2015第二章-空气净化除菌及除菌设备.

第二章空气净化除菌及除菌设备空气净化除菌的方法与原理空气介质过滤除菌设备及计算1.空气中微生物的分布第一节空气净化除菌的方法与原理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。北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较多，离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，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／米３。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。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103~104个／米3。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。一般每升高10米，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／米３。2.生物工业生产对空气质量的要求生物工业生产中对空气质量的要求是：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，温度，湿度，正压等要求；生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是：一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。3.空气含菌量的测定空气洁净级数空气洁净级数(英制)粒径≥0.5μm的最大微粒数（个/ft3）粒径≥0.5μm的最大微粒数（个/m3）空气洁净级数(国际)1001003500M3.51000100035000M4.51000010000350000M5.51000001000003500000M6.54.空气除菌方法•热杀菌•辐射杀菌•静电除菌•过滤除菌法•热杀菌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•静电除菌电极钢丝钢管绝缘瓶钢板空气出口封头管板法兰空气进口静电除尘器装置图管式静电除菌器介质过滤除菌是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。目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。常用的过滤介质有棉花、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。•过滤除菌法5.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(1)惯性冲击滞留作用机理:设:纤维直径为df，纤维滞留微粒的宽度为b，b与流速有关，受颗粒运动惯性决定。b是颗粒由于惯性碰撞而被捕集的最大宽度，也就是如果在大于这个宽度的地方的颗粒被捕集，将不是由于惯性碰撞而被捕集。即:设在一定流速下的截面宽度为b，意味着在这范围内通过的颗粒都会由于惯性碰撞而被纤维捕集。质量是惯性的量度，质量大惯性大，惯性可用动量m来表示。气速越大，惯性越大，受气流换向干扰小，易被截留从而b大。所以b的最大值为df，而在一定流速下的截留宽度，又是在该流速下由于惯性碰撞捕集的最大宽度。则惯性捕集效率为：I＝b/df惯性捕集效率：I＝b/df由于b很难计算，采用试验的方法来测定惯性捕集效率。也可通过测出气体、颗粒的各项参数来计算I，通过试验知，气体流速是影响I的重要参数，在一定条件下（df、dp、t)，改变气体流速，可改变惯性影响I。当I＝0时，即b=0；当o＝c时，为临界速度。o＝s/(1-)实践证明，I是微粒惯性力的无因次准数的函数：I＝f()其中:(2)拦截滞留机制R前述，空气主流的作用，最大宽度为df，在df以外不为惯性碰撞，有没有其他因素影响？而在实际上，在纤维的周围（滞留层称层流膜），截留机制是怎样的？在气速较小或颗粒直径较小时,惯性小，惯性小的颗粒在气流的带动下进入滞留层，慢慢靠近纤维而被粘住，截留效率：Re=dfo/R～Re有关，试验得出上升，Re上升推出R稍高；随的下降还略有上升。以上两种机制o都随下降而下降，导致矛盾。提出另一机制。3.布朗扩散作用机制D在静止气体或气速很低的条件下，菌体颗粒按布朗运动，由于左、右振动碰到纤维而被粘住。下降导致布朗运动更明显，导致D上升，所以在低下，由于D上升导致上升，从而解释了上述现象。(c)扩散(b)拦截(a)惯性(d)重力(e)静电利用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理空气过滤空气过滤除菌效率(η)与气速(vs)的关系6.除菌效率1）Humphrey法:Humphrey法认为空气过滤器应以捕集效率为最低值的时候为设计依据:1(I)、2(R)、3(D)。考虑单纤维捕集效率：o=I+R+D是以c为设计临界速度，由于以最低值设计，当＝c时，I＝0，此时o=R+D有时也考虑布朗运动D，布朗扩散时随c上升，D下降，所以在c时D较小可忽略不计。因此,Huqnphrey法就是:以o=D作为设计过滤器效率的依据。在c时，以R作为整个单纤维捕集效率值，此时为最低值。Huanphrey法之所以取c作为设计流速，考虑到发酵过程中所需空气量不同，在过滤床中的有时快，有时慢，那么按照最低点设计，比较保险，保证在较大气速下，也不会变化太大，使过滤器在负荷波动时有足够的过滤效率。2)Davies法Davies提出的设计方法较为复杂，但较为严密。根据试验的结果认为：在很低的气速下，也具有一定的I，同时他认为除了考虑扩散捕集效率D及拦截捕集效率R外，还应考虑扩散和拦截效率DR，于是：DR查表或者其他文献,彼克利准数Pe＝odf/Bm，由于考虑了各种因素的影响，Davies法较为合理。3221210)()(24.1RPeKuDRDRDRI第二节一般空气除菌流程介绍一、一级冷却的空气除菌流程空气压缩冷却过滤流程空气压缩冷却过滤流程1-粗过滤器2-空气压缩机3-贮罐4-冷却器5-过滤器过滤空气二、两级冷却、分离、加热的空气除菌流程制备无菌空气的大致过程三、空气介质过滤除菌设备及计算无菌空气空气高空取气管除尘器空气压缩机贮气罐一级冷却器油水分离器二级冷却器除雾器加热器过滤器除菌流程中设备的作用1.