生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件

生物制药工程设备生物制药工程设备生物制药工程设备1生物制药工程设备生物制药工程设备空气除菌及设备空气除菌及设备工厂的灭菌设备(青岛)生物制药工程设备空气除菌及设备工厂的灭菌设备(青岛)2u空气除菌是需氧发酵的重要环节。发酵周期越长，对空气除菌是需氧发酵的重要环节。发酵周期越长，对无菌空气的需求越多。无菌空气的需求越多。以一个以一个50m3发酵罐为例，若装料系数为发酵罐为例，若装料系数为0.7，如果要求，如果要求每立方米发酵液每分钟通气每立方米发酵液每分钟通气0.8m3，培养周期为，培养周期为170h，那么每个周期需要通入无菌空气达那么每个周期需要通入无菌空气达2.86105m3。空气除菌是需氧发酵的重要环节。发酵周期越长，对无菌空气的需求3生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件4生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件5提纲提纲第一第一节节 无菌空气的标准无菌空气的标准第二节第二节 空气除菌方法空气除菌方法第三第三节节 过滤除菌过滤除菌原理及原理及设计设计第四节第四节 压缩空气的预处理及设备压缩空气的预处理及设备索菲特除菌过滤器(SZ-15G-1)-(浙江)提纲第一节 无菌空气的标准索菲特除菌过滤器(SZ-15G-6第一第一节节 无菌无菌空气的标准空气的标准第一节 无菌空气的标准7一一 无菌无菌空气的概念空气的概念u无菌空气。无菌空气。发酵工业应用的发酵工业应用的“无菌空气无菌空气”是指通过是指通过除菌除菌处理使空处理使空气中含菌量降低在一个极气中含菌量降低在一个极低的低的百分数，从而能控制发百分数，从而能控制发酵污染至极酵污染至极小机会小机会。此种空气称为。此种空气称为“无菌空气无菌空气”。一 无菌空气的概念无菌空气。8二二 空气空气中微生物的分布中微生物的分布u空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而，而潮湿温潮湿温暖的南方则含菌量较多；暖的南方则含菌量较多；人口人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面地面又比高空的空气含菌量多又比高空的空气含菌量多。u各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不各不相同，数相同，数量也随条件的变化而量也随条件的变化而异异，一般设计一般设计时以含量为时以含量为103104个个/m3进行计算。进行计算。二 空气中微生物的分布空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。9二二 空气空气中微生物的分布中微生物的分布u空气中含有的微生物依附于尘埃、微粒及细微的水滴空气中含有的微生物依附于尘埃、微粒及细微的水滴上。上。尘埃粒子尘埃粒子粗过滤器（进入空压机之前）；粗过滤器（进入空压机之前）；水蒸汽水蒸汽随空气冷却成水滴随空气冷却成水滴分离分离(除水除水)；油滴压缩空气含有空气压缩机的油油滴压缩空气含有空气压缩机的油滴滴(除油除油)。二 空气中微生物的分布空气中含有的微生物依附于尘埃、微粒及细10三三 发酵发酵对空气无菌程度的要求对空气无菌程度的要求三 发酵对空气无菌程度的要求11三三 发酵发酵对空气无菌程度的要求对空气无菌程度的要求只要将空气中含有只要将空气中含有0.3m以上的微粒全部除掉，就可认为是无以上的微粒全部除掉，就可认为是无菌空气，也就是无菌空气的标准。菌空气，也就是无菌空气的标准。三 发酵对空气无菌程度的要求只要将空气中含有0.3m以上的12三三 发酵对空气无菌程度的要求发酵对空气无菌程度的要求u各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力强弱、各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力强弱、生长速度快慢、发酵周期长短及培养基中生长速度快慢、发酵周期长短及培养基中pH的差异，的差异，而对空气除菌的要求一般也不一样而对空气除菌的要求一般也不一样。