這是一個關(guān)于空氣過濾除菌工藝流程圖PPT課件，包括了空氣中微生物的分布，空氣除菌方法，過濾除菌的機(jī)理，空氣過濾除菌的流程，介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算等內(nèi)容，第4章 空氣除菌的工藝及設(shè)備 空氣中微生物的分布 空氣除菌方法 過濾除菌的機(jī)理 空氣過濾除菌的流程 介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算 空氣除菌的必要性 發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)是利用好氣性微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，空氣則是微生物生長和代謝必不可少的條件。但空氣中含有各種各樣的微生物，這些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會迅速大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物；干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)率下降，甚至徹底失敗。因此，無菌空氣的制備就成為發(fā)酵工程中的一個重要環(huán)節(jié)�？諝鈨艋�的方法很多，但各種方法的除菌效果、設(shè)備條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各不相同。實(shí)際生產(chǎn)中所需的除菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定，既要避免染茵，又要盡量簡化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動力消耗。本章將討論合理選擇除菌方法，決定除菌流程以及選用和設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要的除菌設(shè)備等。4.1空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對空氣無菌程度的要求 4.1.1無菌空氣 發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含微生物含量降低在一個極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會。滿足發(fā)酵生產(chǎn)的空氣稱為“無菌空氣”，歡迎點(diǎn)擊下載空氣過濾除菌工藝流程圖PPT課件。

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第4章 空氣除菌的工藝及設(shè)備 空氣中微生物的分布 空氣除菌方法 過濾除菌的機(jī)理 空氣過濾除菌的流程 介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算 空氣除菌的必要性 發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)是利用好氣性微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，空氣則是微生物生長和代謝必不可少的條件。但空氣中含有各種各樣的微生物，這些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會迅速大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物；干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)率下降，甚至徹底失敗。因此，無菌空氣的制備就成為發(fā)酵工程中的一個重要環(huán)節(jié)�？諝鈨艋�的方法很多，但各種方法的除菌效果、設(shè)備條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各不相同。實(shí)際生產(chǎn)中所需的除菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定，既要避免染茵，又要盡量簡化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動力消耗。本章將討論合理選擇除菌方法，決定除菌流程以及選用和設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要的除菌設(shè)備等。 4.1空氣中微生物的分布和發(fā)酵工業(yè)對空氣無菌程度的要求 4.1.1無菌空氣 發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含微生物含量降低在一個極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會。滿足發(fā)酵生產(chǎn)的空氣稱為“無菌空氣”。 4.1.2空氣中微生物的分布?xì)夂驐l件人類活動垂直高度 各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數(shù)量也隨條件的變化而異，一般設(shè)計(jì)時以含量為103~104個／m3進(jìn)行計(jì)算。 4.1.3發(fā)酵對空氣無菌程度的要求 各種不同的發(fā)酵過程，由于所用菌種的生長能力、生長速度、產(chǎn)物性質(zhì)、發(fā)酵周期、基質(zhì)成分及pH值的差異，對空氣無菌程度的要求也不同。如酵母培養(yǎng)過程，其培養(yǎng)基以糖源為主，能利用無機(jī)氮，要求的pH值較低，一般細(xì)菌較難繁殖，而酵母的繁殖速度又較快，能抵抗少量的雜菌影響，因此對無菌空氣的要求不如氨基酸、抗生素發(fā)酵那樣嚴(yán)格。而氨基酸與抗生素發(fā)酵因周期長短不同，對無菌空氣的要求也不同。