提高压缩前空气的洁净度.主要措施有：(1)提高空气进口位置。每提高3.05m，微生物含量减少一个数量级，加强吸入空气压缩前的过滤。(2)安装粗滤器。2.提高空气的压力。目的是克服管路、设备的压差损失P，无菌空气进入有一定液位的发酵罐，需一定压力，故需安装空压机。3.除去水、油。为保证进入过滤器的空气保持相对湿度为＝50～60％左右，需除去空气中夹带油、水。因有油滴、雾滴不仅带有微生物，还会使过滤器的过滤介质受潮，降低过滤效率。安装气液分离器。4.满足工艺要求的温度和湿度：经压缩后，气体温度很高，相对湿度较低，但不能直接进入过滤器。因为温度过高，介质承受不了，易焚烧而造成过滤失效，需先经冷却析水，从而需冷却器。潮湿空气进入过滤介质也使介质易受潮而粘在一起而失败，故应进行加热需要加热器。从而保证工艺条件所要求的温度和相对湿度。•特点：两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。三、冷热空气直接混合式空气除菌流程•特点：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%。空气除菌流程•冷热空气直接混合式空气除菌流程•设:未被冷却的空气占总量的y%;•压缩空气的状态(x2,t2,φ2);•冷却空气的状态(x3,t3,φ3);•混合后空气的状态(x4,t4,φ4)•则:yx2+(1-y)x3=x4空气除菌流程•前置高效过滤除菌流程前置高效过滤除菌流程1-高效过滤器2-空压机3-贮罐4-冷却器5-丝网分离器6-加热器7-过滤器第三节空气介质过滤除菌设备•1.粗过滤器粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。油浴洗涤空气装置空气介质过滤除菌设备•粗过滤器水雾除尘装置空气介质过滤除菌设备•2.空气贮罐作用：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。安全阀压力表排气管人孔进气管排污口空气介质过滤除菌设备•3.汽液分离器作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。一般常用的有旋风式和填料式。旋风分离器空气介质过滤除菌设备•汽液分离器填料式分离器是利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾。丝网分离器空气介质过滤除菌设备•汽液分离器空气介质过滤除菌设备•4.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、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。空气介质过滤除菌设备•空气过滤器A.过滤除菌效率过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤设备的过滤能力的指标。式中N2/N1—过滤前后空气中微粒浓度的比值，即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值（穿透率）。影响过滤效率的因素：微粒大小、过滤介质的种类、规格、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。121211NNNNN•空气过滤器B.对数穿透定律四点假定：(1)过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响；(2)空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走；(3)过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；(4)空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。•空气过滤器对数穿透定律根据四点假定有：此式称为对数穿透定律，它表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。LKNN'12)lg(为了实验和计算的方便，可采用过滤效率为0.9时的滤层厚度作为对比基准：1)1.0lg()lg(90'9012LKNNKNdLdN•C.空气过滤压力降的计算fmdvcLp22式中L—过滤层厚度，m；ρ—空气密度，kg/m3；α—介质填充系数；v—空气在介质间隙中的流速，m/s；v＝vs/(1-α);vs—空截面气速，m/s；df—纤维直径，m；m—实验指数，对不同的过滤介质，如棉花介质，m＝1.45；19μm玻璃纤维，m＝1.35；8μm玻璃纤维，m＝1.55；c—阻力系数，棉花介质c≈100/Re;玻璃纤维介质c≈52/Re。•D.提高(空气过滤器)过滤效率的措施1.减少进口空气的含菌数。(1)加强生产环境卫生管理，减少环境空气中的含菌量；(2)提高空气进口位置（高空），减少空气进口含菌量；(3)加强压缩前的空气预过滤。2.设计和安装合理的空气过滤器。3.降低进入总过滤器空气的相对湿度。(1)采用无油润滑空压机；(2)加强空气的冷却，去油水；(3)提高进入总过滤器的空气温度,降低其相对湿度。•5.过滤介质和过滤器的结构过滤介质(1)棉花(2)玻璃纤维(3)活性碳(4)超细玻璃纤维纸(5)石棉滤板(6)烧结材料过滤介质(7)新型过滤介质过滤器的结构－纤维介质深层过滤器深层纤维介质空气过滤器进气口压紧架出气口纤维介质换热夹套活性炭纤维介质主要有棉花、玻璃纤维、超细玻璃纤维。空气过滤器的尺寸：svvqD4式中qv－空气流过滤器时的体积流量，m3/s;vs－空截面空气流速，m/s。过滤器的结构－纤维介质深层过滤器填充物安装顺序：孔板－铁丝网－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－铁丝网－孔板弹簧压紧装置过滤器的结构－平板式纤维纸过滤器纤维纸平板过滤器由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成