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1、第二节第二节空气的净化空气的净化1空气中微生物的分布空气中微生物的分布空气中微生物含量一般为空气中微生物含量一般为103104个米个米3。一般一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。附着在空气中的灰尘上或雾滴上。北方气候寒冷干燥，空气中的含菌量较多。北方气候寒冷干燥，空气中的含菌量较多。离地面越高，含菌量越少离地面越高，含菌量越少，一般每升高，一般每升高10米，空米，空气中的含菌量就降低一个数量级；气中的含菌量就降低一个数量级；城市中空气中含菌量较城市中空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量多，农村的空气中含菌量较少，一般城市中杂菌数为较少，一般城市中杂菌数为30008000/米米3空气中的微生物以空
2、气中的微生物以细菌和细菌芽胞较多细菌和细菌芽胞较多，也有酵，也有酵母，霉菌和病毒。母，霉菌和病毒。2无菌空气的标准无菌空气的标准只要除去只要除去0.30.5m的微粒，就可的微粒，就可认为是是无菌。无菌。3发酵对空气无菌程度的要求发酵对空气无菌程度的要求发酵对无菌空气的要求是：发酵对无菌空气的要求是：无菌，无灰尘，无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压无杂质，无水，无油，正压等几项指标。等几项指标。发酵对无菌空气发酵对无菌空气无菌程度无菌程度的要求是：只要的要求是：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，造成损在发酵过程中不因无菌空气染菌，造成损失即可。失即可。在工程设计中，在工程设计中，一般要求一般
3、要求1000次使用周期次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为的无菌程度为N=10-3。4一、空气净化的方法一、空气净化的方法（一）热灭菌（一）热灭菌（二）静电除菌（二）静电除菌（三）介质过滤除菌（三）介质过滤除菌5（一）热灭菌热灭菌热空气进入培养系统之前，一般均需用压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。缩机压缩，提高压力。空气压缩后温度能达到空气压缩后温度能达到200度以上，保持一度以上，保持一定时间后，便可实行干热灭菌。不必用蒸定时间后，便可实行干热灭菌。不必用蒸汽或其他载体加热。汽或其他载体加热。6利用空气压缩时所
4、产生利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理的热量进行灭菌的原理对对制备大量无菌空气制备大量无菌空气有有特别意义。特别意义。实际应用中需考虑培养实际应用中需考虑培养装置与空气压缩机的相装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与对位置，连接压缩机与培养装置中管道的灭菌培养装置中管道的灭菌以及管道长度等。以及管道长度等。7（二）静电除菌（二）静电除菌静电除尘器可除去空气中静电除尘器可除去空气中的的水雾、油雾、尘埃水雾、油雾、尘埃，同，同时也除去时也除去微生物微生物。原理：原理：利用静电引力来吸利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭附带电粒子而达到除尘灭菌目的。菌目的。缺点：对于一些直径小的缺点：对于
5、一些直径小的微粒，所带电荷小，不能微粒，所带电荷小，不能被吸附而沉降。被吸附而沉降。8（三）介质过滤除菌（三）介质过滤除菌介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的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，而达到过滤除菌的目的。截在介质层中，而达到过滤除菌的目的。从可靠性，经济适用与便于控制等方面考从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法数发酵厂广泛采用的方法。9过滤介质孔隙过滤介质孔隙绝对过滤绝对过滤:孔径孔径(0.01-0.2