總的來說，影響因素是比較復(fù)雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。一般按染菌機(jī)率為10-3來計(jì)算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1~2次染菌。注意 雖然一般懸浮在空氣中的微生物，大多是能耐惡劣環(huán)境的孢子或芽孢，繁殖時需要較長的調(diào)整期。但是在陰雨天氣或環(huán)境污染比較嚴(yán)重時，空氣中也會懸浮大量的活力較強(qiáng)的微生物，它進(jìn)入培養(yǎng)物的良好環(huán)境后，只要很短的調(diào)整期，即可進(jìn)入對數(shù)生長期而大量繁殖。一般細(xì)菌繁殖一代僅需20~30min，如果進(jìn)入一個細(xì)菌，則繁殖15h后，可達(dá)109個。如此大量的雜菌必使發(fā)酵受到嚴(yán)重干擾或失敗，所以計(jì)算是以進(jìn)入1、2個雜菌即失敗作為依據(jù)的。 4.1.4空氣含菌量的測定 空氣是許多氣態(tài)物質(zhì)的混合物，主要成分是氮?dú)夂脱鯕�，還有惰性氣體及二氧化碳和水蒸汽。除氣體外，尚有懸浮在空氣中的灰塵，而灰塵主要由構(gòu)成地殼的無機(jī)物質(zhì)微粒、煙灰和植物花粉等組成。一般城市灰塵多于農(nóng)村，夏天多于冬天，特別是氣候溫和濕潤地區(qū)，空氣中的菌量較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大城市每立方米空氣中的含菌數(shù)約為3000~10000個。要準(zhǔn)確測定空氣中的含菌量來決定過濾系統(tǒng)或查定過濾空氣的無菌程度是比較因難的。 4.2 空氣除菌方法對空氣的要求隨發(fā)酵類型不同而異 厚層固體曲需要的空氣量大，壓力不高，無菌度不嚴(yán)格，可選用離心式通風(fēng)并經(jīng)適當(dāng)?shù)目照{(diào)處理(溫、濕)就可以了；酵母培養(yǎng)消耗空氣量大，無菌度也不十分嚴(yán)格，但需要一定壓力以克服發(fā)酵罐的液柱阻力，所以一船采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)或高壓離心式鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)； 而對于密閉式深層好氣發(fā)酵則需要嚴(yán)格的無菌度，必須經(jīng)過除菌措施，由于空氣中含有水分和油霧雜質(zhì)，又必須經(jīng)過冷卻、脫水、脫油等步驟，因此，無菌空氣的制備須經(jīng)過一個復(fù)雜的空氣處理過程。同時，為了克服設(shè)備和管道的阻力并維持一定的罐壓，需采用空氣壓縮機(jī)�？諝獬�菌的方法 4.2.1輻射滅菌 α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì)，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。但應(yīng)用較廣泛的還是紫外線，它在波長為226.5~328.7nm時殺菌效力最強(qiáng)，通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。但殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。 4.2.2加熱滅菌 雖然空氣中的細(xì)菌芽孢是耐熱的，但溫度足夠高也能將它破壞。例如懸浮在空氣中的細(xì)菌芽孢在218°C下24s就被殺死。但是如果采用蒸汽或電熱來加熱大量的空氣，以達(dá)到滅菌目的，這樣太不經(jīng)濟(jì)。利用空氣壓縮時產(chǎn)生的熱進(jìn)行滅菌對于無菌要求不高的發(fā)酵來說則是一個經(jīng)濟(jì)合理的方法； 采用加熱滅菌法時，要根據(jù)具體情況適當(dāng)增加一些輔助措施以確保安全。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)低，受熱不很均勻，同時在壓縮機(jī)與發(fā)酵罐間的管道難免有泄漏，這些因素很難排除，因此通常在進(jìn)發(fā)酵罐前裝一臺空氣分過濾器。 4.2.3靜電除菌 靜電防塵是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，其孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒進(jìn)入高壓靜電場時都會被電離變成帶電微粒。但對于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，則微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。 用靜電除菌凈化空氣有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)阻力小，約1.01325×104Pa； (2)染菌率低，平均低于10~15％； (3)除水、除油的效果好； (4)耗電少。缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，需要采用高壓電技術(shù)，且一次性投資較大；對發(fā)酵工業(yè)來說，其捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。 4.2.4介質(zhì)過濾 介質(zhì)過濾是目前發(fā)酵工業(yè)上常使用的空氣除菌方法。它采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻截流過的空氣中所含的微生物，從而制得無菌空氣。常用的過濾介質(zhì)有棉花；活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無機(jī)燒結(jié)材料等。