第三章_空气除菌
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生化工程第三章 空气除菌
计算题
1.试设计一台通风量为10m3/min 的棉花纤维过 滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数 为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。滤层
选用df=16μm ,气速Vs=0.1m/s，填充系数α =8%。 求：过滤效率η及滤层厚度L
解： 1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100) =3.33×10-12 η=1-P=1-3.33×10-12 2) 表查得K=0.31cm-1, L＝－ln（Ns/ N0）/K
C. 扩散捕获效率：
3
1 [2(1 2X 0 /df)ln(1 2X 0 /df ) - (1 2X 0 /df) 1/(1 2X 0 /df)] 2(2.00 ln N Re )
其中：2X0/df＝[1.12×2(2-lnRe)DB /V df ]1/3
DB（微粒的扩散率）=CKT/3πμdp C－滑动系数； K－波耳兹曼常数，1.41×10－24kg.m/k； T－绝对温度(k)
当过滤效率为90％（穿透率为10 % ）时：
K＝ - lnP/L90＝-ln10% /L90＝2.303/ L90
直径16μ m的玻璃纤维的L90值 空气流速（m/s） 0.03 L90（cm） 4.05 0.15 8.50 0.30 1.52 3.05 0.38
11.70 1.53
1 2(2.00 ln N Re )
3. 过滤除菌设备（过滤除菌）
1）深层纤维介质（棉花、活性炭、 玻璃纤维）过滤器： 填充物顺序：孔板－铁丝网－ 麻布－棉花－麻布－活性炭－ 麻布－棉花－麻布－铁丝网－ 孔板
2) 平板式纤维纸过滤 器 （flat fiber paper filter）：
第三章_空气除菌
(3)、空气压缩机 作用：提供动力。 类型：往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。 空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压
机的特点合理选用。
为保证连续供气，一般不提倡单台空压机。
(4)、空气贮罐 作用: 消除压缩空气的脉动.
这对往复式空压机尤为重要。涡轮式或螺杆式空压机，
由于排气是均匀而连续的，则贮罐可省去。
1.4
介质过滤除菌
1.概念：介质过滤除菌是使空气通过经无菌介质过滤层， 将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌 目的。 2.介质过滤除菌的分类：根据介质间的孔隙分类。
常规介质过滤：是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一 定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为常规介质 过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成 纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）； 绝对过滤：介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通 过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称 之为绝对过滤。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多 ，它可以除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部过滤除 去。
1 6 化学药剂灭菌法
ห้องสมุดไป่ตู้
某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。 化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器 具的灭菌等。 化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡 、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
二、 空气预处理 空气净化系统流程图见图5—11。 习惯上把这一流程中过滤器以前的部分称为空气预处 理。主要包括采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮罐、
1. 2 加热灭菌法
第三章 空气除菌
发酵用的无菌空气需要达到得标准：
①、连续提供一定流量的压缩空气。VVM一般为0.1～2.0 m3 。 ②、空气的压强(表压)为0.2～0.4 MPa。
③、进入过滤器之前，空气的相对湿度￠≤70％。
④、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10—30℃。 ⑤、压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为 10-3为指标。
