《微生物工程(发酵)第四章无菌空气的制备》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微生物工程(发酵)第四章无菌空气的制备(53页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 无菌空气的制备,需氧微生物发酵所需氧气来源于空气,且需长时间无间断供应,因此空气的除菌非常重要。 据统计,空气系统的染菌占总染菌数的20,居第二位。 需建立确保无菌、简化流程、节约能源的空气除菌系统。,4.1无菌空气的标准,4.1.1空气中微生物的分布规律 易附着于固体表面或液滴中,含菌量随环境不同而有很大的差别: 潮湿南方多,干燥北方少; 人口稠密处多,人口稀少处少; 低空多,高空少 选择良好的取风位置与提高除菌系统效率同样重要。,4.1.1空气中微生物的分布规律,城市一般含菌量: 103个/m3或104个/m3,结论:由于空气中微生物是依附于尘埃、微粒及微细的水滴上,故净化空气就是
2、要除去悬浮于空气中的尘埃和细微水滴,使之无菌。,4.1.1空气中微生物的分布规律,4.1.2发酵对空气无菌程度的要求,空气中的微生物多是细菌孢子,以及酵母、霉菌和病毒,常见菌株大小见右表:,故认为只要将0.3um以上的微粒全部除掉,就可达到无菌; 生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是: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。,需注意: 不同的发酵过程对空气除菌要求不同: 一般酵母发酵时,pH低,周期短,抗杂菌能力强,无菌要求低; 细菌或细胞发酵时,周期长,自身抗感染能力弱,无菌要求高。,4.1.3空气含菌量的测定,光学法与培养法; 粒子计数测
3、定法; 固定膜采样法;,4.2 空气除菌方法,显然用高热蒸汽来加热保温灭菌不现实 常用方法:过滤法 其它方法:热杀法、射线法、静电除菌法。,4.2.1热杀法,微生物加热后体内蛋白质(酶)的氧化变性而死亡。 原理:利用空气压缩时温度的升高来实现,根据多变压缩公式:,T1 T2,=,P2 P1,m-1 m,m为多变指数,取1.21.3,热杀菌,空气热灭菌流程示意图 1-空气压缩机 2-粗过滤器 3-保温管 4-贮气罐 5-保温罐 6-列管式冷却器 7-涡轮压缩机 8-预热器 9-粗过滤器 10-空气吸入塔,4.2.1热杀法,优点:产生空气量大,热杀时间短,维持设备不必太庞大。 不足:设备必须耐高压
4、、高温,且需加大冷却器的热负荷。因此从经济角度考虑,实际生产中较少采用。,4.2.2静电除尘法,原理:在强度较大的电场中,负极出现电晕现象,使附近的中性分子电离为正负离子,并向两极运动。因负离子的移动距离大,所以使固体和液体微粒向正极运动,而在正极沉淀。 正极为沉淀极,负极为电晕极。,静电除菌,静电除尘器装置图,管式静电除菌器,4.2.2静电除尘法,特点: 除尘效率高(1um微尘去除率达99以上) 能量消耗少(处理1000m3只需0.4-0.8度电) 空气阻力小 不足:前期投入高、因使用高压电技术,故制造、安装复杂、维修要求严格。,4.3过滤除菌,利用能定期灭菌的过滤介质阻截流过的空气中所含有
5、的微生物,从而获得无菌空气。 目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。,按过滤介质的空隙大小,可分为绝对过滤介质和深层过滤介质。 绝对过滤介质:空隙小于细菌和孢子,当空气通过时,微生物被阻留在介质的一侧。 深层过滤介质:孔隙大于微生物,为了达到除菌效果,必须具有一定厚度。,纤维介质深层过滤除菌的原理 气流通过滤层时基于滤层纤维的层层阻碍,迫使气体在流动中出现无数次改变速度和方向的绕流运动,而导致菌体微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电引力作用,把微粒截留、捕集在纤维表面上,达到过滤的目的。,4.3过滤除菌,(c)扩散,(b)拦截,(a)惯性,(d)重力,(e)静电,利
6、用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理,空气,过滤空气,4.4过滤介质和过滤器结构,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,过滤介质是过滤除菌过程中的关键,它直接影响除菌的效果,动力的消耗,设备的尺寸以及运行的可靠性。 常见的过滤介质有:棉花,超细玻璃纤维,各种合成纤维,微孔烧结材料和微孔超滤膜等。,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,棉花 应选用长纤维并疏松的新鲜棉花; 标准:压紧后仍有弹性,长度适中(2-3cm),直径16-21um,实密度1520kg/m3,填充密度130-150 1520kg/m3,填充率8.5-10%; 为使填充均匀,可先制成棉垫。,2
7、.4.1常用过滤介质,玻璃纤维 8-19um的无碱玻璃纤维,直径小,过滤效率好,不易吸水,压降小,耐高温,光滑,不易长菌。 静电引力起重要作用; 缺点:体积大,不易填充;换装时纤维有大量碎末;,2.4.1常用过滤介质,玻璃纤维 8-19um的无碱玻璃纤维,直径小,过滤效率好,不易吸水,压降小,耐高温,光滑,不易长菌。 静电引力起重要作用; 缺点:体积大,不易填充;换装时纤维有大量碎末;,2.4.1常用过滤介质,活性炭 吸附微生物的能力远低于棉花,故其主要作用是位于两层棉花之间,使气流均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,活性炭 吸附微生物的能力远低于棉花,故其主要作用是位于两层棉花之间,使气流
