《發(fā)酵工程》第9章 空氣除菌

第九章空氣除菌學(xué)時(shí)：教學(xué)內(nèi)容：31.了解空氣中的微生物2.掌握空氣的除菌方法3.了解介質(zhì)過濾除菌4.了解空氣的預(yù)處理

好氣性微生物的培養(yǎng)占微生物產(chǎn)品的生產(chǎn)的絕大部分，所需氧氣均來源于空氣。除菌與除油和除水等處理過程，構(gòu)成了一個(gè)空氣處理系統(tǒng)。它是發(fā)酵工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。空氣中不僅有各種各樣的微生物，還含有大量的水份，油份以及灰塵顆粒等，這些物質(zhì)如果進(jìn)入到培養(yǎng)基中，勢(shì)必對(duì)微生物發(fā)酵造成不利的影響過濾除菌是發(fā)酵工業(yè)中經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的空氣除菌方法，該方法采用定期滅菌的介質(zhì)來阻截空氣中的微生物獲得無菌空氣，常用介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機(jī)或無機(jī)燒結(jié)材料等。第一節(jié)空氣中的微生物與除菌方法一.空氣中的微生物二.發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求三.空氣的除菌方法一.空氣中的微生物空氣中微生物的含量和種類，隨地區(qū)、海拔、季節(jié)、空氣中塵埃多少以及人類活動(dòng)情況而異。一般寒冷的北方比暖和、潮濕的南方含菌量少；雨后的空氣比雨前的空氣含菌量少；海拔愈高含菌量愈少；農(nóng)村比工業(yè)城市空氣含菌量少；地面又比高空含菌量多.空氣中的微生物以細(xì)菌、芽孢和真菌的孢子較多，也有酵母、霉菌、放線菌和噬菌體。二、發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求?各種不同的發(fā)酵過程，對(duì)空氣無菌程度的要求也不同。影響因素是比較復(fù)雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。?一般按染菌機(jī)率為10-3來計(jì)算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1~2次染菌。三.空氣除菌方法空氣的滅菌和除菌方法主要有以下幾種：加熱滅菌電除塵介質(zhì)過濾除菌輻射滅菌1、原理?α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì)，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。（一）、輻射滅菌2、應(yīng)用范圍?通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。3、缺點(diǎn)?殺菌效率較低，殺菌時(shí)間較長(zhǎng)。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。（二）、加熱滅菌將空氣加熱至一定溫度，并維持一定時(shí)間，殺滅空氣中的微生物?？諝庵械募?xì)菌芽孢在218℃維持24S，就被殺死。方法：蒸汽、電和空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量，后一種方法比較經(jīng)濟(jì)?？諝膺M(jìn)口溫度為21°C，出口溫度為187~198°C，壓力為0．7MPa。（三）（靜）電除塵1、原理?利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的。2、優(yōu)點(diǎn)?阻力小，約1.01325×104Pa?染菌率低，平均低于10-15％?除水、除油的效果好?耗電少3、缺點(diǎn)?設(shè)備龐大、一次性投資較大、捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。

原理：當(dāng)正極（鋼管）附近的電場(chǎng)強(qiáng)度大于1kV／cm時(shí)，負(fù)極（導(dǎo)線）附近的電場(chǎng)強(qiáng)度更大，這時(shí)在負(fù)極周圍可出現(xiàn)放電現(xiàn)象，稱為電暈現(xiàn)象。結(jié)果使附近中性的空氣分子電離為帶正電荷和負(fù)電荷的空氣離子，并分別向兩極運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)帶有一定動(dòng)能的空氣離子在向正負(fù)極運(yùn)動(dòng)過程中，遇到空氣中的固體微粒（塵埃、微生物）及液體微粒（水霧、油霧），就會(huì)使它們也帶上電荷而分別向兩極移動(dòng)。由于電離主要是在負(fù)極周圍產(chǎn)生的，因此，負(fù)離子的移動(dòng)距離比正離子長(zhǎng)，且因負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度要比正離子大1.37倍左右，使大多數(shù)微粒帶有負(fù)電荷而向正極沉降，因此正極稱為沉淀電極，負(fù)極稱為電暈電極。沉降至正極上的微粒要定期清除，以防降低絕緣性能和除霧效果。（四）、介質(zhì)過濾除菌高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，空氣中的微生物等顆粒被阻截在介質(zhì)層。