第三章 空气过滤除菌
第一节 概 述
空气中常见微生物种类及大小 微生物 产气杆菌 蜡状芽孢杆菌 普通变形杆菌 地衣芽孢杆菌 宽/μm 1.0～1.5 1.3～2.0 0.5～1.0 0.5～0.7 长/μm 1.0～2.5 8.1～25.8 1.0～3.0 1.8～3.3
巨大芽孢杆菌
蕈状芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 金黄色小球菌 酵母菌 病毒 霉状分枝杆菌
列管式换热器的传热系数一般为160W／(m2· ℃)，套管
加热器的传热系数约为90W／(m2· ℃)。
由于压缩空气总管道直径都较大，因此可以把空气 加热器与空气总管道直接连接，安装在架空管架上。 加热器的安装位置应靠近空气总过滤器，其出口管 道应采取保温措施。
例5.5 上海地区7、8月份空气的相对湿度为84％，温度32℃。 空压机出口气压为 0.2 MPa(表压)，总排气量为50m3／ rain(20℃，1 atm)。求: ①、空压机出口处的空气温度相对湿度； ②、若将空气冷却到25℃，问有多少水析出?冷却器的热交 换量为多少? ③、如空气进入旋风分离器的速度为15 m/s，请设计旋风分 离器的直径； ④、若采用标准型丝网，k＝0.107，求丝网除沫器的直径；
热面积：
Q m3 A= KD t m
5-39
如考虑到热损失，选用换热器时，可将换热面积 放大15％～20％。
3第三章-灭菌
SO~做好灭菌工作非常重要。
第一节 灭菌的原理和方法
一、常用的灭菌方法 1 化学物质灭菌 内容：苯酚、高锰酸钾、新洁尔灭、过氧乙酸、
漂白粉等化学药剂易于微生物细胞中的某些成分 发生化学反应，使蛋白质变性、酶类失活、细胞 膜透性发生改变等，导致微生物死亡。 特点：化学物质灭菌法比较适于生产环境或小型 器具的灭菌，可采用浸泡、添加、擦拭、喷洒、 气态熏蒸等方式进行。可用于无法用加热方法灭 菌的物品。 注意：由于培养基中蛋白质等营养物质也容易与 上述化学药剂发生反应，且药物加入培养基后很 难去除，因此化学物质不适于培养基的灭菌。
待灭菌的培养基原料介待灭菌的培养基原料介质用泵打入喷射加热器质用泵打入喷射加热器加热蒸汽以较高的速度加热蒸汽以较高的速度从喷嘴喷出借高速流体从喷嘴喷出借高速流体的抽吸作用与培养基的抽吸作用与培养基直接混合加热升温至预定灭直接混合加热升温至预定灭菌温度菌温度140140后进后进入管式维持器保温一段时间入管式维持器保温一段时间23min23min进行灭菌
相对热阻 1.0
3 000 000 2~10 1~5
如上图示，细菌芽孢较其他类型的微生物对湿热的 热阻大得多。因此，在设计灭菌操作时常以能否杀 死热阻大的细菌芽孢为指标，只有杀死了芽孢，才 可认为是彻底灭菌。
UV指紫外线灭菌
2 微生物的热死规律
热死：微生物的热死是指微生物受热失 活。
研究表明，在一定温度下微生物的热死 遵循分子反应速度理论。在微生物受热 失活的过程中，微生物不断地被杀死， 活菌数不断减少，其死亡速率与任何瞬 间残存的活菌数成正比。这就是“对数 残留定律”，可用下式表示：
4①--B热空气灭菌
内容：利用干热空气在一定设备内对各种 用具、物品进行杀菌。160~170℃ 1~1.5h （电热干燥箱）
第一节 灭菌的原理和方法
一、常用的灭菌方法 1 化学物质灭菌 内容：苯酚、高锰酸钾、新洁尔灭、过氧乙酸、
漂白粉等化学药剂易于微生物细胞中的某些成分 发生化学反应，使蛋白质变性、酶类失活、细胞 膜透性发生改变等，导致微生物死亡。 特点：化学物质灭菌法比较适于生产环境或小型 器具的灭菌，可采用浸泡、添加、擦拭、喷洒、 气态熏蒸等方式进行。可用于无法用加热方法灭 菌的物品。 注意：由于培养基中蛋白质等营养物质也容易与 上述化学药剂发生反应，且药物加入培养基后很 难去除，因此化学物质不适于培养基的灭菌。
待灭菌的培养基原料介待灭菌的培养基原料介质用泵打入喷射加热器质用泵打入喷射加热器加热蒸汽以较高的速度加热蒸汽以较高的速度从喷嘴喷出借高速流体从喷嘴喷出借高速流体的抽吸作用与培养基的抽吸作用与培养基直接混合加热升温至预定灭直接混合加热升温至预定灭菌温度菌温度140140后进后进入管式维持器保温一段时间入管式维持器保温一段时间23min23min进行灭菌
相对热阻 1.0
3 000 000 2~10 1~5
如上图示，细菌芽孢较其他类型的微生物对湿热的 热阻大得多。因此，在设计灭菌操作时常以能否杀 死热阻大的细菌芽孢为指标，只有杀死了芽孢，才 可认为是彻底灭菌。
UV指紫外线灭菌
2 微生物的热死规律
热死：微生物的热死是指微生物受热失 活。
研究表明，在一定温度下微生物的热死 遵循分子反应速度理论。在微生物受热 失活的过程中，微生物不断地被杀死， 活菌数不断减少，其死亡速率与任何瞬 间残存的活菌数成正比。这就是“对数 残留定律”，可用下式表示：
4①--B热空气灭菌
内容：利用干热空气在一定设备内对各种 用具、物品进行杀菌。160~170℃ 1~1.5h （电热干燥箱）
第三节 空气的除菌流程
三.空气过滤原理与计算
5、静电吸附作用 原理：
悬浮在气流中的颗粒大多带有不同的电荷，在随 气流的运动过程中，这些带电颗粒受到带异性电荷 的介质吸引，而被黏附下来。
单纤维的捕集颗粒的总效率η： η＝η1＋ η2＋ η3
三.空气过滤原理与计算 除菌效果随气速的变化规律
3-5
图3-5揭示了惯性冲击、拦截及布朗扩散三因 素对除菌的综合效果，除菌效果随气速的变化出 现一个最低点.
