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1、第二章 发酵用压缩空气预处理及除菌设备,绝大多数工业微生物发酵都是利用好氧性微生物进行深层悬浮纯种培养过程，在培养过程中需要连续通入大量无菌空气，以供生产菌生长和合成产物之用。,第一节 供发酵工厂使用的无菌空气质量指标,1. 压缩空气的压强 0.20.35MPa 2.空气流量 根据发酵罐的体积确定 3.空气的温度 压缩空气的温度比发酵温度高10 4.相对湿度 进入总过滤器的压缩空气相对湿度控制在 60%-70% 5.洁净度 压缩空气中含菌量降至零或达到洁净度100级,第二节 压缩空气的预处理及工艺流程设计,一、压缩空气预处理的目的 为了保证总过滤器内过滤介质的干燥，不应因压缩空气中夹带的水滴、
2、油滴受潮引起介质的结团变形而失效，因此在进入总过滤器之前要把压缩空气中夹带的水滴、油滴除去。,第二节 压缩空气的预处理及工艺流程设计,二、压缩空气的冷却 空气压缩过程，压强与温度关系 式中，T1、T2为压缩前后的绝对温度，K；p1、p2为压缩前后空气的绝对压强，pa；一般发酵工厂净化系统设计时取K=1.3,例1 20的大气经空气压缩机的压缩，空压机空气出口压强为表压0.2MPa，问此时压缩空气的温度是多少？ 解： T1=273+20=293K p1=0.101MPa p2=0.301MPa ，K取1.3 因此从压缩机输出的高温压缩空气必须进行适当冷却，再进入总过滤器进行除菌处理。,三、压缩空气
3、的除水原理及压缩空气预处理系统的工艺流 程设计 1.压缩空气的除水原理 压缩空气冷却到露点，即有水分析出，为了防止压缩空气把析出的水分带入总过滤器，必须在空气进入总过滤器之前把其夹带的水分除掉。 空气的相对湿度、空气中的水分分压与空气中湿含量的关系如下：,为空气相对湿度，%；x为空气中湿含量，kg/kg(水汽/干空气)；pw为空气中的水气分压，pa；ps为与空气同温度的水的饱和蒸气压，pa；p为空气的总压强,若空气的湿含量x、温度t不变，空气压强越大相对湿度也越大。 压缩空气在预处理过程中无相变，即x1=x2，下式成立：,为空气压缩前后相对湿度，%；ps1和ps2分别为与空气同温度的水的饱和蒸
4、气压，pa；p1和p2为压缩前后空气的绝对压强，pa。,例2 空压机吸入温度为20，相对湿度80%的空气当压缩到0.2MPa（表压），温度为120，问（1）此时压缩空气的相对湿度为多少？（2）若将上述压缩空气冷却到有水析出时，问冷却到多少摄氏度（露点）？ 解：（1）查空气20时ps1=2340Pa,120时ps2=198653Pa 此时空气的相对湿度为2.8%. （2）当空气达到露点，即 由ps2查t2=34.5，即冷却到34.5时开始有水析出。,例3 若将例2的压缩空气冷却至25（压强不变），求（1）其湿含量是多少？（2）每千克干空气能析出多少水？查得25时ps=3.1677kPa。 解（1
5、）湿含量为 （2）已知： 每千克干空气能析出水=x1-x2=0.0117-0.00661=0.0051kg,例4 若将例3中已析出水分的压缩空气加热到35（压强保持不变），问其相对湿度为多少？查得35时ps=5.623kPa 解： 由此例题，将析出水的压缩空气加热可以降低其相对湿度，防止过滤器的过滤介质因受潮而失效，因此进入总过滤器前的压缩空气加热，控制相对湿度在60%-70%之间。,第三节 压缩空气预处理系统的设备,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、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
6、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30008000个/米3 空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，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或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103104个/米3。 灰尘粒子的平均大小约0.6m左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1m ）,空气除菌的方法,（一）热杀菌 （二）静电除菌 （三）介质过滤除菌 （四）辐射杀菌,（一）热灭菌法,热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力。所以，空气热灭菌时所需的温度可直接利用空气压缩时温度升
7、高而实现。 空气压缩后温度能达到200度以上，保持一定时间后，便可实行干热杀菌。 利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气有特别意义。,（二）静电除菌,原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌 目的。 优点 阻力小，约1.013104Pa 染菌率低，平均低于10-15 可除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去微生物。除水、除油的效果好 耗电少 缺点 设备庞大、一次性投资较大、静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。,（三）介质过滤除菌,滤材,孔,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。 是大多数发酵厂广泛采用的
8、方法。,空气过滤除菌原理,一般只有过滤介质的间隙小于颗粒直径，才能起到过滤作用。而在空气介质过滤除菌过程中过滤介质的间隙往往大于颗粒（微生物）直径。当气流通过滤层时由于滤层纤维网格的层层阻碍，迫使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，从而导致微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用而把微生物滞留在纤维表面。,、布朗扩散截留作用：,直径小于1m的微粒在运动中往往产生一种不规则的布朗运动，使微粒间相互凝集成较大的粒子，从而发生重力沉降或被介质截留。但是这种作用只有在气流速度较低时才较显著。,微粒随空气气流向前运动，当气流为层流时，随气流运动的粒子在接近纤维表面
