空气的计数含尘量（就是单位容积空气中所含某种大小微粒的数量）来表示的。环境空气的洁净等级生产区分类洁净级别/级每升空气中≥0.5mm尘粒数每升空气中≥5mm尘粒数菌落数/个控制区100000≤3500≤25≤1010000≤350≤2.5≤3洁净区1000≤35≤0.25≤2100≤3.50≤1第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五二、空气净化的方法空气净化就是除去或杀灭空气中的微生物。主要有：热杀菌（加热灭菌）辐射杀菌静电除菌过滤除菌第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（一）热杀菌利用压缩热进行空气灭菌的流程图空气进口温度为21℃，出口温度为187～198℃，压力为0.7MPa；在实际应用中，对培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置之间的管道的灭菌以及管道的长度等问题都必须考虑——在连接压缩机和贮气罐之间的管路上加保温层；加装空气冷却器，排除冷凝水，以防止在管道设备死角积聚而造成杂菌繁殖；第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（二）辐射杀菌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。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。不适宜大规模的空气灭菌。第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（三）静电除菌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。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，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，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。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管式静电除尘器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-空气进口。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。第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五三、介质过滤除菌的原理（一）定义：让含菌空气通过过滤介质以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤处理的空气可达无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供耗氧培养过程使用。该法是目前广泛用来获得大量无菌空气的常规方法。第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（二）空气过滤器一个空气过滤器的功能是从气体中除去污染物（微生物）以使达到所需的气体的无菌程度。过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道”的结果对污染物的去除起到了辅助作用。第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（三）绝对过滤和深层过滤绝对过滤：主要特点是过滤介质孔隙小于或大大小于被过滤的微粒直径，其孔隙小于0.5mm，甚至小于0.1mm（一般大小为1mm），将空气中的细菌除去。深层过滤：污染物被过滤介质内部捕获的一种过滤方式，滤孔贯穿于整个介质厚度。又分为两种——①以纤维（以棉花、玻璃纤维、尼龙等）或颗粒状（活性炭）介质为过滤层，这种过滤层较深，其空隙一般大于50mm，即远大于细菌，因此这种除菌不是真正意义上的过滤作用，而是靠静电、扩散、惯性和阻截等作用将细菌截留在滤层中；②用超细玻璃纤维（纸）、石棉板、烧结金属板、聚乙烯醇、聚四氟乙烯等为介质，滤层薄，但孔隙仍大于0.5mm，因此仍属于深层过滤的范畴。绝对过滤——表面过滤深层过滤第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五（四）介质过滤除菌的原理1、布朗扩散截留作用在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用大大增加微粒与纤维的接触滞留机会。在假设微粒扩散运动的距离为X，则离纤维表面距离小于等于X的气流微粒会因为扩散运动而与纤维接触，截留在纤维上。2、拦截截留作用

降低气流速度，可使惯性截留作用接近于零，此时的气流速度成为临界气流速度。气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截捕集作用。微生物微粒直径很小，质量很轻，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，从而改变流动方向，绕过纤维前进，而在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留，称为拦截捕集作用。被随机运动的气体分子碰撞的颗粒撞击到过滤介质上并被吸附截留第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3、惯性撞击截留作用在过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小，充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层。当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。惯性使它离开主导气流；走的是图中虚线的轨迹。气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。这种捕集由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五惯性捕集是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，也就是取决于气流的流速。惯性力与气流流速成正比，当流速过低时，惯性捕集作用很小，甚至接近于零；当空气流速增至足够大时，惯性捕集则起主导作用。

空气流速v0是影响捕集效率的重要参数。在一定条件下(微生物微粒直径、纤维直径、空气温度)，改变气流的流速就是改变微粒的运动惯性力；当气流速度下降时，微粒的运动速度随之下降，微粒的动量减少，惯性力减弱，微粒脱离主导气流的可能性也减少，相应纤维滞留微粒的宽度减小，即捕集效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力不足以使其脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任一处，微粒也随气流改变运动方向绕过纤维前进。停留的颗粒减小了滤孔的孔径惯性撞击第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五4、重力沉降作用微粒虽小，但仍具有重力。当微粒重力超过空气作用于其上的浮力时，即发生一种沉降加速度。当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象。就单一重力沉降而言，大颗粒比小颗粒作用显著，一般50μm以上的颗粒沉降作用才显著。对于小颗粒只有气流速度很慢时才起作用。重力沉降作用一般是与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞留区内。微粒的沉降作用提高了拦截捕集作用。5、静电吸附作用干空气对非导体的物质作相对运动摩擦时，会产生静电现象，对于纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。有人测定微生物孢子带电情况时发现，约有75％的孢子具有1~60负电荷单位，15％的孢子带有5~14正电荷单位，其余10％则为中性，这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附作用。第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五6、上述机理中，有时很难分辨是哪一种单独起作用。下图是单纤维除菌总效率ηs(包括惯性、扩散、拦截等作用)与气流速度的关系。总的来说，当气流速度较大时(约大于0.1m/s)，惯性捕集是主要的。而流速较小时，扩散作用占优势。前者的除菌效率随气流速度增加而增加，后者则相反。而在两者之间，在ηs极小值附近，可能是拦截作用占优势。以上几种作用机理在整个过程中，随着参数变化有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五四、空气净化的工艺流程发酵使用的无菌空气除对无菌程度有要求外，还要充分考虑空气的温度、湿度与压力。无菌空气制备的整个过程包括两个部分：一是对进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空气状态（温度、湿度）；二是对空气进行过滤处理，以除去微生物颗粒，满足生物细胞培养需要。空气净化一般过程：把吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤，然后进入空气压缩机，从空压机出来的空气（一般压力在1.96×105Pa以上，温度120～150℃），先冷却到适当的温度（20～25℃）除去油和水，在加热至30～35℃，使其相对湿度为50%～60%，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五这是一个较完整的空气除菌流程，包括两次冷却、两次分离、适当加热。经第一次冷却后，大部分的水、油都已经结成较大的雾粒，且雾粒浓度较大，适宜用旋风分离器分离；二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，采用丝网分离器分离。经两次分离后，空气带的雾沫就较小，两级冷却可以减少油膜污染对传热的影响。该流程适宜于各种气候条件，能充分分离空气中的水分，使空气在低的相对湿度下进入过滤器，提高了过滤效率。尤其适合于潮湿地区的空气除菌。（一）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1、采风塔

提高空气吸气口的高度可以减少吸入空气的微生物含量。据报道，吸气口每提高10m，微生物数量减少一个数量级。由于空气中的微生物数量因地区、气候而不同，因此吸气口的高度也必须因地制宜，一般以离地面5~10m为好。在吸气口处需要设置防止颗粒及杂物吸入的筛网(也可以装在粗过滤器上)，以免损坏空气压缩机。如果将粗过滤器提高到相当于吸气口的高度，