• 粗过滤器：除去空气中较大的尘埃颗粒 • 冷却：将压缩后的高温空气降温，以免影响过滤性能 • 除油除水：保护空气过滤器，保障过滤性能。
一 空气的预处理过程
（三）压缩过程中温度的变化
在绝热压缩过程中，气体受压缩后的温度与被
压缩的程度有关：
k −1
T2
=
⎛ T1⎜
P2
⎟⎞
k
⎝ P1 ⎠
T1、T2 ：空气受压缩前后的绝对温度，(K)
将90％的微粒过滤除去，只需很薄的滤层。
L90越小，K越大，表示介质的过滤性能越好。在实际生
产中，常用L90代表各种过滤介质的性能。
三.空气过滤原理与计算
空气过滤器的计算：
培养罐内装培养液体积为20m3，通气量为10m3/min，培 养时间为100hr，过滤介质用直径为16µm的玻璃纤维，气 流速度为1.5m/s，已知每m3空气含有200个杂菌，过滤常数 K=0.667cm-1。计算过滤器的尺寸。
进入滤层的微粒数N0与穿透滤层的微粒数N的
比值的对数，是滤层厚度 L的函数。
三.空气过滤原理与计算
K’（K）—— 过滤常数
与纤维种类、直径、填充密度、气流速度有 关，一般选择特定的实验条件，以实验方法求 得。
第三章 空气除菌设备
这样，压缩机的耐热性能要提高，零部 件采用耐热材料加工。
3、静电除菌
除尘效果在85%-99%间，空气压头损失 小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除 尘效率较低。
工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而 达到除菌除尘目的。
装置分电离区和捕集区：
电离区：放电线接上10KV的直流电压，形 成电位梯度很强的不均匀电场。
捕集区：高压电极板上加5KV的直流电压， 形成均匀电场，带正电粒子向负极板移动。
4、过滤除菌
采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空 气所含的微生物，而取得无菌空气。 过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。
深层过滤：过滤介质材料的直径及所形 成的网格大于微粒的直径，过滤机理比较 复杂；所用的介质材料有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、有机合成纤维。
绝对过滤：过滤介质材料的直径及网格 小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介 质上。所用介质有：烧结材料和微孔滤膜。
二 深层过滤除菌机理
微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形 成的网格阻碍气流直线前进，使气流出现 无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤 维前进，引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸 附等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从 排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由 顶盖排出。
过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶 圈密封。
过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5 V—空气体积流量（m3/s） VS—空气流速（m/s）
3、管式过滤器： 当设备直径相同时，管式过滤器比平板
式过滤器的过滤面积大得多。
特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占 地面积小。
第二节 过滤除菌流程
一 空气除菌流程的要求
空气除菌流程是根据生产对无菌空气的 要求，当地环境的空气条件，除菌设备的 特性决定的。
3、静电除菌
除尘效果在85%-99%间，空气压头损失 小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除 尘效率较低。
工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而 达到除菌除尘目的。
装置分电离区和捕集区：
电离区：放电线接上10KV的直流电压，形 成电位梯度很强的不均匀电场。
捕集区：高压电极板上加5KV的直流电压， 形成均匀电场，带正电粒子向负极板移动。
4、过滤除菌
采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空 气所含的微生物，而取得无菌空气。 过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。
