第三章-空氣除菌

第三章空氣過濾除菌第一節(jié)概述3.發(fā)酵用無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)細(xì)菌、酵母菌、霉菌和病毒是空氣中的主要微生物，它們大多附著在空氣中的灰塵上。一般來說，凡是塵埃濃度高的地區(qū)，空氣中所含微生物的量也越多。城市市中心空氣中的微生物含量也高于農(nóng)村。夏季的空氣中所含微生物也比冬季多，離地面近的空氣中所含微生物也比離地面高的多。工程設(shè)計(jì)中常以微生物濃度104個(gè)／m3作為空氣的污染指標(biāo)。發(fā)酵用的無菌空氣需要達(dá)到得標(biāo)準(zhǔn)：①、連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣。VVM一般為0.1～2.0m3

。②、空氣的壓強(qiáng)(表壓)為0.2～0.4MPa。③、進(jìn)入過濾器之前，空氣的相對濕度￠≤70％。④、進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度高10—30℃。⑤、壓縮空氣的潔凈度，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，一般取失敗概率為10-3為指標(biāo)。4.空氣除菌的意義（參見培養(yǎng)基滅菌）

1.生物反應(yīng)的基質(zhì)或產(chǎn)物，因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降。2.雜菌也會(huì)產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，這就使產(chǎn)物的提取更加困難，造成得率降低，產(chǎn)品質(zhì)量下降。3.有些雜菌會(huì)分解產(chǎn)物，使生產(chǎn)失敗。4.雜菌大量繁殖后，會(huì)改變反應(yīng)液的pH值，使反應(yīng)異常。5.如果發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細(xì)胞將被裂解，使生產(chǎn)失敗。附：據(jù)日本抗生素生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)資料，設(shè)備滲漏和空氣除菌不徹底是導(dǎo)致染菌的主要原因。5.好氣性發(fā)酵對空氣除菌的要求1.工業(yè)發(fā)酵對空氣處理的要求隨發(fā)酵產(chǎn)品和菌種不同而異。2.半固體制曲和酵母生產(chǎn)中無菌要求不十分嚴(yán)格，一般無需復(fù)雜的空氣凈化處理。3.密閉的深層通氣發(fā)酵培養(yǎng)需氧微生物需嚴(yán)格的純凈培養(yǎng)。進(jìn)入發(fā)酵罐前空氣必須進(jìn)行冷卻、脫水、脫油和過濾除菌等處理，才能滿足生物工程的要求。4.絕對無菌在目前是不可能的，也是不經(jīng)濟(jì)的。在工程設(shè)計(jì)中一般要求1000次使用周期中只允許有一個(gè)菌通過，即經(jīng)過濾后空氣的無菌程度為N=10-3。

5.發(fā)酵對無菌空氣的要求是：無菌，無灰塵，無雜質(zhì)，無水，無油，正壓等幾項(xiàng)指標(biāo)。1.2加熱滅菌法基于加熱后微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)（酶）熱變性而得以實(shí)現(xiàn)。它與培養(yǎng)基的加熱滅菌相比，雖都是加熱法把微生物殺死，但兩者的本質(zhì)是有區(qū)別的。鑒于空氣在進(jìn)入培養(yǎng)系統(tǒng)之前，一般均需用壓縮機(jī)壓縮，提高壓力，所以，空氣熱滅菌時(shí)所需的溫度，就不必用蒸汽或其他載熱體加熱，而可直接利用空氣壓縮時(shí)的溫度升高來實(shí)現(xiàn)。空氣經(jīng)壓縮后溫度可升到200℃以上，保持一定時(shí)間后，便可實(shí)現(xiàn)干熱殺菌。利用空氣壓縮時(shí)所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行滅菌的原理對制備大量無菌空氣具有特別重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對培養(yǎng)裝置與空氣壓縮機(jī)的相對位置，連接壓縮機(jī)與培養(yǎng)裝置的管道滅菌以及管道長度等問題都必須加以仔細(xì)考慮。

