空气除菌
5、3空气中的微生物与除菌方法
在微生物的产品
（包括初级代谢产物和
次级代谢产物）生产中，
好氧微生物的使用占很
大比例，需要源源不断
地提供所需氧气，以保
证发酵的顺利进行。因
此，无菌空气的获得至
关重要
1、空气中的微生物
空气是一种气态混合物，除含有氧气和氮气外，还含有惰性气体、二氧化碳、水蒸气和灰尘等，同时也含有大量的微生物。空气中微生物的含量和种类与地区、离地面高低、季节、空气中尘埃多少人类的活动程度密切相关。
一般而言，北方比南方含菌量少；离地面越高，含菌量越少；农村比城市含菌量少；雨天比晴天含菌量少。实际上，空气中并不含有微生物生长所必需的营养物、充足的水分等，且由于太阳光紫外线的存在，更不利于微生物的生存。因此，微生物多附着在尘埃和雾沫上，且以细菌芽孢和霉菌孢子为主，也有一定量的酵母、放线菌和噬菌体。
2、空气除菌方法
不同菌种的生长能力的强弱、生长速率的快慢、培养周期
的长短及所需培养基的组成各不相同。因此，空气的灭菌情况应视具体情况而定，但仍以小于0.001染菌概率作为空气灭菌
彻底的标准，即1000次培养中允许1次由于空中灭菌不彻底而导致染菌。
适用于发酵中大量空气灭菌和除菌的方法常有三种：加热灭菌、静电除菌、过滤除菌。
?（1）较热灭菌空气进入培养系统前，一般均需用压缩机，提高压力，此时空气的温度可达200°C以上，若能保持一定
时间，可是微生物体内的蛋白质发生变性，从而实现杀菌的目的。
?（2）静电除菌静电除菌是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。当含有灰尘和微生物的空气通过高压直流电场时，由于正极电场强度在1千伏每厘米以上，使空气
分子电离为带正电荷和带负电荷的空气离子，分向两极运动。运动过程中使灰尘和微生物等带上电荷向两极运动。由于电离主要发生在负极周围，因此负离子的移动要比正离子长，且负离子的运动速率比正离子大，使大部分微粒带电荷而向正极沉降，因此正极称为沉降电极，负极称为电晕电极。吸附于正极上的颗粒、油滴、水滴等需定期清洁，以保证除尘效率和除尘器的绝缘程度。
?（3）过滤除菌过滤除菌是让含菌空气通过无菌过
滤介质，以除去空气中所含有的微生物，达到无菌的目的。它是目前广泛用来获得大量无菌空气的常规方法。 优点：是在除菌的同时还可使空气有足够的压力和适
宜的温度。
缺点：是无法去除空气中所含的噬菌体。
按照除菌机制的不同，过滤器除菌分两种：绝对过滤器和介质过滤除菌。
绝对过滤指的是空气中的微生物大于介质之间的空隙，当空气通过过滤介质时，空气中的微生物被过滤介质阻拦，从而达到无菌的目的，它一般多在小型发酵罐中使用。
介质过滤除菌是指利用孔径较大的过滤介质截留微生物。截留因素有多种，只要有惯性冲击作用、拦截滞留作用、布朗扩散作用、重力沉降作用和静电吸引作用。
<二>介质过滤除菌
介质过滤是将空气通过棉花、玻璃纤维、
尼龙等纤维类成分或活性炭等其他材料作介质组成的过滤层，当微粒随气流通过过滤器层时，过滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次改变运动速率和运动方向，绕过纤维等介质而前进，而灰尘和微生物因碰撞、阻截、吸附、扩散等作用被截留在截止层内，达到除菌的目的。
1、惯性冲击作用
当空气高速通过过滤介质时，气流碰到纤维而受阻，迫使空气不断改变运动方向才能绕过纤维，同时运动速率下降。空气中微生物等颗粒随空气按一定速率运动，当碰到纤维等过滤介质时，在惯性作用下，离开气流，滞留于纤维表面，从而达到除尘和除菌的目的。空气的流速在惯性冲击作用中起关键作用，当空气流速低于某一数值时，微生物等颗粒不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕获效率显著下降，此时的流速称为临界速率。
3、布朗扩散作用
直径小于1㎜的微粒在低速运动的气流中
可产生布朗运动，把较小的微粒凝聚为较大微粒，质量和体积均显著增大，增加了与介质接触的机会，同时在重力作用下沉降与介质表面。
2、拦截滞留作用
随着气流速率继续降低，纤维对威力的捕获效率又发生回生，此时拦截滞留作用起主要作用。当气流以低于临界流速的速率慢慢靠近纤维等介质时，在纤维周围便形成一层边界滞留区群气流速率进一步降低，区内气流速率进一步降低。由于微粒质量很小，在随气流运动是慢慢靠近纤维等介质，在摩擦、黏附等作用下，被滞留于过滤介质表面。拦截滞留作用在空气除菌中并非主要作用。
4、重力沉降作用
任何在质量的物体在地球表面均有一定重力作用。当重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会发生沉降。但这种情况在实际在生产中不常发生，因此，重力沉降在空气除菌中起的作用非常微弱。
