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1、第三节 空气除菌,一 空气中的微生物二 空气除菌方法三 典型的空气除菌流程四 空气过滤设计,耗氧微生物在繁殖培养过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。但空气中含各种各样的微生物，会随着空气进入培养基中，在适宜的条件下，大量繁殖，消耗营养物质，产生代谢产物，干扰甚至破坏发酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等。,一 空气中的微生物,因此空气的除菌成为耗氧发酵的一个重要环节。,除菌的方法很多，如过滤除菌、热杀菌、静电除菌、辐射杀菌等，各种方法的除菌效果、设备条件、经济指标各不相同。,实际生产中所需要的除菌程度根据发酵工艺要求而定，即要避免染菌，又要尽量简化除菌流程，以
2、减少设备投资和正常运转的动力消耗。,（一）空气中微生物的分布 微生物在固体或液体培养物中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子，会随水分的蒸发、物料的移动被气流带入空气中或粘附在灰尘上而漂浮于气流中，故空气中含菌量随环境的不同而有很大的差异。,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:1)北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较多；2)离地面越高，含菌量越少；3)一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；4)城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少。,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。微生物大小不一，一般附着在空气
3、中的灰尘上或雾滴上。空气中微生物的含量一般为103104个米3。,1)好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要作到绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。2)不同的发酵，由于所采用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、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。,（二）发酵对空气无菌程度的要求,i 如酵母，培养基是以糖源为主，有机氮比较少，它能利用无机氮源、要求的pH值较低，在低pH值下，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，在繁殖过程中能抵抗少量的杂菌影响，因而对无菌空气的要求不如氨基酸、液体曲、抗生素发酵那么严格。ii 氨基酸与
4、抗生素发酵因周期长短的不同，对无菌空气的要求也不同。,3）无菌要求：在发酵过程中不因空气染菌而造成损失。一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经除菌后空气的无菌程度为N=10-3。,通常细菌繁殖一代只需20-30min，如果发酵过程中进入一个细菌，则繁殖15h后，可达到109（10亿)个。则大量的杂菌就使发酵受到严重干扰或失败，故是以进入1-2个杂菌即失败作为依据的。,4）空气含菌量测定 难以准确测定，一般采用培养法和光学法。目前我国采用Y-091型粒子计数器，是利用微粒对光线散射作用来测量粒子大小和数量的。总菌数的测定；重叠细菌则难以测准。,空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
5、破环生物体活性的方法较多，如辐射杀菌、加热杀菌、化学药物杀菌，都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力。而静电吸附和介质过滤的方法是把微生物的粒子用分离方法除去。,二 空气的除菌方法,工业发酵所需的无菌空气要求高，用量大，故选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。,理论上，声能、高能阴极射线、X射线、射线、射线、紫外线等都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但具体的杀菌机理研究比较少，了解得较多的是紫外线杀菌，紫外线波长为2537-2650 时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。紫外线通常用于无菌室、医院手术室等空气对流不大的环境下杀菌。但杀菌
6、效率较低，杀菌时间较长，一般要结合甲醛蒸汽消毒或苯酚喷雾等来保证无菌室较高的无菌程度。,1.辐射杀菌,射线源,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，这是不经济的。图4-1为利用空气压缩时放出的热量进行保温杀菌。,2热杀菌,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贮罐段管道加保温层进行保温，使空气达到高温后保持一段时间，保证微生物死亡。,为了延长空气的高温时间，防止空气在贮罐中走短路，最好在贮罐内加装导简。采用热杀菌装置时，还应装有空气冷却器，并排除冷凝水
7、，以防止在管道设备死角积聚而造成杂菌繁殖的场所。2)在进入发酵罐前应加装分过滤器以保证安全;采用该系统压缩机能量消耗会相应增大，压缩机耐热性能要增加，其零部件也要选用耐热材料。,常用于洁净工作台、洁净工作室所需无菌无尘空气的第一次除尘，配合高效过滤器使用。,3静电除菌,原理: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
8、较低。,是目前发酵工业中经济实用的空气除菌方法，是采用定期灭菌的介质来阻截流过空气所含的微生物，而取得无菌空气的。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机、无机和金属烧结材料等。,4过滤除菌法,当过滤介质孔隙小于或大大小于被过滤的微粒直径时，通常称为绝对过滤。,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,三 典型的空气除菌流程分析,发酵生产中制备无菌空气的大致过程如下:,1)空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程 度、空气压力、温度等，并结合吸气环境的空气条件和所用除菌设
9、备的特性，根据空气的性质而制订的。2)空气要输送到需要的地方，首先要提高空气的能量，增加空气的压 力，需使用空气压缩机或鼓风机。而空气经压缩后，温度会升高，经冷却后又会放出水分，空气在压缩过程中又有可能夹带机器润滑油的烟雾。,对空气除菌流程的要求,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；在温暖潮湿的南方，要加强除水设施，以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。,2.空气被压缩即放出内能而使温度升高，必需将其迅速冷却，以减少 压缩机的负荷，保证机器正常运行。空气冷却将析出
