7第七章空气供给工程与设备

第七章空气除菌设备简介•空气除菌的原理和方法•介质过滤除菌机理•空气介质过滤除菌设备•除菌过滤介质•空气调节设备一.空气除菌的原理和方法1.生物工业生产对空气质量的要求生物工业生产中应用的“无菌空气”的定义：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。按照染菌概率为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。一.空气除菌的原理和方法2.空气含菌量的测定培养法：采用培养基计数光学法：采用粒子计数器，可测量空气中含有直径为0.3~5um微粒的各种浓度，测量较准确，但不能测量空气的活菌数。一.空气除菌的原理和方法3.空气除菌方法（1）空气除菌的定义：除去或杀灭空气中的微生物。（2）常用方法：介质过滤，辐射，化学药品，加热，静电吸附等。一.空气除菌的原理和方法a.热杀菌特点：有效、可靠。悬浮在空气中的细菌孢子在218℃保温24秒就可以被杀死。利用空气被压缩时所产生的热量进行加热保温杀菌在生产上有重要意义。一.空气除菌的原理和方法•空气加热杀菌流程图一.空气除菌的原理和方法b.辐射杀菌射线种类：x射线、β射线、紫外线、超声波、γ射线等。杀菌机理：上述射线在理论上能够破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。应用较为广泛的为紫外线，波长在253.7-265nm杀菌能力最强，杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。紫外线杀菌一般用于无菌室和医院手术室。一.空气除菌的原理和方法c.静电除菌作用：可除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物等。特点：在最佳条件下对1um的微粒去除率高达99%，消耗能量小，每处理1000m3空气每小时只耗电0.2-0.8kw，空气压力损失小，一般仅为30-150Pa，设备也不大。对设备维护和安全技术措施要求较高。一次性投资费用大。适用范围：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。一.空气除菌的原理和方法c.静电除菌静电除菌装置：按照菌体的作用方式可以分为电离区和捕集区。电离区：空气所带的细菌微粒通过电离区后被电离而带正电荷。捕集区：当电离后的气流通过时，带正电荷的微粒受静电场库仑力的作用，产生一个向负极板移动的速度，这个速度与气流的拖带速度合成一个倾向负极板的合速度向负极板移动，最后吸附在极板上。c.静电除菌一.空气除菌的原理和方法一.空气除菌的原理和方法d.过滤除菌法目前是生物技术工业生产中最常用的空气除菌法。原理：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。常用的介质有两类：介质间孔隙大于微生物：必须有一定的厚度才能达到除菌的目的；例如棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料、微孔超滤膜等。介质的孔隙小于细菌：称为绝对过滤。二.介质过滤除菌机理•惯性冲击滞留作用机理•拦截滞留作用机理•布朗扩散作用机理•重力沉降作用机理•静电吸附作用机理二.介质过滤除菌机理1.惯性冲击滞留作用机理（1）原理：是空气过滤器除菌的重要作用。在单纤维空气流线图上是直径为df的纤维的断面，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。而微粒由于运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维的表面，由于摩擦黏附，微粒滞留在纤维表面。二.介质过滤除菌机理•单纤维空气流线图二.介质过滤除菌机理（2）惯性冲击捕集效率二.介质过滤除菌机理（3）适用范围气流速度大于惯性碰撞的临界速度时是惯性冲击滞留作用控制过程。二.介质过滤除菌机理2.拦截滞留作用机理（截留作用）（1）适用范围：气流速度惯性碰撞的临界速度（2）拦截滞留作用：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流线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留区。