加熱滅菌可以殺滅難以濾除的噬菌體。但蒸汽或電加熱的費(fèi)用昂貴，無法處理大量空氣。目前，發(fā)酵工業(yè)上的空氣除菌幾乎都是采用介質(zhì)過濾除菌。

利用空氣壓縮熱滅菌，由于是干熱滅菌，必須維持一定時(shí)間的高溫，使空氣溫度達(dá)到220℃左右，保溫15s。但該方法需要消耗大量的能源。電除塵的除菌效率較低，一般只能作為初步除菌。第二節(jié)介質(zhì)過濾除菌按過濾除菌機(jī)制不同而分為絕對(duì)過濾和深層介質(zhì)過濾?？紫缎∮?.5um的微孔濾膜，濾除細(xì)菌。過濾除菌絕對(duì)過濾深層（介質(zhì)）過濾纖維狀（玻璃纖維等）或顆粒狀（活性炭）介質(zhì)為過濾層，依靠靜電、擴(kuò)散、慣性和阻截等作用將細(xì)菌截留在濾層中。利用超細(xì)玻璃纖維、石棉板、燒結(jié)金屬板、聚四氟乙烯等為介質(zhì)?？諝膺^濾器的功能

一個(gè)空氣過濾器的功能是從氣體中去除污染物（微生物）以使達(dá)到所需的氣體的無菌程度一.絕對(duì)過濾

絕對(duì)過濾是利用介質(zhì)孔隙小于被濾除的微生物，當(dāng)空氣流過介質(zhì)層后，空氣中的微生物被濾除。（也叫表面過濾）它是采用很細(xì)小的纖維介質(zhì)制成，介質(zhì)空隙小于0.5um，如纖維素微孔濾膜(孔徑與0.5um、厚度0.15mm)，硅酸硼纖維微孔濾膜(孔徑0.1um)，聚四氟乙烯微孔濾膜(孔徑0.2或0.5um、孔率80％).絕對(duì)過濾易于控制過濾后空氣質(zhì)量，節(jié)約能量和時(shí)間，操作簡(jiǎn)便。我國(guó)研制成功的微孔濾膜，有混合纖維素脂微孔濾膜和醋酸纖維素微孔濾膜。醋酸纖維素膜熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性比混合纖維素膜好。經(jīng)過0.1MPa蒸汽滅菌30min處理孔徑不變形?？讖綖?.45um的微孔濾膜，對(duì)細(xì)菌的過濾效率達(dá)100％。

在空氣過濾之前應(yīng)將空氣中的油、水除去，以提高微孔濾膜的過濾效率和使用壽命。1976年，Hecker介紹了一種孔徑為0.2um的Fluoropore（TPFE）微孔濾膜，阻力小，疏水性好，不受水的影響而堵塞濾孔，耐125℃蒸汽滅菌。有蝶式、單管式和折疊式等多種，殼體為不銹鋼，有四種不同規(guī)格，流量最小為3m3／min，最大為3,000m3／min，使用壽命8個(gè)月。二.介質(zhì)過濾（深層介質(zhì)過濾、深度介質(zhì)過濾）