深层过滤：过滤介质材料的直径及所形 成的网格大于微粒的直径，过滤机理比较 复杂；所用的介质材料有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、有机合成纤维。
绝对过滤：过滤介质材料的直径及网格 小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介 质上。所用介质有：烧结材料和微孔滤膜。
二 深层过滤除菌机理
微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形 成的网格阻碍气流直线前进，使气流出现 无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤 维前进，引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸 附等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从 排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由 顶盖排出。
过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶 圈密封。
过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5 V—空气体积流量（m3/s） VS—空气流速（m/s）
3、管式过滤器： 当设备直径相同时，管式过滤器比平板
式过滤器的过滤面积大得多。
特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占 地面积小。
第二节 过滤除菌流程
一 空气除菌流程的要求
空气除菌流程是根据生产对无菌空气的 要求，当地环境的空气条件，除菌设备的 特性决定的。
发酵工程教学课件《空气除菌》
普通变性杆菌 金黄小球菌 酵母菌
病素 霉状分枝杆菌
0.5-1.0 0.5-1.0 3.0-5.0
0.0015-0.225 0.6-1.6
1.0-3.0 0.5-1.0 5.0-19.0
0.0015-0.28 1.6-13.6
空气除菌的方法
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的染菌概率作为空气 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 大量空气灭菌何处军的方法常有三种：加热灭 菌、静电除菌、过滤除菌。
12
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
这是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，具体工艺流程如下图： 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。
空气的除菌流程
启空气净化器。
空气净化器的维护与保养
清洁机身
定期用软布擦拭机身，保持清洁 。
检查电源线
定期检查电源线是否破损或老化 ，如有需要更换。
定期除尘
定期清理空气净化器内部灰尘， 保持性能稳定。
遵循制造商的保养建议
遵循制造商提供的保养指南，确 保空气净化器的使用寿命和性能
。
05
室内空气质量改善建议
定期开窗通风
定期开窗通风
开窗通风可以有效地改善 室内空气质量，降低细菌 和病毒的浓度。
最佳通风时间
早晨和傍晚是开窗通风的 最佳时间，此时室外的空 气质量相对较好。
通风方式
建议采用对流方式通风， 即打开窗户的同时也打开 相应的门，让空气形成对 流。
控制室内湿度与温度
控制室内湿度
湿度过高容易滋生细菌和霉菌，建议使用湿度计和除湿机来控制室内湿度。
过滤除菌的优点是简单、安全、可靠， 适用于各种环境和空气质量条件。
过滤除菌的原理是利用不同粒径的颗 粒物在通过滤材时被拦截的原理，通 常采用高效过滤器或活性炭过滤器进 行过滤除菌。
紫外线消毒
紫外线消毒是利用紫外线光波破坏细菌和病毒 等微生物的核酸，使其失去复制能力从而达到 除菌的目的。
紫外线消毒的优点是杀菌效率高、速度快，且 不会对环境造成二次污染。
生物除菌原理
生物过滤除菌
利用某些生物（如细菌、霉菌等）对 空气中的有害物质进行分解和转化， 从而达到净化空气的目的。
生物酶除菌
通过生物酶的催化作用，加速微生物 的代谢过程，使其在生长和繁殖过程 中受到抑制或死亡。
03
空气除菌的流程
过滤除菌
过滤除菌是通过物理方式将空气中的 细菌、病毒等微生物拦截在滤材表面， 从而将其从空气中去除的过程。
空气净化器的维护与保养
清洁机身
定期用软布擦拭机身，保持清洁 。
检查电源线
