发酵工程第四章无菌空气的制备

发酵工程,Fermentation Engineering,李先磊,化学化工系,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,发酵工程,Fermentation Engineering,李先磊,化学化工系,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 无菌空气的制备,无菌空气的制备,第一节 空气中的微生物和除菌方法,第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,第一节 空气中的微生物和除菌方法,空气中的微生物种类及分布,空气除菌的方法和要求,一、空气中的微生物种类及分布,空气中常见的微生物种类有多种芽孢杆菌、变形杆菌、产气杆菌、酵母菌和病毒等。,空气中微生物数量与环境有关，地区、季节、气候等都会影响。,一般设计时以含量为,10,3,10,4,个,m,3,进行计算。,二、空气除菌的方法和要求,发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。标准一般是,99.99%,，,空气灭菌的方法,空气灭菌的方法,热灭菌法,辐射灭菌法,静电除菌法,介质过滤除菌法,1,、热灭菌法,空气热灭菌不需要通过蒸汽或者加热载体加热，直接通过空气压缩之后的温度提升即可完成灭菌过程。,小型空气压缩机,2,、辐射灭菌法,各种射线级超声波等理论上都能破坏微生物细胞结构，从而起到杀菌作用。,辐射灭菌仅用于表面灭菌和有限空间灭菌。,应用最广泛的是紫外线灭菌，常与甲醛蒸汽一起结合进行灭菌。,3,、静电除菌法,近年来一些工厂已使用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾和尘埃，同时也除去了空气中的微生物。,利用静电引力来吸附带电的粒子达到除尘灭菌的效果。,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-,空气入口；,6-,封头；,7-,钢板；,8-,法兰；,9-,空气出口。,4,、介质过滤除菌法,让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中含有的微生物，从而获得无菌空气。,原理：将介质填充到过滤器中，空气流过借助于惯性碰撞、阻截、扩散、静电等作用将尘埃微生物留在介质中，达到除菌效果。,过滤器有很多种，根据过滤方式和过滤介质的不同可以进行区分。,无菌空气的制备,第一节 空气中的微生物和除菌方法,第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质,空气过滤除菌的原理,空气过滤除菌的介质,介质过滤的效率,影响过滤除菌效果的因素,提高过滤除菌效率的措施,一、空气过滤除菌的原理,介质过滤是以大空隙的介质过滤层除去较小颗粒，这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是一种滞留现象。这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有,惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸引,等。,1,、惯性冲击滞留作用,当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定质量，在以一定速度运动时具有一定惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。,这种现象称作,惯性冲击滞留作用,惯性冲击滞留作用,纤维能滞留微粒的宽度区域,b,与纤维直径,d,f,之比，称为单纤维的,惯性冲击捕获效率,，可用,1,表示：,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。,1,=,b,d,f,惯性冲击滞留作用,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而绕过纤维前进，即,b = 0,，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,v,c,。,v,c,=,V,s,1,V,s,容器截面的空气速度；,介质填充密度,惯性碰撞的临界速度受填充密度的影响,2,、拦截滞留作用,当气流速度在临界速度以下，颗粒不再由于惯性碰撞而滞留。但是，颗粒质量很小，在气流绕过纤维时，颗粒仍然随气流运动，在气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞流区内气流速度更慢，进入滞留区的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘附作用而被滞留。