以棉花、玻璃纖維等纖維材料或活性炭作為介質(zhì)填充成一定厚度的過濾層，或?qū)⒉ＡЮw維、聚四氟乙烯、金屬燒結(jié)材料制成過濾層，其介質(zhì)間的空隙大于被濾除的塵埃或微生物。當(dāng)空氣流過介質(zhì)濾層時(shí)，借助慣性碰撞、阻截、靜電吸附、擴(kuò)散等作用，將塵埃和微生物截留在介質(zhì)層內(nèi)，達(dá)到除菌的目的。介質(zhì)過濾的設(shè)備及操作費(fèi)用低廉，適用于大量空氣的凈化處理。1.介質(zhì)過濾機(jī)理慣性碰撞作用阻截作用布朗擴(kuò)散作用重力沉降作用靜電吸附作用是以大孔隙的介質(zhì)過濾層除去較小顆粒，這是一種滯留現(xiàn)象。這種滯留現(xiàn)象是由多種作用機(jī)制構(gòu)成的，主要有：（1）慣性碰撞作用

當(dāng)微生物等顆粒物隨空氣以一定速度接近纖維時(shí)，氣流遇到纖維阻礙，會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向繞過纖維繼續(xù)前進(jìn)，而顆粒物由于具有一定的質(zhì)量，借慣性作用而碰在纖維表面，并由于摩擦、粘附作用，被滯留在纖維表面上，這叫做慣性碰撞作用。當(dāng)氣流達(dá)到一定速度時(shí)，它是介質(zhì)過濾除塵的主要作用。（2）阻截作用

當(dāng)氣流速度低于臨界速度時(shí)，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，滯留區(qū)內(nèi)的氣流速度更慢，顆粒不是因慣性碰撞而被滯留，而是由于摩擦、粘附作用而被滯留，這種作用稱為阻截作用。在介質(zhì)過濾除菌中，阻截作用不是主要的。（3）布朗擴(kuò)散作用

小顆粒在流速很慢的氣流中產(chǎn)生的一種不規(guī)則直線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)使較小微粒凝聚為較大微粒，隨即可能產(chǎn)生重力沉降或被介質(zhì)截留。微粒愈小，分子運(yùn)動(dòng)的速度愈大。空氣流速低時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)比較顯著，微小粒子被除去的機(jī)會(huì)增加；空氣流速大時(shí)，凝聚現(xiàn)象為慣性碰撞所取代。（4）重力沉降作用

當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒即沉降，稱為重力沉降作用。對(duì)于小顆粒，只有當(dāng)流速很低時(shí)才起作用。這一作用對(duì)過濾除菌的影響很小。（5）靜電吸附作用許多微生物和孢子都帶有電荷。有人測(cè)定，枯草桿菌芽孢有70％帶1~60負(fù)電單位，15％帶5~14正電單位，其余為中性。在介質(zhì)過濾系統(tǒng)中，哪一種過濾機(jī)制起主導(dǎo)作用，由顆粒性質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)和氣流速度所決定，只有靜電吸引受塵?；蛭⑸锖徒橘|(zhì)所帶電荷作用，不受其他外界因素影響。當(dāng)氣流速度小時(shí)，慣性碰撞作用不明顯，以沉降和布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象為主，此時(shí)，除菌效率隨氣流速度增大而降低，當(dāng)氣流速度增大到某值時(shí)，除菌效率最小，此速度稱為臨界速度。當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加，慣性碰撞代替沉降和布朗運(yùn)動(dòng)，除菌效率隨著氣流速度增加而提高。

當(dāng)具有一定速度的氣流通過介質(zhì)時(shí)，由于摩擦作用而產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，特別是纖維表面和用樹脂處理的纖維表面產(chǎn)生電荷更顯著。當(dāng)菌體所帶的電荷與介質(zhì)的電荷相反時(shí)，就發(fā)生靜電吸引作用。2.介質(zhì)過濾效率