5、静电吸引
当空气一定流速通过过滤介质是，由于摩擦作用，会产生诱导电荷。空气中的微生物表面也携带不同程度的电荷。如果微粒所带电荷与过滤介质所带电荷相反，则易于被吸附在介质表面。
随着流速等参数的变化，在介质过滤除菌中，很难分辨是上述各种因素中哪一种起主导作用。一般认为，当气流速率小时，惯性碰撞作用不明显，以重力沉降和布朗扩散作用为主；气流速率大于临界速率时，以惯性冲击作用为主。
<三> 、空气过滤器类型
由于被过滤空气需要以一定速率通过过滤介质，因此，不易被有水污染，除菌效率高，阻力小，成本低，易更换。因此，用于空气过滤的介质主要有两大类：
一是以纤维状物（如棉花、玻璃纤维、腈纶、维尼纶等）或颗粒状物（主要是活性炭）为介质所构成的过滤器。
二是以微孔滤纸、纸板、滤棒构成的过滤器。
1、纤维状或颗粒状介质过滤器
（1）棉花活性碳过滤器
棉花活性碳过滤器是将棉花、
玻璃纤维、活性炭或矿渣棉等过滤介质
按一定顺序置于上、下孔板间压紧而形
成。一般棉花置于上、下层，活性炭在
中间，也可全部用纤维状介质充填而成。
介质充填时应均匀、平整、贴壁，有一
定厚度和密度，以防变形。
优点是吸油水能力强，一般作为空气
总过滤器使用
缺点是使用时体积较大，不易更换，
压降较大。
（2）平板式超细纤维过滤器
平板式超细纤维过滤器以直径
1~1.5μm的玻璃纤维为过滤介质，用造纸方法制成的厚度为0.25㎜左右的纤维滤纸，3~6层叠在一起，两面用麻布和细铜丝网保护，同时垫以橡皮圈，在
用法兰盘拧紧，以保证过滤器的严密度。
优点是占用地方少，装卸方便，除菌效率高，阻力小，压力将小。
缺点是过滤介质机械强度差，易破损。
平板式超细纤维过滤器多在旋风
式过滤器中使用，一般用作分过滤器。
2、微孔滤纸或滤棒构成的过滤器
（1）套管式过滤器
这种过滤器采用带过滤介质与旋风式一样，
为薇子滤纸，但因其卷装在孔管上，过滤面积
大大增加。但卷装滤纸时要防止空气从滤纸缝
走短路，这种过滤器的安装和检查比较困难。
（2）微孔滤膜过滤器
以超细玻璃纤维（0.5μm）为介质，制
成1㎜以上厚度即可完全滤除细菌和噬菌体。
在此基础上研制而成的四氟乙烯薄膜滤材和玻
璃纤维浸渍四氟乙烯滤材，不仅增加过滤面积，
在流量、压降方面损失也很少，还具有可折叠
功能。
Bio-X空气过滤器：采用直径0.5μm的玻璃纤维制成1㎜厚的滤材，卷成圈，形成过滤层，被两层粗玻璃纤维无纺布和两层不锈钢冲孔钢包成三明治结构的圆筒形滤芯，底物采用O形密封圈。可捕获空气中的细菌和噬菌体。
优点：是纤维仅占滤材的6%体积，留有94%的过滤空间，是一种大流量、低压降的薄膜过滤器。
?高通量空气过滤器：它是以聚四氟乙烯（PTFE）材料为滤芯的高通量过滤器，孔径在0.1~0.45μm左右。其过滤机理和过滤效率均同Bio-X过滤器，只是PTFE还可做成折叠滤芯，在增加过滤面积的同时减小了体积。
?聚乙烯醇（PVA）过滤器：它是一句特殊多孔型结构和耐热性能的聚乙烯醇海绵状物质为介质加工而成的圆筒形和圆板型过滤器。其孔隙为
10~20μm，过滤效率可达99.9999%，0.015MPa。
<四>空气过滤流程
空气净化处理的目的是除菌，但目前所采用的过滤介质必须在干燥条件下工作，才能保证除菌的效率。因此，空气需要预处理，以除去油、水和较大颗粒。除了保证除菌目的，还应选择合适的流程以提高除菌效率。
空气过滤除菌有多种工艺流程，以下三种较常见。
1、两级冷却、加热除菌流程
这种工艺上比较成熟的一套空气净化系统，常为发酵生产使用，可适应各种气候条件，具体工艺流程
将高空采集的气体，经粗过滤器处较大颗粒等杂质后，经空气压缩后使空气温度升高到120~150°C，再经两级空气冷却器降温，经两级油水分离器出去空气中的油和水，再加热至一定温度后进入空气过滤器进行除菌，最后获得无菌程度高，温度、压力和流量均符合生产要求的无菌空气。
高空采气的目的是提高空气的清洁度，尽量减少空气中夹带的微生物等颗粒的绝对数量。一般而言，吸气口每提高3.05米，微生物数量会减少一个数量级。考虑到成本、使用等因素，吸气口一般距地面5~10
米为宜。两级冷却、两级油水分离的好处是能提高传热系数，节约冷却水用量，油水分离比较彻底。经第一级冷却后，空气温度降至30~35°C。大部分油和
水都已经结成体积较大、浓度较高的雾滴，经旋风分离器后可有效去除。经第二级冷却后，温度降至
20~25°C，使剩余的油和水形成较小的雾滴，经丝
网分离器完全去除。除去油污、水滴的空气相对湿度仍为100%，进入过滤器之前尚需加热，降低空气相
对湿度，保证过滤介质不致受潮失效，提高除菌效率。