生化工程 第二章_空气除菌
生物工程设备第二章空气除菌
三、空气预处理过程设备
（一）空气预处理的作用与原理
空气预处理的主要目的：
1．提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷。 2．去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤 器。
空气中微生物大多数依附于空气中的尘埃颗粒上。提高压缩前空气的洁 净度的主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。一般认
空气出口
过滤网
净气 滤袋 含尘气流
高压水入口
空气入口
图4-7 机械振动袋式除尘器
图4-9 水雾除尘装置
空气压缩机
为什么要用空气压缩机？
涡轮式空气压缩机
往复式空气压缩机
2、空气压缩机
分为离心式空气压缩机和往复式空气压缩机两种。 空气除菌中除去水雾油雾的原因：
否则：（1）如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤 介质的纤维
1、纤维状或颗粒状过滤介质
（1）棉花 （2）玻璃纤维 （3）活性炭 （4）烧结金属 （5）多孔陶瓷 （6）多孔塑料
2、过滤纸类介质
பைடு நூலகம்
主要是超细玻璃纤维纸。
3、微孔膜类过滤介质
上花板 纤维介质 出口
4、非织造布
（二）空气介质过滤器
活性炭颗粒 纤维介质
1．纤维状或颗粒介质过滤器
孔板→铁丝网→麻布→棉花
培养前
培养后
无菌空气：是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一
个水平，从而使污染的可能性降至极小。
根据生物产品的不同，可以按染菌概率10－3～10 －6来 表示无菌程度， 10－3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气 只允许1次染菌。
2、除菌方法
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
简述空气除菌的流程以及各步骤作用
简述空气除菌的流程以及各步骤作用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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生化工程复习资料
生化工程绪论1、 定义：生化工程是生物化学工程的简称，它是以生物技术从实验室规模扩大至生产规模为目的，以生物生产过程中带有共性的工程技术问题为核心的一门由生物科学与化学工程相结合的交叉学科。
它既是生物技术的一个重要组成部分，又是化学工程的一个分支学科。
2、 单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
在研究单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。
第一章 灭菌技术1、抑制有害微生物的措施：2、除菌的方法包括①培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法）②空气的过滤除菌③紫外线或电离辐射④化学药物灭菌第一节 培养基的灭菌一、概述：发酵工业广泛应用蒸汽加热的方法处理大量培养基1、 高温杀菌作用的种类：2、 干热灭菌法：其中的灼烧是一种最彻底的方法，但是仅用于接种针等少数对象的灭菌。
3、 湿热灭菌法：比干热灭菌法更有效。
细菌的芽孢最耐热，一般要在120℃下处理15min 才能杀死。
➢ 常压法：包括巴氏消毒法和间歇灭菌法等。
其中，巴氏消毒法是用于牛奶、啤酒、果酒和酱油等不能进行高温灭菌的液体的一种消毒方法，其主要目的是杀死其中无芽孢的病原菌（如牛奶中的结核杆菌或沙门氏菌），而又不影响它们的风味。
是一种低温消毒法，包括LTH 法和HTST 法。
4、 影响加压蒸汽灭菌效果的因素① 灭菌物体含菌量的影响。
（天然原料尤其是麸皮等植物性原料配成的培养基，一般含菌量较高，而用纯粹化学试剂配制成的组合培养基，含菌量低。
）➢ 灭菌：采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。
分杀菌和溶菌两种。
杀菌指菌体虽死，形体尚存；溶菌指菌体杀死后其细胞发生溶化、消失的现象。
➢ 消毒：采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。
➢ 高温致死原理：使微生物的蛋白质和核酸等生物大分子发生变性、破坏。
生化工程 第二章_空气除菌
好氧深层培养
空气除菌
Glu cose 丙酮酸 T CA循环，
EMP
• 在该过程中脱去了很多H，H经电子传递链， 最后被O2吸收，所以要提供氧。
空气中的微粒多为细菌，真菌、放线菌和病毒。
小的微生物附在空气中的尘埃上，灰尘的尺寸约为
0.6微米。
在工程上如何解决向培养液提供大量无菌空气
1 3
η0 10-1 10-2 η2 η1
10-3
10-4 vc
η0=η1+η2+η3
η3 v
二、深层过滤计算
Q，N
N 概念：菌体穿透率 N 0
空气灭菌的要求不同，一般按
10-3的染菌机率，进行设计计算
需要的介质层厚度L=？
Q0，N0
N 那么 与 L 的关系怎样？ N0
对数穿透定律：
N ln KL N0
深层过滤介质
一、深层过滤机理
深层过滤介质除菌的机理主要是： 纤维介质对颗粒的拦截；
颗粒的惯性冲撞；
布朗扩散
深层除菌效率
• 惯性碰撞，拦截和布朗扩散因素是深层
过滤能够除菌的主要因素，总的过滤因
素是这三种效率之和。
• η0 = η1 + η 2 + η3
1、惯性冲撞机制（ η1 ）（大颗粒）
2 x0 2 x0 2 x0 1 1 3 2(1 ) ln(1 ) (1 ) 2x 2(2.00 ln N R ) df df df 1 0 df
• 那么，2x0怎么求？它是什么值的函数呢?