6、)小于微生物小于微生物粒子（粒子（0.5-2 )的微孔过滤膜。的微孔过滤膜。相对过滤：过滤介质孔隙大于微生物相对过滤：过滤介质孔隙大于微生物直径。如棉花、活性炭、玻璃纤维等直径。如棉花、活性炭、玻璃纤维等10二、空气过滤除菌法二、空气过滤除菌法（一）空气过滤除菌的原理（一）空气过滤除菌的原理（二）空气过滤除菌的介质（二）空气过滤除菌的介质（三）介质过滤效率（三）介质过滤效率（四）影响介质过滤效率的因素（四）影响介质过滤效率的因素（五）提高过滤除菌效率的措施（五）提高过滤除菌效率的措施11（一）空气过滤除菌的原理（一）空气过滤除菌的原理 微粒随空气流通过一定厚度的过滤层微粒随空气流通过一定厚度的
7、过滤层时，滤层纤维所形成的网格对气流进行无时，滤层纤维所形成的网格对气流进行无数次的阻碍，从而无数次的改变气流的运数次的阻碍，从而无数次的改变气流的运动速度和方向而绕流运动，这将引起微粒动速度和方向而绕流运动，这将引起微粒对滤层纤维产生对滤层纤维产生惯性撞击、重力沉降、拦惯性撞击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电引力截、布朗扩散、静电引力等作用，将微粒等作用，将微粒捕获在纤维表面实现过滤。捕获在纤维表面实现过滤。121、惯性碰撞截留、惯性碰撞截留原理：空气气流流速大时，气流中的微粒具有原理：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较大的惯性力。当微粒随气流以一定
8、速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改变运动方向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仍然沿原来时，由于微粒具有的惯性作用使它仍然沿原来方向前进碰撞到纤维表面，产生摩擦粘附而使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，这种作用称微粒被截留在纤维表面，这种作用称惯性碰撞惯性碰撞截留。截留。13惯性力与气流流速成正比惯性力与气流流速成正比当空气流速过低时，惯性撞击截留作用很当空气流速过低时，惯性撞击截留作用很小。小。当空气流速增大时，惯性撞击截留作用起当空气流速增大时，惯性撞击截留作用起主导作用。主导作用。14通过降低流速可以使惯性截留作用接近于
9、通过降低流速可以使惯性截留作用接近于零，此时的气流流速称临界气流速度。零，此时的气流流速称临界气流速度。当气流速度降到临界速度以下时，当气流速度降到临界速度以下时，微粒就微粒就不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕集效不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证时，随着气流速度率显著下降。但实践证时，随着气流速度的继续下降，的继续下降，纤维对微粒的捕集效率不再纤维对微粒的捕集效率不再下降，反而又有所回升下降，反而又有所回升，WHY？152、拦截截留作用、拦截截留作用原理原理：因为微生物微粒直径很小，质量很轻，它：因为微生物微粒直径很小，质量很轻，它随气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在主导气
10、流随气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流动方向，绕过纤维前进，流线受纤维所阻改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层并在纤维的周边形成一层边界滞留区边界滞留区，滞留区的，滞留区的气流流速更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接气流流速更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附截留。触纤维而被粘附截留。16截留作用的捕集效率决定于微粒直径和纤截留作用的捕集效率决定于微粒直径和纤维直径之比，又与空气流速成反比，维直径之比，又与空气流速成反比，当气当气流速度低时截留才起作用。流速度低时截留才起作用。空气流速愈小，空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦截留作用愈大。纤维直径
