净化除菌设备

第三章净化除菌设备讲授内容空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求空气除菌的方法介质过滤除菌的机理介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的设备及计算【教学目的与要求】了解发酵工业对空气除菌的要求，掌握空气除菌的方法、流程及设备和设计计算。【教学重点与难点】空气除菌的方法、介质过滤除菌工艺流程、设备和计算。思考题:1.名词解释:过滤除菌效率穿透率2.设计一适合南方环境的空气净化流程，并说明理由。过滤除菌流程有那些?特点和适用范围

某发酵罐通风量为15m3/min，发酵周期100h，设计一台的棉花过滤器，(已知空气流速=0.1m/s，此时过滤常数K’=13.5/m)进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，求到罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)。计算过滤器的滤层厚度和直径。第一节空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求

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。

空气中微生物的种类及大小

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，一般设计可认为大气中微生物含量为103~104个/m3进行计算。种类宽um长um种类宽um长um产气杆菌蜡状芽孢杆菌普通变形杆菌地衣芽孢杆菌巨大芽孢杆菌蕈状芽孢杆菌1-1.51.3-20.5-10.5-0.70.9-2.10.6-1.61-2.58.1-25.81.0-3.01.8-3.32.0-101.6-13.6枯草芽孢杆菌金黄色小球菌酵母菌病毒霉状分枝杆菌0.5-1.10.5-1.03.0-5.00.0015-0.2250.6-1.61.6-4.80.5-1.05.0-19.0.0015-0.281.6-13.6三、生物工业生产对空气质量的要求包括两个内容：操作环境净化要求通入发酵罐的无菌空气的要求

滤芯（器）消毒是一个日常操作工序。空气中的含菌量随环境不同而有很大差异：过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。10－6米＝10－3毫米过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。⑵纤维或颗粒状过滤介质在使用过滤器时，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。一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。要求：过滤效率要高，阻力要小；活性炭44%第四节介质过滤除菌的工艺流程通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)。df——纤维直径m01μm，过滤效率99.三、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。影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具体的工艺要求。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次染菌。四、空气含菌量的测定培养法：微生物学中已介绍过光学法：用粒子计数器通过微粒对光线的散射作用来测量粒子的大小和含量。第二节空气除菌的方法辐射灭菌加热灭菌静电除菌介质过滤除菌

一、辐射杀菌1、原理α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，而起到杀菌作用。常用的是紫外线，波长253.7~265nm杀菌力最强，杀菌强度与紫外线强度呈正比，与距离的平方成反比。2、应用范围用于空气对流不大的环境：无菌室和医院手术室。3、缺点杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛熏蒸或苯酚喷雾来保证无菌室的无菌程度。对霉菌甲醛效果稍差、一般采用硫磺熏蒸。二、加热灭菌：热杀菌是有效、可靠的杀菌方法。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。但采用蒸汽、电加热空气杀菌，经济上不合理。三静电除菌利用静电引力吸附带电离子达到除菌除尘目的。优点1、除尘效率效果好，最佳条件下对1微米的微粒可达99%，一般在85%~99%。2、耗电少。每处理1000m3~0.8kW。3、阻力小设备不大。30~150Pa，4、染菌率低，平均低于10~15％缺点：维护安全技术措施要求高，设备庞大、一次性大。捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。由两部分组成:电离部分、除尘部分。四.过滤除菌最常用的方法采用定期灭菌的干燥过滤介质阻截流过的空气中的微生物、尘埃达到除菌目的。孔隙大于微生物直径按孔隙两类需要一定的滤层厚度孔隙小于微生物直径绝对过滤绝对过滤在发酵工业应用广泛，Millipor公司0.22μm膜过滤器，可反复进行蒸汽杀菌，英国的DH公司（DomnickHunrev）可直接除去噬菌体0.01μm。材质为聚偏氯乙烯、聚四氟乙烯、超细玻璃纤维第三节介质过滤除菌的机理滤材孔一、定义过滤除菌利用有孔介质从气体中除去微生物。洁净气体含微生物的气体1微米(m)等于:

