微生物工程设备之 第20章 空气除菌设备教材

1空气除菌设备第20章2

第一节空气除菌第二节过滤除菌设备原理结构和计算第三节空气过滤除菌流程3第一节空气除菌一、通风发酵对无菌空气的要求二、空气除菌的方法4第一节空气除菌

一、通风发酵对无菌空气的要求

（一）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，空气中的含菌量较多；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。空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103~104个／米3。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）

5空气除菌

工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同而异。1、半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；2、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。6第一节空气除菌

（二）发酵对空气无菌程度的要求好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要做到绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。发酵对无菌空气的要求是：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标；发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3对不同的生物发酵生产和同一工厂的不同生产区域（环节），应有不同的空气无菌度的要求。我国参考美国、日本等的标准也提出了空气洁净级别。生物工业生产除对空气的无菌程度有要求外，还根据具体情况而对空气的温度、湿度和压力有一定的要求。7第一节空气除菌

（三）空气含菌量的测定一般采用培养法或光学法测定其近似值。培养法在微生物学中已介绍，这级只介绍光学法。Y09—1型粒子计数器，是利用微粒对光线散射作用来测量粒子的大小和含量。这种仪器可以测量空气中含有直径为0.3—5µm微粒的各种浓度；测量比较准确，但它只是微粒观念，不能测量空气中活细菌的数日。8第一节空气除菌

二、空气除菌的方法空气的无菌处理方法有辐射灭菌，化学灭菌，加热灭菌，静电除尘和介质过滤等，但从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法。（一）辐射杀菌包括高速电子、X线、紫外线和γ线等。具有较高的能量与穿透力，可在常温下对不耐热的物品灭菌，故又称“冷灭菌”。其机理在于产生游离基，破坏DNA。可用于消毒不耐热的塑料注射器和导管等；亦能用于食品消毒而不破坏其营养成份。9第一节空气除菌

紫外线是一种低能量的电磁辐射，波长范围为240～280nm,最适的波长为260nm，这与DNA吸收光谱范围相一致。其杀菌原理是紫外线易被核蛋白吸收，使DNA的同一条螺旋体上相邻的碱基形成胸腺嘧啶二聚体，从而干拢DNA的复制，导致细菌死亡或变异。紫外线的穿透能力弱，不能通过普通玻璃、尘埃，只能用于消毒物体表面及空气、手术室、无菌操作实验室及烧伤病房，亦可用于不耐热物品表面消毒。杀菌波长的紫外线对人体皮肤、眼睛均有损伤作用，使用时应注意防护。10第一节空气除菌

（二）热杀菌热杀菌是有效的．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，则需要消耗大量的能源和增设大量的换热设备，这是十分不经济的。11第一节空气除菌

空气进口温度为21℃，空气的出口温度为187～１９８℃，压力为０.7MPa。从压缩机出口到空气储罐管道加保温层，空气达高温后保持一段时间，保证微生物死亡。为了加长空气的高温时间，防止空气在贮罐中走短路，最好在贮罐内加装导流筒。采用热杀菌装置时，还应装有空气冷却器，并排除冷凝水，以防止在管道设备死角积聚而造成杂菌繁殖的场所。在进入发酵罐前，应加装分过滤器以保证安全。但采用这样系统压缩机能量消耗会相应增大，压缩机耐热性能要增加，零部件也要选用耐热材料加工。利用空气压缩时放出的热量进行保温杀菌，就比较经济，流程如图4－I所示。12第一节空气除菌

（三）静电除菌

静电除尘是利用静电引力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，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。静电除茵装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区，如图4－2所示。13第一节空气除菌

捕集区是由高压电极板与接地电极板组成，交替排列，平行于气流方向。高压电极板上加上5kv直流电压，极板间形成一均匀电场，气流流过时，带正电荷的微粒受库伦力作用，产生一个向负极板移动的速度，这个速度与气流的拖带速度合成一个倾向负极板的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。捕集的微粒积聚到一定厚度，极板间的火花放电加剧，极板电压下降，微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，除菌效率很快下降。要保持高的除菌效率，应定期清洗，一般电极板上尘厚lmm时应清洗。通常是采用喷水管自动喷水清洗。电离区是一系列等距平行且接地的极板，极板间带钨丝或不绣钢丝放电线，叫离化线。放电线接上１０kＶ的直流电压时，它与接地极板之间形成很强的电位梯度电场。空气所带的细菌微粒通过电离区后，被电离而带正电荷。14静电除菌静电除尘器可除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去微生物。原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的。对于一些直径小的微粒，所带电荷小，不能被吸附而沉降。电