2 x0 2(2.00 ln N Re ) DBM 1.12 df v df
Ｌ？
生化工程第二章教案
生化工程第二章教案生化工程第二章工业微生物概论第二章工业微生物概论第一节引言第二节工业生产中常用的微生物第三节微生物的营养需要第四节影响微生物生长发育的因素第五节微生物的培养第六节灭菌技术第七节工业微生物过程展望第一节引言一、微生物的含义二、微生物与生化工业的关系三、微生物的特点一、微生物的含义微生物（microorganism microbe)是一切微小生物的总称，它们是一些个体微小，需要借助显微镜才能看见的构造简单的低等生物。
有些是单细胞、有些是多细胞，甚至有些没有完整的细胞结构。
二、微生物与生化工业的关系三、微生物的特点1.体积小，比表面积大微生物个体及其微小，通常以微米（10-6m）或纳米（10-9m）为单位。
1500个杆菌头尾相接，只有一粒芝麻长。
每毫克的细菌数比全地球的人口总数还要多。
比表面积（单位体积所占有的表面积）大。
大肠杆菌的比表面积高达30万。
优势：有利于与周围环境进行物质、能量和信息交换。
2.种类多、分布广种类多：10万种以上！不同种类的微生物代谢方式不同，能分解各种有机物和无机物，产生不同的代谢产物，为其在生化工业生产的应用拓展了极大的空间。
如：不少细菌和放线菌能固氮；很多异养微生物能分解利用复杂的有机物甚者有毒物质（纤维素、木质素、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物等）；不同微生物在生化过程中累积的代谢产物不同，工业生产中常用来获得各种发酵产品。
分布广：自然界中处处都有微生物，上至天空下至深海。
土壤是各种微生物的大本营。
人的肠道也是微生物聚居的场所（100-400种，总数可达100万亿）。
由于微生物分布广，取材方便，有利于工业生产的应用，为人类的生活服务。
3.生长旺、繁殖快微生物具有极高的繁殖速度大肠杆菌在37℃，20min分裂一次，48h后可产生2.2×1043个后代，总质量可达2.2×1025t，相当于4000个地球之重！某些微生物代时及每天增值率微生物的这一特点在生化工业中有着重要的意义：发酵周期短，生产效率高如：单罐发酵生产酿酒酵母，12h即可收获一次，每年可以收获数百次，这是其他任何农作物不能达到的复种指数。
空气过滤除菌
（二）空气过滤除菌
3. 影响介质过滤效率的因素 实践证明空气过滤器的过滤除菌效率主要与空 气中微粒的大小，过滤介质的种类、纤维直径 、介质的填充密度、滤层厚度和通过的气流速 度等因素有关。由于介质的理化性质、填充方 法、厚度及空气流速等不同，其过滤效率有较 大差异。
（三）空气预处理
无菌空气制备的整个过程包括两部分：一是对进入空 气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空气状态（ 温度、湿度），二是对空气进行过滤处理，以除去微 生物颗粒，满足生物细胞培养需要。习惯上把空气净 化系统流程中过滤器以前的部分称为空气预处理过程 。 空气预处理净化的目的是：提高压缩前空气的洁净度 ，降低空气过滤器的负荷；对压缩后的空气进行冷却 、油水分离和加热减湿，去除压缩后空气中所带的油 水，以合适的空气湿度和温度（6）一次冷却和析水的空气预处理流程
（五）空气过滤介质
1. 纤维状或颗粒状过滤介质 2. 过滤纸类介质 3. 新型过滤介质
（六）提高过滤除菌效率的措施
1. 减少进口空气的含菌量。 2. 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的 过滤介质。 3. 针对不同地区，设计合理的空气预处理设备，达到 除水、除油、除杂质的目的。 4. 降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤 介质能在干燥状态下工作。 5. 稳定压缩空气的压力，采用合适容量的贮气罐。
绝对过滤具有易于控制过滤后空气的质量节约能量和时间操作简便等优点二空气过滤除菌2深层介质过滤深层介质过滤是以棉花玻璃纤维尼龙等纤维类或活性炭作为介质填充成一定厚度的过滤层或者将玻璃纤维等制成过滤层其介质间的空隙大于被滤除的尘埃和微生物当空气流过这种介质过滤层时借助惯性碰撞阻截静电吸附扩散等作用可将空气中所含的尘埃和微生物截留在介质内从而达到过滤除菌目的的方图49单纤维介质过滤除菌时各种除菌机理示意二空气过滤除菌除菌机理
