第02章空氣除菌設(shè)備

生物工程設(shè)備主講：潘康成

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院生物工程系制作潘康成2008年4月28日潘康成制作目錄第一章培養(yǎng)基的制備設(shè)備第二章空氣除菌設(shè)備第三章生物反應(yīng)設(shè)備第四章生物產(chǎn)品干燥設(shè)備第五章固-液分離設(shè)備第六章萃取設(shè)備第七章層析和離子交換設(shè)備第八章蒸發(fā)和結(jié)晶設(shè)備第九章生物制藥生產(chǎn)GMP規(guī)范要點潘康成制作第二章空氣除菌設(shè)備第一節(jié)發(fā)酵工廠對無菌空氣的要求第二節(jié)空氣除菌的方法及原理第三節(jié)空氣除菌的工藝流程第四節(jié)空氣除菌流程設(shè)備潘康成制作第一節(jié)發(fā)酵工廠對無菌空氣的要求一、空氣中的微粒及微生物二、發(fā)酵工廠使用無菌空氣的指標潘康成制作一、空氣中的微粒及微生物潘康成制作

空氣中的微生物多為細菌、細菌孢子,也有真菌孢子、酵母和少量病毒。其大小從幾μm到幾百μm不等。小的微生物附在空氣中的灰塵上?；覊m大小平均約為0.6μm。粗濾器可將粗微粒除去，0.5-2.0μm的微粒及細菌微生物由空氣過濾器除去?？諝庵形⑸锏臄?shù)量與溫度及其他環(huán)境條件有關(guān)。城市密度較高，農(nóng)村和山區(qū)較低，工廠附近主風向上游密度為較低。工業(yè)區(qū)，塵埃微粒數(shù)約109-1010個/m3。雖然各地所含懸浮的微生物種類以及比例不同，數(shù)量也隨條件的變化而變化，一般以空氣含量為103-104個/m3，每上升2.5-3m，減少一個數(shù)量級。在設(shè)計空氣除菌設(shè)備時空氣微生物的數(shù)量可認為是103-104個/m3來進行計算。二、發(fā)酵工廠使用無菌空氣的指標潘康成制作1.壓縮空氣的壓強要求控制在0.2-0.35MPa。2.空氣流量空氣流量是根據(jù)車間發(fā)酵罐容積來確定。3.空氣溫度要求控制在比發(fā)酵溫度高出10℃左右。4.空氣濕度要求控制低于70%。5.空氣潔凈度

不同的發(fā)酵過程，由于所用菌種的生長能力強弱、生長速度的快慢、它的分泌物的性質(zhì)、發(fā)酵周期的長短、培養(yǎng)物的營養(yǎng)成分和pH值的差異，對所用的無菌空氣的無菌程度有不同的要求。一般情況下，常按染菌機率為10-3來計算,即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1-2次染菌。通常細菌繁殖一代只需20-30分鐘，如果進入一個細菌，則繁殖15小時后，細菌數(shù)可達到109個。這樣大量的雜菌就必然使發(fā)酵受到嚴重干擾或發(fā)酵失敗，故計算時常以進入1-2個雜菌即失敗作為空氣無菌度的依據(jù)。第二節(jié)空氣除菌的方法及原理一、空氣除菌的方法二、過濾除菌的機理三、過濾介質(zhì)的類型潘康成制作一、空氣除菌的方法潘康成制作1.加熱滅菌法2.輻射滅菌法3.化學(xué)滅菌法4.靜電除菌法5.過濾除菌法加熱滅菌是有效、可靠的一種滅菌方法，雖然細菌芽孢有耐熱性，但在高溫時218℃時24秒內(nèi)可被破壞、被殺死。但采用蒸汽或用電來加熱大量的空氣，以達到滅菌目的，則需要消耗大量的能源和增加大量的熱交換設(shè)備，這是不經(jīng)濟的。

理論上聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線和紫外線都可用于空氣滅菌，其滅菌的機理認為是破壞微生物菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)活性而起作用，但設(shè)備投資較高，因此在發(fā)酵工業(yè)中還很少采用。

現(xiàn)主要采用紫外線用于無菌室、醫(yī)院手術(shù)室等空氣對流不大的環(huán)境，但殺菌效率較低，殺菌時間較長，一般需要結(jié)合甲醛蒸汽消毒或苯酚噴霧等來保證無菌室有較高的無菌度。把少量殺菌劑（如苯酚、環(huán)氧乙烷、重金屬鹽、新潔而滅等）溶于水中，使空氣在殺菌劑溶液中通過或噴灑于空氣中以消滅空氣中的微生物。但殺菌后空氣帶入的殺菌劑對發(fā)酵罐內(nèi)生長的微生物同樣具有殺滅或抑制作用，從而影響發(fā)酵效果。因此，使用化學(xué)滅菌法生產(chǎn)無菌空氣后，必須除去夾帶殺菌劑的水汽和霧，故在發(fā)酵工業(yè)上少用。靜電除菌作用原理：如圖:

特點是：能量消耗少，處理1000m3的空氣只耗電0.4-0.8kW；空氣壓頭損失小，約為400-2000Pa；對于1μm的塵粒捕集效率可達99%以上。

缺點是設(shè)備較龐大，對小于1μm微粒效率不是很明顯。介質(zhì)過濾除菌是發(fā)酵制備無菌空氣廣泛采用。是采用定期滅菌的過濾介質(zhì)來阻截流過空氣所含的微生物，從而取得無菌空氣。常用的過濾介質(zhì)：棉花、活性碳、玻璃纖維、有機合成纖維、石棉濾板和其他燒結(jié)材料（燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等)。初期多采用棉花作為過濾介質(zhì),后來逐漸被玻璃纖維代替?，F(xiàn)正逐漸用聚乙烯醇（PVA）過濾器代替常規(guī)過濾器。二、過濾除菌的機理潘康成制作1.慣性沖撞滯留作用在過濾器中的介質(zhì)濾層交錯著無數(shù)的纖維，形成層層網(wǎng)格，交錯排列。隨著纖維直徑減小，填充密度增大，形成的網(wǎng)格緊密和層數(shù)多，纖維與纖維間隙越小。當帶有微生物等微粒的空氣通過濾層時，僅能從纖維與纖維之間的間隙通過。由于受交錯排列的纖維所阻礙，迫使空氣不斷改變流動方向和運動速度才能通過濾層。當微粒隨氣流以一定的速度垂直向纖維方向運動時，空氣受阻即改變運動方向，繞過纖維前進，由于微粒的運動慣性，未能及時改變運動方向，隨主導(dǎo)氣流前進，于是微粒直沖到纖維的表面，由于摩擦粘附，滯留在纖維表面上。2.攔截滯留作用當氣流速度降到臨界速度以下，微粒不能因慣性碰撞而滯留于纖維上，使除菌效率顯著下降，但隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的除菌效率又有回升，（圖）。微生物微粒直徑很細，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻，而改變流動方向，繞過纖維前進，并在纖維的周邊形成邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢，進到這滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被粘附滯留。3.布朗擴散作用直徑很小的微粒在氣流流速很小的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的直線運動，稱為布朗擴散。布朗擴散的運動距離很短，在較大的氣速、較大的纖維間隙中是不起作用的，但在很小的氣流速度和較小的纖維間隙中，布朗擴散作用大大增加了微粒與纖維的接觸滯留機，從而增加纖維的捕集效率。4.重力沉降作用重力沉降是一個穩(wěn)定的分離作用，當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就容易沉降，就單一的重力沉降情況下，大顆粒比小顆粒作用顯著，對于小顆粒只有在氣流速度很慢時才起作用。一般它是與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)，微粒的沉降作用可提高攔截滯留的捕集效率。5.靜電吸附作用干空氣對非導(dǎo)體的物質(zhì)相對運動摩擦?xí)r，產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，處理過纖維和樹脂，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，這些帶電的微粒會受帶異性電荷的物體所吸引而沉降。此外，表面吸附也歸屬這個范疇，如活性炭的大部分過濾效能應(yīng)是表面吸附的作用。三、過濾介質(zhì)的類型潘康成制作（一）常用的過濾介質(zhì)1.棉花2.玻璃纖維3.超細玻璃纖維4.石棉纖維板5.活性碳6.燒結(jié)材料：燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料、聚乙烯醇（PVA）過濾濾板（二）過濾紙介質(zhì)（三）新型過濾介質(zhì)超細玻璃纖維紙微孔濾膜類介質(zhì)，孔徑0.1-0.2μm，小于細菌直徑，細菌不能通過，稱為絕對過濾介質(zhì)。我國研制的JPF型（聚偏二氟乙烯）多濾芯空氣過濾器，具有國際先進水平。各參數(shù)及結(jié)構(gòu)如圖。第三節(jié)空氣過濾除菌的工藝流程一、兩級冷卻、加熱除菌流程二、冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程三、高效前置過濾空氣除菌流程四、利用熱空氣加熱冷空氣的流程潘康成制作一、兩級冷卻、加熱除菌流程潘康成制作該流程是一個比較完善的空氣除菌流程，可適應(yīng)各種氣候條件，能充分地分離油水，使空氣達到低的相對濕度下進入過濾器，以提高過濾效率。特點：兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。尤其適用潮濕的地區(qū)，其他地區(qū)可根據(jù)當?shù)氐那闆r，對流程中的設(shè)備作適當?shù)脑鰷p。二、冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程潘康成制作壓縮空氣從貯罐出來后分成兩部分，一部分進入冷卻器，冷卻到較低溫度，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合。特點：可省去第二次冷卻后的分離設(shè)備和空氣加熱設(shè)備，流程比較簡單，利用壓縮空氣來加熱析水后的空氣，冷卻水用量少等。適用于中等含濕地區(qū)，但不適合于空氣含濕量高的地區(qū)三、高效前置過濾空氣除菌流程潘康成制作利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經(jīng)中、高效過濾后，再進入空氣壓縮機，這樣就降低了主過濾器的負荷以及空壓機的磨損。特點：采用了高效率的前置過濾設(shè)備，使空氣經(jīng)過多次過濾，因而所得的空氣無菌程度比較高，達99.99%。高效前置過濾器采用泡沫塑料（靜電除菌）和超細纖維紙串聯(lián)使用作為過濾介質(zhì)。四、利用熱空氣加熱冷空氣的流程潘康成制作利用壓縮后熱空氣和冷卻后的冷空氣進行交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對濕度。這種流程使用渦輪式空壓機或無油潤滑空壓機效果是好的，而使用普通空壓機，會引起油霧污染過濾器，這時應(yīng)安裝絲網(wǎng)分離器除去油霧，再進入過濾器。第四節(jié)空氣除菌流程設(shè)備潘康成制作（一）吸風塔（二）前置過濾器（三）空氣壓縮機（四）空氣貯罐（五）空氣冷卻器（六）氣液分離器（七）空氣加熱器（八）總過濾器（九）分過濾器（十）進發(fā)酵罐潘康成制作一、吸風塔高空采風，含塵量在1mg/m3以下，因此：高度≥10，在吸風室內(nèi)設(shè)置泡沫塑料介質(zhì)粗過濾器。潘康成制作二、前置過濾器安裝在空壓機前的粗過濾器，其作用：捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機受損，同時也可減輕總過濾器負荷。過濾器一般要求過濾效率高，阻力小，否則會增加空壓機的吸入負荷和降低空壓機的排氣量。外形像集裝箱，內(nèi)設(shè)兩道過濾介質(zhì)層，前道為粗過濾層，后道為亞高效過濾層。常用有：布袋過濾、填料式過濾、水霧除塵和油浴洗滌等。油浴洗滌除塵由于夾帶油沫過多，影響空氣質(zhì)量，現(xiàn)已不再采用。結(jié)構(gòu)如圖潘康成制作三、空氣壓縮機