除

尘

电

源

15第一节空气除菌

（四）过滤除菌空气的无菌处理方法有辐射灭菌，化学灭菌，加热灭菌，静电除尘和介质过滤等，但从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多数厂广泛采用的方法。介质过滤除菌是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。目前常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。16①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。17②介质过滤除菌

介质过滤除菌是使空气通过经高温定期灭菌的介质过滤层，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。从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法。目前常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。18本章内容第一节空气除菌第二节过滤除菌设备原理结构和计算第三节空气过滤除菌流程

19第二节过滤除菌设备原理结构和计算概述一、深层过滤原理二、深层过滤效率和过滤器计算三、计算举例四、过滤介质和过滤器的结构20第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

概述：

目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为1～2米，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有采用玻璃纤维、焦炭等。对不同的材料，材料的不同规格，材料的填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。为了制取适合要求的无菌空气，就得深入研究深层过滤的各种机理

。21第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

一、深层过滤原理由于空气溶胶中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5～2微米之间22第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

深层过滤所用的过滤介质—棉花的纤维直径一般为16~20微米。充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50微米，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运动方向，绕过纤维前进，这些改变引起微粒以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。23第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

１、惯性冲击滞留作用机理

如图所示，图上是直径为df的纤维的断面，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，这称为惯性冲击滞留作用。24第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

２、拦截滞留作用机理

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，捕集效率显著下降，但随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升。原因是微生物直径很细，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，并在纤维的周边流速更慢，进到这滞留区的微粒慢慢靠近和纤维接触而被粘附滞留，称为拦截滞留作用。形成一层边界滞流区。25第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

３、布朗扩散作用机理

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，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了微粒与纤维的接触滞留机会。26第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

４、重力沉降作用机理

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。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的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。27第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

５、静电吸附作用机理

干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，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微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性，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，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。28第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

29问题：哪么，这几种作用机理的相互关系是怎么样的？哪一种机理起主要作用呢？当空气流过介质时，上述五种截留除菌机理同时起作用，不过气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，此时惯性冲击起主要作用；当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时，扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能是截留起主要作用。如果空气流速过大,除菌效率又下降,则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中。下图表示了气流速度与单纤维除菌效率的关系。其中虚线段表示空气流速高时会引起除菌效率的急速下降。30图5过滤除菌效率（η）与气流速（υs）度的关系31第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

二、深层过滤效率和过滤器计算

过滤器计算深层过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，他是衡量过滤设备的过滤能力的指标：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。影响深层过滤效率的因素

微粒大小、过滤介质的种类、规格、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等。32第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

（一）对数穿透定律

1、四点假定：在研究空气过滤器的过滤规律时，先排除一些复杂的因素，因此我们假定：

（１）过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响；

（２）空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走；

（３）过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；

（４）空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。33第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

2、函数关系

对数穿透定律根据以上假定有：-dN/dL=KN，ln(N/N0)=-KLlg(N/N0)=-K'L

此式称为对数穿透定律，它表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数．

为了实验和计算的方便，可采用过滤效率为0.9时的滤层厚度作为对比基准：

ln(N/N0)=ln0.1=-KL90;lg(N/N0)=lg0.1=-K'L90L90=2.303/K;L90=1/K'

dN/dL—单位滤层所除去的微粒数（个/厘米）

K,K'——过滤常数（决定与过滤介质的性质和操作情况）（1/厘米）34第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