11、愈细，阻拦截留作用愈大。但是但是在介质过滤的除尘除菌中，阻拦截留并不在介质过滤的除尘除菌中，阻拦截留并不起主要作用。起主要作用。173、布朗扩散截留作用、布朗扩散截留作用直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动称为布朗扩散，布朗扩散的运动距则的直线运动称为布朗扩散，布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速、较大的纤维间隙中是不离很短，在较大的气速、较大的纤维间隙中是不起作用的，但起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用大大增加微粒与纤维的接触滞隙中布朗扩散作用大大增加微粒与纤维的接触滞留机会。留
12、机会。184、重力沉降作用、重力沉降作用重力沉降起到一个稳定的分离作用，当微粒所受重力沉降起到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沉降。就的重力大于气流对它的拖带力时微粒就沉降。就单一的重力沉降情况来看，单一的重力沉降情况来看，大颗粒比小颗粒作用大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有气流速度很慢才起作用显著，对于小颗粒只有气流速度很慢才起作用。一般它是配合拦截截留作用而显著出来的。一般它是配合拦截截留作用而显著出来的。即在即在纤维的边界滞留区内微粒的沉降作用提高了拦截纤维的边界滞留区内微粒的沉降作用提高了拦截截留的效率。截留的效率。195、静电吸引作用、静电吸引作用
13、当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩摩擦会产生诱导电荷擦会产生诱导电荷。当菌体所带的电荷与介质所。当菌体所带的电荷与介质所带的电荷相反时，就会发生静电吸引作用。带电带的电荷相反时，就会发生静电吸引作用。带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。此的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。此外表面吸附也归属中这个范畴，如活性炭的大部外表面吸附也归属中这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能是表面吸附的作用。分过滤效能是表面吸附的作用。20惯性截留惯性截留拦截拦截布朗运动布朗运动重力重力静电引力静电引力作用较大作用较大作用小作用小21 （）纤维状或颗粒状过滤
14、介质（）纤维状或颗粒状过滤介质棉花：常用，有弹性，纤维长度适中。棉花：常用，有弹性，纤维长度适中。玻璃纤维：直径小，不易折断，过滤效果好。玻璃纤维：直径小，不易折断，过滤效果好。活性炭：要求质地坚硬，颗粒均匀。活性炭：要求质地坚硬，颗粒均匀。 缺点：缺点：体积大，装填费时费力，松紧度不易掌体积大，装填费时费力，松紧度不易掌握，空气压降大。握，空气压降大。（二）空气过滤除菌的介质（二）空气过滤除菌的介质22（）纸类过滤介质（）纸类过滤介质超细玻璃纤维纸超细玻璃纤维纸 3 3 6 6张叠在一起使用，过滤效率高，压降小。张叠在一起使用，过滤效率高，压降小。 缺点：缺点：强度不大（特别是受潮后）。强度
15、不大（特别是受潮后）。（3）微孔滤膜类介质）微孔滤膜类介质 属绝对过滤属绝对过滤节能能量时间，操作简便节能能量时间，操作简便23棉花棉花玻璃纤维玻璃纤维合成纤维合成纤维颗粒状活性炭颗粒状活性炭超细玻璃纤维纸过滤器，这些材料除菌超细玻璃纤维纸过滤器，这些材料除菌效率高，无需填充得很厚，如果用超细效率高，无需填充得很厚，如果用超细纤维玻璃纸只需要少量几张就可以了纤维玻璃纸只需要少量几张就可以了24在实验室或中试规模，空气过滤器只设在实验室或中试规模，空气过滤器只设一级，而大发酵工厂大多采用两级甚至三一级，而大发酵工厂大多采用两级甚至三级过滤。第一级过滤器常称为级过滤。第一级过滤器常称为总过滤器总过