10－6米＝10－3毫米3.9×10-5英寸又称"micron"微米小颗粒的相对尺寸8.040人发直径裸眼可见最小颗粒花粉红细胞酵母和真菌6.0100mm806020105.0沙雷氏菌假单胞菌

0.43.02.01.00.80.60.50.34.0mm小颗粒的相对尺寸大硅胶颗粒(20mm)铅笔墨点(40mm)红细胞(7mm)酵母细胞(3mm)典型细菌(0.2mm)α——介质填充系数df——纤维直径m重力沉降）3、阻力小设备不大。当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。⑴纸类过滤介质：玻璃纤维纸③过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。③能耐反复的消毒操作；过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。孔隙大于微生物直径工作温度：<60°CN1原空气所含微粒数个/m3对于一般要求的低压无菌空气，可直接采用一般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。c≈100/Re纤维作介质c≈52/Re10－6米＝10－3毫米一个空气过滤器的功能是从气体中去除污染物（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。二、空气过滤器的功能实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用。

“弯曲通道”存在于：

三、过滤机理㈠、拦截过滤：孔径小于颗粒直径，绝对过滤流体中的基本过滤机制本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒

颗粒大于孔径绝对截留-颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除容污能力可以用弯曲结构提高

筛网无此作用通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截不规则形状的颗粒/方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔不规则形状的搭桥直接拦截多个小颗粒的搭桥定义:拦截在过滤介质表面的颗粒堆积成颗粒层。当过滤介质表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的“滤饼”即已形成了。滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤介质，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高。滤饼㈡、孔径大于颗粒直径过滤介质的作用机理1、惯性撞击尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性颗粒离开流体主流而撞击到滤材上效率η1=b/df实践证明η是惯性力的无因次准数φ的函数。c——层流修正系数vo

——微粒空气的流速m/sdf——纤维直径mdp——微粒直径mρp——微粒密度kg/m3μ——空气黏度Pa.s当空气流速降低，惯性力降低，b宽度小效率降低，降到一定程度，φ=1/16，η=0此时的vo称为临界速度vo与df、dp有关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当流经过滤介质时流体或气体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。同一个发酵罐，风量变了，【教学目的与要求】了解发酵工业对空气除菌的要求，掌握空气除菌的方法、流程及设备和设计计算。材质为聚偏氯乙烯、聚四氟乙烯、超细玻璃纤维人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；停留的颗粒减小了滤孔孔径第三节介质过滤除菌的机理过滤除菌效率：滤层所滤去的微粒数（浓度）与原空气所含微粒数（浓度）的比值。此操作条件下的滤层厚度为：φ50~60%30~35℃特点：两次冷却、两次分离、适当加热。过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。“弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用。过滤介质：预过滤器为中空玻璃纤维或高效过滤纸，蒸汽过滤器为聚四氟乙烯,金属过滤器为金属粉末镍冶炼而成。停留的颗粒减小了滤孔孔径2、拦截滞留作用机理

当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。其捕集效率可用经验式：R=dp/df气流的雷诺数拦截颗粒被机械拦截或被吸附拦截在气体中比在液体中更有效.对大于0.5~1.0微米的颗粒很有效.表面相互作用：电荷不同微生物带正电荷与介质带的负电荷相反，通过时被吸附，再者空气通过介质，介质表面感应出很强的静电荷，将微生物颗粒吸附，以树脂处理过的纤维最明显。扩散拦截静电吸附作用4、布朗扩散作用机理气体分子(作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴布朗运动(Brownianmotion)碰撞的结果，增加了颗粒碰撞过滤介质的机会仅在气体中且气流速度很低有效。布朗扩散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布朗扩散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。

