空氣除菌與空氣調(diào)節(jié)設(shè)備

第三章空氣除菌與空氣調(diào)節(jié)設(shè)備

好氧微生物在培養(yǎng)過程中需要消耗大量的氧氣，這些氧氣通常由空氣提供。根據(jù)國家藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）的要求，生物制品、藥品的生產(chǎn)場地也需符合空氣潔凈度要求，并有相應(yīng)的管理手段。第一節(jié)空氣除菌的原理與方法

一.生物工業(yè)對空氣質(zhì)量的要求1.空氣中微生物的分布地域（南方與北方、城市與鄉(xiāng)村）季節(jié)第一頁，共四十六頁?？諝庵须s菌含量及分布空氣中含雜菌一般在103~104（個）/m3。雜菌含量多少與地域、季節(jié)有關(guān)，南方多，北方少；低空多，高空少；城市多，農(nóng)村少；夏季多，冬季少。為了獲得含雜菌少的空氣，工廠多采用采風(fēng)塔（高20多米）采風(fēng)。無菌空氣要求工廠對空氣除菌，要求達到一定程度，通常設(shè)計指標(biāo)，通風(fēng)1000罐次，只感染1個雜菌。第二頁，共四十六頁。2.發(fā)酵用無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

（1）連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣；（2）空氣的壓強（表壓）0.2-0.35MPa；（3）進入過濾器之前，空氣的相對濕度小于70％；（4）進入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度稍高（5）壓縮空氣的潔凈度，取失敗率為10－3。3.空氣含菌量的測定（1）光學(xué)法－粒子計數(shù)器（0.3～0.5μm)微粒的各種濃度,測得結(jié)果是空氣中的灰塵和微生物，不準(zhǔn)確（2）培養(yǎng)法－－微生物培養(yǎng)（準(zhǔn)確培養(yǎng)的活微生物）第三頁，共四十六頁。二.空氣凈化除菌方法

（一）空氣除菌方法1輻射殺菌

α－射線、χ－射線、β－射線、γ－射線、紫外線、超聲波等從理論上都能破壞蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌的作用。輻射滅菌目前僅用于一些表面的滅菌及有限空間內(nèi)空氣的滅菌，對于大規(guī)?？諝獾臏缇€無法應(yīng)用。2熱殺菌空氣進入發(fā)酵罐之前，一般勻需用壓縮機壓縮，提高壓力。利用空氣壓縮時放出的熱量進行保溫滅菌。見流程第四頁，共四十六頁。第五頁，共四十六頁。3.靜電除菌

利用靜電引力吸附帶電粒子而達到除塵滅菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，大多數(shù)帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒進入高壓靜電場時都會被電離成帶電微粒，但對于一些直徑小的微粒，所帶的電荷很小，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對微粒布朗擴散運動的動量時，微粒不能被吸附而沉降，因此靜電除塵對很小的微粒效率較低。4.介質(zhì)過濾除菌第六頁，共四十六頁。三.介質(zhì)過濾除菌機理

依靠氣流通過濾層時，基于濾層纖維的層層阻礙，迫使空氣在流動過程中出現(xiàn)無數(shù)次改變氣速大小和方向的繞流運動，從而導(dǎo)致微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗擴散、重力和靜電引力等作用，從而把微生物截留、捕集在纖維表面上，實現(xiàn)過濾目的。下面圖為過濾除菌時各種除菌機理的示意圖。第七頁，共四十六頁。1.慣性撞擊截留作用

當(dāng)含有微生物顆粒的空氣通過濾層時，空氣流僅能從纖維間的間隙通過，由于纖維縱橫交錯，層層疊疊，迫使空氣流不斷改變運動方向和速度。由于微生物顆粒的慣性大于空氣，因而當(dāng)空氣流遇阻而繞道前進時，微生物顆粒未能及時改變它的運動方向，而撞擊并被截留于纖維的表面。第八頁，共四十六頁。2.攔截截留作用