（二）相关问题１、对数穿透定律的校正（自修）

２、过滤压力降35第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

２、压力降计算气体通过过滤层时的压力降可按下式计算：

L:滤层厚度，米

ρ：空气密度，公斤/米3;30℃,1.5atm(表压)时，ρ=2.92kg/m3;38℃,1.7atm(表压)时，ρ=3.07kg/m3α：介质填充率

v0：空气的流速，米/秒；v0=vs/(1-α),vs:滤层器空罐气速，米/秒

df：纤维直径，米

m：实验指数，棉花介质m=1.45，19μm玻璃纤维m=1.35，8μm玻璃纤维m=1.55，14μm玻璃纤维m=1.40c：阻力系数，是雷诺数的函数，雷诺数Re=df·v0·ρ/μ,μ:空气黏度，30℃时空气黏度μ=1.86×10-5(Pa.s)

棉花介质c=100/Re玻璃纤维介质c=52/Re36第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

（三）提高过滤效率的措施

1.减少进口空气的含菌数。可以从以下几个方面着手：

（1）加强生产环境卫生管理，减少环境空气含菌量；

（2）提高空气进口位置（高空采风），减少空气进口的含菌量；

（3）加强压缩前的空气预过滤。

2.设计和安装合理的空气过滤器。

3.降低进入总过滤器空气的相对湿度。

（1）采用无油润滑空压机；

（2）加强空气的冷却，去油水；

（3）提高进入总过滤器空气温度，降低其相对湿度。37第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

三、计算举例

设计一台通风量为50M/min的棉花活性炭空气过滤器，空气压力为0.4MPa(绝对压力)，已知棉花纤维直径d=16微米，填充系数α=8%，空气线速度为0.1M/sec，若进入空气过滤器的空气含菌量是5000个／M，要求因空气原因引起的倒罐率为０.１%，发酵周期100hr。工作温度为40℃，平均气温为20℃，计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。

表纤维直径d=16微米，填充系数α=8%时棉花纤维的K'值

空气流速v(M/sec)0.050.100.501.02.03.0k'(1/cm)0.1930.1350.10.1951.322.55

解：查表：当v0=0.1M/sec,K'=0.135N1=5000×50×60×100=1.5×109

N2=10-3

L=lgN2/N1/-k’=-12.18/-0.135=90.2(cm)

P1=0.1MPaP2=0.4MPa

V1=50M/min=0.83M/secV2=V1P1T2/P2T1=0.22M/sec

D=1.67M答:该空气过滤器的过滤介质厚度为90.2cm，过滤器直径为1.67M38第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

２、一点疑问（Ｄ是否需要取整）

有人说，D值算出来是多少，不能变，即不能取整，否则Vs就变了。一变就不能控制在惯性冲击留所需的范围内，也就是说过滤效率就受到影响。这种说法是不正确的。

这是因为，我们在作题时的一切参数都是规定了的，但在实际生产中，V1是可变因素，进料，洗罐，空消，调节空气比等都会使V1发生变化，则V2也会发生变化。那么根据D的公式，要保持Vs不变，那么D每时每刻都要变化，这是不可能的。

既然D是变的，则Vs随V的变化而变化，即Vs不能恒定。要使Vs恒定V也要恒定，则会出现在生产中用气量少时，要把一部分气放掉，造成浪费。再者，D不按国标尺寸，即为非标设备，加工费将大大增加。

因此，在计算的过程中，D是需要取整的。39第二节过滤除菌设备原理、结构和计算

四、过滤介质和过滤器的结构

过滤介质是过滤除菌的关键，它的好坏不但影响到介质的消耗量，过滤过程动力消耗（压力降），操作劳动强度，维护管理等，而且决定设备的结构、尺寸，还关系到运转过程的可靠性。过去一直采用棉花纤维或玻璃纤维结合活性炭使用，由于缺点不少，近年来，很多研究者按不同的作用机理寻求新的过滤介质，并测试其过滤性能，如超细玻璃纤维，其他合成纤维，微孔烧结材料和超滤微孔薄膜等。