往復(fù)式空氣壓縮機：靠活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)運動將空氣抽吸和壓出。缺點，有脈動壓力不穩(wěn)，有油污。渦輪式空氣壓縮機：采用電動或蒸汽渦輪機帶動，渦輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生空穴吸氣。出氣量大均勻，不夾帶油污。無需設(shè)置空氣貯罐。但安裝和保養(yǎng)技術(shù)要求較高。螺桿式空氣壓縮機：利用高速旋轉(zhuǎn)的螺桿在汽缸內(nèi)瞬時組成空腔，螺桿運動把腔內(nèi)空氣壓縮后輸出。安裝占地少，壓縮氣不含油霧，氣流平穩(wěn)。但保養(yǎng)技術(shù)要求較高。潘康成制作四、空氣貯罐貯氣罐的作用：（1）消除脈動維持罐壓的穩(wěn)定；（2）使部分顆粒物在罐內(nèi)沉降；（3）保溫滅菌。潘康成制作五、空氣冷卻器

立式列管式熱交換器：冷卻水走管內(nèi)或管外，可采用多程（2-4程）熱交換器。冷卻水流速0.5-3m/s，空氣的流速為2-15m/s。噴淋式熱交換器：空氣流速5-10m/s。沉浸式熱交換器：空氣流速5-10m/s。潘康成制作六、氣液分離器旋風分離器：對分離10μm以上的微粒效果高。絲網(wǎng)分離器：捕捉10μm以下的微粒。絲網(wǎng)20-80目。潘康成制作七、空氣加熱器對除去水霧的空氣進行加熱，降低相對濕度，使?jié)穸鹊陀?0%，使過濾介質(zhì)保持干燥。空氣的溫度控制在不超過發(fā)酵溫度的10℃。熱交換器常用的方法是列管式熱交換器，空氣走管程，蒸汽走殼程。潘康成制作八、空氣過濾器YUD-Z型微孔濾膜總過濾器（濾芯DMF）。圖：（一）總過濾器的結(jié)構(gòu)1.微孔濾膜過濾器2.深層棉花過濾器上下棉花層厚度為總過濾層的1/4-1/3，中間活性炭層為1/3-1/2，在鋪棉花層之前先在下孔板鋪上一層30-40目的金屬絲網(wǎng)和