酵母培养酵母培养除菌要求低除菌要求低氨基酸、抗生素氨基酸、抗生素发酵、酵、细胞培养胞培养除菌要求高除菌要求高三 发酵对空气无菌程度的要求各种不同的发酵过程，由于所用菌种13三三 发酵对空气无菌程度的要求发酵对空气无菌程度的要求u一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的孢子或芽孢，繁殖时需要较长的孢子或芽孢，繁殖时需要较长的调整期。调整期。u在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境后，只要很短的调整期，即可进入对数生长期而大量后，只要很短的调整期，即可进入对数生长期而大量繁殖。繁殖。u影响因素影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具体的工艺要求体的工艺要求。u一般按染菌机率为一般按染菌机率为10-3。来计算，即。来计算，即1000次发酵周期次发酵周期所用的无菌空气只允许所用的无菌空气只允许12次染菌次染菌。三 发酵对空气无菌程度的要求一般悬浮在空气中的微生物，大多是14四四 空气空气含菌量的测定含菌量的测定四 空气含菌量的测定15四四 空气含菌量的测定空气含菌量的测定u粒子计数器测定粒子计数器测定法：利用法：利用微粒对光线有散射作用的原微粒对光线有散射作用的原理来测定粒子的大小和含量理来测定粒子的大小和含量。四 空气含菌量的测定粒子计数器测定法：利用微粒对光线有散射作16四四 空气含菌量的测定空气含菌量的测定u固定膜采样法：采样时间不限，每小时空气取样可达固定膜采样法：采样时间不限，每小时空气取样可达2m3，可用于压缩空气中微生物含量的监测。，可用于压缩空气中微生物含量的监测。四 空气含菌量的测定固定膜采样法：采样时间不限，每小时空气取17第二节第二节 空气除菌方法空气除菌方法第二节 空气除菌方法18一一 热杀菌法热杀菌法虽然虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将它破坏。例如悬浮在空气中的细菌芽孢在将它破坏。例如悬浮在空气中的细菌芽孢在218下下24s就被杀死就被杀死。如果如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到灭菌采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到灭菌目的，这样太不经济目的，这样太不经济。利用空气压缩时产生的热进行灭菌对于无菌要求不高利用空气压缩时产生的热进行灭菌对于无菌要求不高的发酵来说则是一个经济合理的方法。的发酵来说则是一个经济合理的方法。丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产一 热杀菌法虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将19一一 热杀菌法热杀菌法一 热杀菌法20一一 热杀菌法热杀菌法压缩比压缩比=6，空气预热到，空气预热到60(T1)再进入压缩机，多变指数再进入压缩机，多变指数取取m=1.25。计算。计算T2一 热杀菌法压缩比=6，空气预热到60(T1)再进入压缩机21二二 静电静电除尘法除尘法u原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的目的。二 静电除尘法原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌22二二 静电静电除尘法除尘法u优点优点：效率：效率高高(1m微粒去除率达微粒去除率达99%以上以上)、能耗能耗少少(处理处理1000m3空空气耗电气耗电0.4-0.8kWh)、空气阻力空气阻力小小(10-30 mmH2O)。u缺点：一次投资费用高、制造安缺点：一次投资费用高、制造安装复杂、维修装复杂、维修严格。严格。主要应用于化工、冶金领域主要应用于化工、冶金领域1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板；5-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。二 静电除尘法优点：效率高(1m微粒去除率达99%以上)、23三三 过滤除菌过滤除菌法法u目前普遍采用的目前普遍采用的方法，方法，采用定期灭菌的干燥介质来阻截流采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。