第02章空气除菌设备

生物工程设备主讲：潘康成

四川农业大学动物医学院生物工程系制作潘康成2008年4月28日潘康成制作目录第一章培养基的制备设备第二章空气除菌设备第三章生物反应设备第四章生物产品干燥设备第五章固-液分离设备第六章萃取设备第七章层析和离子交换设备第八章蒸发和结晶设备第九章生物制药生产GMP规范要点潘康成制作第二章空气除菌设备第一节发酵工厂对无菌空气的要求第二节空气除菌的方法及原理第三节空气除菌的工艺流程第四节空气除菌流程设备潘康成制作第一节发酵工厂对无菌空气的要求一、空气中的微粒及微生物二、发酵工厂使用无菌空气的指标潘康成制作一、空气中的微粒及微生物潘康成制作

空气中的微生物多为细菌、细菌孢子,也有真菌孢子、酵母和少量病毒。其大小从几μm到几百μm不等。小的微生物附在空气中的灰尘上。灰尘大小平均约为0.6μm。粗滤器可将粗微粒除去，0.5-2.0μm的微粒及细菌微生物由空气过滤器除去。空气中微生物的数量与温度及其他环境条件有关。城市密度较高，农村和山区较低，工厂附近主风向上游密度为较低。工业区，尘埃微粒数约109-1010个/m3。虽然各地所含悬浮的微生物种类以及比例不同，数量也随条件的变化而变化，一般以空气含量为103-104个/m3，每上升2.5-3m，减少一个数量级。在设计空气除菌设备时空气微生物的数量可认为是103-104个/m3来进行计算。二、发酵工厂使用无菌空气的指标潘康成制作1.压缩空气的压强要求控制在0.2-0.35MPa。2.空气流量空气流量是根据车间发酵罐容积来确定。3.空气温度要求控制在比发酵温度高出10℃左右。4.空气湿度要求控制低于70%。5.空气洁净度

不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、它的分泌物的性质、发酵周期的长短、培养物的营养成分和pH值的差异，对所用的无菌空气的无菌程度有不同的要求。一般情况下，常按染菌机率为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。通常细菌繁殖一代只需20-30分钟，如果进入一个细菌，则繁殖15小时后，细菌数可达到109个。这样大量的杂菌就必然使发酵受到严重干扰或发酵失败，故计算时常以进入1-2个杂菌即失败作为空气无菌度的依据。第二节空气除菌的方法及原理一、空气除菌的方法二、过滤除菌的机理三、过滤介质的类型潘康成制作一、空气除菌的方法潘康成制作1.加热灭菌法2.辐射灭菌法3.化学灭菌法4.静电除菌法5.过滤除菌法加热灭菌是有效、可靠的一种灭菌方法，虽然细菌芽孢有耐热性，但在高温时218℃时24秒内可被破坏、被杀死。但采用蒸汽或用电来加热大量的空气，以达到灭菌目的，则需要消耗大量的能源和增加大量的热交换设备，这是不经济的。

理论上声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线和紫外线都可用于空气灭菌，其灭菌的机理认为是破坏微生物菌体内的蛋白质活性而起作用，但设备投资较高，因此在发酵工业中还很少采用。

现主要采用紫外线用于无菌室、医院手术室等空气对流不大的环境，但杀菌效率较低，杀菌时间较长，一般需要结合甲醛蒸汽消毒或苯酚喷雾等来保证无菌室有较高的无菌度。把少量杀菌剂（如苯酚、环氧乙烷、重金属盐、新洁而灭等）溶于水中，使空气在杀菌剂溶液中通过或喷洒于空气中以消灭空气中的微生物。但杀菌后空气带入的杀菌剂对发酵罐内生长的微生物同样具有杀灭或抑制作用，从而影响发酵效果。因此，使用化学灭菌法生产无菌空气后，必须除去夹带杀菌剂的水汽和雾，故在发酵工业上少用。静电除菌作用原理：如图:

特点是：能量消耗少，处理1000m3的空气只耗电0.4-0.8kW；空气压头损失小，约为400-2000Pa；对于1μm的尘粒捕集效率可达99%以上。

缺点是设备较庞大，对小于1μm微粒效率不是很明显。介质过滤除菌是发酵制备无菌空气广泛采用。是采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空气所含的微生物，从而取得无菌空气。常用的过滤介质：棉花、活性碳、玻璃纤维、有机合成纤维、石棉滤板和其他烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等)。初期多采用棉花作为过滤介质,后来逐渐被玻璃纤维代替。现正逐渐用聚乙烯醇（PVA）过滤器代替常规过滤器。二、过滤除菌的机理潘康成制作1.惯性冲撞滞留作用在过滤器中的介质滤层交错着无数的纤维，形成层层网格，交错排列。随着纤维直径减小，填充密度增大，形成的网格紧密和层数多，纤维与纤维间隙越小。当带有微生物等微粒的空气通过滤层时，仅能从纤维与纤维之间的间隙通过。由于受交错排列的纤维所阻碍，迫使空气不断改变流动方向和运动速度才能通过滤层。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，由于微粒的运动惯性，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，由于摩擦粘附，滞留在纤维表面上。2.拦截滞留作用当气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，使除菌效率显著下降，但随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的除菌效率又有回升，（图）。微生物微粒直径很细，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，而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到这滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留。3.布朗扩散作用直径很小的微粒在气流流速很小的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速、较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很小的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机，从而增加纤维的捕集效率。4.重力沉降作用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，就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用可提高拦截滞留的捕集效率。5.静电吸附作用干空气对非导体的物质相对运动摩擦时，产生诱导电荷，处理过纤维和树脂，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。此外，表面吸附也归属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。三、过滤介质的类型潘康成制作（一）常用的过滤介质1.棉花2.玻璃纤维3.超细玻璃纤维4.石棉纤维板5.活性碳6.烧结材料：烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料、聚乙烯醇（PVA）过滤滤板（二）过滤纸介质（三）新型过滤介质超细玻璃纤维纸微孔滤膜类介质，孔径0.1-0.2μm，小于细菌直径，细菌不能通过，称为绝对过滤介质。我国研制的JPF型（聚偏二氟乙烯）多滤芯空气过滤器，具有国际先进水平。各参数及结构如图。第三节空气过滤除菌的工艺流程一、两级冷却、加热除菌流程二、冷热空气直接混合式空气除菌流程三、高效前置过滤空气除菌流程四、利用热空气加热冷空气的流程潘康成制作一、两级冷却、加热除菌流程潘康成制作该流程是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。特点：两次冷却、两次分离、适当加热。尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。二、冷热空气直接混合式空气除菌流程潘康成制作压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，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。特点：可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等。适用于中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区三、高效前置过滤空气除菌流程潘康成制作利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，这样就降低了主过滤器的负荷以及空压机的磨损。特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高，达99.99%。高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除菌）和超细纤维纸串联使用作为过滤介质。四、利用热空气加热冷空气的流程潘康成制作利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。这种流程使用涡轮式空压机或无油润滑空压机效果是好的，而使用普通空压机，会引起油雾污染过滤器，这时应安装丝网分离器除去油雾，再进入过滤器。第四节空气除菌流程设备潘康成制作（一）吸风塔（二）前置过滤器（三）空气压缩机（四）空气贮罐（五）空气冷却器（六）气液分离器（七）空气加热器（八）总过滤器（九）分过滤器（十）进发酵罐潘康成制作一、吸风塔高空采风，含尘量在1mg/m3以下，因此：高度≥10，在吸风室内设置泡沫塑料介质粗过滤器。潘康成制作二、前置过滤器安装在空压机前的粗过滤器，其作用：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。过滤器一般要求过滤效率高，阻力小，否则会增加空压机的吸入负荷和降低空压机的排气量。外形像集装箱，内设两道过滤介质层，前道为粗过滤层，后道为亚高效过滤层。常用有：布袋过滤、填料式过滤、水雾除尘和油浴洗涤等。油浴洗涤除尘由于夹带油沫过多，影响空气质量，现已不再采用。结构如图潘康成制作三、空气压缩机

往复式空气压缩机：靠活塞在汽缸内往复运动将空气抽吸和压出。缺点，有脉动压力不稳，有油污。涡轮式空气压缩机：采用电动或蒸汽涡轮机带动，涡轮转速产生空穴吸气。出气量大均匀，不夹带油污。无需设置空气贮罐。但安装和保养技术要求较高。螺杆式空气压缩机：利用高速旋转的螺杆在汽缸内瞬时组成空腔，螺杆运动把腔内空气压缩后输出。安装占地少，压缩气不含油雾，气流平稳。但保养技术要求较高。潘康成制作四、空气贮罐贮气罐的作用：（1）消除脉动维持罐压的稳定；（2）使部分颗粒物在罐内沉降；（3）保温灭菌。潘康成制作五、空气冷却器

立式列管式热交换器：冷却水走管内或管外，可采用多程（2-4程）热交换器。冷却水流速0.5-3m/s，空气的流速为2-15m/s。喷淋式热交换器：空气流速5-10m/s。沉浸式热交换器：空气流速5-10m/s。潘康成制作六、气液分离器旋风分离器：对分离10μm以上的微粒效果高。丝网分离器：捕捉10μm以下的微粒。丝网20-80目。潘康成制作七、空气加热器对除去水雾的空气进行加热，降低相对湿度，使湿度低于70%，使过滤介质保持干燥。空气的温度控制在不超过发酵温度的10℃。热交换器常用的方法是列管式热交换器，空气走管程，蒸汽走壳程。潘康成制作八、空气过滤器YUD-Z型微孔滤膜总过滤器（滤芯DMF）。图：（一）总过滤器的结构1.微孔滤膜过滤器2.深层棉花过滤器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，在铺棉花层之前先在下孔板铺上一层30-40目的金属丝网和