定期检查电源线是否破损或老化 ，如有需要更换。
定期除尘
定期清理空气净化器内部灰尘， 保持性能稳定。
遵循制造商的保养建议
遵循制造商提供的保养指南，确 保空气净化器的使用寿命和性能
。
05
室内空气质量改善建议
定期开窗通风
定期开窗通风
开窗通风可以有效地改善 室内空气质量，降低细菌 和病毒的浓度。
最佳通风时间
早晨和傍晚是开窗通风的 最佳时间，此时室外的空 气质量相对较好。
通风方式
建议采用对流方式通风， 即打开窗户的同时也打开 相应的门，让空气形成对 流。
控制室内湿度与温度
控制室内湿度
湿度过高容易滋生细菌和霉菌，建议使用湿度计和除湿机来控制室内湿度。
过滤除菌的优点是简单、安全、可靠， 适用于各种环境和空气质量条件。
过滤除菌的原理是利用不同粒径的颗 粒物在通过滤材时被拦截的原理，通 常采用高效过滤器或活性炭过滤器进 行过滤除菌。
紫外线消毒
紫外线消毒是利用紫外线光波破坏细菌和病毒 等微生物的核酸，使其失去复制能力从而达到 除菌的目的。
紫外线消毒的优点是杀菌效率高、速度快，且 不会对环境造成二次污染。
生物除菌原理
生物过滤除菌
利用某些生物（如细菌、霉菌等）对 空气中的有害物质进行分解和转化， 从而达到净化空气的目的。
生物酶除菌
通过生物酶的催化作用，加速微生物 的代谢过程，使其在生长和繁殖过程 中受到抑制或死亡。
03
空气除菌的流程
过滤除菌
过滤除菌是通过物理方式将空气中的 细菌、病毒等微生物拦截在滤材表面， 从而将其从空气中去除的过程。
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当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生
静电吸引作用
总作用效果与气流速度关系
当气流速度较小时，没有惯性碰撞作用，以拦截、重力沉
降和布朗运动现象为主，此时，除菌效率随气流速度增大 而降低 当气流速度增大到某值时，除菌效率最小，此为临界速度
当气流速度继续增加，
η＝η1＋η2＋η3＋η4＋η5
空气压缩冷却过滤除菌流程
（四）冷热空气间接换热的空气除菌流程 1、流程：压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行
热交换
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
2、特点
省去加热介质，热交换器还兼作缓冲罐
气-气换热的传热系数很小，需要较大换热面积
3、对数穿透定律 四点假定：
① 过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近
纤维的存在而受影响
② 空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附，不再
被气流卷起带走
③ 过滤效率与空气中微粒的浓度无关
④ 空气中微粒在滤层中递减均匀，即每一纤维薄
层除去同样百分率的菌体
多层细小的纤维将空气中粒子拦截在介质层中， 因此过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的
1-高效过滤器 2-空压机 3-贮罐 4-冷却器
5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
（七）后置冷却器的空气除菌流程 1、流程：前冷却器冷却空气到相对湿度50～60%
进入过滤器，后冷却器冷却空气温度 到30～35℃进入发酵罐
空气
高空取气管
缓冲罐
粗过滤器
压缩机
前冷却器
过滤器 后冷却器 无菌空气
2、特点
b 单纤维惯性冲击捕集效率： 1 df
式中：b—单纤维能滞留微粒的气流宽度，m （微粒大小、密度、气流速度、空气粘度） df—纤维直径，m
准数：
2 cpd p u0 18df
式中：c—修正系数，11.46 ρ p—微粒密度，kg/m3 dp—微粒直径，m u0—气流速度，m/s μ —空气粘度，Pa.s
空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵 母、霉菌、放线菌和噬菌体。 空气中灰尘粒子数量与人们的活动情况有关：工 业城市比农村含菌量多，据统计大城市空气含菌 数为3000~10000个/m3。
厂区取风口多在偏僻角落，离开其它生产车间。
二、好气性发酵对空气无菌度的要求
好气性发酵中需要大量无菌空气，但空气绝对无菌是 很难做到的，也是不经济的，只要使在发酵过程中不 至于造成染菌而出现“倒罐”现象，这就是通风发酵 对无菌空气的要求。 不同类型的发酵，由于菌种生长活力、繁殖速度、培 养基成分和pH值及发酵产物等不同，对杂菌抑制的 能力不同，因而对无菌空气的无菌程度要求也有所不 同。 无菌要求：在工程设计上，一般要求无菌程度为 N=10-3，即1000次使用周期中只允许有一个杂菌通 过。
f ( )
