3空气除菌及设备

第三章空气净化及除菌设备现代工业发酵绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养,从而获得目的产物。溶解氧是这些微生物生长和代谢必不可少的条件。工业上通常以空气作为氧源。但空气中含有各种各样的微生物，它们一旦随空气进入培养液，在适宜的条件下，就会迅速大量繁殖，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。因此，通风发酵需要的空气必须是洁净无菌，并有一定的温度和压力的空气，这就要求对空气进行净化除菌和调节处理。第一节空气净化除菌的方法与原理一生物工业生产对空气质量的要求1.空气中微生物的分布空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、霉菌和病毒。它们在空气中的含量随环境的不同而有很大的差异。一般干燥寒冷的北方空气含菌量较少。而潮湿温暖的南方空气含菌量较多。人口稠密的城市比人口稀少的农村空气含菌量多。地平面比高空的空气含菌量多。虽然各地空气中微生物的分布是随机的，但它们的数量级可以认为是103-104个/m32.生物工业生产对空气的要求生物工业生产中，由于所用菌种的生产能力强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短、分泌物的性质、培养基的营养成分和pH的差异等,对所用空气的质量有不同的要求。如酵母培养过程，对空气无菌程度的要求就不如氨基酸、抗生素发酵那么严格。生物工业生产所用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低到零或极低，从而使污染的可能性降至极小。一般按染菌概率为10-3来计算。即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌。二空气净化除菌方法空气除菌就是杀灭或除去空气中的微生物。空气除菌的方法很多，如辐射、化学药品和加热杀菌都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀灭空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。1.热杀菌热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌方法。工业生产上常利用空气压缩时放出的热量进行加热保温杀菌。2.辐射杀菌从理论上说，超声波、γ射线、X射线、β射线、紫外线等都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但应用较广泛的还是紫外线，波长在253.7-265nm时杀菌效力最强。它的杀菌能力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。紫外线通常用于无菌室等空气对流不大的环境下消毒杀菌，但杀菌效率低，杀菌时间长，一般要结合甲醛蒸气或苯酚喷雾等来保证无菌室的高度无菌。3.静电除菌静电除尘法能除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物等，且消耗能量小，空气压力损失小，设备也不大，但对设备维护和安全技术措施要求较高。常用于洁净工作台，洁净工作室所需无菌空气的预处理，再配合高效过滤器使用。静电除尘是利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，但对很小的微粒效率较低。4.过滤除菌过滤除菌是目前生物工业生产中最常用、最经济的空气除菌方法。它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而获得无菌空气。常用的过滤介质按孔隙的大小可分成两大类：一类是介质间孔隙大于微生物，故必须有一定的厚度才能达到过滤除菌目的。而另一类是介质的孔隙小于微生物，空气通过介质，微生物就被截留于介质上，这称之为绝对过滤。前者有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料、烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等。后者有微孔超滤膜等。绝对过滤在生物工业生产上的应用逐渐增多，它可以除去0.2微米左右的粒子，故可把细菌等微生物全部过滤除去。目前，已开发成功可除去0.01微米微粒的高效绝对过滤器。三、介质过滤除菌机理空气的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，由于空气中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5-2微米，而空气过滤常用的过滤介质如棉花，它的纤维直径一般为16-20微米，当充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20-50微米。微粒随空气流通过滤层时，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而绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、拦截、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用，从而把微粒滞留在纤维表面。1.惯性冲击滞留作用机理惯性冲击滞留作用是空气过滤除菌的重要作用。当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进，而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维表面，由于摩擦黏附，微粒就滞留在纤维表面，这称为惯性冲击滞留作用。空气流速是影响惯性冲击滞留效率的重要因素，空气流速下降，惯性冲击滞留效率也下降。滞留效率为零时的气流速度称为惯性冲击的临界速度，临界速度随纤维直径和微粒直径而变化。2.拦截滞留作用机理气流速度下降到临界速度以下时，微粒就不能因惯性冲击而滞留在纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截滞留作用机理。当微生物等微粒随低速气流慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流受纤维所阻而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。拦截滞留作用在气流速度低时才起作用。3.布朗扩散作用机理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热运动，称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速或较大的纤维间隙中是不起作用的。但在很小的气流速度和较小的纤维间隙中却能使微粒靠近纤维而被黏附，称为布朗扩散作用机理。布朗扩散作用与微粒和纤维直径有关，并与气流速度成反比。在气流速度很小时，它是介质过滤除菌的重要作用之一。4.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，微粒就沉降，重力沉降作用一般与拦截滞留作用配合，在纤维的边界滞留区内，可提高拦截的捕集效率。5.