9、的部分由于与过滤介质接触而被纤维吸附捕集，这种作用称之为阻拦截留。 空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦截留作用愈大。但是在介质过滤的除尘除菌中，阻拦截留并不起主要作用。,、阻拦截留：,空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力。当微粒随气流以一定速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改变运动方向时，由于微粒具有的惯性作用使它们仍然沿原来方向前进碰撞到纤维表面，产生摩擦粘附而使微粒被截留在纤维表面，这种作用称惯性碰撞截留。 截留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈大，惯性力越大，截留效果也愈好。此外，惯性碰撞截面作用也与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好。惯性碰撞截留在介质除尘中
10、起主要作用。,、惯性碰撞截留：,惯性碰撞截留,、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。,、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，纤维和树脂处理过的纤维，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
11、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。,当空气流过介质时，上述五种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。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；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。下图表示气流速度与单纤维除菌效率的关系。,（四）辐射灭菌法,最常用的是用紫外光线进行无菌室灭菌。它的主要作用是使微生物的DNA分子产生胸腺嘧啶二
12、聚体，导致细胞死亡。 紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置于紫外光直接照射下，而且在一定范围内作用强度与距离平方成反比。 此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在无菌室操作时应关闭紫外灯。,发酵生产中制备无菌空气的大致过程,压缩空气预处理系统的设备流程,两级冷却、加热除菌流程,3035度 大部分的水、油都结成较大的雾粒，且浓度较大，可在此分离,2025度 分离直径较小的雾粒,空气湿度由100%降至50%60%,该流程适宜于潮湿地区,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
13、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。,冷热空气直接混合式空气除菌流程,特点：无菌程度高,高效前置过滤空气除菌流程,利用热空气加热冷空气的流程,吸风塔,空气压缩机车间建在上风向口； 吸风塔的高度大于等于10米； 为了防止雨水灌入，顶部设计有防雨罩。,粗过滤器,作用：安装在空压机前，主要捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。 选型：过滤效率高、阻力小，以免增加空压机的吸入负荷和降低空压机的排气量。 型式：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘。,粗过滤器,（1）水雾除尘器 过滤效率：50%70%（对0.5m粒子） 55%88%（对1.0
14、m粒子） 90%99%（对5m粒子） 设计要点：洗涤室内空气流速不能太 大，一般在12m/s的范围，否则带出 水雾太多 ，会影响压缩机，降低排气 量。,水雾除尘器 1-滤网 2-喷雾器,粗过滤器,（2） 油浴洗涤空气装置 优点：分离效果比较好，阻力小。 缺点：耗油量大。,油浴洗涤空气装置 1-滤网 2-加油斗 3-油镜 4-油层,空气压缩机 根据发酵工艺所需的空气流量、克服压缩输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强来选用空气压缩机型号。目前在发酵工厂使用的压缩机分为：涡轮式空气压缩机、往复式空气压缩机、螺杆式空气压缩机。,涡轮式空气压缩机,电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时所产生的“空
15、穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，使部分动能转变为静压后输出 涡轮式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀、运转平稳、易损部件少、维护方便等特点，是非常理想的生物加工过程供气设备。,离心式空气压缩机,适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.250.5MPa。 低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。段与段间有中间冷却设备。 输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。,涡轮式空气压缩机,适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.250.5MPa。 低压离心空气压缩机有单级和
16、多级，后者还可以分段。段与段间有中间冷却设备。 输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。,往复式空气压缩机,活塞在汽缸内的往复运动而将空气吸入和压出； 出口压力不够稳定，产生空气的脉动。 单缸和多缸，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等汽缸排列形式 出口压力：高压（8100MPa）、中压（18MPa）、低压（1MPa以下） 低压小型（1m3/min）是单缸，大多数是双缸二级压缩的：空气先进入第一级（低压）汽缸经压缩和冷却后进入第二级（高压）汽缸进行压缩，然后排出，以L形的设计最为普遍，额定出口压力为0.8MPa，可在0.40.8MPa的范围内进行调节 。,空气贮罐,安全阀,人孔,空气贮罐作用,消除压缩机排出空气时的脉动，维持稳定的空气压力； 使高温空气在贮罐里停留一定的时间，起到部分杀菌作用； 利用重力沉降作用分离部分油、水