生化工程
1、什么是细胞的比耗氧速率，什么是摄氧率，二者的关系如何？ 答：细胞的比耗氧速率(QO2)：单位重量的细胞在单位时间内耗氧的量
摄氧率：不同微生物的临界溶氧浓度不同，单位体积培养液在单位时间内消耗氧量称为摄氧率.
2、什么是临界溶氧浓度？如何测定？是否所有的好氧培养过程都必需控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上？ 答： 临界溶氧浓度指不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。 当不存在其它限制性基质时，如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持不变，如果溶氧浓度低于临界
答：其圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴部叶片空隙中上升。其很密的剪切速率保证了气泡更好
地分散，有利于气液间的传质。还具有很大的循环输送量和功率输出。适用于液-固-气三相液体的搅拌混合，包括
黏性流体及非牛顿流体。
11、不通气和通气条件下培养罐的搅拌器轴功率的计算方法。
p0
答：不通气时 N 3D5
K
D 5 N
m
其中，
P0-不通气时搅拌器输入液体的功率，W
p-液体密度；u-液体粘度；D-
涡轮直径；N-涡轮转速。搅拌轴功率 P0 N P N 3D5 (W )
Pg
通气时：
C
P02 ND3 Q 0.56
0.45
Pg、Po—通气与不通气时搅拌器的功率。
N—搅拌器转速。D-搅拌器直径。Q-通气流量。
态和浓度。 彬汉塑性流体τ= τy+μpdω/dγ τy 屈服剪应力，μp 刚性粘度，为常数 其相邻两层流体间的剪应力如果不大于屈服剪应力，液体层间的剪切速率为 0，也就是说不会产生相对流动。
但当剪应力大于屈服剪应力，其和牛顿型流体具有相同的流变特性，其黏度与剪切速率无关。 膨胀性流体 τ= K（dω/dγ）n ，n＞1 其黏度随剪切速率的增大而升高。主要特征是它的粘度μ随流体间剪应速率的增加而增大。 表观粘度：是指在一定速度梯度下，用流速梯度除以相应的切力所得的商。它只是对流动性好坏作一个相对的 大致比较。真正的黏度应当是不可逆的粘性流动的一部分，而表观黏度还包括了可逆的高弹性变形那一部分，所以 表观黏度一般小于真正黏度。 表观粘度又可以分为剪切黏度和拉伸黏度。 13、非牛顿型流体的搅拌功率如何计算？ 答：拟塑性流体的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑性流体的表观粘度随切变率的增大而增大。 在同一搅拌转速下，培养液中的 dω/dγ随着径向离开搅拌涡轮的距离，按指数倍数降低。 粘度是温度的函数，即μ=K ea/T 在搅拌罐中，罐内非牛顿流体的平均切变率与搅拌速度成正比，即（dω/dγ）平=k N，k=11.5（二档涡轮搅拌） μa=τ/(dω/dγ) =K(dω/dγ)n-1 非牛顿型流体搅拌轴功率的计算可以采用牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法。 但非牛顿型流体的黏度是随搅拌器转速而变化的，因而必须先知道黏度与搅拌器转速的关系，进而计算不同转速时 的 ReM，然后才能根据实验资料绘制其 NP- ReM 图线。 拟塑性流体的搅拌功率的计算 计算程序： （1）确定发酵罐的尺寸及搅拌转速 N （2）将 N 代入（dω/dγ）平=11.5N，计算（dω/dγ）平 （3）用粘度计测定特定温度下，菌体生长最旺盛时的液体流变特性曲线；计算参数 K 和 n。 （4）根据算出的（dω/dγ）平查得既定转速 N 时的表观粘度。 （5）计算 ReM。 （6）计算 Np：在几何相似的小罐里，绘制出 Np--ReM 曲线；若 ReM＞300，可以用牛顿型流体的 Np--ReM 曲线代 替拟塑性流体的 Np--ReM 曲线。 （7）对几何相似的大罐，计算 P0。 （8）再计算 Pg。 9、什么是体积溶氧速率？ 答： 10、动态法测量 Kla 的原理和方法。 