介質(zhì)過濾效率是指被介質(zhì)層捕集的塵埃顆粒數(shù)與空氣中原有顆粒數(shù)之比，即：N1、N2為過濾前、后空氣中的塵埃顆粒數(shù)為過濾效率，(％)P為穿透率，即過濾后空氣中殘留顆粒數(shù)與原有顆粒數(shù)之比當(dāng)進(jìn)口空氣顆粒數(shù)不同，而過濾后空氣中殘留顆粒數(shù)相同時(shí)，這一公式就不適用?！钛芯窟^濾器的過濾規(guī)律時(shí)，先排除一些復(fù)雜的因素，假定：–過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰近纖維的存在而受影響；–空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流帶走；–過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)；–空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。對(duì)數(shù)穿透定律介質(zhì)過濾不可能長(zhǎng)期達(dá)到100％的過濾效率，即經(jīng)過濾的空氣不是長(zhǎng)期無菌，只是延長(zhǎng)空氣中帶菌微粒在過濾器中滯留的時(shí)間。當(dāng)氣流速度達(dá)到一定值時(shí)，或過濾介質(zhì)使用時(shí)間長(zhǎng)，滯留的帶菌微粒就有可能穿過，所以過濾器必須定期滅菌??！3.影響介質(zhì)過濾效率的因素介質(zhì)過濾效率與介質(zhì)纖維的直徑關(guān)系很大，在其他條件相同時(shí)，介質(zhì)纖維直徑越小，過濾效率越高。對(duì)于相同的介質(zhì)，過濾效率與介質(zhì)濾層厚度、介質(zhì)填充密度和空氣流速有一關(guān)。（1）介質(zhì)填充厚度與過濾效率的關(guān)系在裝填密度不變時(shí)（180~185kg／m3），隨填充物厚度增加，過濾效率提高。（2）介質(zhì)填充密度與過濾效率的關(guān)系增加填充物密度，可提高過濾效率。（3）空氣流速與過濾效率的關(guān)系在空氣流速很低時(shí)，過濾效率隨氣流速度增加而降低，當(dāng)氣流速度增加至臨界值后，過濾效率隨氣流速度增加而提高。但當(dāng)空氣速度超過一定限度后，過濾效率又降低。空氣流過濾層所產(chǎn)生的壓力降，直接影響操作費(fèi)和通氣發(fā)酵效率。因此，在選擇過濾介質(zhì)時(shí)，要考慮到過濾效率高，又要使壓力降小。三.空氣過濾器的結(jié)構(gòu)1.纖維狀或顆粒介質(zhì)過濾器過濾器內(nèi)有上、下孔板，過濾介質(zhì)置于兩孔板之間，被孔板壓緊。介質(zhì)主要為棉花、玻璃纖維、活性炭，也有用礦渣棉。一般棉花（玻璃纖維）置于上、下層，活性炭在中間，也可全部用纖維狀介質(zhì)。介質(zhì)放置時(shí)應(yīng)注意均勻，貼壁、平整，有一定填充密度，以防止空氣走短路或介質(zhì)被空氣吹翻。棉花：需用非脫脂棉，有彈性，纖維長(zhǎng)度適中，約2~3cm，纖維直徑為16~20um，實(shí)重度1520kg／m3，填充密度130~150kg／m3，填充率為8.5％~10％，也可先將棉花制成直徑比過濾器內(nèi)徑稍大的棉墊后，放入器內(nèi)。玻璃纖維：應(yīng)用無堿玻璃纖維，纖維直徑5~19um，實(shí)重度2600kg／m3，填充密度130~280kg／m3，填充率5％~11％；纖維直徑小，不易折斷，過濾效果好，但空氣阻力大，常用直徑為10um，填充率為8％?；钚蕴浚撼Ｓ眯A柱體的顆粒活性炭，大小為3×10~15mm，實(shí)重度為1140kg／m3，填充密度為470~530kg／m3，填充率為44％。