第三章 空气除菌

生化工程

BiochemicalEngineering

主讲:Dr.刘晓兰教授齐齐哈尔大学第三章空气除菌1、空气除菌的目的及重要性

在好氧深层培养中，微生物细胞的繁殖代谢需要溶解氧，因为有氧氧化对生物体来说是能量放出最多的途径。在该过程中脱去了很多H，H经电子传递链，最后被O2吸收，所以要提供氧。现在深层培养都是纯种培养，培养基接种之前都经过灭菌，通入的氧气也应是无菌的。第三章空气除菌通入的氧气（空气）的量有多大？举例：一个50m3的发酵罐，装填系数0.7，通气量0.8vvm，170h周期，那么每个培养周期需通入：170×60×0.8×0.7×50=2.86×105m3空气空气中微生物的数量与环境条件有关。城市空气中微生物的密度较高，农村和山区则较低，工厂附近又以主风向上游密度较低。地平面空气含微生物比高空多。

每m3大气中约含有103～104个微生物，而每提高2.5米,空气中的微粒数可减少一个数量级。103～104个微粒/m3的浓度，与布满工业尘埃的空气相比是小的。例如：铸铁车间的风管空气含尘埃颗粒数约为

7.6×1010微粒/m3

空气中的微粒多为细菌及孢子，也有真菌、酵母和病毒。其大小从几个微米到几百微米不等。小的微生物附在空气中的尘埃上，灰尘的尺寸约为0.6微米。在工程上如何解决向培养液提供大量无菌空气的问题？工业上利用过滤方法制备大量无菌压缩空气，用过滤介质阻隔微生物。第一节

空气的预处理，1、流程空气贮罐冷却器冷却器加热器粗滤器：高空20-30m空气压缩机FreshMediaFeedDissolveO2SensorThermocoupleInletAirFlowExitGasFlowAcid/baseAntifoampHSensorLevelSensorAgitatorSparserExitLiquidFlowQ，N0

Q，N旋风分离器丝网分离器空气预处理流程旋风分离器丝网除雾器空气过滤器空气过滤器注意提高空气压缩前空气的洁净度主要措施：提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。20-30米高空采风；在吸气口处设置空气粗过滤器：常用布袋过滤器。第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化（1）压缩压缩机的工作循环：恒压吸气、压缩和恒压排气过程组成。气体经压缩后，分子密度增大，分子的距离缩短，分子的碰撞增加，分子原有的能量转变为热能，若热量没有向外界传出，则气体温度升高，这种压缩过程称为绝热压缩过程。气体的压缩程度越大，则气体温升越高。式中T1、T2是空气压缩前后的绝对温度P1、P2是空气压缩前后的绝对压强CP：定压比热 CV：定容比热

第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化式中T1、T2是空气压缩前后的绝对温度P1、P2是空气压缩前后的绝对压强CP：定压比热 CV：定容比热

K=

绝热指数，空气为1.4（1）压缩下面看空气压缩后T2升高的情况

例15℃的空气由1×105Pa被压缩到3×105Pa（绝压）T2=T1、=394K=121℃如果压缩比更大，压缩空气的温度就更高。压缩比P2/P12.06.08.010.0绝热压缩气体温度（℃）85217257292等温压缩过程：若压缩过程中气体放出的热量能全部排出外界，使气体压缩前后的温度相等。实际压缩的多变过程：实际上气体在压缩过程中，压缩气体产生的热量必然有一部分排到外界，不能达到绝热压缩；也不可能全部排到外界而达到等温过程，实际的压缩过程称之为多变过程，它介于绝热过程与等温过程之间。高温压缩空气直接通入空气过滤器的后果：（1）引起过滤介质的炭化或燃烧。（2）增大反应罐的降温负荷，给培养温度的控制带来困难。措施：用列管式冷却器进行冷却。第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化（2）、压缩空气的冷却及除水除油复习概念：相对湿度φ，湿含量X（湿度）空气中水蒸汽分压与同温度时的饱和水蒸汽压力之比称为相对湿度φ。PW：空气中水蒸汽的分压PS：同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压每1kg干空气中所含有的水蒸汽的kg数称为空气的湿含量。湿含量（湿度）=

φ=

第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化（2）、压缩空气的冷却及除水除油复习概念：相对湿度φ，湿含量X（湿度）空气中水蒸汽分压与同温度时的饱和水蒸汽压力之比称为相对湿度φ。PW：空气中水蒸汽的分压PS：同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压每1kg干空气中所含有的水蒸汽的kg数称为空气的湿含量。湿含量（湿度）=

φ=

（2）、压缩空气的冷却及除水除油

φ=如果将φ<1的湿空气冷却，开始一段时间X不变，则PW也不变，但由于饱和水蒸汽压PS随空气温度下降而下降，因此相对湿度逐渐增大。当相对湿度φ下降为1时，空气中的水蒸汽已饱和，这时的温度称为:露点。如果气体温度继续下降，空气中的水蒸汽开始冷凝成水，空气的相对湿度保持为1，湿含量X则开始下降，所以冷却过程可分为二段。

第一段T↓第二段：T↓

φ↓φ=1 φ=1

X不变 X下降 等湿冷却 减湿冷却压缩空气经冷却会有水析出，混在空气中，如果使用活塞式空气压缩机，空气中还混杂有油滴（油作润滑作用），为了保证空气过滤器的效能，必须除去空气中的水分和油滴。分水的方法：（1）旋风分离器分离：较大的水滴（2）丝网除雾器：小的水滴（直径5

m）用不锈钢丝网、铜网或塑料网填充。旋风分离器丝网除雾器第一节

空气的预处理

2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化(3)、空气的加热

目的：降低空气相对湿度，防止过滤介质被打湿。控制空气状态参数：φ下降到50～60%，T升高到发酵温度X不变第二节典型空气除菌流程

（1）一级压缩，二次冷却，一次加热流程

（2）一级压缩，一次冷却流程空气（t0、x0、φ0）（t1、x1、φ1）（t2=35℃、x2、φ2=60%）x0=x1=x2，这样的流程是否可行？

在北方的冬天，空气的湿含量低，可以进行一级压缩，一级冷却的流程，可以节约大量冷却水和加热蒸汽。（3）节能流程

为达到节约能源的目的，将一部分压缩后的空气冷却到相对湿度100%，然后用部分未冷却的热空气混合，达到要求的湿度和温度。T0

X0φ0压缩T1

X1φ1T2

X2φ2T3X3φ3减X冷却35℃-50℃60%

100%采用这个流程时，要进行物料平衡和热量平衡计算，合理控制这两部分的比例，比例还要随气候条件进行调节。

第三节