答： kLa 是衡量反应罐传氧速率大小的指标。常用的测定方法有： 亚硫酸钠氧化法：这种方法用于在非培养情况测定反应器的氧传递系数，原理： 在反应器中使用 Cu2+或 Co2+ 为催化剂，溶解在水中的氧能立即将水中的 SO32-的氧化为 SO42，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度非常快，反 应速度在很大范围内（0.93mol/L-0.035mol/L）与 Na2SO3 的浓度无关，氧一溶解，马上就反应。剩余的 Na2SO3 与 过量的碘作用。 剩余的碘用标定的 Na2S2O3 标定，标准 Na2S2O3 溶液的用量取决于溶解氧的量。 溶解氧电极法：原理：把溶氧浓度变成电流信号。 把两个电极电位不同的金属棒放在电解液中，EAg>EPb Ag 极得电子，Pb 极失电子 Pb→Pb++2e 这是瞬时电流，如果不及时移走或消耗掉电子，电流表中的电流就会消失， 因 Pb 电极和 Ag 电极达到相同的电极电位了。如果把氧通入，O2 能消耗电子。 氧的物料衡算法等。 轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的转速旋转时用以克服介质的阻力所需用的功率。 原生质体融合：脱壁植物细胞（或细菌细胞）通过物理、化学等因子的诱导，两个原生质体合并在一起形成融合细 胞的过程。 诱变育种流程：出发菌株的选择；处理菌悬液的制备；诱变处理；中间培养；分离和筛选
第二章+空气灭菌
高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程
• 特点 ：两次冷却、两次分油水、适当加热。 • 空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至2
0～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升 高，相对湿度下降。
利用热空气加热冷空气的流程 适用范围：空气湿含量中等地区
冷热空气直接混合式空气除菌流程
• 当气流达到一定速度时，它是介质过滤除 尘的主要作用。
• 惯性冲撞机制(η1)（大颗粒） 气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯
性，当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直 运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进， 微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便 冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。
• η1 0.075 2
• 细菌的质量小，紧随空气流的流线前进，当空气流线 中所携带的颗粒和纤维接触时被捕集。
• 截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微粒的直径，和 气流速度关系不大。
η2=
2(2.00
1 ln
N
Re)
2(1
N
R
)
ln(1
N
R
)
(1
N
R）
1
1 N
R
dp NR= df
NRe = df uρ/μ 气流雷诺数
空气预处理流程
旋风分离器
丝网除雾器
空气过滤器
空气过滤器
注意提高空气压缩前空气的洁净度
• 主要措施： • 提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过
滤。 • 20-30米高空采风； • 在吸气口处设置空气粗过滤器：常用布袋过滤
器。
空气的预处理 2、空气压缩、冷却、加热过程中状态参数的变化
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10-1
• 此 时 的 空 气 流 速 叫 临10-2
界流速vc
10-3
vc
1.125
c
df Pd
2 p
10-4
vc
v
2、阻截（截留）机制（η2） （小颗粒）
• 截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微粒的直