u常用的常用的过滤介质：过滤介质：棉花、活性炭棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。机烧结材料等。三 过滤除菌法目前普遍采用的方法，采用定期灭菌的干燥介质来阻24第三节第三节 过滤除菌原理、设计及计算过滤除菌原理、设计及计算第三节 过滤除菌原理、设计及计算25u过滤介质按孔隙大小分两类过滤介质按孔隙大小分两类：绝对过滤介质：空隙小于细菌和孢子，当空绝对过滤介质：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气通过时，微生物被阻留在介质的一侧。一侧。深层过滤介质：孔隙大于微生物（深层过滤介质：孔隙大于微生物（用得较多用得较多）将聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩合，制成多孔的聚乙烯醇缩甲醛树脂(PVF)，经过耐热处理制成孔径小于0.3m的滤膜。棉花、玻璃纤维、合成纤维、活性炭、超细纤维滤纸、金属烧结板过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤过滤/分离是在一个分离是在一个平面上进行的平面上进行的。实际上，空气过滤器的滤材具有深度。实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用的结果对于污染物的去除起到了辅助作用过滤介质按孔隙大小分两类：绝对过滤介质：空隙小于细菌和孢子，26绝对过滤介质绝对过滤介质绝对过滤介质27深层过滤介质深层过滤介质1、棉花纤维、玻璃纤维、合成棉花纤维、玻璃纤维、合成纤维和颗粒状活性炭纤维和颗粒状活性炭(需填充一需填充一定厚度定厚度)深层过滤介质1、棉花纤维、玻璃纤维、合成纤维和颗粒状活性炭28深层过滤介质深层过滤介质2、超细纤维滤纸、金属、超细纤维滤纸、金属烧结板烧结板(无需填充很厚无需填充很厚)深层过滤介质2、超细纤维滤纸、金属烧结板(无需填充很厚)29一一 纤维纤维介质深层过滤除菌的介质深层过滤除菌的原理原理u目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸过滤器，所用的过滤介质一般是器和玻璃纤维过滤纸过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻璃纤棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻璃纤维维、尼龙、尼龙等等。u被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有0.52m，深层，深层过滤所用的过滤所用的过滤介质过滤介质-棉花棉花的纤维直径的纤维直径一般为一般为16 20m，填充系数为，填充系数为8时，棉花纤维所形时，棉花纤维所形成的孔隙为成的孔隙为2050m；超细玻璃纤维滤板超细玻璃纤维滤板因纤维直径因纤维直径很小，为很小，为11.5m，湿法抄制湿法抄制紧密度较大，所形成的紧密度较大，所形成的网格孔隙为网格孔隙为0.55m。u过滤过滤机理比较复杂机理比较复杂。以纤维介质为例。以纤维介质为例。一 纤维介质深层过滤除菌的原理目前发酵工厂采用的空气过滤设备30u微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流无数次改变运动速度和运动方气流直线前进，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向，绕过纤维前进。这些改变引起微粒对滤层纤维产生生惯性冲击惯性冲击、重力沉降、重力沉降、阻拦阻拦、布朗扩散布朗扩散、静电吸引、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上等作用而将微粒滞留在纤维表面上。微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，31一一 纤维介质深层过滤除菌的原理纤维介质深层过滤除菌的原理u主要是纤维介质截获颗粒的机理主要是纤维介质截获颗粒的机理。一 纤维介质深层过滤除菌的原理主要是纤维介质截获颗粒的机理。