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1、第20章 空气除菌设备,在发酵产品的生产中，好氧微生物的培养占绝大多数。通常以空气作为氧源，自然空气中含有灰尘颗粒、水蒸气上附着有各种杂菌。空气的除菌是好氧发酵成败的一个重要环节。 除菌的方法很多，如过滤除菌、热灭菌、化学灭菌和辐射灭菌等。实上应用的除菌方法往往是几种方法的结合。 过滤除菌是发酵工业中经济实用的空气除菌方法，此方法是采用定期灭菌的介质来阻截空气中的微生物，以取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机和无机烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）等。,微生物中，球菌的直径一般在0.52m，杆菌一般长在l5m，宽在0.51m，酵母则个体较大。 空气溶胶的过滤除菌原理
2、与通常的液体过滤原理是不同的，液体过滤介质间的空隙应小于颗粒直径，空气过滤除菌介质间空隙往往远大于颗粒直径。 如棉花纤维直径一般为 1620 m、充填系数为8时，所形成的网格空隙为 2050m。微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进。 这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用，而将微粒拦截。,20.1 介质除菌的原理,20.1.1 惯性冲击滞留作用,带有颗粒的空气通过滤层时，仅能从纤维的间隙通过，由于纤维纵横交错，迫使空气要不断改换运动方向和运动速度方能通过滤层。空气中的微粒在运动中与气流
3、具有一致的方向，当超过某一速度时，微粒具有了一定的惯性力。 如图20l，当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻可改变运动方向，绕过纤维前进。而由于微粒的运动惯性较大，未能及时改变运动方向随气流前进，直冲到纤维表面，被滞留在纤维表面。这种现象称为惯性滞留作用。 纤维能滞留微粒韵宽度区域b与纤直径df之比，即为其有效分率，称为单纤维的惯性冲击捕获效率1。,惯性冲击滞留作用,纤维滞留微粒的宽度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。 实践证明，捕获效率是微粒惯性力的无因次准数的函数，而准数与纤维的直径、微粒的直径、微粒的运动速度的关系为：
4、,惯性冲击滞留作用,空气流速是影响捕获效率的重要参数。在其它条件一定下，改变气流的流速可改变微粒的运动惯性力。当气流速度下降时，微粒的运动速度随着下降，动量减小，惯性力下降，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减少，即捕获效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力不足以使微粒脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任一处，微粒也随气流改变方向绕过纤维前进，即b0时，惯性力无因次准数1/16,纤维的碰撞滞留效率等于0，这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。 图20-2表示的是不同直径的微粒对不同直径纤维的临界速度。 vc是空气在纤维网格间隙的真实速度，它与容器截面的空气速度VS的
5、关系受填充密度a的影响：,20.1.2 拦截滞留作用,在微粒直径很小，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻而改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区。滞留区的气流速度更慢，进入滞留区的微粒慢慢靠近纤维并接触纤维而被黏附滞留，此作用叫做拦截滞留作用。这种拦截滞留作用对微粒钓捕获效率2 与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比的关系为 式中：R微粒和纤维的直径比(RdP/df)；dp微粒直径（m）；df纤维直径（m）；Re 气流的雷诺数。,20.1.5 静电吸引作用,干空气对非导体物质相对运动摩擦时，会产生诱导电荷，如纤维和树脂处理过的纤维，特别是
6、合成纤维更易代电荷。空气中的微生物微粒常带有不同的电荷，如枯草杆菌的芽孢20带正电荷，15带负电荷，15为中性。 在介质过滤中，这些带电荷的微生物可被具有相反电荷的纤维介质所吸引，另外也可能是纤维介质被流动的带电荷的粒子所感应，产生相反的电荷而将粒子吸引。,其它辅助作用,20.1.3布朗扩散作用 直径小于1m的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称之为布朗扩散。其效果往往使较小的微粒凝集为较大的微粒，大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。随之或发生重力沉降或被介质所拦截。 20.1.4重力沉降作用 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会沉降。大颗粒比小颗粒的作用显著，对于小颗
7、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，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。,20.2 介质过滤效率和过滤器计算20.2.1 对数穿透定理,过滤效率是指滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比： 它是衡量过滤设备过滤能力的指标。 式中N0过滤前空气中的微粒含量（个）； N过滤后空气中的微粒含量（个）； N/N0过滤前后空气中的微粒数的比值，称为穿透率P。,20.2.1对数穿透定理,空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和规格（纤维直径）、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等因素有关。 在一定的条件下（包括气流速度、温度、介质种类、填充密度、杂