这就是,阻截（拦截）滞留作用,在介质过滤除菌中并非主要作用,拦截滞留作用对微粒的捕获效率,2,与气流的,雷诺准数,和微粒与纤维的直径比相关,拦截滞留作用,雷诺准数,是一个无因次数群，是流体流动状态各方面因素的综合体现，是许多化工过程计算的必需参数。,3,、布朗运动,直径小于,1,m,的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，即,布朗运动,。,使较小的颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留；,气流速度大时，凝聚现象为惯性碰撞所取代,4,、重力沉降作用,再小的微粒也有重力；,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。,对于小颗粒而言，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获效率。,5,、静电吸引作用,许多微生物和孢子都带有电荷,具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷,当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸附作用,空气的过滤除菌原理和过滤介质,空气过滤除菌的原理,空气过滤除菌的介质,介质过滤的效率,影响过滤除菌效果的因素,提高过滤除菌效率的措施,二、空气过滤除菌的介质,常用的过滤介质：,4,）超细玻璃纤维丝 利用高质量的无碱玻璃采用喷制法,制成的,1,1.5 m,的细丝；,1,）棉花 宜选用纤维细长、疏松的新棉花；,2),活性炭 ,3mm ,长,5,10 mm,圆柱状，有较大的表面积，通过物理吸附作用而吸附微生物。；,3,）玻璃纤维,8,19 m,；,活性炭,玻璃纤维,二、空气过滤除菌的介质,5,）纸类过滤介质 指玻璃纤维纸，属于深层过滤技术；,6,）微孔滤膜类过滤介质,小于,0.5,m,，甚至小于,0.1m,，能将空气中的细菌真正滤去，也是绝对过滤。,空气的过滤除菌原理和过滤介质,空气过滤除菌的原理,空气过滤除菌的介质,介质过滤的效率,影响过滤除菌效果的因素,提高过滤除菌效率的措施,三、介质过滤效率,滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比称为,过滤效率,，用,表示 ，是衡量过滤设备过滤能力的指标。,=,N,1,N,2,N,1,= 1,N,2,N,1,= 1,P,N,1,过滤前空气中的微粒含量 （个）；,N,2,过滤后空气中微粒含量 （个）；,N,2,/,N,1,过滤后过滤前空气中微粒数的比值，,称为,穿透率,P,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。,在一定条件下（包括气流速度、温度、介质种类、填充密度、杂菌种类等），通过单位高度介质层后，杂菌浓度的下降量与进入此介质层的杂菌量成正比。即：,d,N,/ d,L,=,KN,0,d,N,/ d,L,单位滤层所除去的微粒数（个,/cm,）；,L,滤床厚度 （,cm,）；,K,过滤常数或除菌常数 （,cm,1,）,上式整理并积分，可得：,ln,Ns,N,0,=,KL,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。,L,=,1,K,ln,N,0,Ns,N,0,过滤前空气中的微粒含量 （个）；,N,s,过滤后空气中微粒含量 （个）；,K,过滤常数或除菌常数 （,cm,1,）,常数,K,值与气流速度、纤维直径、介质填充密度以及空气中颗粒大小等有关。,K,值可通过实验测得，也可通过计算求得。,若令,Ns,=0,，则,L,= ,，事实上也不可能；一般取,Ns,= 0.001,对数穿透定律表达式说明介质过滤不能长期获得,100%,的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长空气中带菌微粒在过滤器中滞留的时间。过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过。所以过滤器必须定期灭菌。,空气的过滤除菌原理和过滤介质,空气过滤除菌的原理,空气过滤除菌的介质,介质过滤的效率,影响过滤除菌效果的因素,提高过滤除菌效率的措施,四、影响过滤除菌效果的因素,1,）纤维直径,介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。,2,）介质填充厚度,3,）介质填充密度,增加填充密度，可提高过滤效率,4,）空气流速,在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高。,空气的过滤除菌原理和过滤介质,空气过滤除菌的原理,空气过滤除菌的介质,介质过滤的效率,影响过滤除菌效果的因素,提高过滤除菌效率的措施,五、提高过滤除菌效率的措施,减少进口空气的含菌量；,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；,设计合理的空气预处理设备，以达到除油、水和杂质的效果；,降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工作。