當(dāng)微粒直徑小、質(zhì)量輕，它隨氣流運動慢慢靠近纖維時，微粒所在主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻改變流動方向，繞過纖維前進，并在纖維的周圍形成一層邊界滯留區(qū)，滯留區(qū)的氣流流速更慢，進到滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被黏附截留。攔截截留的截留效率與氣流的雷諾準(zhǔn)數(shù)和微粒同纖維的直徑比有關(guān)。

3.布朗擴散截留作用

布朗擴散的運動距離短，在較大的氣速、較大的纖維間隙中不起作用，但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中布朗擴散作用增加了微粒與纖維的接觸滯留機會。第九頁，共四十六頁。第十頁，共四十六頁。4重力沉降5靜電吸引力慣性截留、攔截和布朗擴散的除菌作用較大，重力和靜電引力的作用較小。

第十一頁，共四十六頁。第十二頁，共四十六頁。第十三頁，共四十六頁。氣速與除菌效率的關(guān)系：當(dāng)氣流速度較小時，除菌效率隨氣流速度的增加而降低，擴散起主要作用；當(dāng)氣流速度中等時，可能截流起主要作用；當(dāng)氣流速度較大時，除菌效率隨空氣流速的增加而增加，慣性沖擊起主要作用；如果氣速過大η又會下降，可能是已撲集的微粒又被卷起的原因。第十四頁，共四十六頁。第二節(jié)空氣介質(zhì)過濾除菌設(shè)備及計算一.介質(zhì)過濾除菌流程

（一）空氣除菌流程的確定：1.根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)對無菌空氣的要求（無菌程度、風(fēng)溫、風(fēng)濕及風(fēng)壓）2.采氣環(huán)境的空氣條件、空氣性質(zhì)3.所用除菌設(shè)備的特性第十五頁，共四十六頁。（二）空氣除菌流程

1.兩級冷卻、加熱除菌流程

是一個比較完善的空氣除菌流程，可適應(yīng)各種氣候，尤其適用于潮濕地區(qū)。它能充分地分離油水，使空氣達到相對濕度較低下進入過濾器，提高過濾效果.第十六頁，共四十六頁。典型空氣除菌流程

1.采風(fēng)塔2.粗濾器3.空壓機4.貯氣罐5.一級冷卻6.一級油水7.二級冷卻分離器8.二級油水分離器9.加熱器10.總過濾器

34567891021第十七頁，共四十六頁。2.冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程特點：省去第二級冷卻器后的分離設(shè)備和空氣加熱設(shè)備，流程較簡單，冷卻水用量少。適用于中等濕含量地區(qū)，不適合于空氣濕含量高的地區(qū)。

第十八頁，共四十六頁。3.高效前置過濾空氣除菌流程特點：采用高效率的前置過濾設(shè)備，減輕主過濾器的負擔(dān)。第十九頁，共四十六頁。4將空氣冷卻至露點以上的流程將空氣冷卻至露點以上，使進入過濾器的空氣相對濕度60－70％以下。適用于北方和內(nèi)陸氣候干燥地區(qū)。第二十頁，共四十六頁。5.利用熱空氣加熱冷空氣的流程利用壓縮后的熱空氣和冷卻后的冷空氣進行熱交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對濕度。特點：對熱能的利用合理，但加熱面積要足夠大才能滿足要求。第二十一頁，共四十六頁。6.一次冷卻和析水的空氣過濾流程

將壓縮空氣冷卻至露點以下，析出部分水分，升溫使相對濕度為60％，再進入空氣過濾器，采用一次冷卻一次析水。

第二十二頁，共四十六頁。二.空氣介質(zhì)過濾設(shè)備及設(shè)計計算只討論選擇設(shè)備時的一些原則和計算方法。原因是完成同一任務(wù)的設(shè)備類型很多。（一）粗過濾器1.安裝位置2.常用型式：布袋過濾器、填料式過濾器、油浴洗滌和水霧除塵等（二）空壓機：1.作用：提供0.2~0.3MPa的壓力，大量的低壓理想空氣2.形式：渦輪式：出口壓力0.25~0.5MPa，出口風(fēng)量較穩(wěn)定；