8、均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸 直径1-2um,厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。 具很高的过滤效率,较低的过滤阻力,坚韧,抗湿;,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸 直径1-2um,厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。 具很高的过滤效率,较低的过滤阻力,坚韧,抗湿;,2.4.1常用过滤介质,优点:强度高、寿命长、耐高温,可逆洗再生、使用方便; 不足:填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞,实际需要数目多,接点多,易造成泄露污染,很难彻底灭菌。,优点:强度高、寿命长、耐高温,可逆洗再生、使用方便; 不足:填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞,实际需要数目多,接点多,易
9、造成泄露污染,很难彻底灭菌。,微孔聚合物: 聚乙烯醇过滤板,将聚乙烯醇乙酰化,并涂敷耐热树脂制成; 能高温灭菌,安装方便,微孔多、过滤效率高,压力降小。,微孔聚合物: 聚乙烯醇过滤板,将聚乙烯醇乙酰化,并涂敷耐热树脂制成; 能高温灭菌,安装方便,微孔多、过滤效率高,压力降小。,4.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,石棉滤板 用纤维短而直的蓝石棉与纸浆纤维混合打浆而成。 过滤效率较低; 不易穿孔或折断,可耐受蒸汽反复灭菌,抗湿,4.4.1常用过滤介质,新型过滤介质 用四氟乙烯经膨化而制成的过滤介质; 优点:过滤面积大、流量快、阻力小、体积小,4.4.2过滤器的结构,深层棉花过滤器 一般
10、为立式圆筒形,下方为进气口,上方出气口; 介质安装顺序:孔板、铁丝网、麻布、棉花、麻布、活性炭、麻布、棉花、麻布、铁丝网、孔板;,使用注意事项: 安装后用空气蒸汽吹一段时间,打开检查是否有松动,以补加。 使用一段时间后必须灭菌,由上向下通入0.2-0.2MPa干燥蒸汽,约45min,然后用压缩空气吹干。,4.5无菌空气的制备流程,空气压缩后,温度不变,相对湿度会增加,易析出水滴,会对过滤介质造成影响,故空气压缩后应进行适当的处理,使除油、降低湿度后再进入空气过滤器。 一般使用冷却再加热法;,4.5无菌空气的制备流程,采风(高度) 预过滤(去除5m的微粒) 空气压缩 0.6-0.8MPa 空气储
11、罐(稳定压力,沉降作用) 冷却(去除水分) 油水分离(利用离心力去除油滴、液滴),除雾(填料式除雾器,捕集小液滴) 加热 (50,空气相对湿度60%) 总过滤 80-90% 罐前除雾 99% 预过滤 99.9999% 除菌过滤(精过滤),利用热空气加热冷空气的除菌流程 1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器,空气压缩冷却过滤流程 1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器,2.5.3压缩空气预处理设备,空气气口的高度与位置: 采取10m以上的高度,远离废气的排气口。,2.5.3压缩空气预处理设
12、备,空气气口的高度与位置: 采取10m以上的高度,远离废气的排气口。,粗过滤器: 在压缩机吸入口之前的过滤器,捕集空气中较大的灰尘以减少对压缩机的磨损。阻力小,容尘量大。 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。,空气压缩机: 往复式空气压缩机由活塞在汽缸中往复运动,完成吸气、压缩、排气;气流不稳定、脉冲大、空气油含量高;,涡轮式压缩机 电动机带动涡轮旋转,气体由于离心力向周围蜗壳通道运动,获得较高压强后排出,排气量大、占地小、压力稳定、不含油雾;但噪音过大。,螺杆式空压机 目前较理想的空压机,占地小,供气量大,油雾少或无油雾,噪音小。,冷却: 空气压缩后温度上升,若直接
13、通入空气过滤器,会损坏过滤介质,影响培养基温度及培养物的生长;因此,必须冷却。,冷却: 空气压缩后温度上升,若直接通入空气过滤器,会损坏过滤介质,影响培养基温度及培养物的生长;因此,必须冷却。,4.5.1压缩空气预处理原理,空气贮罐,作用:消除压缩机排出空气量的脉冲,维持稳定的空气压力,同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。,空气换热设备,常用的类型有:立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。,析水设备旋风分离机,作用:将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。,析水设备丝网除沫器,利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾。,具有热交换器的预处理流程: 冷却后的压缩空气与压缩机出口温度较高的空气进行热交换,节省热能和冷却水。,析水设备丝网除沫器,利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾。,本章小结,空气除菌的主要原因 发酵对空气无菌程度的要求 空气除菌方法:过滤法、热杀法、射线法、静电除菌法原理 纤维介质深层过滤除菌的原理 常用过滤介质及其优缺点 压缩空气预处理的原因,