5、重力沉降

当颗粒所受到重力大于气流对它的拖带力时，颗粒沉降。稳定的分离效果。

㈢小结过滤介质的过滤/分离效率由于拦截过滤惯性撞击拦截滞留扩散拦截（布朗扩散、静电吸引、重力沉降）的共同作用而增强过滤机理总结拦截过滤惯性撞击扩散拦截（布朗扩散、静电吸引、重力沉降）过滤机理及其效率0.010.1110100颗粒直径(μm)5060708090100效率(%)0.3拦截过滤扩散拦截惯性撞击第四节介质过滤除菌的工艺流程

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订的，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。对于一般要求的低压无菌空气，可直接采用一般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。一、对空气除菌流程的要求流程的设备：主设备：空气压缩机蜗轮螺杆有油无油、附属设备：要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简没备流程，降低设备、运转费用和动力捎耗，简便操作。流程的制订应考虑：地理、气候环境：空气湿度、温度、压力、污染程度。菌种的工艺要求确定设备条件二、空气过滤除菌流程的分析发酵厂使用的空气除菌流程，随各地的气候条件及设备条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较高的过滤效率，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。主过滤器空气湿度50%~60%过滤效果最好

1.两级冷却、分离、加热流程特点：两次冷却、两次分离、适当加热。适合任何地区30~35℃20~25℃φ50~60%30~35℃去掉5.6.7.8，特点：简单适合空气温度6℃相对湿度80%或12℃，60%采用蜗轮压缩机。φ50~60%30~35℃特点：无菌程度高φ50~60%30~35℃4.冷热空气直接混合空气除菌流程特点：可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空气温度。此流程适用于中等混合量的地区。φ50~60%30~35℃第五节介质过滤除菌的设备及计算

一、深层过滤效率和过滤器的计算过滤除菌效率：滤层所滤去的微粒数（浓度）与原空气所含微粒数（浓度）的比值。N1原空气所含微粒数个/m3N2过滤后空气微粒数个/m3

穿透率：穿透过滤滤层的空气所含微粒浓度与原空气微粒浓度的比值。

过滤除菌效率+穿透率=？1.对数穿透定律：在研究空气过滤器的过滤规律，简化研究，做如下4个假定：①流经过滤介质的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微粒数。在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正比。

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

N——滤层中空气的微粒浓度，个/m3；L——过滤介质层的厚度，m；dN/dL——单位滤层除去的微粒数，个/m3；K、K’

——过滤常数。深层过滤除菌的对数穿透定律。表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比是过滤层厚度的函数。过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。为了方便计算采用过滤效率为90%的滤层厚度作对比对数穿透定律，是以四个假定为前提，对于滤层厚度较薄的过滤器是符合的，但对于滤层厚的过滤器产生偏差较大，且滤层厚后，微粒数递减不均匀，K值变化较大需要修正。过滤器的效率和操作条件密切相关除菌常数和过滤器的空气流速vs有关，vs过高过低对k值都有影响，设计时，应考虑vs的取值，以保证除菌效果。vsL90KL90空气流速和除菌常数的关系例如：一发酵罐每分钟需要空气10m3-1，空气的微生物浓度为200个/m3，发酵周期为100h，设计过滤器？(滤层厚度直径)解：No=10×60×100×200=1.2×107（个）滤层厚度：过滤器的直径：因故空气流速变为0.03m/s，此时K’-1，同一个发酵罐，风量变了，23每分钟进入过滤器的菌数：2×0.03×60×200=400个此操作条件下，每分钟从过滤出口的菌体数为达不到发酵对无菌空气的要求。在此操作条件下，要达到100h内从过滤器穿透的微生物数为0.001，介质的滤层厚度为：此操作条件下的滤层厚度为：远远大于0.151m，（没考虑风量是否达到要求）设计时须考虑K值和空气流速。可采用经验公式L——滤层厚度mρ——空气密度，kg/m3α——介质填充系数df——纤维直径mv——空气在介质间隙中的流速m/s

v=vs/(1-α)

m——C——阻力系数是Re的函数棉花介质c≈100/Re纤维作介质c≈52/Re二、过滤器的结构1，深层棉花、活性炭过滤器立式圆筒形，内部填充过滤介质，以达到除菌的目的。填充物的装填顺序如下：