1.4介質(zhì)過濾除菌1.概念：介質(zhì)過濾除菌是使空氣通過經(jīng)無菌介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，而達(dá)到除菌目的。2.介質(zhì)過濾除菌的分類：根據(jù)介質(zhì)間的孔隙分類。常規(guī)介質(zhì)過濾：是介質(zhì)間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質(zhì)濾層才能達(dá)到過濾除菌的目的，稱為常規(guī)介質(zhì)過濾。這類過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、燒結(jié)材料（燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料）；絕對過濾：介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌，含細(xì)菌等微生物的空氣通過介質(zhì)，微生物就被截留于介質(zhì)上而實(shí)現(xiàn)過濾除菌，有時(shí)稱之為絕對過濾。絕對過濾在生物加工過程中的應(yīng)用逐漸增多，它可以除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部過濾除去。16化學(xué)藥劑滅菌法某些化學(xué)藥劑能與微生物發(fā)生反應(yīng)而具有殺菌的作用?；瘜W(xué)藥劑適于生產(chǎn)車間環(huán)境的滅菌，接種操作前小型器具的滅菌等?；瘜W(xué)藥品的滅菌使用方法，根據(jù)滅菌對象的不同有浸泡、添加、擦拭、噴灑、氣態(tài)熏蒸等。180M3發(fā)酵罐車間大型空氣壓縮機(jī)發(fā)酵車間的空氣過濾器

空氣凈化系統(tǒng)流程圖見圖5—11。習(xí)慣上把這一流程中過濾器以前的部分稱為空氣預(yù)處理。主要包括采風(fēng)塔、粗過濾器、空氣壓縮機(jī)、空氣貯罐、冷卻器、空氣加熱設(shè)備等。另外空氣預(yù)處理流程也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乜諝馇闆r作相應(yīng)的變化。

二、空氣預(yù)處理5－11空是除菌設(shè)備流程圖(1)、采風(fēng)塔應(yīng)建在工廠的上風(fēng)頭，遠(yuǎn)離煙囪。采風(fēng)塔可用灰鐵皮或砼制成，采風(fēng)塔越高越好，至少10m，設(shè)計(jì)氣流速度8m／s左右。為節(jié)省地方和利用空間，可把采風(fēng)塔做成采風(fēng)室，直接構(gòu)筑在空壓機(jī)房的屋頂上。高空取氣管

為遠(yuǎn)離地面幾十米的管子。每升高10米，空氣中雜菌降低一個(gè)數(shù)量級。因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。

(2)、粗過濾器

安裝在空壓機(jī)吸入口前，又稱前置過濾器。

作用：攔截空氣中較大的灰塵以保護(hù)空氣壓縮機(jī)，同時(shí)也起到一定的除菌作用，減輕總過濾器的負(fù)擔(dān)。粗過濾器應(yīng)具有阻力小、容塵量大的特點(diǎn)，否則會(huì)成為阻力而影響壓縮機(jī)吸氣。過濾介質(zhì)可采用泡沫塑料(平板式)或者無紡布(折疊式)，設(shè)計(jì)流速為0.1—0.5m/s。(3)、空氣壓縮機(jī)

作用：提供動(dòng)力。

類型：往復(fù)式空壓機(jī)、螺桿式和渦輪式空壓機(jī)。空壓機(jī)的選用應(yīng)根據(jù)空氣用量，結(jié)合本地實(shí)際及空壓機(jī)的特點(diǎn)合理選用。為保證連續(xù)供氣，一般不提倡單臺(tái)空壓機(jī)。(4)、空氣貯罐

作用:

消除壓縮空氣的脈動(dòng).

這對往復(fù)式空壓機(jī)尤為重要。渦輪式或螺桿式空壓機(jī)，由于排氣是均勻而連續(xù)的，則貯罐可省去。貯罐的H/D=2—2.5，其容積可按下式估算：