16、滤器，二、三级过滤器称为二、三级过滤器称为分过滤器分过滤器。25过过滤滤器器在在使使用用前前，也也需需要要进进行行灭灭菌菌，一一般般是是使使用用蒸蒸汽汽灭灭菌菌，灭灭菌菌后后用用压压缩缩空空气气吹吹干干。总总过过滤滤器器约约每每月月灭灭菌菌一一次次，为为了了使使总总过过滤滤器器不不间间断断地地进进行行工工作作，一一般般应应有有备备用用，以以便在灭菌时替换使用。便在灭菌时替换使用。26（三）介质过滤效率（三）介质过滤效率当空气中的微粒穿过一定厚度的滤层时，不断地当空气中的微粒穿过一定厚度的滤层时，不断地被捕捉，含量逐渐减少，表现为类似一级衰减规被捕捉，含量逐渐减少，表现为类似一级衰减规律的形式即
17、：律的形式即：dN/dl= KN初始条件：初始条件：N0,N, 进出滤层微生物的浓度。进出滤层微生物的浓度。滤层厚度：滤层厚度：0，LK除菌常数（除菌常数（1/m,1/cm),反映的是介质阻止微生物穿透的能力反映的是介质阻止微生物穿透的能力由由式积分的式积分的N/ N0= -KL 对数穿透定律对数穿透定律过滤效率过滤效率=1-N/N0=1-exp(-KL )N/N0 穿透率穿透率27压力降计算压力降计算p=cL(2 02m)/(df)L过滤层的厚度（过滤层的厚度（m) 空气密度（空气密度（kg/m3) 介质填充率介质填充率0 空气的流速（空气的流速（m/s)df 纤维直径（纤维直径（m)m 实
18、验指数实验指数28（四）影响介质过滤效率的因素（四）影响介质过滤效率的因素介质介质纤维直径越小纤维直径越小，过滤效率越高，过滤效率越高介质介质填充厚度越高填充厚度越高，过滤效率越高，过滤效率越高介质介质填充密度越大填充密度越大，过滤效率越高，过滤效率越高当当空气流速很低空气流速很低时，过滤效率随气流流速时，过滤效率随气流流速增加而降低，当气增加而降低，当气流流速增加流流速增加至临界值后，至临界值后，过滤效率随空气流速增加而提高。过滤效率随空气流速增加而提高。选择过滤介质时，要考虑到过滤效选择过滤介质时，要考虑到过滤效率高，又要使压力降小率高，又要使压力降小29（五）提高过滤除菌效率的措施（五）
19、提高过滤除菌效率的措施减少进口空气的菌数减少进口空气的菌数加强生产场地的卫生管理加强生产场地的卫生管理选择压缩空气站为上风口选择压缩空气站为上风口提高采风位置提高采风位置加强空气预处理加强空气预处理设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质高的过滤介质设计合理的空气预处理设备，达到除油、水和杂设计合理的空气预处理设备，达到除油、水和杂质的目的质的目的降低进入空气过滤器的空气降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质的相对湿度，保证过滤介质在干燥的状态下工作在干燥的状态下工作使用无油压缩机使用无油压缩机加强冷却和去油、水加强冷却和去油、水提
20、高空气温度，以降低提高空气温度，以降低相对湿度相对湿度30三、空气净化流程三、空气净化流程生产对无菌空气过滤流程的要求：生产对无菌空气过滤流程的要求：进入发酵罐的无菌空气应保持一定的进入发酵罐的无菌空气应保持一定的正压正压，需要供气设备。需要供气设备。选取空气选取空气尘埃小尘埃小的空气，延长过滤器的寿的空气，延长过滤器的寿命（高空采风）。命（高空采风）。除水和油除水和油，保证过滤器的除菌效率（冷却，保证过滤器的除菌效率（冷却，加热和分离器）。加热和分离器）。31发酵生产中制备无菌空气的大致过程发酵生产中制备无菌空气的大致过程空气空气高空取气管高空取气管除尘器除尘器空气压缩机空气压缩机（1.96
21、*105Pa以上，温度以上，温度120-150）贮贮气罐气罐一级冷却器一级冷却器（20-25）油水分油水分离器离器二级分离器二级分离器除雾气除雾气加热器（加热器（30-35）总过滤器总过滤器分过滤器分过滤器无菌空气无菌空气（洁净度、压力、温度、流量）（洁净度、压力、温度、流量）常见空气净化流程常见空气净化流程32高空取气管高空取气管高空取气管是远离地面高空取气管是远离地面几十米的管子。一般而几十米的管子。一般而言，地面附近空气中气言，地面附近空气中气含的微生物数和灰尘等含的微生物数和灰尘等均比高空空气中含的多，均比高空空气中含的多，据资料介绍，每升高据资料介绍，每升高10米，空气中杂菌可降低米