32（一）惯性撞击截留一）惯性撞击截留作用作用 （二）拦截截留二）拦截截留作用作用 （三）布朗扩散截留（三）布朗扩散截留作用作用 （四）重力沉降作用（四）重力沉降作用 （五）静电吸附作用（五）静电吸附作用 （一）惯性撞击截留作用 331 直接直接拦截拦截u(1)颗粒颗粒大于孔径。大于孔径。1 直接拦截(1)颗粒大于孔径。341 直接直接拦截拦截u(2)尺寸尺寸小于滤孔的颗粒也可被小于滤孔的颗粒也可被拦截拦截(搭桥作用搭桥作用)。不规则不规则形状的颗粒形状的颗粒/方向性方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔多个颗粒同时撞击到同一个滤孔不规则形状的搭桥多个小颗粒的搭桥1 直接拦截(2)尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截(搭桥作用)35滤饼滤饼u拦截在过滤器表面的颗粒拦截在过滤器表面的颗粒堆积所形成的颗粒层称为堆积所形成的颗粒层称为“滤饼滤饼”。u当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的的“滤饼滤饼”即已形成了即已形成了。u滤饼颗粒间的孔隙亦如同滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗粒的一种过滤器，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高。拦截效率通常由此而提高。滤饼拦截在过滤器表面的颗粒堆积所形成的颗粒层称为“滤饼”。滤362 惯性惯性撞击撞击u尺寸小于滤材孔径的颗粒的尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式辅助拦截方式。u流体携带的颗粒由于质量和流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有线速度而具有直线运动直线运动的的惯惯性。性。u颗粒离开流体主流而撞击到颗粒离开流体主流而撞击到滤材滤材上。上。2 惯性撞击尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式。372 惯性撞击惯性撞击2 惯性撞击382 惯性撞击惯性撞击2 惯性撞击392 惯性撞击惯性撞击2 惯性撞击402 惯性撞击惯性撞击颗粒被机械拦截或被吸附拦截颗粒被机械拦截或被吸附拦截在气体中比在液体中更有效在气体中比在液体中更有效.对大于对大于0.5-1.0 微米的颗粒很有效微米的颗粒很有效.2 惯性撞击颗粒被机械拦截或被吸附拦截在气体中比在液体中更有413 扩散扩散拦截拦截u气体分子气体分子(作随机运动作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴碰撞小颗粒或雾滴。u布朗运动布朗运动(Brownian motion)碰撞的结果碰撞的结果，增加，增加了颗粒碰撞了颗粒碰撞过滤介质的过滤介质的机会。机会。u仅在气体中仅在气体中有效有效u对小对小-细颗粒细颗粒(0.1-0.3微米微米)非常非常有效有效3 扩散拦截气体分子(作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴。423 扩散扩散拦截拦截3 扩散拦截433 扩散扩散拦截拦截3 扩散拦截443 扩散扩散拦截拦截3 扩散拦截45过滤机理总结过滤机理总结u当气流速度较大时当气流速度较大时(约大于约大于0.1m/s)，惯性捕集是主要的。，惯性捕集是主要的。而流速较小时，扩散作用占优势。而在两者之间而流速较小时，扩散作用占优势。而在两者之间，可能，可能是是拦截作用拦截作用占优势。占优势。u以上几种作用机理在整个过程中，随着参数变化有着复杂以上几种作用机理在整个过程中，随着参数变化有着复杂的关系，目前还的关系，目前还未能作准确的理论计算未能作准确的理论计算。过滤机理总结当气流速度较大时(约大于0.1m/s)，惯性捕集46过滤机理总结过滤机理总结细菌细菌在设计过滤除菌设备时，只有薄层介质过滤器在设计过滤除菌设备时，只有薄层介质过滤器(阻力小阻力小)才选用才选用较高的空气流速，一般以采用较高的空气流速，一般以采用0.15m/s以下为宜。以下为宜。过滤机理总结细菌在设计过滤除菌设备时，只有薄层介质过滤器(阻47二二 空气空气过滤时的对数穿透定律过滤时的对数穿透定律u过滤除菌效率或称空气过滤器的过滤效率过滤除菌效率或称空气过滤器的过滤效率，是指过滤器，是指过滤器中过滤介质层捕集空气中微粒与空气中原有微粒数目之比，中过滤介质层捕集空气中微粒与空气中原有微粒数目之比，即即：u是单纤维各种机理除菌效率的综合体现。