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。二.介质过滤除菌机理（3）拦截滞留作用对微粒的捕集效率二.介质过滤除菌机理3.布朗扩散作用机理（1）定义：直径很小的微粒在流速很小的气流中能产生一种不规则的直线运动称为布朗扩散。二.介质过滤除菌机理3.布朗扩散作用机理（2）布朗扩散的特点布朗扩散的运动距离很短。布朗扩散除菌作用在较大的气速或较大的纤维间隙中不起作用。在很小的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒和纤维的接触滞留机会。布朗扩散作用与微粒和纤维直径有关，并与流速成反比，在气流速度小时，它是介质过滤除菌的重要作用之一。二.介质过滤除菌机理4.重力沉降作用机理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。对于重力沉降作用而言，大颗粒比小颗粒作用显著。在纤维的边界滞留区内，重力沉降作用可提高拦截的捕集效率。二.介质过滤除菌机理5.静电吸附作用机理产生静电吸附的原因：微生物微粒带有与介质表面相反的电荷，或是由于感应而得到相反的电荷而被吸附。空气流过介质时，介质表面就感应出很强的静电荷而使微生物微粒被吸附。二.介质过滤除菌机理6.总结：当空气流过过滤介质时，惯性冲击、截留、布朗扩散、重力沉降、静电吸附同时起作用，不同气流速度，起主要作用的机理不同。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加——惯性冲击起主要作用；当气流速度中等时——截流起主要作用；当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低——扩散起主要作用；空气流速过大，除菌效率下降，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。三.空气介质过滤除菌设备（一）介质过滤除菌流程1.空气除菌流程的制定要考虑的因素空气除菌流程的制定要根据以下因素而进行：发酵生产对无菌空气的要求（如无菌程度、空气压力、温度和湿度等等）采气环境的空气条件所用除菌设备的特性空气性质等三.空气介质过滤除菌设备2.空气除菌流程示例（1）空气压缩冷却过滤流程设备构成：压缩机、贮罐、空气冷却器、过滤器。适应地区：气候寒冷、相对湿度很低的地区。空气压缩冷却过滤流程2.空气除菌流程示例（2）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程三.空气介质过滤除菌设备2.空气除菌流程示例（2）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程流程特点：2次冷却、2次分离、适当加热。2次分离油水的主要优点：可以节约冷却用水，油和水雾分离除去比较完全，保证干过滤。第一级冷却：大部分的水、油结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，适合用旋风分离器分离。第二级冷却：使空气进一步冷却后析出较小的雾粒。两级冷却的优点：可以减少油膜污染对传热的影响。三.空气介质过滤除菌设备2.空气除菌流程示例（2）两级冷却、分离、加热的空气除菌流程适应地区：适应各种气候条件3.前置高效过滤除菌流程使空气先经中效、高效过滤后，进入空气压缩机。经过前置高效过滤器后，空气的无菌程度已经达到99.99%，再经过冷却、分离和主过滤器过滤后，空气的无菌程度更高，以保证安全。3.前置高效过滤除菌流程4.冷热空气直接混合式空气除菌流程省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60%。4.冷热空气直接混合式空气除菌流程三.除菌过滤介质1.常用的过滤介质棉花（未脱脂）活性炭玻璃纤维超细玻璃纤维纸化学纤维四.除菌过滤介质2.过滤效率K:过滤常数L:滤层厚度K值越大，滤层厚L可以越小阻力降越小越好四.除菌过滤介质棉花：是一种传统的过滤介质。主要适用于工业规模和实验室环境。棉花纤维直径一般为16-21um，装填时要分层均匀铺砌，最后要压紧，装填密度达到150-200kg/m3为好。四.