（一）常用过滤介质１、棉花２、玻璃纤维３、活性炭４、超细玻璃纤维纸５、石棉滤板６、烧结材料过滤介质７、新型过滤介质40空气过滤除菌介质１、棉花：纤维细长，16-20um，填充150-200kg/立方米２、玻璃纤维：直径8-19um，直径越小越好，但小易断，缺点：更换时碎末飞扬，过敏３、活性炭：大表面，物理吸附，空气阻力小，常夹带在二层棉花中降低阻力，为整个过滤器的1/3-1/2４、超细玻璃纤维纸:以拦截为主，直径1-1.5um，有较高过滤效率。缺点为强度差，受温后纤维松散。只用于分过滤器。可加入木浆纤维或其他纤维或采用树脂并加疏松剂。５、石棉滤板：蓝石棉20％加80％纸将混合打浆。温强度大，过滤效率低，耐蒸气反复杀菌。６、烧结材料过滤介质：聚乙烯醇过滤板。７、新型过滤介质：微孔滤膜41影响介质过滤效率的因素

介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流量有关。42提高过滤除菌效率的措施鉴于目前所采用的过滤介质均需要干燥条件下才能进行除菌，因此需要围绕介质来提高除菌效率。（1）设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。（2）设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质。（3）保证进口空气清洁度，如加强生产场地卫生管理，正确选择进风口，加强空气压缩前的预处理。（4）降低进入空气过滤器的空气相对湿度，如使用无油润滑的空气压缩机，加强空气冷却和去油，提高进入过滤器的空气温度。43空气过滤器的操作要点为了使空气过滤器始终保持干燥状态,当过滤器用蒸气灭菌时,1、应事先将蒸汽管和过滤器内部的冷凝水放掉,灭菌蒸汽的压力应保持在0.17~0.2MPa(表压).2、开始时先将夹套预热(有的空气过滤器无夹套则不需预热),然后将蒸汽直接冲入介质层中:小型过滤器的灭菌时间约为半小时,蒸汽从上向下冲;大型过滤器的灭菌时间约为lh,蒸汽一般先从下向上冲半小时,再从上向下冲半小时.3、过滤器灭菌后应立即引入空气,以便将介质层内部的水分吹出,但温度不宜过高,以免介质被烤焦或焚化.蒸汽压力和排气速度不宜过大,以避免过滤介质被冲翻而造成短路.44空气过滤器的操作要点在使用过滤器时,如果发酵罐的压力大于过滤器的压力(这种情况主要发生在突然停止进空气或空气压力忽然下降),则发酵液会倒流到过滤器中来.因此,在过滤器通往发酵罐的管道上应安装单向阀门,操作时必须予以注意.AB45单向阀又名止回阀，作用是只允许流体顺箭头所标方向单向流动，不允许逆向流动。止回阀是借助弹簧力和阀芯自重的合力起到止逆作用的。如图AB图单向阀A．小型结构B．大型双筒结构

特点：只允许流体单方向流动。应用：只能在单向开关的特殊情况下使用。46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。47（二）过滤器的结构

１、棉花—活性炭过滤器

棉花是最常用的过滤介质，通常要用纤维不太长的原棉，因为它具有一定的弹性，虽然几经湿热灭菌，干燥后仍能保持原有的疏松状态。棉花的过滤阻力较活性炭大（10-12倍）。

活性炭通常被加工成粒状，其过滤效率比棉花低，但具有阻力小，吸附力强（可吸附空气中有害物质，如油、水）的特点，通常与棉花介质一起使用，减少过滤层的阻力。

48棉花活性炭过滤器的过滤效率可达99%，其过滤介质装填为：上部和下部装填棉花，其厚度为总过滤层的2*（1/4~1/3），中间再装入1/2~1/3厚度的活性炭。一般棉花的填充密度为150~200公斤/米3，活性炭40~450公斤/米3。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49棉花、活性炭过滤器

弹簧压紧装置

１——壳体２——过滤介质３——压紧花板４——压紧螺杆５——压紧支座６——弹簧套７——弹簧50２、玻璃纤维过滤器玻璃纤维过滤器的结构同棉花活性炭过滤器,因其过滤阻力小,通常取消活性炭层,三层均用玻璃纤维,层与层之间有一定空间,使气流在此空间进行再颁,避免气流在过滤介质中短路,有助于提高过滤效率。51３、超细玻璃纤维纸过滤器图21平板式超细玻璃纤维纸分过滤器