往復(fù)式：出口壓力不穩(wěn)定。多缸穩(wěn)定。須用潤滑油，空氣中帶油污粒子，須改善油污污染問題。第二十三頁，共四十六頁。（三）空氣儲罐：1.作用：消除壓縮機排除空氣量的脈沖，維持穩(wěn)定空壓。2.安裝位置：緊安在空壓機之后3.有關(guān)計算：V容＝0.1~0.2Vc.Vc—空壓機排氣量（四）氣液分離器：1.作用：將空氣中被冷凝成霧狀的水霧和油霧粒子除去。2.種類：旋風(fēng)式、填料式（利用填料攔截－絲網(wǎng)分離器，填料種類很多－活性炭、焦炭、瓷環(huán)、金屬網(wǎng)、塑料網(wǎng)等）（五）空氣冷卻器：

1.作用2.種類：列管式、沉浸式、噴淋式

第二十四頁，共四十六頁。（六）空氣過濾器（設(shè)計適用的過濾器）

1.空氣除菌效率（衡量過濾設(shè)備的過濾效能的指標(biāo)）：濾層所濾去的微粒與原來微粒數(shù)的比值。

N1—_過濾前空氣的微粒數(shù)；N2—過濾后空氣的微粒數(shù)2.穿透率影響過濾效率的因素很多：微粒的大小、過濾介質(zhì)的種類和規(guī)格、介質(zhì)的填充密度、過濾介質(zhì)厚度及所通過的空氣氣流速度有關(guān)。第二十五頁，共四十六頁。3.空氣過濾除菌的對數(shù)穿透定律（過濾規(guī)律）

研究空氣過濾器的過濾規(guī)律時為了簡化做了四個假定條件下：（1）流經(jīng)過濾介質(zhì)的每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它臨近纖維的存在而受影響；（2）空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流卷起帶走；（3）過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)；（4）空氣中微粒在濾層中的遞減均勻，即每一纖維層除去同樣百分率的微粒數(shù)。在這些假定條件前提下發(fā)現(xiàn)，空氣通過單位濾層后，微粒下降的濃度與進入空氣的微粒濃度成正比。即對數(shù)穿透定律第二十六頁，共四十六頁。

對數(shù)穿透定律：空氣通過濾層，其微粒數(shù)隨著濾層的厚度逐漸降低，即：N－濾層中空氣的微粒濃度，個/m3.L–過濾介質(zhì)的厚度，m。dN/dL-----單位濾層除去的微粒數(shù)，個/m3.K---過濾常數(shù)L過濾介質(zhì)N1N2第二十七頁，共四十六頁。

對數(shù)穿透定律公式揭示了深層介質(zhì)過濾除菌時進入濾層的空氣微粒濃度與穿過濾層的微粒濃度之比的對數(shù)是濾層厚度的函數(shù)。

常數(shù)K值與多個因素有關(guān)，如纖維種類、纖維直徑、填充密度、空氣流速、空氣中微粒的直徑等，通?？蛇x擇特定的條件通過實驗方法求得。課本381頁表3－1－2，3－1－3等第二十八頁，共四十六頁。K—過濾常數(shù)（m-1）與過濾介質(zhì)種類、纖維直徑、風(fēng)速、填充密度（填充系數(shù)）有關(guān)。當(dāng)以上條件一定時，K為常數(shù)。積分后：K值通過實驗求出：

第二十九頁，共四十六頁。對df=16μm的棉花纖維，填充系數(shù)8%，在不同風(fēng)速下測得K′空氣流速υ0(m/s)0.050.100.51.02.03.0

K′(1/m)19.313.510.019.5132232對df=14μm的玻璃纖維，填充系數(shù)8%，在不同風(fēng)速下測得K′空氣流速υs（m/s）0.030.150.30.921.523.15K′