除菌过滤介质•玻璃纤维：一般直径为8-19um不等，而纤维直径越小越好，填充系数一般为6-10%。四.除菌过滤介质•活性炭：通过表面吸附作用而吸附截留微生物。一般采用直径3mm，长5-10mm的圆柱状活性炭。四.除菌过滤介质•超细玻璃纤维纸：直径为1-1.5um，属于高速过滤介质。四.除菌过滤介质石棉滤板：采用20%纤维小而直的蓝石棉和8%纸浆纤维混合打浆而成。过滤效率比较低，只适用于分过滤器。湿强度较大，受潮时也不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长。四.除菌过滤介质•烧结材料过滤介质：种类很多，主要有烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料。四.除菌过滤介质•绝对过滤：过滤介质微孔直径只有0.1-0.22um，小于细菌直径，固菌体粒子不能通过，该过程称为绝对过滤。•绝对过滤分为两类：•一类：能除去全部微生物，但不能除去噬菌体。如，Milipore公司的0.22um的膜式过滤器。•另一类：可以除去小至0.01um的微粒，故可以滤除全部噬菌体。如，英国的DH公司研制的绝对空气过滤器，被公认为最保险、安全的空气除菌过滤器。五.空气调节设备1.生物工业生产对空气调节的要求（1）生物工业生产过程中需要不断调节空气洁净度。发酵车间对空气的洁净程度有一定的要求，所以需要强化通风，包装车间需要更洁净的空气（100级）五.空气调节设备1.生物工业生产对空气调节的要求（2）美国国立卫生研究所建议，有关室内洁净度及其换气次数、通气流速等的参考值如下表所示。五.空气调节设备1.生物工业生产对空气调节的要求典型的空气调节流程图六.空气的增湿和减湿的方法及原理（一）湿空气的性质1.湿度x（1）湿度的定义：又称湿含量，表示了湿空气中所含的水蒸汽质量与所含的绝干空气质量之比。（一）湿空气的性质（一）湿空气的性质1.湿度x（2）湿度表达式：（一）湿空气的性质（一）湿空气的性质1.湿度x（3）空气的饱和湿度Xs：若湿空气中水蒸汽的分压强Pw等于该空气湿度下水的饱和蒸汽压Ps，这时空气的湿度称为饱和湿度。（一）湿空气的性质（一）湿空气的性质1.湿度x（4）饱和湿度Xs表达式：当湿空气中水蒸汽的分压强Pw等于该空气湿度下水的饱和蒸汽压Ps，空气就称为被水蒸汽所饱和，此时的湿度为饱和湿度。（一）湿空气的性质（一）湿空气的性质2.相对湿度Φ（1）定义：表示湿空气饱和程度的量，它是湿空气里水蒸汽分压与同温下水的饱和蒸汽压之比（以百分数表示）（二）空气的增湿和减湿原理1.空气的增湿和减湿过程是空气与水两相间传热与传质同时进行的过程。2.增湿：增加空气的湿含量。3.减湿：减少空气的湿含量。4.增湿机理MN：表示水与空气的两相界面；Xi：在界面上空气的湿含量；X：空气主体湿含量；ti：湿球温度；（二）空气的增湿和减湿原理4.增湿机理•传质的过程：界面上空气的湿含量（Xi）大于空气主体湿含量（X），故在湿含量差Xi-X的作用下，水分不断从两相界面传递到空气中去（增湿）。•传热过程：空气的温度高于水的温度，借助对流给热，热量从空气传递到水，放出显热而空气自身的温度降低，水吸收了显热而升温。同时，水分汽化后把潜热带到空气中，这部分热量的传递方向刚好与上述显热的传递方向相反。空气在这类增湿过程中可近似看作等焓过程。（二）空气的增湿和减湿原理5.减湿的机理示意图：（二）空气的增湿和减湿原理5.减湿的机理•传质过程：空气湿含量（X）大于界面空气湿含量（Xi），所以水分由空气向水相主体扩散。•传热过程：空气中的水分冷凝放出的潜热和空气降温的显热，通过对流给热传给水，变为水的显热，使水的温度升高。（二）空气的增湿和减湿原理（三）空气的增湿和减湿方法1.空气的增湿方法（1）往空气中直接通入蒸汽：空气的湿含量x提高了，但温度也随之升高。该方法难于使空气达到饱和，也不能使空气降温。1.空气的增湿方法（2）喷水：使水以雾状喷入不饱和的空气中，使空气增湿。这是普遍采用的增湿方法。（三）空气的增湿和减湿方法1.空气的增湿方法（3）空气混合增湿使待增湿的空气和高湿含量的空气混合而增湿。（三）空气的增湿和减湿方法2.空气的减湿方法（1）喷淋低于该空气露点温度的冷水。（2）使用热交换器以把空气冷却至其露点以下。（3）空气经压缩后冷却至初温，使其中水分部分凝集析出，使空气减湿。（4）用吸收或吸附