第三章 空气除菌设备(1)

第三章空气过滤除菌系统教学目的与要求掌握空气过滤除菌的方法和机理。掌握常用的空气过滤器和主要空气过滤系统的种类、结构和性能。本章重点、难点——空气相对过滤除菌的机理。本章内容第一节空气除菌的方法及机理第二节过滤除菌的流程第三节常用空气过滤器及过滤除菌系统第一节空气除菌的方法及机理一、通风发酵对无菌空气的要求二、空气除菌的方法和杀菌机理三、相对过滤除菌机理一、通风发酵对无菌空气的要求（一）空气中微生物的分布空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒；随水分的蒸发、物料的移动被气流带入空气中或黏附在灰尘上而漂浮在气流中。空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。选择良好的取风位置（如高空取风等）可以提高空气除菌系统的除菌效率。一般每升高10m，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000-8000个／m3。（二）发酵对空气无菌程度的要求不同的发酵过程，由于菌种生长能力强弱、生长速度快慢、它的分泌物的性质、发酵周期长短、培养物的营养成分和pH值的差异，对所用的无菌空气的无菌程度有不同的要求。如酵母培养没有氨基酸、液体曲、抗生素发酵那么严格。发酵对无菌空气的要求——无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标。发酵对无菌空气的无菌程度要求——在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许有1次染菌。（三）空气含菌量测定难以准确测定，一般采用培养法和光学法。目前我国采用Y-09－1型粒子计数器，原理——利用微粒对光线散射作用来测量粒子大小和数量。缺点：重叠细菌则难以测准，只是包含灰尘和细菌等微粒观念，不能测量空气活菌数。二、空气除菌的方法和杀菌机理（一）辐射杀菌种类：超声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线等原理：破坏蛋白质活性而起杀菌作用。目前应用较广泛的还是紫外线。紫外线波长为253.7-265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。应用：常用于无菌室和医院手术室等空气对流不大的环境下消毒。缺点：效率低，需要时间长，一般要结合其他方法（甲醛熏蒸等）。（二）热灭菌法热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。空气温度与微生物热死灭的时间温度200℃250℃300℃350℃时间15.1s5.1s2.1s1.05s直接加热：消耗大量能源，增设许多换热设备，不经济。利用余热进行杀菌：空气在进入培养系统之前，一般需用空压机以提高压力，所以空气热灭菌时所需温度的提高，可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。空气热灭菌流程示意图1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机8-预热器9-粗过滤器10-空气吸入塔1-空气压缩机2-粗过滤器3-保温管4-贮气罐5-保温罐6-列管式冷却器7-涡轮压缩机10-空气吸入塔9-粗过滤器8-预热器（三）静电除菌原理：利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静电场时则会被电离成带正电荷。静电除尘器装置图电离区捕集区优点：除尘效果好，耗能小（每处理1000m3空气每小时只耗电0.2-0.8kW），设备较小。缺点：对设备维护和安全技术措施要求较高（微粒积累到一定厚度时，极板间放电，极板电压下降，微粒吸附力减弱）。应用：洁净工作台，洁净工作室。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。（四）过滤除菌过滤除菌——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截在介质层中，而达到除菌的目的。常用的过滤介质——棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。常用的过滤介质按孔隙大小可以分为两类：介质孔隙大于微生物——需有一定厚度的介质滤层才能除菌，也称相对过滤。介质孔隙小于微生物——微生物直接被截留，也称绝对过滤。空气中微生物粒子通常0.5-2um。一般过滤介质的孔隙都较微生物大。空气中常见杂菌的大小菌种细胞孢子宽，μm长，μm宽，μm长，μm金黄色小球菌0.5~1.0———产气杆菌1.0~1.51.0~2.5——蜡样芽孢杆菌1.3~2.08.1~25.8——普通变形杆菌0.5~1.01.0~3.0——地衣芽孢杆菌0.5~0.71.8~3.3——枯草芽孢杆菌0.5~1.11.6~4.80.5~1.00.9~1.8巨大芽孢杆菌0.9~2.12.0~10.00.6~1.20.9~1.7霉状分枝杆菌0.6~1.61.6~13.60.8~1.20.8~1.8三、相对过滤除菌机理原理：也称深层过滤，是依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电引力等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤。除菌机理分类：——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原理：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随主导气流前进，于是微粒直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上。1、惯性冲击滞留作用机理２、拦截滞留作用机理原理：当气流速度下降到一定值时，若微粒随气流慢慢靠近纤维时，受纤维所阻改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，当与纤维表面接触时就被捕集。３、布朗扩散作用机理原理：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运动，称为布朗扩散。气体分子的热运动对空气中细微尘粒的碰撞，使尘粒也随之做布朗运动。尘粒越小，布朗运动越显著。注意：布朗扩散作用在较大的气速或较大的纤维间隙中是不起作用的。４、重力沉降作用机理原理：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，微粒就容易沉降。