VR=(0.1～0.2)VAm3VA為空壓機(jī)每分鐘排氣量(20oC，1×l05Pa狀況下)，m3

空氣貯罐消除壓縮機(jī)排出空氣量的脈沖，維持穩(wěn)定的空氣壓力。利用重力沉降作用除去部分油霧。緊接空壓機(jī)安裝。有些裝有冷卻管。(5)、冷卻器空壓機(jī)出口氣溫一般在120℃左右，必須冷卻。另外在潮濕地域和季節(jié)，空氣中含水量較高，為了避免過濾介質(zhì)受潮而失效，冷卻還可以達(dá)到降濕的目的?？刹捎昧泄苁綗峤粨Q器，空氣走殼程，管內(nèi)走冷卻水。為了增加冷卻水的流速，提高傳熱系數(shù)，采用雙程或四程結(jié)構(gòu)。為防止壓縮空氣走短路及提高傳熱效率，管間裝有4～5塊圓缺擋板。空氣冷卻器的傳熱系數(shù)為105W／(m2·℃)左右。壓縮后的高溫空氣能引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒-增大發(fā)酵罐的降溫負(fù)荷-增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā)(6)、氣液分離設(shè)備

作用：除去空氣中的水和油，以保護(hù)過濾介質(zhì)。一般有兩類：

a、利用離心力沉降的旋風(fēng)分離器；

b、利用慣性攔截的介質(zhì)分離器。a．旋風(fēng)分離器

是利用離心力進(jìn)行氣—固或氣—液沉降分離的設(shè)備。它結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、分離效率高，結(jié)構(gòu)示意見圖5—13。旋風(fēng)分離器

使用時(shí)，壓縮空氣以15～25m／s的流速以切線方向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，并在環(huán)隙內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，水滴或固體顆粒因其密度比空氣大得多而具有較大慣性而被甩向器壁最后被收集。

可除去空氣中絕大多數(shù)的20μm以上的液滴。但對于10μm大小的液滴，除去效率只有60％～70％。

對壓縮空氣中夾帶的霧狀液滴，應(yīng)采用比旋風(fēng)分離器效率更高的絲網(wǎng)除沫器來除去。絲網(wǎng)除沫器可除去1μm以上的霧滴，去除率約為98％。絲網(wǎng)除沫器的結(jié)構(gòu)見圖5—14。b．絲網(wǎng)除沫器

采用慣性攔截等機(jī)理，有效去除空氣中的水、油霧、塵埃，不銹鋼絲網(wǎng)可清洗，使用壽命長。(7)、空氣加熱設(shè)備

作用：把空氣相對濕度從100％降低到70％以下。一般都采用列管換熱器，空氣走管程，蒸汽走殼程?；蛘卟捎锰坠苁郊訜崞?，空氣走管程，蒸汽走夾套。列管式換熱器的傳熱系數(shù)一般為160W／(m2·℃)，套管加熱器的傳熱系數(shù)約為90W／(m2·℃)。加熱器的安裝位置應(yīng)靠近空氣總過濾器，其出口管道應(yīng)采取保溫措施。按過濾介質(zhì)孔隙將空氣過濾器分為兩類：

第一類：絕對過濾

介質(zhì)孔隙小于被攔截的微生物大小，如用聚四氟乙烯或者纖維素酯材料做成的微孔濾膜（孔徑0.22μm)

三、空氣的過濾除菌例如:

將聚乙烯醇(PVA)與甲醛縮合，制成多孔性的聚乙烯醇縮甲醛樹脂(PVF)，經(jīng)過耐熱處理制成孔徑小于0．3微米的濾膜。這種材料有很好的除菌效果，通氣性好，并且可以用蒸汽滅菌，耐受多種有機(jī)溶媒和酸堿。第二類：深層過濾

介質(zhì)孔隙大于被攔截的微生物大小，但介質(zhì)層有一定的厚度，機(jī)理是靜電、擴(kuò)散、慣性及攔截作用。

例如：棉花過濾器、超細(xì)玻璃纖維紙、石棉濾板、金屬燒結(jié)管等。纖維介質(zhì)截獲空氣中顆粒的機(jī)理：

在實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模，空氣過濾器只設(shè)一級，而大型發(fā)酵工廠大多采用兩級甚至三級過濾。第一級過濾器常稱為總過濾器，二、三級稱為分過濾器。過濾器的級數(shù)：對數(shù)穿透定律：

對于深層過濾介質(zhì)，假定顆粒一旦被截獲就不再逃逸，而且在與氣流垂直的截面上顆粒是均勻分布的，那么在任何單位厚度介質(zhì)層中顆粒被捕截的比例相同。即：