10、大量的冷凝水 形成水雾，必须将其除去，否则带入过滤器将会严重影响过滤效 果。3.冷却与除水除油的措施，可根据各地环境气候条件而改变，通常要 求压缩空气的相对湿度为50-60时通过过滤器为好。,如图所示是由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成的空气除菌流程。但它只能适用于那些气候寒冷，相对湿度很低的地方，或相应的季节。,(一)空气压缩冷却过滤流程,由于空气的温度低，经压缩后它的温度也不会升高很多，特别是空气的相对湿度低，空气中绝对湿含量很小。,流程的分析计算,（二）两级分离、两次冷却、一次加热的空气除菌流程,1.是一个比较完善的空气除菌流程，它可适应各种的气候条件，能充分的分离空气中含有的水分，
11、使空气在低的相对湿度下进入过滤器，提高过滤效率。2.流程的特点是：两次冷却、两次分离、适当加热。两次冷却、两次分离油水的好处是：能提高传热系数，节约冷却用水；油水雾分离得比较完全。,1.经第一次冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜用旋风分离器分离。2.第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离，发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效果高的作用。3.经二次分离的空气带的雾沫就较少，两级冷却可以减少油膜污染对传热的影响。4.若采用低温的地下水，可采用串联来减少冷却水用量。在没有低温地下水时，第二级可采用冰水冷却，通常第一级冷却到30一35，
12、第二级冷都到20-25。除水后，空气的相对湿度还是l00，可用加热的办法把空气的相对湿度降到50一60。,例题：某除菌流程，空气压力为4工程大气压，要求空气加热到35C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(假定冷却后空气中水雾全部分离)？,查表得知35C时空气中的饱和水蒸汽分压是5619帕，加热前冷空气的相对湿度100。查水蒸汽分压表知26 C水的蒸汽压为3371帕，就是说第二级冷却器至少应把空气冷却到26 C。,对于气候很干燥的地方，或寒冷的冬天，可将流程简化，只用第一冷却器，将空气冷却到35 C即可满足相对湿度60而进过滤器。它所要求的条件是：查表得知当6C相对湿度是
13、80时，或12 C相对湿度60时，水蒸汽分压为843.4帕。,（三）高效前置过滤除菌流程(无菌程度高),高效前置过滤器，压缩机，贮罐，冷却器，丝网分离器，加热器，总过滤器,.它是利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中效、高效过滤后，进入空气压缩机。经高效前置过滤器后，空气的无菌程度已达99.99，再经冷却、分离，经主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高，以保证发酵的安全。.高效前置过滤器采用泡沫塑料(静电除菌)、超细纤维纸为过滤介质，串联使用。,高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程,冷热空气直接混合式空气除菌流程,高效前置过滤除菌流程,四 空气过滤器设计,1、惯性捕集作用,在过滤器中的滤层交
14、错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小，充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层。,设df为纤维断面的直径，当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。惯性使它离开主导气流；气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。纤维能滞留微粒的宽度区间b与纤维直径df之比，称为单
15、纤维的惯性冲击捕集效率l。b的大小由微粒的运动惯性所决定。微粒的运动惯性越大，它受气流换向干扰越小，b值就越大。同时，实践证明，捕集效率是微粒惯性力的无因次准数的函数：l=f（）,准数与纤维的直径、微粒的直径、微粒的运动速度的关系为：,由上式可见：空气流速v0是影响捕集效率的重要参数。在一定条件下(微生物微粒直径、纤维直径、空气温度)，改变气流的流速就是改变微粒的运动惯性力；当气流速度下降时，微粒的运动速度随之下降，微粒的动量减少，惯性力减弱，微粒脱离主导气流的可能性也减少，相应纤维滞留微粒的宽度b减小，即捕集效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力不足以使其脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的
16、任一处，微粒也随气流改变运动方向绕过纤维前进，即bo时，惯性力无因次准数1/16，纤维的碰撞滞留效率等于零，这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。vc是空气在纤维网格间隙的真实速度，它与容器空截面时空气速度vs的关系受填充密度的影响。,几种不同直径的微粒对不同直径纤维的临界速度。,2、拦截捕集作用,气流速度降低到惯性捕集作用接近于零时，此时的气流速度为临界速度。气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截捕集作用。,此公式虽然不能完善地反映各参数变化过程纤维截留微
17、粒的规律，但对气流速度等于或小于临界速度时计算得的单纤维截留效率还是比较接近实际的。,3、扩散捕集作用,直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的运动，称为布朗扩散。扩散运动的距离很短，在较大的气流速度和较大热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，扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而被捕集。设微粒扩散运动的最大距离为2x，则离纤维2x处气流中的微粒都可能因扩散运动与纤维接触，滞留在纤维上，这就增加了纤维的捕集效率。扩散捕集效率的计算可用拦截捕集的经验公式计算，但其中微粒的直径应以扩散距离代入计算，故得下式：,4、对数穿透定律,四点假定：在研究空气过滤器的过滤
18、规律时，先排除一些复杂的因素，因此假定：）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；）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；）过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；）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。,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。,（1）,将（1）整理，积分（2）或（3）,上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上是滤层厚度的函数。其常数K的值与多因素有关，如纤维的种类、纤维直径、填充密度、空气流速、空气中微粒的直径等有关，一般选择特定的条件，以实验方法求得。,5、介质层厚度的计算,由（2）或（3）得（4）或（5）式中的N1可根据进口空气的菌体浓度、空气流量及持续使用时间算出。如空气中的原始菌浓度为10000个m3，空气流量为200m3min，持续使用2000h，则N1为2.41011个菌，N2一般可假定为10-3个菌。于是N2N12.41014，在设计空气过滤器时，我们常把N2N1 1015作为设计指标。K值与纤维介质的性质、直径、填充率、气流速度以及菌体大小有关。,6、K的计算（K值与纤维介质的性质、直径、填充率、气流速度以及菌体大小有关）,