静电吸附作用机理干空气从非导体的物质表面流过时，由于摩擦作用，会产生诱导电荷，特别是用树脂处理过的纤维，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或由于本身带有不同的电荷、或由于产生的诱导电荷，使它们随气流通过介质表面时，受带异性电荷的介质所吸引而沉降，称为静电吸附作用机理。此外，表面吸附也归属这个范畴。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，惯性撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电吸附这五种机理同时在起作用。如图所示为单纤维除菌效率与气流速度的关系，其中虚线段表示空气流速高时，会引起除菌效率的急速下降。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加。这是由于惯性冲击起主要作用。当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，这是由于扩散起主要作用。当气流速度中等时，可能是拦截起主要作用。如果空气流速很大，除菌效率却下降，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。第二节空气介质过滤除菌设备一空气介质过滤除菌流程1.对空气介质过滤除菌流程的要求空气除菌流程是根据生物工业生产中对无菌空气的要求（无菌程度、空气压力、温度和湿度）和空气的性质，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性而制定的。对于风压要求低、输送距离短、无菌程度也不很高的无菌空气，可直接采用离心式鼓风机增压后经一、二级过滤除菌而制备。要保证过滤器有较高的过滤效率，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，不受油、水的干扰则要采用一系列冷却、分离、加热设备以保证空气的相对湿度。在50-60%时通过过滤器，下面介绍几个典型的空气除菌流程。2.空气过滤除菌流程（1）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程其特点是：两次冷却、两次分离和适当加热。两次冷却、两次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油水分离比较完全，保证干过滤。压缩空气经第一次冷却后，大部分的水、油结成颗粒较大、浓度较高的雾粒，可用旋风分离器分离。第二次冷却，使空气进一步析出其中的油和水，形成较小的雾粒，可用丝网分离器分离。（2）冷热空气直接混合式空气除菌流程该流程适应于中等湿含量的地区。特点是：可省去第二次冷却分离设备和空气再加热设备，流程简单，冷却水用量少，利用压缩空气的热量提高空气温度，压缩空气从储罐分成两部分流出，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理的高温高压空气混合后进入过滤器过滤。空气的冷却温度和空气分配比的关系随吸取空气的参数而变化。（3）前置高效过滤除菌流程该流程使空气先经中效、高效过滤后，进入空气压缩机，经前置高效过滤器后，空气的无菌程度已达99.99%，再经冷却，分离和主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高。二空气介质过滤除菌设备1.粗过滤器是安装在空气压缩机前的过滤器，主要作用是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，减轻总过滤器的负荷。粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。常用的粗过滤器有：布袋过滤器、填料式过滤器、油浴洗涤器和水雾除尘器。油浴洗涤器结构空气进入装置后鼓泡通过油箱中的油层，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而除去，经过油浴的空气会带有油雾，需要经过百叶窗式的圆盘，分离较大粒油雾，再经气液过滤网分离小颗粒油雾后，由中心管吸入压缩机。水雾除尘器水雾除尘器工作原理：空气从设备底部进入，与上部喷下的水雾逆流接触，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附于水中而沉降，从底部与水一起排出。带有微细水雾的洁净空气经上部过滤网过滤后进入压缩机，经洗涤后的空气可除去大部分大颗粒微粒和小部分微小粒子。2.空气压缩机生物工业生产中常用的空气是压力为0.2-0.3Mpa的低压压缩空气，提供大量低压空气最理想的设备是涡轮式空气压缩机。涡轮式空气压缩机由电动机直接带动涡轮旋转，靠涡轮高速旋转时产生的“空穴”现象吸入空气，空气在涡轮的带动下获得较高的离心力，然后通过固定的导轮和涡轮形机壳，使其部分动能转变为静压后输出。涡轮式空气压缩机具有输气量大、输出空气压力稳定、效率高、设备紧凑、占地面积小、无易损部件、获得的空气不带油雾等优点。因此，是很理想的生物工业生产的供气设备。往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不稳定，且汽缸内要加入润滑活塞用的润滑油，易使空气中带进油雾，导致传热系数降低，给空气冷却带来困难。如果油雾的冷却分离不干净，进入过滤器后又会堵塞过滤介质的纤维间隙，增大空气压力损失。它黏附在纤维表面，能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时会浸润介质而破坏过滤效果。3.空气储气罐空气储罐的作用是消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。大多数情况下，储罐紧接着压缩机安装，空气储罐结构简单，是一个装有安全阀、压力表的空罐壳体。4.气液分离室气液分离器能分离空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子，其形式很多，常用的有填料分离器。填料分离器是利用各种填料如焦炭、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中的水雾或油雾，分离效率随表面积增大而增大。丝网的表面间隙小，可除去小至5微米的雾状微粒，分离效率可达98-99%，且阻力损失不大。但对于雾沫浓度很大的场合，会堵塞孔隙而增大阻力损失。5.空气冷却器常用的类型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。由于空气的给热系数很低，一般只有420kJ/（m2·h·oC），设计时应采用适当的措施来提高它的给热系数，否则将会大大增加传热面积。提高空气给热系数的最好办法是增加空气的流速，当选择列管式热交换器时，若水质条件许可，杂质少，不容易形成积垢，可安排空气走管内，做成多管程流动，提高空气流速。若水质条件不允许，空气走管外时，也要采用多加挡板的办法使其在壳内做多壳程流动，提高空气流速。6.空气过滤器（1）空气过滤除菌的对数穿透定律过滤除菌效率就是滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值，它是衡量过滤设备过滤效能的指标，即：把过滤前后空气中微粒浓度的比值，即穿透滤层的微粒浓度N2与原微粒浓度N1的比值，