孔板→铁丝网→麻布→棉花→麻布→活性碳→麻布→棉花→麻布→铁丝网→孔板过滤器直径的计算V工作压力下处理空气量m3/sv空气的流速（空截面气速）m/s一般取原则使过滤器在较高的气速下运行，效率和气速有关。2、滤纸过滤器3、金属过滤器（1）过滤器外壳图外壳滤芯接口图外壳示意图

（2）预过滤器气体预过滤器结构图（单芯）

气体预过滤器结构图（多芯）气体预过滤器外壳图

（3）过滤系统过滤系统由金属过滤器、预过滤器及蒸汽过滤器组成。预过滤器的作用是将空气前处理系统中的铁锈等杂物进行预滤。蒸汽过滤器则是阻挡蒸气管路中的锈蚀物和锅炉污垢等杂质。上述二种过滤器的功能是保护金属过滤器，延长其使用寿命。N1原空气所含微粒数个/m3颗粒被机械拦截或被吸附拦截L——过滤介质层的厚度，m；光学法：用粒子计数器通过微粒对光线的散射作用来测量粒子的大小和含量。因此，在过滤器通往发酵罐的管道上应安装单向阀门（止回阀），操作时必须予以注意。过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。合理的空气过滤器，选用过滤效率高的介质。空气过滤器的操作要点“弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用。5/m)进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，求到罐率为0.仅在气体中且气流速度很低有效。实践证明η是惯性力的无因次一、深层过滤效率和过滤器的计算ρ——空气密度，kg/m3df——纤维直径m（4）主要技术参数

过滤效率：99.9%过滤介质：预过滤器为中空玻璃纤维或高效过滤纸，蒸汽过滤器为聚四氟乙烯,金属过滤器为金属粉末镍冶炼而成。工作温度：预过滤器≤130℃蒸汽过滤器≤130℃金属过滤器≤130℃气体阻力：在额定流量下，进口压力0.1MPa时，初始压降小于0.01MPa。5、膜过滤（1）示意图（2）系统组成蒸汽过滤器预过滤器（粗）除菌过滤器（精）预过滤器形式：以管式、袋式、折叠式为主，也可以是填充床式、浮动床式的过滤器，以及离心机、真空机等过滤器材。预过滤器一般选用深层过滤器，在使用过程中要求有低的压降、高的容尘量和变动幅度小的过滤精度和效率。过滤介质：玻璃纤维复合毡（聚丙烯纤维复合毡）。技术参数：过滤效率:95%-99.9%工作温度:≤80℃除菌过滤器形式以板框式、管式、折叠式为主过滤介质：微过滤膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌过滤应具备的特点：①高的过滤精度；②大的通过量；③能耐反复的消毒操作；④强的亲水性或疏水性；⑤足够的使用强度。技术参数过滤效率：99.9999%工作温度：<60°C可耐最大压差：0.4MPa（25°C，正向）蒸汽灭菌：125°C±2°C，每次30min，可达160次各级过滤的配置各级过滤的配置问题主要有通过量与精度两个方面，不同的物料处理流程是有区别的。例如：在无菌空气的处理中，压缩机的前置过滤器精度一般为＞5μm，总过滤器的过滤精度一般为0.5μm，过滤效率95%左右，预过滤器的过滤精度为0.3μm，过滤效率约99%，除菌过滤器的精度为0.01μm，过滤效率99.9999%以上。消毒问题滤芯（器）消毒是一个日常操作工序。滤芯常见的消毒方法有蒸汽、热水和化学试剂消毒三种。蒸汽消毒要注意选择饱和蒸汽，一