是单纤维各种机理除菌效率的综合体现。二 空气过滤时的对数穿透定律过滤除菌效率或称空气过滤器的过滤48二二 空气空气过滤时的对数穿透定律过滤时的对数穿透定律u实验结果证明，微粒在滤层内减少的速率正比于微粒的实验结果证明，微粒在滤层内减少的速率正比于微粒的浓浓度，即：度，即：u分离变量积分，得：分离变量积分，得：uK与纤维种类、纤维直径、空气流速、填充系数及微粒直与纤维种类、纤维直径、空气流速、填充系数及微粒直径等因素径等因素有关。有关。或或二 空气过滤时的对数穿透定律实验结果证明，微粒在滤层内减少的49u根据根据u若若已知除菌要求和已知除菌要求和K，则可以计算出介质层厚度，则可以计算出介质层厚度L。uL90：除菌效率为：除菌效率为90%时的介质厚度。时的介质厚度。L90根据L9050u可以理解为介质阻止微生物穿透的性能。可以理解为介质阻止微生物穿透的性能。uK或或K越大，表明该介质越能阻止微生物粒子的穿透。越大，表明该介质越能阻止微生物粒子的穿透。uL90是是K的倒数，反映了介质过滤性能的优劣：的倒数，反映了介质过滤性能的优劣：L90小，表明小，表明只需要很薄的滤层即可除去只需要很薄的滤层即可除去90%的微生物粒子的微生物粒子。除菌常数除菌常数K或或K可以理解为介质阻止微生物穿透的性能。除菌常数K或K51深层除菌过滤器效率与操作条件有关深层除菌过滤器效率与操作条件有关深层除菌过滤器效率与操作条件有关52三三 空气过滤器空气过滤器的设计的设计u介质层填充厚度介质层填充厚度u过滤器直径过滤器直径u过滤层过滤层压力降压力降三 空气过滤器的设计介质层填充厚度53(一一)介质介质层填充厚度层填充厚度(高度高度)u由对数穿透定律进行计算由对数穿透定律进行计算。N0可根据进口空气的污染度可根据进口空气的污染度(空气含菌浓度空气含菌浓度C0)、空气流量及、空气流量及持续使用时间计算出。持续使用时间计算出。例如，取例如，取C0=10000个个/m3，空气流量，空气流量为200m3/min，连续使用使用2000h，则N0=10000 200 2000 60=2.4 1011个，个，Ns一般取一般取10-3个，于是个，于是N0/Ns=2.4 1014个。在个。在设计空气空气总过滤器器时，常取，常取N0/Ns=1015作作为设计指指标。K可通可通过试验数据或数据或计算的方法求得。算的方法求得。(一)介质层填充厚度(高度)由对数穿透定律进行计算。N0可54(一一)介质介质层填充厚度层填充厚度(高度高度)uK可通过试验数据或计算的方法求得。可通过试验数据或计算的方法求得。(一)介质层填充厚度(高度)K可通过试验数据或计算的方法求55(二二)过滤器直径过滤器直径u根据空气流量和流速的关系根据空气流量和流速的关系计算计算Vs可根据生产任务等条件求得。可根据生产任务等条件求得。w的确定方法是：当的确定方法是：当K通过实验确定通过实验确定时，取时，取0.1-0.3m/s，计算，计算K时，则取临界气速，以保证生产对无菌空时，则取临界气速，以保证生产对无菌空气的要求。气的要求。(二)过滤器直径根据空气流量和流速的关系计算Vs可根据生产56(二二)过滤器压力降过滤器压力降u空气通过过滤器介质层时要克服与介质的摩擦而引起的压空气通过过滤器介质层时要克服与介质的摩擦而引起的压力损失，即力损失，即压力降：压力降：(二)过滤器压力降空气通过过滤器介质层时要克服与介质的摩擦57四四 过滤介质过滤介质和过滤器的结构和过滤器的结构u（一）常用过滤介质（一）常用过滤介质四 过滤介质和过滤器的结构（一）常用过滤介质58四四 过滤介质过滤介质和过滤器的结构和过滤器的结构u（二）过滤器的（二）过滤器的结构结构、棉花、棉花活性炭过滤器活性炭过滤器四 过滤介质和过滤器的结构（二）过滤器的结构59四四 过滤介质过滤介质和过滤器的结构和过滤器的结构u（二）过滤器的（二）过滤器的结构结构、超细玻璃纤维纸过、超细玻璃纤维纸过滤器（分过滤器）滤器（分过滤器）四 过滤介质和过滤器的结构（二）过滤器的结构60第四节第四节 压缩空气的预处理及设备压缩空气的预处理及设备第四节 压缩空气的预处理及设备61u空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，如无菌程空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，如无菌程度、空气压力、温度和湿度等，并结合采气环境的空气条度、空气压力、温度和湿度等，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而综合制定的件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而综合制定的。