式(25—48)表示穿透的菌數(shù)與原菌數(shù)之比的對數(shù)值與介質(zhì)層厚度成正比，因此也稱為對數(shù)穿透定律。

假設(shè)空氣中的濃度為10000個(gè)/m3，空氣流量為200m3/min，持續(xù)時(shí)間為2000h，則No為2.4X1011，按染菌概率為千分之一，No/Ni=2.4X1014深層過濾介質(zhì)又分成兩類:

第一類如棉花纖維、玻璃纖維、合成纖維和顆粒狀活性炭，在空氣過濾中填充一定的厚度，它們中間的孔隙大于50微米。

第二類是將過濾材科制成紙、板或管狀，如超細(xì)玻璃纖維濾紙、金屬燒結(jié)板等等。這些材料的除菌效率較高，無需填充很厚。如用超細(xì)玻璃纖維紙時(shí)只需幾張，用石棉紙漿濾板時(shí)只需一層。

國外開發(fā)出一種高效過濾介質(zhì)，用直徑0．3微米的玻璃纖維制成厚度2mm的濾材，可截留直徑為0．01微米的顆粒。為保護(hù)過濾介質(zhì)，在兩側(cè)再加一層可分離2微米顆粒的粗濾層，將這種復(fù)合過濾介質(zhì)用金屬絲網(wǎng)保護(hù)再制成濾管，可方便的裝到過濾器上。下圖是其工作原理。

(1)、纖維及顆粒狀介質(zhì)過濾器

纖維及顆粒狀介質(zhì)過濾器一般都被用作總過濾器。圖5－16纖維及顆粒介質(zhì)過濾器常用過濾器簡介：纖維及顆粒狀介質(zhì)過濾器常用的介質(zhì)：棉花、玻璃纖維、活性炭等

a．棉花常用未經(jīng)脫脂（脫脂棉花易于吸水而使體積變小），壓緊后仍有彈性，纖維長度適中（約2～3cm）的棉花。棉花纖維直徑約為16～20μm，其實(shí)密度（或稱真密度）為1520kg/m3，通常的填充密度為130～150kg/m3，故其填充率為8.5％～10％。為了使棉花墊填放平整，可先將棉花彈成比筒稍大的棉墊后再放人器內(nèi)。b．玻璃纖維用無堿的玻璃纖維作為過濾介質(zhì)（普通玻璃纖維遇水或經(jīng)蒸汽滅菌后易于粉碎）。常用纖維直徑3～20μm，實(shí)密度2600kg/m3，常用填充密度130～280kg/m3，填充率為5％～11％。較細(xì)的玻纖不易折斷，效果較好，但空氣阻力較大，故最常用纖維直徑為10μm，填充率8%(210kg/m3）。為減少玻纖的粉碎、提高除菌效率及填放方便，可用酚醛樹脂、呋喃樹脂等將其粘合成過濾墊后再放人過濾器。c．活性炭

常用顆粒狀活性炭是小圓柱體，直徑3×(10～15)mm，過濾器用活性炭要求質(zhì)地較堅(jiān)硬不易壓碎、顆粒均一，裝填時(shí)細(xì)粒及粉末要篩去。不單獨(dú)作過濾介質(zhì)，常與纖維狀介質(zhì)分層堆放成過濾床。國外亦有用20～50目椰殼燒成的活性炭作過濾介質(zhì)的。介質(zhì)層的高度：介質(zhì)層高度與纖維性質(zhì)、直徑、填充密度、氣流速度和過濾器持續(xù)使用時(shí)間有關(guān)。裝填時(shí)，可以單純用纖維介質(zhì)，也可兼用纖維介質(zhì)及顆粒介質(zhì)。前者的介質(zhì)層高度約為0.2～0.3m，后者介質(zhì)層總高度約為0.3～1.0m。其中活性炭放在兩纖維介質(zhì)之間，或放在纖維介質(zhì)層之下。纖維層：活性炭層：纖維層高度為1:1:1～1:2:1，只有一層纖維層時(shí)，纖維層與活性炭層之比為1:(2～3）。