1
当b=0时η1=0
cpd p2u 0 1 18df 16
临界气流速度：
d u 1.125 c d
f c p
2 p
2、拦截滞留作用机理
当气流速度低于
临界速度时，颗
粒不会因惯性碰 撞而被滞留
在气流绕过纤维时，颗粒随之改变方向 气流在纤维周边形成一层边界滞留区 在滞留区内气流速度更慢，颗粒缓慢接近纤维，
空气
过滤空气
1、惯性冲击滞留作用机理
原理：
b d 0
当微生物等颗粒随空气 流动进入过滤介质，气 流碰到滤层纤维时，空 气就改变运动方向绕过 纤维继续前进
df
图4-14 单纤维空气流线图
微生物等颗粒由于具有
一定的质量，在以一定
速度运动时而有惯性
在惯性力作用下穿过气 流层碰到纤维，由于摩 擦、粘附作用，被滞留 在纤维表面上
空气过滤需要推动力；过滤介质要求在干 燥条件下工作，才能保证除菌效率 预处理: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（压力、温度、湿度）
过滤:对空气进行过滤处理，除去微生物
一、对空气预处理的要求（空气过滤时状态）
1、加压：（0.2~0.3MPa）在发酵生产过程中，为了维持
一定的罐压和克服设备、管道、阀门、过滤介质等的阻 力，所供给的空气必须具有一定压力
经过dL厚度过滤介质过滤后，空气中颗粒数的减 少数为-dN
dN KNdL
式中：N—滤层中空气的颗粒数，个 L—过滤介质层厚度，m K—过滤常数，1/m
移项后积分：
L
0
1 dL K
N2
N1
dN N
1 N1 L ln K N2
冷热空气直接混合的空气除菌流程
（六）前置高效过滤器的空气除菌流程
1、流程：在压缩机前设臵一台高效过滤器
1-高效过滤器 2-空压机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
2、特点
前面高效过滤，减轻后面过滤负荷 多次高效过滤，空气无菌程度比较高 吸气阻力大，影响压缩机的吸气量
一次冷却、分离、加热的空气除菌流程
2、特点
省去第二次冷却、分离设备 使用无油润滑压缩机或离心式压缩机
（三）空气压缩冷却过滤除菌流程 1、流程：将压缩空气冷却到30～35℃、相对湿度
为60%～70%以下
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
2、特点
流程最简单，所用设备最少 适用于北方和内陆气候干燥地区
深层过滤：介质间的孔隙大于被滤除的尘埃或
微生物。空气流过这种介质过滤层时，借助惯性 碰撞、拦截、静电吸咐、扩散、沉降等作用，将 其尘埃和微生物截留在介质层内
一、深层过滤除菌机理
过滤介质的孔隙（20～50μm），要除去微生物颗
粒（0.5～2μm），利用惯性碰撞、拦截、布朗运 动、重力沉降和静电吸引等作用除菌
2、降温：（tF=30~35℃）与发酵温度一致 3、减湿：（φ=50~60%）湿空气经压缩冷却后会有水分 析出，而目前所采用的介质过滤除菌方法，要求过滤介 质处于干燥状态，才能保证过滤除菌效率 4、去油：往复式空气压缩机工作需用润滑油，在高温下 润滑油汽化进入空气，经冷却析出，影响过滤除菌效率
二、空气过滤除菌流程 制定原则：
并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留
3、布朗扩散作用机理
很小的颗粒在流动速
度很低的气流中能产
生一种不规则直线运
动，称为布朗运动
因布朗运动性碰撞介质纤维而被滞留，这种作用称
为布朗扩散作用
布朗扩散运动使较小微粒凝聚为较大微粒，
随即
可能产生重力沉降或被过滤介质截留
4、重力沉降作用机理
当气流对微粒的拖
冷热空气间接换热的空气除菌流程
（五）冷热空气直接混合的空气除菌流程 1、流程：压缩空气从缓冲罐出来后分成两部分，
一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器 分离水雾后与另一部分高温气体混合
2、特点
省去加热介质和加热设备 适用于空气的湿含量为中等的地区 要经常根据气候条件调节冷热空气的比例
三.空气除菌的方法
然而，由于空气传热效率很低，温度分布很不均匀， 并且有些耐热菌的孢子需要非常长的时间才能杀灭， 所以加热的方法不能大量制造无菌空气。
第一节 空气过滤除菌流程
空气除菌流程的要求：
高空采风：进口风管设置在上风口，20~30m高，减少吸 入空气的微生物含量 前过滤器：压缩机前安装中效前置过滤器，保护压缩机和 减轻总过滤器负担 尽量选无油润滑压缩机，减少压缩后空气中的油雾污染。 压缩机后采用冷却型空气储罐，可降低压缩后空气的温度， 同时除去部分润滑油。 采用冷却-旋风分离器，使油水分离较完全。 采用除雾器（丝网分离器），除去空气中的雾滴。 用蒸汽加热空气约50°C，使空气的相对湿度低于60%， 再进入总过滤器，保证总过滤器维持干燥状态。 空气经总过滤器除去大部分尘埃、颗粒和微生物后，进入 每一个发酵罐上的分过滤器，再进入发酵罐。这样空气的 除菌程度可达到99.99999%以上。