22、，空气中杂菌可降低一个数量级，因此从高一个数量级，因此从高空取气要比从低空取气空取气要比从低空取气有利的多。有利的多。3334空气贮罐空气贮罐：主要是起缓冲主要是起缓冲作用，使用气作用，使用气流平稳，同时流平稳，同时也起到冷却的也起到冷却的作用。作用。35空气冷却器空气冷却器：由于空压机出口的空气温度：由于空压机出口的空气温度高达高达140160左右，因此必须进行冷却。左右，因此必须进行冷却。1、极有可能引起过滤介质的碳化和燃烧、极有可能引起过滤介质的碳化和燃烧;2、增加发酵罐的降温负荷，给培养温度、增加发酵罐的降温负荷，给培养温度的控制带来困难的控制带来困难;3、高温空气会增大发酵液气体的蒸
23、发，、高温空气会增大发酵液气体的蒸发，影响微生物的生长。影响微生物的生长。36旋风分离器旋风分离器旋风分离器旋风分离器利用离心力进行沉降，对于利用离心力进行沉降，对于10 m以上的微粒分离效率较高。以上的微粒分离效率较高。37丝网分离器丝网分离器其同部同时采用直接拦截，惯性碰撞，布朗扩散及凝聚其同部同时采用直接拦截，惯性碰撞，布朗扩散及凝聚等机理，能有效地去除空气中的水、油雾、尘埃，内部等机理，能有效地去除空气中的水、油雾、尘埃，内部有锈钢丝网可清洗，使用寿命长。有锈钢丝网可清洗，使用寿命长。丝网分离器丝网分离器利用惯性进行拦利用惯性进行拦截，分离效率较截，分离效率较高，能除去高，能除去25
24、m的细小颗的细小颗粒。粒。38发酵车间的空气过滤器发酵车间的空气过滤器39金属烧结管空气过滤器金属烧结管空气过滤器40膜过滤器膜过滤器411、两级冷却、分离、加热的空气除、两级冷却、分离、加热的空气除菌流程菌流程适应性强，各种气候条件都行，尤其是适用于潮湿的南方适应性强，各种气候条件都行，尤其是适用于潮湿的南方地区。地区。两级冷却、两次分离两级冷却、两次分离加热加热30-3520-25加热除湿加热除湿422、冷热空气直接混合式除菌流程、冷热空气直接混合式除菌流程此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌流程，它只能适用于那些气候寒冷、相对流程，它只能适用于那些气候
25、寒冷、相对湿度很低的地区。湿度很低的地区。温度温度30-35湿度湿度50-60%433、高效前置过滤器除菌流程、高效前置过滤器除菌流程采用高空采风，初始空气含菌量低采用高空采风，初始空气含菌量低使用前置过滤器，无菌程度较高。经前置高效过滤器后。空气的无菌使用前置过滤器，无菌程度较高。经前置高效过滤器后。空气的无菌程度己达程度己达99.99%，再经冷却、分离和主过滤器过滤后，空气的无菌，再经冷却、分离和主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高，以保证安全。高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除菌）程度就更高，以保证安全。高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除菌）和超细纤维纸串联使用作过滤介质。和超细纤维纸串
26、联使用作过滤介质。特点：无菌程度高。特点：无菌程度高。泡泡沫沫塑塑料料超超细细纤纤维维44思考思考P109-5分析过滤除菌机理与影响过滤除菌的因素，分析过滤除菌机理与影响过滤除菌的因素，考虑如何提高过滤除菌的效率。考虑如何提高过滤除菌的效率。45引起染菌的主要途径：引起染菌的主要途径：（1）缺少正规的操作流程方案；缺少正规的操作流程方案；（2）使用湿的灭菌过滤器；使用湿的灭菌过滤器；（3）冷却盘上的销孔的污染；冷却盘上的销孔的污染；（4）设计不合理的空气排放系统；设计不合理的空气排放系统；（5）不恰当地加入染菌的油和消泡剂；不恰当地加入染菌的油和消泡剂；（6）阀门的泄漏；密封设施不严密。阀门的泄漏；密封设施不严密。46