u要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方，首先需要提高要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方，首先需要提高空气的能量，即增加空气的压力，这就需要空气压缩机或空气的能量，即增加空气的压力，这就需要空气压缩机或鼓风机鼓风机。u空气经压缩后，温度会升高，经冷却会释放出水分，空气空气经压缩后，温度会升高，经冷却会释放出水分，空气在压缩过程又有可能夹带机器润滑油雾。在压缩过程又有可能夹带机器润滑油雾。空气除菌流程的要求空气除菌流程的要求空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，如无菌程度、空气压62u风压要求低、输送距离短、无菌度要求也不高的场合，如洁净风压要求低、输送距离短、无菌度要求也不高的场合，如洁净工作室、具有自吸作用的发酵系统如转子式自吸发酵罐、喷射工作室、具有自吸作用的发酵系统如转子式自吸发酵罐、喷射式自吸发酵系统等式自吸发酵系统等(只需要数十帕到数百帕的空气压力只需要数十帕到数百帕的空气压力)u采用普通的离心式鼓风机增压，将具有一定压力的空气通过一采用普通的离心式鼓风机增压，将具有一定压力的空气通过一个过滤面积大的过滤器，以很低的流速进行过滤除菌，这样气个过滤面积大的过滤器，以很低的流速进行过滤除菌，这样气流的阻力损失很小。流的阻力损失很小。u由于空气的压缩比很小，空气温度升高不大，相对湿度变化也由于空气的压缩比很小，空气温度升高不大，相对湿度变化也不大，空气过滤效率比较高，经一、二级过滤后就能符合所需不大，空气过滤效率比较高，经一、二级过滤后就能符合所需无菌空气的要求。无菌空气的要求。u关键：离心式鼓风机的增压与空气过滤的阻力损失要配合好，关键：离心式鼓风机的增压与空气过滤的阻力损失要配合好，以保证空气过滤后还有足够的压强推动空气在管道和无菌空间以保证空气过滤后还有足够的压强推动空气在管道和无菌空间中流动。中流动。空气除菌流程的要求空气除菌流程的要求风压要求低、输送距离短、无菌度要求也不高的场合，如洁净工作室63u对于无菌度和输送距离等要求高的场合，就要采用较高压对于无菌度和输送距离等要求高的场合，就要采用较高压力的空气压缩机来增压。由于空气压缩比大，空气的参数力的空气压缩机来增压。由于空气压缩比大，空气的参数变化也大，就需要增加一系列的附属设备。变化也大，就需要增加一系列的附属设备。u根据工厂所在地的地理、气候环境和设备条件来制定具体根据工厂所在地的地理、气候环境和设备条件来制定具体的空气除菌流程。的空气除菌流程。u如在环境污染较为严重的地方，要考虑改变吸风的条件，如在环境污染较为严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的南方，要加强出水设备；空气被压缩后温度升高，需要的南方，要加强出水设备；空气被压缩后温度升高，需要迅速降温以减小压缩机的负荷；空气冷却会析出大量的冷迅速降温以减小压缩机的负荷；空气冷却会析出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。影响过滤效果。空气除菌流程的要求空气除菌流程的要求对于无菌度和输送距离等要求高的场合，就要采用较高压力的空气压64u空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一一般压力在般压力在0.2MPa以上，温度以上，温度120160 )，先冷却至适当，先冷却至适当温度温度(2025)除去油和水，再加热至除去油和水，再加热至3035，最后通过最后通过总空气过滤器和分过滤器总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器有的不用分过滤器)除菌，从而除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气气。