(1/m)56.725.219.329.4150605第三十頁，共四十六頁。K值由計算求出：第三十一頁，共四十六頁。4）深層過濾阻力（壓力降）計算L-過濾層厚度（m)ρ–空氣密度（kg/m3)α–介質(zhì)填充系數(shù)υo–空氣在介質(zhì)空隙中的流速（m/s)υo=υs/(1－α)υs-空罐截面氣速（m/s)df–介質(zhì)纖維直徑（m）第三十二頁，共四十六頁。m–實驗指數(shù)，棉花m=1.45；19μm玻璃纖維,m=1.358μm玻璃纖維,m=1.55C–阻力系數(shù)，棉花C=100/Re;玻璃纖維C=52/Re5)深層過濾器直徑計算Q-通風(fēng)量（m3/s)(注意：總過濾器一般用2~4個并聯(lián)，Q是單個的通風(fēng)量）。

第三十三頁，共四十六頁。6）深層過濾器的安裝結(jié)構(gòu)孔板金屬絲網(wǎng)麻布棉花活性碳第三十四頁，共四十六頁。

例題:設(shè)計一臺通風(fēng)量為10m3/min的棉花過濾器，空氣壓強為392KPa(絕對壓力），通入過濾器的空氣含菌量是5000個/m3，發(fā)酵周期100小時，要求發(fā)酵1000罐漏入一個雜菌，工作溫度30℃。解:選用16μm棉花作過濾介質(zhì)，填充系數(shù)為8%，空氣流速υo=0.1m/s。由表查的過濾常數(shù)K=13.5m-1。第三十五頁，共四十六頁。過濾器直計算(D)：下標(biāo)1為空氣壓縮前的空氣狀態(tài)，下標(biāo)2為壓縮進入過濾器的空氣狀態(tài)。第三十六頁，共四十六頁。壓力損失(▽P)計算：υo=υs/(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s）進入過濾器密度：空氣黏度查得：μ=18.6×10-6Pa·S第三十七頁，共四十六頁。第三十八頁，共四十六頁。引起染菌的主要途徑：（1）缺少正規(guī)的操作流程方案；（2）使用濕的滅菌過濾器；（3）冷卻盤上的銷孔的污染；（4）設(shè)計不合理的空氣排放系統(tǒng)；（5）不恰當(dāng)?shù)丶尤肴揪挠秃拖輨唬?）閥門的泄漏；密封設(shè)施不嚴(yán)密。

第三十九頁，共四十六頁。提高過濾除菌效率的措施減少進口空氣的菌數(shù)：加強生產(chǎn)場地的衛(wèi)生管理，選擇壓縮空氣站為上風(fēng)口，提高采風(fēng)位置，加強空氣預(yù)處理。設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率高的過濾介質(zhì)。設(shè)計合理的空氣預(yù)處理設(shè)備，達到除油、水和雜質(zhì)的目的。降低進入空氣過濾器的空氣的相對濕度，保證過濾介質(zhì)在干燥的狀態(tài)下工作。使用無油壓縮機加強冷卻和去油、水，提高空氣溫度，以降低相對濕度。第四十頁，共四十六頁。（七）過濾介質(zhì)棉花棉花都用作深層過濾，一般選纖維細長、疏松的新鮮棉花。棉花纖維直徑一般在16~21μm，填充密度130~150kg/m3（也稱表觀密度、虛密度）。棉花的真實密度1520kg/m3，虛密度與真實密度比值稱填充系數(shù)。填充系數(shù)在8%左右。第四十一頁，共四十六頁。玻璃纖維纖維直徑在3~20μm，常用的20μm左右，填充系數(shù)8%。超細玻璃纖維纖維直徑在1~1.5μm，用作紙的方法，做成0.25~1mm厚的纖維紙，孔隙網(wǎng)格直徑0.3~5μm，0.3μm能達到據(jù)對過濾除菌。在實驗室常用超細玻璃纖維紙作空氣過濾除菌介質(zhì)。石棉濾板（3~5mm）常用作分過濾器。燒結(jié)材料燒結(jié)材料種類很多，有燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料。第四十二頁，共四十六頁。3.1.3過濾除菌機理1）單纖維機理慣性沖擊（碰撞）慣性沖擊捕集效率慣性準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)當(dāng)此時的氣流速度

第四十三頁，共四十六頁。復(fù)習(xí)題1.名詞解釋：（1）空氣過濾除菌效率（