通過過濾器的氣流速度（以壓縮空氣通過過濾器筒身的截面積為基準(zhǔn)）一般為0.2～0.3m/s，相應(yīng)的壓力降也較小。

過濾器進(jìn)行滅菌時(shí)，一般是自上而下通入0.2～0.4MPa（表壓）的蒸汽，滅菌45min左右后用壓縮空氣吹干備用?？傔^濾器約每月滅菌一次。為了使總過濾器不間斷地進(jìn)行工作，一般應(yīng)有一個(gè)備用，以便滅菌時(shí)替換使用。

(2)、濾紙過濾器

圖5－17濾紙過濾器濾紙過濾器的結(jié)構(gòu)：

類似旋風(fēng)分離器。過濾器以超細(xì)玻璃纖維紙為介質(zhì)。其孔徑約為1～1.5μm，厚約0.25～0.4mm，實(shí)密度2600kg/m3，虛密度為384kg/m3，故填充率為14.8%，平時(shí)以3～6張濾紙疊合在一起使用。

濾紙的除菌效率很高（對≥0.3μm的顆粒去除效率為99.99％以上），阻力很小。但強(qiáng)度不太大，特別是受潮后強(qiáng)度更差。優(yōu)缺點(diǎn)：

濾紙常用酚醛樹脂、甲基丙烯酸樹脂、嗜胺樹脂、含氫硅油等增韌劑或疏水劑處理，以提高其防濕能力和強(qiáng)度。也可在制造濾紙時(shí)，在紙漿中混入7％一50％的木漿，這樣濾紙強(qiáng)度就有顯著改善；為了使濾紙平整地置于過濾器內(nèi)，能經(jīng)受蒸汽和空氣的沖擊，在過濾器筒身和頂蓋的法蘭間夾有兩塊相互契合的多孔板（開有很多?8的小孔，孔隙率40％左右）以夾住濾紙。安裝時(shí)須在濾紙上下鋪上銅絲網(wǎng)、細(xì)麻布和橡皮墊圈。提高濾紙強(qiáng)度的方法：

空氣在過濾器內(nèi)的流速為0.2～1.5m/s，而且阻力很小，未經(jīng)樹脂處理過的單張濾紙?jiān)跉饬魉俣葹?.6m/s，壓降僅3mmH2O左右。經(jīng)樹脂處理或混有木漿的濾紙，阻力稍大。(3)、金屬燒結(jié)管空氣過濾器

20世紀(jì)80年代初中國核工業(yè)第八研究所研制成功了JLS型金屬燒結(jié)管空氣過濾器，這種金屬燒結(jié)過濾管是用粉末冶金方法制造的，用來除去含有各種固體粒子的一種新型、高效過濾器。

圖5－18金屬燒結(jié)管空氣過濾器

它是由單根或幾十根或上百根金屬微孔濾管安裝在不銹鋼過濾器殼體內(nèi)，現(xiàn)在已有處理量每分鐘從數(shù)升到100m3的系列產(chǎn)品。

結(jié)構(gòu)：(4)、微孔膜過濾器——絕對過濾器由耐高溫、疏水的、厚度為150μm的聚四氟乙烯薄膜構(gòu)成。它能絕對濾除所有大于0.01μm以上的微粒，能除去幾乎所有空氣中夾帶的微生物，獲得發(fā)酵用的無菌空氣。

為增強(qiáng)膜芯強(qiáng)度，用316不銹鋼做中心柱，把附加里襯的濾膜做成折疊型的過濾層繞在不銹鋼中心柱上，外加耐熱的聚丙烯外套。見下圖。

微孔膜過濾器體積小、處理量大、壓降小、除菌效率高。空氣經(jīng)過濾膜的氣速應(yīng)控制在0.5～0.7m/s左右，壓降≤100Pa。

膜過濾器較貴，為延長使用壽命，應(yīng)配置與其相匹配的預(yù)過濾器和蒸汽過濾器，除去管道內(nèi)的鐵銹和污垢微粒對微孔膜的污染。預(yù)過濾出口之后的管道應(yīng)采用不銹鋼管。其安裝方法見圖5－20。圖5－20膜過濾器結(jié)構(gòu)及安裝表5－2幾種傳統(tǒng)過濾器的適用條件及性能比較表5－3新一代微孔過濾器的適用條件第四節(jié)無菌檢測及發(fā)酵廢氣廢物的安全處理一、