u各种设备系围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量各种设备系围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁洁净度净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。空气除菌的一般流程空气除菌的一般流程空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进65空气除菌的一般流程空气除菌的一般流程空气除菌的一般流程66u经过压缩机压缩的空气具有较高的温度，在压力不变的经过压缩机压缩的空气具有较高的温度，在压力不变的情况下冷却会造成相对湿度增加，析出水滴。情况下冷却会造成相对湿度增加，析出水滴。u经非无油润滑的往复式空气压缩机排除的压缩空气还带经非无油润滑的往复式空气压缩机排除的压缩空气还带有一定量的油雾。有一定量的油雾。u以上情况可能使过滤介质受潮而引起失效，使空气除菌以上情况可能使过滤介质受潮而引起失效，使空气除菌失败。失败。u因此压缩空气应先进行因此压缩空气应先进行预处理预处理：除油除水，再进入空气：除油除水，再进入空气过滤器，即先冷却，再加热。过滤器，即先冷却，再加热。u一般要求一般要求进入过滤器的空气相对湿度为进入过滤器的空气相对湿度为50-60%，温度为，温度为30-40。预处理过程做到经济合理很重要，在发酵工业。预处理过程做到经济合理很重要，在发酵工业产品成本中，动力费占产品成本中，动力费占45%，其中压缩空气系统占三分，其中压缩空气系统占三分之一，冷却水占三分之一，搅拌占三分之一。之一，冷却水占三分之一，搅拌占三分之一。经过压缩机压缩的空气具有较高的温度，在压力不变的情况下冷却会67一一 压缩空气的预处理原理压缩空气的预处理原理u(一一)压缩空气的冷却压缩空气的冷却20的空气由的空气由1105Pa被压缩到被压缩到4105Pa，取，取m=1.25，压缩，压缩后空气的温度可达：后空气的温度可达：一 压缩空气的预处理原理(一)压缩空气的冷却68压缩比越大，压缩空气温压缩比越大，压缩空气温度越度越高高压缩空气压缩空气直接通入过滤器直接通入过滤器，会会损坏损坏过滤介质。过滤介质。温度温度过高也会增加发酵罐过高也会增加发酵罐的降温的降温负荷。负荷。高温高温空气还会增加罐内液空气还会增加罐内液体体挥发。挥发。因此压缩空气须因此压缩空气须进行冷却。进行冷却。压缩空气的温度变化压缩空气的温度变化压缩比越大，压缩空气温度越高压缩空气的温度变化69（二）压缩空气的除水原理（二）压缩空气的除水原理u相对湿度相对湿度：空气中水蒸气分压与同温度下水的饱和：空气中水蒸气分压与同温度下水的饱和蒸气压之蒸气压之比：比：（二）压缩空气的除水原理相对湿度：空气中水蒸气分压与同温度70（二）压缩空气的除水原理（二）压缩空气的除水原理u湿含量湿含量 x：每：每1kg干空气中含有的水蒸气的干空气中含有的水蒸气的kg数，也数，也称绝对湿含量，称绝对湿含量，kg/kg干空气：干空气：（二）压缩空气的除水原理湿含量 x：每1kg干空气中含有的水71相对湿度相对湿度和湿含量变化规律和湿含量变化规律 相对湿度和湿含量变化规律 72露点和露点和湿含量变化规律湿含量变化规律 露点和湿含量变化规律 73合并上述两式，得：合并上述两式，得：若湿空气的温度和总压发生变化，而湿度若湿空气的温度和总压发生变化，而湿度x不变不变(高于露点温高于露点温度度)，则可取，则可取x1=x2，得出：，得出：合并上述两式，得：74从上式可以看出，压缩空气的相对湿度除了和原始空气的从上式可以看出，压缩空气的相对湿度除了和原始空气的相对湿度，温度相对湿度，温度t1(决定决定ps1数值数值)及压缩比及压缩比P2/P1外，还和外，还和t2有有关。若压缩空气冷却至原始空气的温度，即关。若压缩空气冷却至原始空气的温度，即t1=t2，则，则ps1=ps2，那么压缩空气的相对湿度就仅和压缩比有关，即，那么压缩空气的相对湿度就仅和压缩比有关，即：从上式可以看出，压缩比增大多少倍，相对湿度也就增大从上式可以看出，压缩比增大多少倍，相对湿度也就增大多少倍，故空气通过加压就有可能达到饱和而析出水来。多少倍，故空气通过加压就有可能达到饱和而析出水来。