１-上板孔２-垫圈３-铜丝网４-麻布５-滤纸６-麻布７-铜丝网８-垫圈９-下板孔52４、维尼纶纤维过滤器图22框式高效空气过滤器图23框式高效空气过滤器53５、PVA（聚乙烯醇）图24圆筒型PVA空气过滤器

1--PVA过滤层2--壳体图25原板型PVA过滤层断面546、金属微孔膜管式过滤器图27金属微孔膜管式过滤器

图26金属微孔膜滤芯55７、膜过滤介质图28膜过滤器滤芯彩色图56GS-NB型系列折叠式过滤器图29GS-NB型折叠式过滤器57本章内容第一节空气除菌第二节过滤除菌设备原理结构和计算第三节空气过滤除菌流程

58第三节空气过滤除菌流程过程一、对空气除菌流程的要求二、空气除菌流程分析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定的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。

59第三节空气过滤除菌流程

一、对空气除菌流程的要求

要制备较高无菌程度，具有一定压力的无菌空气，要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简设备投资、运转费用和动力消耗，简便操作。流程的制订就根据所在的地理、气候环境和设备条件而考虑。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。60第三节空气过滤除菌流程

发酵生产中制备无菌空气的大致过程如下：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分离器

除雾气加热器总过滤器

分过滤器

无菌空气61第三节空气过滤除菌流程

二、空气除菌流程分析

发酵工厂所使用的空气除菌流程，随各地的气候条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。气流速度可由操作来控制；要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50%～60%的条件下过滤。62只有当压缩空气的相对湿度φ≤60%,高效过滤器内的过滤介质保持干燥时,空气通过高效过滤方能达到过滤的期望值。发酵空气净化实际上包括两部分:是空气的预处理;是选择性能优良的过滤介质和过滤设备。在满足φ≤60%的前提下,压缩空气以发酵罐温度为基准±3℃进罐为宜。63第三节空气过滤除菌流程

高空取气管

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。64第三节空气过滤除菌流程

除尘器

又称空气粗滤器，一般作为空气压缩机的附件，安排在空压缩机的空气进口，有的则单独设置。其结构为一个内装过滤介质的方形或园形器体。经过除尘器可把空气中的杂质，特别是硬度较大的灰尘过滤除掉，防止这些东西进入压缩机而使气缸磨损。图6空气粗滤器1粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，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。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。图6为填料式粗过滤器，一般用油浸铁回丝、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。65油浴洗涤装置的结构如图7所示。空气进入装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而被除去，经过油浴的空气因带有油雾，需要经过百叶窗式的圆盘，分离较大粒油雾，再经过滤网分离小颗粒油雾后，由中心管吸入压缩机。这种洗涤器效果比较好，对有分离不净的油雾带入压缩机时也无影响，阻力也不大，但耗油量大。水雾除尘装置结构如图8所示。空气从设备底部进入，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附沉降，从器底排出。带有微细小雾的洁净空气经上部过滤网过滤后排出，进入压缩机经洗涤后的空气可除去大部分的微粒和小部分微小粒子，一般对0.5μm粒子的过滤效率为50％～70％，对1.0μm粒子的除去效率为55％～88％，对5μm以上粒子的除去效率为90％～99％。洗涤室内空气流速不能太大，一般在1～2m/s的范围，否则带出水雾太多，会影响压缩机，降低排气量。图7空气粗滤器21-滤网2-加油斗3-油镜4-油层图8空气粗滤器366第三节空气过滤除菌流程

空气压缩机

供给发酵用的无菌空气需要克服过滤介质的阻力，管道、弯头的阻力和发酵液的液柱压力，同时，还要维持发酵罐正压，因此在生产中通过压缩机将空气压力提高到3.5~4.0公斤（表压）。图为压缩机平面图：最理想设备是涡轮式空气压缩机，尤其是无油润滑空气压缩机67两种型号的无油润滑空气压缩机图9是两种型号的无油润滑空气压缩机彩色照片。但目前往复式压缩机还是广泛地用于生物工业生产上。