8、菌种类等），通过单位高度介质层后，杂菌浓度的下降量与进人此介质层的杂菌量成正比，即 式中dN/dL单位滤层所除去的微粒数（个/cm）； L滤床厚度（m）；K过滤常数或除菌常数（m1）。,20.2.1 对数穿透定理,将上式整理并积分得： 或 式中C0、C进口、出口空气的菌浓度（个/cm3)。 上式即称为对数穿透定律，表示进入滤层的微粒数与穿透滤层微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。 若令N/No0.1，即颗粒的90%被捕获，穿透10， 相应的滤层厚度可以用X90表示。则由式（20-9）得：,20.2.2 过滤器的计算,过滤器的效率与操作条件有密切关系，图20-3是除菌常数K及X90与空气流速g的关
9、系。过低和过高的空气流速都会使K下降。在设计过滤器时应取K最低时的流速，以保证空气过滤器有良好的除菌效率。,例,例如，一个发酵罐每分钟用空气量为10m3，空气中的微生物浓度若为200个/m3。空气在过滤器中的线速度为0.15m/s，这时过滤器的除菌效率K=153.5 m-1，发酵周期100h。 过滤器出口空气中的含菌量取N0.001个。则介质层厚度： 空气过滤器的直径：,10.3 空气除菌设备20.3.1压缩空气的预处理,空气的除菌必须配备一定量的空气压缩机和空气除菌设备。大气中的微生物空气中的尘埃颗粒上。一般认为高度每上升10 m，大气大多依附于中的微生物量下降一个数量级，因此空气压缩机的取
10、气口可建在较高的位置。 由于经过压缩的空气具有很高的温度，且当其冷却后又具有较高的相对湿度，可冷凝为水滴析出，同时经过空压机的空气往往还带有油滴，这些夹杂在压缩空气中的水滴和油滴很容易使空气过滤器的除菌能力下降导至失败。因此在压缩空气进人过滤介质之前，必须进行空气的预处理，以保证过滤器的可靠性。,20.3.1压缩空气的预处理,1.压缩空气的温升 空气的压缩过程可以近似地看作绝热压缩过程，压缩后的空气温度与被压缩的程度有关： 式中：T1，T2压缩前、后空气的热力学温度（K）；p1，p2压缩前、后空气的绝对压强（Pa）；k绝热指数，空气为1.4。 若压缩为多变过程，则可用多变指数m（对于空气可取1
11、.21.3)代替式(20-26）中的绝热指数k。,20.3.1压缩空气的预处理,2.压缩空气的湿度 大气中总含有一定量的水分，并以气态存在。当空气中的水蒸气过多，超过饱和度（即相对湿度为100）时，或在空气冷却至露点以下时，空气中的水蒸气就会形成水滴析出。 空气中的水蒸气分压与同温度下的饱和蒸汽压之比称为相对湿度或相对湿含量： 式中相对湿度； pw空气中水蒸气分压（Pa)； ps同温度下水的饱和蒸汽压（Pa）。,20.3.1压缩空气的预处理,1kg干空气中所含有水蒸气的质量（kg）称作空气的湿含量或绝对湿含量，用X来表示。若Gg（千克干空气）含有Gw,（千克水蒸气），则其湿含量： 对于密闭系统
12、有： 式中：1、2原空气、压缩空气的相对湿度；psl、ps2原空气、压缩空气温度下的饱和蒸汽压；p1、p2原空气、压缩空气的的压力。,10.3.2 空气过滤除菌流程,为保证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；要保证不受油、水干扰贴要有一系列冷却、分离、加热的设备夹保证空气的相对湿度在5060的条件下过滤。 空气除菌设备流程一般包括粗过滤器、空压机、空气贮罐、空气冷却器、气液分离器、空气入热器、空气过滤器等。流程可根据气候条件等适当增减；这些设备有各种不同的型号可供选择。,1 粗过滤器,粗过滤器是安装在空气压缩机前的过滤设备，主要作用是捕集较
13、大的灰尘颗粒，起到保护空气压缩机，防止其受磨损的作用，同时也可减轻空气过滤器的负荷。对粗过滤器的要求是过滤效率要高，阻力要小。 通常有布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤过滤器和水雾除尘过滤器等形式的粗过滤器。,2 空气贮罐,停留时间一般取 0.10.2min。即：,3空气冷却器,用于空气冷却的热一交换器种类很多，常用的有立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等。,4 气液分离器,压缩空气的除油除水设备型式很多，常用的有两大类：一是利用离心力进行沉降的旋风分离器，另一种是利用惯性截留的填料式分离器。 旋风分离器是一种结构简单，阻力小，分离效果较高的气固或气液分离设备。其除水效率可达99
14、。 填料式分离器所用的填料有焦炭、活性炭、瓷环、金属车屑、金属丝网、塑料丝网等。丝网分离器具有较高的分离效率（98%-99%），可除去较细小的雾状微粒(5m）。,5 空气过滤器,空气过滤器是过滤除菌的关键设备，它的质量不但影响到介质的消耗量、过滤过程动力消耗（压力降）、操作劳动强度、维护管理等，而且还关系到运转过程的可靠性。 过滤介质，按其孔径大小可分为两类： 第一类的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时，微生物可以被阻留在介质的一侧，这种介质称为绝对过滤介质。由于其孔径小于微生物，因此空气中即使会有液滴也不会影响除菌效率。这种过滤介质的使用寿命在一年以上。如在空气无菌过滤前，先经粗过滤器滤去较大的颗粒，可有效地延长过滤器的使用寿命。图20-10是PVA滤芯过滤器示意图。,5 空气过滤器,第二类是如前所述孔径大于微生物的过滤介质，其中一种是用棉花、玻璃纤维、合成纤维和颗粒活性炭填充的过滤器，它是一个圆筒形容器，内有两层多孔筛板将过滤介质压紧并入以固定。填充时应使介质分布均匀，以避免空气走短路或发生介质被吹翻的现象。另一种是将过滤材料制成纸、板或管状，如超细玻璃纤维滤纸、金属烧结板等等。这种材料不须填充得很厚，但除菌效率较高。图20-12是一种超细玻璃纤维纸过滤器，它利黯两片多孔板将几张超细玻璃纤维纸夹紧即可进行无菌过滤，且具有很高的除菌效率和较低的阻力损失。 填充物按下面顺序安装：,