径，和气流速度关系不大。 s dp 颗粒被截留
2
2
1 2(2.00 ln
N
Re)
2(1
高空20-30m
空气的预处理
旋风分离器
丝网除雾器
空气过滤器
空气过滤器
注意提高空气压缩前空气的洁净度
• 提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前 过滤；
• 20-30米高空采风； • 在吸气口处设置空气粗过滤器：常用布袋过滤器。典型空气除菌流程
两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
• 流程的特点是：两次冷却，两次分离，
NR
)
ln(1
NR
)
(1
NR）
1 1 NR
其 中NR
dp df
N Re
dfu
3、布朗扩散机制
碰撞:微小的颗粒之间，颗粒与空气分子之间。 碰撞→布朗运动→与纤维介质相撞→被捕集。
纤维直径越小，气流速度越小，扩散捕集效率 越高，反之则小。
设颗粒位置移动为2x0，那么在2x0范围内都可以 碰撞到纤维，用2x0代替阻截效率η2计算式中的dp 。
第三章
好氧深层培养
空气除菌
Glu cos e E MP丙酮酸 TCA循环，
• 在该过程中脱去了很多H，H经电子传递链， 最后被O2吸收，所以要提供氧。
空气中的微粒多为细菌，真菌、放线菌和病毒。 小的微生物附在空气中的尘埃上，灰尘的尺寸约为 0.6微米。
在工程上如何解决向培养液提供大量无菌空气 的问题？
η0=η1+η2+η3
10-4
η3
vc
v
二、深层过滤计算
Q，N
N
概念：菌体穿透率 N 0
空气灭菌的要求不同，一般按
10-3的染菌机率，进行设计计算
需要的介质层厚度L=？
Q0，N0
N 那么 N 0 与 L 的关系怎样？
对数穿透定律： ln N KL
N0
Ｌ？
• Ｋ和纤维捕集效率η０有关系： K 40 (1 4.5 ) df (1 )
• 气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性， 当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动 时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒 由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向 纤维表面，并滞留在纤维表面。
1 0.075 2
C
P
d
2 p
v
18df
η1
• 操作参数是v，η1随v的 增大而增大。
• 当φ=1/16，η1=0
该式为经验公式。α：填充率，０< α <1
0 越大，Ｋ越大，Ｌ越小
其它空气灭菌方法
• 1 加热灭菌 • 2 辐射杀菌 • 3 化学灭菌 • 3 静电除菌
作业
• 1、 绝对过滤介质和深层过滤介质。 • 2、说明深层过滤除菌过程中主要的过滤
机理。
适当加热。适用于高湿地区
140℃， =100%
35℃， =100%
25℃， =100%
30～35℃， =50-60%
空气过滤设计
• 过滤介质，按孔径大小分为二类： • 1) 绝对过滤介质：
绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子， 当空气通过时微生物被阻留在介质的一 侧。 • 2) 深层过滤介质：
深层过滤介质的截面孔隙大于微生物， 为了达到所需的除菌效果，介质必须有 一定的厚度，因此称为深层过滤介质。
3
1 2(2.00 ln
NR)
2(1
2 x0 df
) ln(1
2 x0 df
) (1
2 x0 df
)
1
1 2x0 df
• 那么，2x0怎么求？它是什么值的函数呢?
1
2x0 df
1.12
2(2.00 ln NRe ) DBM v df
3
η0
10-1
η1
10-2
η2
10-3
深层过滤介质
一、深层过滤机理
深层过滤介质除菌的机理主要是： 纤维介质对颗粒的拦截； 颗粒的惯性冲撞； 布朗扩散
深层除菌效率 • 惯性碰撞，拦截和布朗扩散因素是深层
过滤能够除菌的主要因素，总的过滤因 素是这三种效率之和。
• η0 = η1 + η2 + η3
1、惯性冲撞机制（ η1 ）（大颗粒）