68第三节空气过滤除菌流程

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69冷却器

空气进入空气压缩机被压缩时，一部分动能转化成热能使空气温度升高，一般可达144ºC左右，而发酵生产所需空气的温度为30~34ºC左右，故需将空气冷却。常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等等。目前采用的冷却器多为列管式换热器。热空气中夹带的油、水蒸汽经冷凝，由器底的油水排出阀排除。图17空气冷却器70第三节空气过滤除菌流程

油水分离器气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。其形式很多，一般常用的有旋风式和填料式。旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。填料式分离器是利用填料的惯性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。71旋风分离器的结构与操作原理构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心力大，故逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿壁面落下，自锥体排出进入灰斗。净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上做旋转运动，最后经顶部排气管排出。通常，将下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流。内、外旋流的旋转方向相同。外旋流的上部是主要除尘区。操作原理：含尘气体由进气管进入旋风分离器后，沿圆筒的切线方向，自上而下作圆周运动。7273主要结构参数为筒体直径D，其它尺寸以D为标准，如图示。〖特点〗：结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广，可用多种材料制造，是化工、轻工、冶金等部门常用的分离和除尘设备。〖说明〗旋风分离器一般用来除去气流中粒径5μm以上的尘粒，对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒的聚集作用，它甚至能除去3μm以下的颗粒。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。

74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抽雾。其结构如图15所示，各种类型的瓷环见图16。瓷坏比表面积为87.5～204m2/m3，而0.l～0.4mm直径丝网的比表面积高达1000～2000m2/m3。因此要达到一定的分离效果，采用瓷环作填料的分离设备要做得比较庞大。图15填料分离器图16各种类型的瓷环75第三节空气过滤除菌流程

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加热器，（一般使用列管换热器，也可用夹套加热器）。但温度不能加的太高，不然要引起总过滤器的棉花的自燃，而后失去过滤器效果。图18空气加热器76第三节空气过滤除菌流程

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。

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，为一个中间夹有填料瓷环的容器，油水雾滴遇到填料瓷环便凝聚下来，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

7778空气净化的流程吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤进入空气压缩机（120-150℃）冷却（20-25℃），除去油、水，再加热至30-35℃。最后通过总过滤器和分过滤器除菌，获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。79标准路线示意图该流程系80年代初由华东化工学院等单位提出。其工艺成熟,操作方便,适应各种气候条件,不受大气的绝对湿含量和相对湿度的影响。80高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程

这是比较完善的空气除菌流程，对各种气候环境条件都能适应。分离水分效率较高，并能使空气在达到较低的相对湿度时进行过滤，提高了过滤效率。此流程的特点是：两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。81混合型路线示意图适用于中等湿含量的地区,其特点是将部分来自空压机的热空气不经冷却,而直接与大部分经降温除水的冷空气混合进入过滤器,可省去加热器;气体进过滤器的控制指标与流程1相同;流程比较简单,冷却水用量相对节省。流程控制的关键是:空气的冷却温度和空气分配比的关系会随采风口所吸取空气的参数而变化。82

冷热空气直接混合式空气除菌流程

此流程适用于中等湿含量的地区。它的特点是：可省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，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，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60%。83一、湿度X湿空气中所含有的水蒸气质量与所含的绝干空气质量之比，称为湿度或者湿含量。

P—空气总压强,—干空气的分压强此式与上式合并得Gw----水蒸气的质量，kg,Gg-----干空气质量，kgMw-水蒸气的相对分子量，Mg---空气的平均分子量，Pw—水蒸气的分压强湿空气的性质84二、相对湿度：空气中的水蒸汽分压与同温度下的饱和水蒸汽压之比为相对湿度或相对湿含量：

—空气中水蒸汽分压（Pa）

—同温下水的饱和蒸汽压（Pa）85例1：某除菌流程，空气压力为4atm（表压），要求空气加热到35℃时，相对湿度=60%，问第二级冷却器应至少把空气冷却到多少度？（假设冷却后的空气中不含水雾）假设告诉显示：湿含量不变86解：查表得35℃时空气中的饱和水蒸汽分压=5619Pa，加热前冷空气的相对湿度=100%，加热前后空气湿含量没有发生变化，，加热前后压力不变。查水蒸汽分压表得知26℃水的蒸汽压