由于被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小，一般只有0.5~2μm，而過濾介質(zhì)的材料一般孔徑都大于微粒直徑幾倍到幾十倍，因此過濾機(jī)理比較復(fù)雜；隨著工業(yè)的發(fā)展，過濾介質(zhì)逐漸由天然材料棉花過渡到玻璃纖維、超細(xì)玻璃纖維和石棉板、燒結(jié)材料(燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料)、微孔超濾膜等。而且過濾器的形式也在不斷發(fā)生變化，出現(xiàn)了一些新的形式和新的結(jié)構(gòu)，把發(fā)酵工業(yè)中的染菌控制在極小的范圍。 4.3 過濾除菌的機(jī)理 目前發(fā)酵工廠采用的空氣過濾設(shè)備大多數(shù)是深層過濾器和玻璃纖維過濾紙過濾器，所用的過濾介質(zhì)一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纖維、焦炭和超細(xì)玻璃纖維、維尼龍等。對不同的材料、不同規(guī)格、不同填充情況，都會得到不同的過濾效果。 空氣溶膠的過濾除菌原理與通常的過濾原理不一樣，一方面是由于空氣溶膠中氣體引力較小，且微粒很小，常見懸浮于空氣中的微生物粒子在0．5~2μm之間，深層過濾所用的過濾介質(zhì)----棉花的纖維直徑一般為16~ 20μm，填充系數(shù)為8％時，棉花纖維所形成的孔隙為20~50μm；超細(xì)玻璃纖維濾板因纖維直徑很小，為1~1．5μm。微粒隨氣流通過濾層時，濾層纖維所形成的網(wǎng)格阻礙氣流直線前進(jìn)，使氣流無數(shù)次改變運(yùn)動速度和運(yùn)動方向，繞過纖維前進(jìn)。這些改變引起微粒對濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、重力沉降、阻攔、布朗擴(kuò)散、靜電吸引等作用而將微粒滯留在纖維表面上。 4.3.1擴(kuò)散捕集作用直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的運(yùn)動，稱為布朗擴(kuò)散。擴(kuò)散運(yùn)動的距離很短，在較大的氣流速度和較大熱纖維間隙中是不起作用的，但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中，擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機(jī)會，從而被捕集。 4.3.2慣性捕集作用慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用，其大小取決于顆粒的動能和纖維的阻力，也就是取決于氣流的流速。慣性力與氣流流速成正比，當(dāng)流速過低時，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當(dāng)空氣流速增至足夠大時，慣性捕集則起主導(dǎo)作用。纖維的碰撞滯留效率等于零，這時的氣流速度稱為慣性碰撞的臨界速度vc。vc是空氣在纖維網(wǎng)格間隙的真實(shí)速度，它與容器空截面時空氣速度vs的關(guān)系受填充密度α的影響。臨界速度vc的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。 4.3.3攔截捕集作用 氣流速度降低到慣性捕集作用接近于零時，此時的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著下降。但實(shí)踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的捕集效率又回升，說明有另一種機(jī)理在起作用，這就是攔截捕集作用； 微生物微粒直徑很小，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻，從而改變流動方向，繞過纖維前進(jìn)，而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢，進(jìn)到滯流區(qū)的微粒慢惕靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱為攔截捕集作用。攔截捕集作用對微粒的捕集效率與氣流的雷諾準(zhǔn)數(shù)和微粒與纖維直徑有關(guān)。 4.3.4重力沉降作用微粒雖小，但仍具有重力。當(dāng)微粒重力超過空氣作用于其上的浮力時，即發(fā)生一種沉降加速度。當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就發(fā)生沉降現(xiàn)象。就單一重力沉降而言，大顆粒比小顆粒作用顯著，一般50μm以上的顆粒沉降作用才顯著。對于小顆粒只有氣流速度很慢時才起作用。重力沉降作用一般是與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)。微粒的沉降作用提高了攔截捕集作用。 4.3.5靜電吸附作用干空氣對非導(dǎo)體的物質(zhì)作相對運(yùn)動摩擦?xí)r，會產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，對于纖維和樹脂處理過的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。有人測定微生物孢子帶電情況時發(fā)現(xiàn)，約有75％的孢子具有l(wèi)~60負(fù)電荷單位，15％的孢子帶有5~14正電荷單位，其余10％則為中性，這些帶電荷的微粒會被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個范疇，如活性炭的大部分過濾效能應(yīng)是表面吸附作用。 上述機(jī)理中，有時很難分辨是哪一種單獨(dú)起作用�？偟膩碚f：當(dāng)氣流速度較大時(約大于0.1m/s)，慣性捕集是主要的。除菌效率隨氣流速度增加而增加流速較小時，擴(kuò)散作用占優(yōu)勢。而在兩者之間，可能是攔截作用占優(yōu)勢。以上幾種作用機(jī)理在整個過程中，隨著參數(shù)變化有著復(fù)雜的關(guān)系，目前還未能作準(zhǔn)確的理論計(jì)算。 