,无菌空气的制备,第一节 空气中的微生物和除菌方法,第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,对空气过滤除菌工艺流程的要求,空气的预处理,空气过滤除菌工艺流程,一、对空气过滤除菌工艺流程的要求,需要空气压缩机提供具有足够能量的空气；,需要具有高效的过滤除菌能力的设备；,需要精简工艺流程，降低设备投资等；,工艺设计要选择好吸风条件、加强除水设备、降低负荷、提高空气无菌程度。,空气压缩机,小型空压机,大型空压机,排出压力：,一般,2,4 kg/cm,2,工作的基本原理：,打气筒如何工作,？,空压机的压缩过程是依靠汽缸内的活塞作往复运动而进行的（故称往复式）,其工作过程分,3,步：吸气压缩排气,空压机工作原理示意图,吸气阀,排气阀,活塞,汽缸,排气阀,吸气阀,单吸式,双吸式,空压机工作原理,活塞来回一次，完成一次工作循环,（吸气 压缩 排气）,冲程：,活塞每来或回一次的距离,余隙：,在实际压缩过程中，活塞并不压到汽缸的最底部；,一般占汽缸总体积的,3,8%,。,气缸冷却：,水冷和风冷；水冷更常用,多级压缩,要得到压力较高的压缩空气，单靠一级压缩是不能完成的；,因气体被压缩会产生大量的热，气体温度上升，气体的压缩比（气体压缩后与压缩前的压力比）愈大，则气体的温度上升越高，当压力比达到一定数值时，气体的温度达到压缩机润滑油的闪点（,200,240,），润滑油被烧成炭渣。,同时，气体温度越高，所消耗的动能也越大。,在多级压缩中，每级的压力比都较低，逐级提高压力比，而且在每级压缩后，有级间冷却器把前一级压缩的气体冷却到第一级吸入时的温度，故消耗功率低。,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,对空气过滤除菌工艺流程的要求,空气的预处理,空气过滤除菌工艺流程,二、空气的预处理,空气预处理的目的：提高压缩前空气的洁净度和去除压缩后空气中所带的油和水。,前过滤器（粗过滤器）,压缩空气的冷却,压缩空气除水和除油,1,、粗过滤器,作用：,主要是捕集较大的灰尘颗粒,要求：,过滤效率高，阻力小 （阻力大则增加空压机的吸入负荷，降低压缩空气的排出量）,型式：,布袋式过滤器 、油浴洗涤过滤器,水雾除尘过滤器、填料式过滤器,旋风分离式过滤器,2,、压缩空气的冷却,过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器，有可能引起过滤介质的炭化或燃烧；且增大了发酵罐的降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分的蒸发，影响微生物的生长。,冷却器类型：,立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器,3,、压缩空气除水和除油,使用气液分离器除去压缩后的湿空气。,气液分离器型,式：,旋风分离器和丝网分离器,旋风分离器,利用气流从切线方向进入容器，在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。,丝网分离器,利用填料的惯性拦截,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,对空气过滤除菌工艺流程的要求,空气的预处理,空气过滤除菌工艺流程,三、空气过滤除菌工艺流程,两级冷却、加热除菌流程,冷热空气直接混合式空气除菌流程,高效前置过滤空气除菌流程,将空气冷却至露点以上的流程,利用热空气加热冷空气的流程,一次冷却和析水的空气过滤流程,两级冷却、加热除菌流程,1 -,粗过滤器,2 -,压缩机,3 -,贮罐,4,，,6 -,冷却器,5 -,旋风分离器,7-,丝网分离器,8-,加热器,9 -,总过滤器,空气从采气口进入过滤系统前，先经过粗过滤器过滤，再进入空气压缩机，经压缩升温后的空气经过两次冷却后，再被加热和过滤。,冷热空气直接混合式空气除菌流程,经粗过滤和压缩后的空气，从储罐出来后分两部分，一部分进入冷却器，冷却到低温，经分离器分离油水之后与另一部分未处理的高压空气混合，再进入过滤器。,1-,粗过虑器,2-,压缩机,3-,贮罐,4-,冷却器,5-,丝网分离器,6-,总过滤器,高效前置过滤空气除菌流程,采用高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经过中、高温过滤器后，再进入空压机，降低主过滤器的负荷。,1-,高效前置过滤器,2-,压缩机,3-,贮罐,4-,冷却器,5-,丝网分离器,6-,加热器,7-,总过滤器,将空气冷却至露点以上的流程,空气露点,：,使水蒸气达到饱和时的温度。,测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,对空气过滤除菌工艺流程的要求,空气的预处理,空气过滤除菌工艺流程,