从上式可以看出，压缩空气的相对湿度除了和原始空气的相对湿度，75空气湿度随地理位置、季节及气候条件而变空气湿度随地理位置、季节及气候条件而变空气湿度随地理位置、季节及气候条件而变76压缩空气制备过程相对湿度和湿含量变化的计算压缩空气制备过程相对湿度和湿含量变化的计算欲将上述预处理过的空气相对湿度变为欲将上述预处理过的空气相对湿度变为60%，需将温度升高到多少度？，需将温度升高到多少度？欲将上述预处理过的空气相对湿度欲将上述预处理过的空气相对湿度变为变为50%，需将温度升高到多少度？，需将温度升高到多少度？压缩空气制备过程相对湿度和湿含量变化的计算欲将上述预处理过的77二二 空气空气预处理的流程预处理的流程u（一）空气冷却至露点以上的（一）空气冷却至露点以上的流程流程相相对湿度湿度60%温度温度3040适合地区：适合地区：北方及内北方及内陆较干燥的地区；沿干燥的地区；沿海的冬季海的冬季二 空气预处理的流程（一）空气冷却至露点以上的流程相对湿度678生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件79二二 空气空气预处理的流程预处理的流程u（二）将压缩空气冷却至露点以下的流程（二）将压缩空气冷却至露点以下的流程适合地区：适合地区：空气中水分含量大，特空气中水分含量大，特别是沿是沿海地区的夏季海地区的夏季二 空气预处理的流程（二）将压缩空气冷却至露点以下的流程适合80生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件81压缩空气压缩空气的二级冷却和析水的二级冷却和析水流程：节能流程：节能压缩空气的二级冷却和析水流程：节能82（三）将冷热空气直接混合的流程三）将冷热空气直接混合的流程 适合适合地区：地区：中等湿含量的地区中等湿含量的地区 优点：点：减少冷却水用量，不需要加减少冷却水用量，不需要加热设备（三）将冷热空气直接混合的流程 适合地区：优点：83（三）将冷热空气直接混合的流程三）将冷热空气直接混合的流程 （三）将冷热空气直接混合的流程 84（四）具有热交换器的预处理流程四）具有热交换器的预处理流程 节省省热能和冷却水能和冷却水（四）具有热交换器的预处理流程 节省热能和冷却水 85三三 压缩空气压缩空气预处理的设备预处理的设备u（一）取气口高度与位置（一）取气口高度与位置高度高度：取气口：取气口应放在放在较高的高的位置位置(每升高每升高10米，微生米，微生物量下降一个数量物量下降一个数量级)位置位置：远离离发酵罐尾气的放酵罐尾气的放风口、循口、循环水的冷却塔、水的冷却塔、锅炉烟道气排出口等炉烟道气排出口等 三 压缩空气预处理的设备（一）取气口高度与位置高度：取气口应86空压车间空压车间87（二）粗过滤器（二）粗过滤器（二）粗过滤器88填料：填料：油浸铁回丝、油浸铁回丝、玻璃纤维、玻璃纤维、其他合成纤维。其他合成纤维。1-滤网 2-加油斗 3-油镜 4-油层 生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件89高效前置过滤除菌流程高效前置过滤除菌流程高效前置过滤除菌流程90生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件91生物制药工程设备【2】空气除菌及设备课件92（三）空压机的（三）空压机的类型和类型和选用选用（三）空压机的类型和选用93（四）空气贮罐四）空气贮罐 （四）空气贮罐 94（五）空气的换热设备五）空气的换热设备 （五）空气的换热设备 95（六）析水设备（气（六）析水设备（气-液分离设备）液分离设备）1、旋风分离器、旋风分离器 原理原理：利用离心力利用离心力进行离心行离心沉降分离。沉降分离。缺点缺点：气速小气速小则离心力亦小离心力亦小分离效果差；气速分离效果差；气速过大大则在器内在器内产生生较大大涡流降低分离效率。流降低分离效率。（六）析水设备（气-液分离设备）1、旋风分离器 原理：缺点96（六）析水设备（气（六）析水设备（气-液分离设备）液分离设备）2、丝网除雾器、丝网除雾器原理：原理：利用利用惯性性拦截原理截原理进行分离。行分离。缺点：缺点：通通过丝网除网除雾器的空器的空气流速不能太大，以气流速不能太大，以免分离出的液滴又被免分离出的液滴又被空气挟空气挟带出来出来。（六）析水设备（气-液分离设备）2、丝网除雾器原理：缺点：97（六）析水设备（气（六）析水设备（气-液分离设备）液分离设备）2、丝网除雾器、丝网除雾器（六）析水设备（气-液分离设备）2、丝网除雾器98习题习题习题99