4.4 空氣過濾除菌的流程 4.4.1空氣凈化的工藝要求空氣過濾除菌流程是生產(chǎn)對無菌空氣要求具備的參數(shù)(如無菌程度、空氣壓力、溫度等)，并結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用空氣除菌設(shè)備的特性，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制訂的。 1.要求的低壓無菌空氣可直接采用一般鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過濾器，經(jīng)一、二次過濾除菌而制得。如無菌室、超凈工作臺等用作層流技術(shù)的無菌空氣就是采用這種簡單流程。 2.供給發(fā)酵用的無菌空氣，需要克服介質(zhì)阻力、發(fā)酵液靜壓力和管道阻力，故一般使用空壓機(jī)； (1)首先將進(jìn)入空壓機(jī)的空氣粗濾，濾去灰塵、沙土等固體顆粒。這樣還有利于空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高空壓機(jī)的壽命； (2)將經(jīng)壓縮后的熱空氣冷卻，并將析出的油、水盡可能地除掉。常采用油水分離器與去霧器相結(jié)合的裝置； (3)為防止往復(fù)壓縮機(jī)產(chǎn)生脈動，和一般的空氣供給一樣，流程中需設(shè)置一個或數(shù)個貯氣罐； (4)空氣過濾器一般采用二臺總過濾器(交叉使用)和每個發(fā)酵罐單獨(dú)配備分過濾器相結(jié)合的方法，以達(dá)到無菌。 4.4.2過濾除菌的一般流程空氣過濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進(jìn)行壓縮前過濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。從空氣壓縮機(jī)出來的空氣(一般壓力在0.2MPa以上，溫度120~160°C)，先冷卻至適當(dāng)溫度(20~25°C)除去油和水，再加熱至30~35°C，最后通過總空氣過濾器和分過濾器(有的不用分過濾器)除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空氣；在空氣處理工藝過程中，各種設(shè)備系圍繞兩個目的：一是提高壓縮前空氣的質(zhì)量(潔凈度)；另一個是去除壓縮空氣中所帶的油和水。 1．提高壓縮前空氣的質(zhì)量 主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強(qiáng)吸入空氣的壓縮前過濾。 (1)空氣吸氣口提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。據(jù)報(bào)道，吸氣口每提高3．05m，微生物數(shù)量減少一個數(shù)量級。由于空氣中的微生物數(shù)量因地區(qū)、氣候而不同；因此吸氣口的高度也必須因地制宜，一般以離地面5~10m為好。在吸氣口處需要設(shè)置防止顆粒及雜物吸入的篩網(wǎng)(也可以裝在粗過濾器上)，以免損壞空氣壓縮機(jī)； (2)粗過濾器吸入的空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)前先通過粗過濾器過濾，可以減少進(jìn)入空氣壓縮機(jī)的灰塵和微生物，減少往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞和氣缸的磨損，減輕介質(zhì)過濾除菌的負(fù)荷。常用的粗過濾器有油浸鐵絲網(wǎng)、泊浸鐵環(huán)和泡沫塑料等。 2．去除壓縮空氣中所帶的油和水 （1）一級空氣冷卻器用30°C左右的水，把從壓縮機(jī)出來的120°C或150°C的空氣冷卻到40~50°C左右；（2）二級空氣冷卻器用9°C冷凍水或15~18°C地下水，把40~50°C的空氣冷卻到20~25°C。冷卻后的空氣，其相對濕度提高到100%，由于溫度處于露點(diǎn)以下，其中的油、水即凝結(jié)為油滴和水滴；（3）空氣貯罐用以沉降大的油滴和水滴及穩(wěn)定壓力；（4）旋風(fēng)分離器用以分離50μm以上的液滴及部分較小的液滴。 （5）絲網(wǎng)除沫器用以分離5μm以上的液滴。使用絲網(wǎng)除沫器需控制好空氣的流速，并不斷去掉凝結(jié)下來的油水。在空氣壓力為0.2Mpa（表壓）的情況下，最佳的空氣流速應(yīng)為1~2m／s(空床速度)，在此操作條件下可以去掉較小的霧滴；（6）空氣加熱器分離油、水以后的空氣的相對濕度仍然為100％，當(dāng)溫度稍微下降時(例如冬天或過濾器阻力下降很大時)就會析出水來，使過濾介質(zhì)受潮。因此，還必須使用加熱器來提高空氣溫度，降低空氣的相對濕度(要求在60％以下)，以免析出水來。 4.5 介質(zhì)過濾除菌的設(shè)備及計(jì)算 4.5.1深層過濾效率和過濾器的計(jì)算 1．對數(shù)穿透定律研究過濾器的過濾規(guī)律時，先排除一些復(fù)雜的因素，假定： (1)過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰近纖維的存在而受影響； (2)空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流帶走； (3)過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)； (4)空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。這樣，空氣通過單位濾。層后，微粒濃度下降量與進(jìn)入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比。 對數(shù)穿透定律 上式稱為對數(shù)穿透定律，它表示進(jìn)入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對數(shù)是濾層厚度的函數(shù)。N2/N1稱為微粒通過介質(zhì)的穿透率，以P表示，則介質(zhì)層過濾效率η用l-P表示。Y2F紅軟基地