这种作用只有在尘粒较大时才存在。５、静电吸附作用机理原理：悬浮在空气中的微粒大多带有不同电荷，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。同时，气流通过纤维介质时，由于气流磨擦，使纤维和尘粒上都带电荷。当空气流过介质时，上述五种除菌机理同时起作用，不过气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，此时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，此时扩散起主要作用；图4-15过滤除菌效率（）与气速（vs)的关系/%惯性冲击机理vs/(m/s)扩散机理噬菌体拦截机理0重新污染图4-15过滤除菌效率（）与气速（vs)的关系/%惯性冲击机理vs/(m/s)扩散机理噬菌体拦截机理0重新污染图4-15过滤除菌效率（）与气速（vs)的关系/%惯性冲击机理vs/(m/s)扩散机理噬菌体拦截机理0重新污染当气流速度中等时，可能是截留起主要作用。如果空气流速过大，除菌效率又下降，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。第二节过滤除菌的流程空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程度、空气压力、温度等，并结合吸气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而制定的。要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方——首先要增加空气压力，需使用压缩机或鼓风机。——此外，空气压缩后温度升高，冷却后会释放出水分，在压缩过程中又有可能夹带机器的润滑油雾，这就使无菌空气的制备流程复杂化。1、两级分离、冷却、加热的空气除菌流程旋风分离器比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。特点：两次冷却、两次分离、适当加热。尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。旋风分离器2、冷却空气直接混合式空气除菌流程１粗过滤器２压缩机３贮罐４冷却器５丝网分离器６过滤器压缩空气从贮罐出来后分成两部分，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过的高温压缩空气混合。利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。特点：可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等。应用范围：中等含湿地区，不适合于空气含湿量高的地区。3、高效前置过滤除菌流程原理：利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，这样就降低了主过滤器的负荷。特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。高效前置过滤器采用泡沫塑料（经典除菌）和超细纤维纸串联使用做过滤介质。4、空气压缩冷却过滤流程设备简单，包括压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器。适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区。由于空气的湿度低，经压缩后它的温度也不会升高很多，特别是空气的相对湿度低，空气中的绝对含湿量很小，虽然空气经压缩并冷却到培养要求的温度，但最后空气的相对湿度还保持在60%以下，这就能保证过滤设备的过滤除菌效率，满足微生物培养对无菌空气的要求。缺点：通过空气压缩机时，可能会引起油雾污染过滤器。第三节常用空气过滤器及过滤除菌系统无菌空气制备的整个过程包括两部分内容：——对进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空气状态（温度、湿度）；——对空气进行过滤处理，以除去微生物颗粒，满足生物细胞培养需要。粗过滤器空气压缩机贮气罐空气冷却器气液分离器加热器一、空气预处理设备1、粗过滤器安装在空气压缩机前的粗过滤器。作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷。要求：过滤效率高，阻力小，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。分类：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。振动机构含尘气流图4-7机械振动袋式除尘器滤袋净气含尘气流从下部进入圆筒形滤袋，在通过滤料的孔隙时，粉尘被滤料阻留下来，透过滤料的清洁气流由排出口排出。沉积于滤料上的粉尘层，在机械振动的作用下从滤料表面脱落下来，落入灰斗中。空气进入装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油粘附而逐渐沉降于油箱底部而被除去。需除油雾。121-滤网2-加油斗3-油镜4-油层图4-8油浴洗涤装置空气出口空气出口空气入口油层空气出口图4-9水雾除尘装置空气入口过滤网高压水入口空气从设备底部进入后，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒粘附沉降，从器低排出。空气流速不能太大，一般在1-2m/s的范围，否则带出的水雾太多，影响压缩机，降低排气量。2、空气压缩机分类：离心式空气压缩机和往复式空气压缩机两种。离心式：输气量大，输出空气压力稳定，效率高，输出的空气不带油雾。往复式：靠活塞在气缸内的往复运动而将空气抽吸和压出。压力不稳定，有油雾。空气除菌中除去水雾油雾的原因，否则：（1）导致传热系数降低，给空气冷却带来困难。（2）如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维空隙，增大空气压力损失。（3）黏附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而破坏过滤效果。3、贮气罐贮气罐的作用：（1）消除脉动维持罐压的稳定。（2）使部分液滴在罐内沉降。（3）保温灭菌。安全阀压力表排气管人孔进气管排污口4、空气冷却器分类：（1）立式列管式热交换器（2）喷淋式热交换器（3）沉浸式热交换器压缩后空气温度显著上升，需冷却——因为压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或燃烧，增大发酵罐的降温负荷，增加培养液水分的蒸发。一般用列管