要求活性炭質(zhì)地堅(jiān)硬，不易被壓碎，顆粒均勻，裝填前應(yīng)將粉末和細(xì)粒篩去?；钚蕴康倪^濾效率低。此過濾器對(duì)介質(zhì)的要求：通過過濾器的氣流速度一般為0.2~0.5m／s，壓力降0.01~0.05MPa。空氣從過濾器下部切線進(jìn)入，由上部流出。這種過濾器的濾層纖維空隙大于50um，遠(yuǎn)大于細(xì)菌，它的過濾除菌不是靠面積過濾，而是靠慣性碰撞、攔截、布朗運(yùn)動(dòng)、靜電吸引等作用，對(duì)0.3um以下顆粒的過濾效率僅99％，難以滿足發(fā)酵工業(yè)的無菌要求，需要再次過濾。缺點(diǎn)：體積大、占有空間大，操作困難，裝填介質(zhì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，介質(zhì)裝填的松緊程度不易掌握，空氣壓力降大，介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量蒸汽和空氣。2.過濾紙類過濾器過濾介質(zhì)為超細(xì)玻璃纖維紙，分為旋風(fēng)式和套筒式兩種。過濾層很薄，一般用3~6張濾紙疊在一起使用，它屬于深層過濾技術(shù)。纖維間的孔隙約為l~1.5um，厚度約為0.25~0.4mm，實(shí)重度為2600kg／m3，虛重度為384kg／m3，填充率為14.8％，除菌效率相當(dāng)高，對(duì)大于0.3um顆粒的去除率為99.99％以上，阻力小，壓力降?。坏珡?qiáng)度不大，特別是受潮后強(qiáng)度更差。為了增加強(qiáng)度，常用酚醛樹脂、甲基丙烯酸樹脂或含氫硅油等增韌劑或疏水劑處理。也可在制造濾紙時(shí)，在紙漿中加入7％~50％木漿，以增加強(qiáng)度。安裝時(shí)，將濾紙夾在多孔法蘭花板中間，花板上開Φ8mm的小孔，開孔面積占板面積40％，在濾紙上、下分別鋪上鋼絲網(wǎng)和細(xì)麻布，外面各有一個(gè)橡膠墊圈。3.其他過濾器近年來，由于采用了大批新材料，出現(xiàn)了玻璃纖維、聚四氟乙烯、玻璃、陶瓷或金屬粉末燒結(jié)材料制成的管式過濾器。（1）Bio-x過濾器英國(guó)DH公司用直徑為0.5um玻璃纖維制成1mm厚的濾材，卷成3圈，以粗而堅(jiān)韌的玻璃纖維無紡布做內(nèi)外襯，再在內(nèi)、外以不銹鋼網(wǎng)固定，做成濾筒狀。它能濾除0.01um顆粒(噬菌體為0.02um)，以油霧法(油霧直徑為l.3~0.01um，平均0.3um)測(cè)定，過濾效率為99.9999％。填充率僅6％，空氣流量大，壓力降小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝方便。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不大，易損或受潮失效。（2）高流量過濾器是DH公司開發(fā)的聚四氟乙烯(PTFE)材料為濾芯的高流量過濾器(如圖)。其過濾機(jī)理和過濾效率均同BIO-x過濾器，但所用PTFE是一種堅(jiān)韌的材料，可以做成折疊濾芯，增加了過濾面積，使空氣流量為BIO-x的3倍，進(jìn)一步縮小了體積。（3）聚乙烯醇(PVA)過濾器

PVA過濾器是用具有特殊多孔型結(jié)構(gòu)和耐熱性能的聚乙烯醇海棉狀物質(zhì)為介質(zhì)加工制成的。有圓板型和圓筒型(見圖)兩種，介質(zhì)孔隙為10~20um，過濾效率可達(dá)99.9999％，壓力降為0.015MPa。4.24.3(5)四.空氣預(yù)處理流程過濾介質(zhì)必須在干燥條件下工作，才能保證除菌效率，因此空氣需要預(yù)處理以除去油、水和較大的顆粒?？諝忸A(yù)處理流