二.空气中的微生物
空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节而异， 空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北 方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈高含菌量 愈少；工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气 含菌数为3000~10000个/m3。
二、空气中微生物 影响因素：高度、季节、地区、地点
空气除菌流程的要求
空气除菌设备从总过滤器开始要都能采用蒸汽彻底灭 菌，并能分段保压和灭菌。这样就不需要常常用蒸汽 对过滤器或整个空气过滤系统进行灭菌。 空气过滤系统要能定期排油，排水，能检测各阶段的 空气温度及其净化程度，并能防止冷凝水倒流入总过 滤器 设备尽量简单。
空气除菌的要求： 无菌、无尘、无油、无水、有压力
2、特点
比较完善、典型的空气过滤除菌流程，可适应各种 气候条件 所需设备最多，投资较大，占地面积大，阻力大 两次冷却后又加热，冷却和加热介质消耗较多
两次冷却、分离、加热的空气除菌流程
（二）一次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程：将压缩空气冷却至20～25℃ ，分离析
出水分后升温使相对温度降为60%左右，进入过滤器
生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程度、 空气压力、温度等 吸气环境的空气条件 所用除菌设备的特性
要求：尽量采用新技术新设备，提高除菌效率，
减少设备数量，降低设备投资、运转费用和动 力消耗，便于操作
（一）两次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程
静电吸引作用
总作用效果与气流速度关系
当气流速度较小时，没有惯性碰撞作用，以拦截、重力沉
降和布朗运动现象为主，此时，除菌效率随气流速度增大 而降低 当气流速度增大到某值时，除菌效率最小，此为临界速度
当气流速度继续增加，
η＝η1＋η2＋η3＋η4＋η5
空气压缩冷却过滤除菌流程
（四）冷热空气间接换热的空气除菌流程 1、流程：压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行
热交换
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
2、特点
省去加热介质，热交换器还兼作缓冲罐
气-气换热的传热系数很小，需要较大换热面积
3、对数穿透定律 四点假定：
① 过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近
纤维的存在而受影响
② 空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附，不再
被气流卷起带走
③ 过滤效率与空气中微粒的浓度无关
④ 空气中微粒在滤层中递减均匀，即每一纤维薄
层除去同样百分率的菌体
多层细小的纤维将空气中粒子拦截在介质层中， 因此过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的
1-高效过滤器 2-空压机 3-贮罐 4-冷却器
5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
（七）后置冷却器的空气除菌流程 1、流程：前冷却器冷却空气到相对湿度50～60%
进入过滤器，后冷却器冷却空气温度 到30～35℃进入发酵罐
空气
高空取气管
缓冲罐
粗过滤器
压缩机
前冷却器
过滤器 后冷却器 无菌空气
2、特点
b 单纤维惯性冲击捕集效率： 1 df
式中：b—单纤维能滞留微粒的气流宽度，m （微粒大小、密度、气流速度、空气粘度） df—纤维直径，m
准数：
2 cpd p u0 18df
式中：c—修正系数，11.46 ρ p—微粒密度，kg/m3 dp—微粒直径，m u0—气流速度，m/s μ —空气粘度，Pa.s
空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵 母、霉菌、放线菌和噬菌体。 空气中灰尘粒子数量与人们的活动情况有关：工 业城市比农村含菌量多，据统计大城市空气含菌 数为3000~10000个/m3。
厂区取风口多在偏僻角落，离开其它生产车间。
二、好气性发酵对空气无菌度的要求
好气性发酵中需要大量无菌空气，但空气绝对无菌是 很难做到的，也是不经济的，只要使在发酵过程中不 至于造成染菌而出现“倒罐”现象，这就是通风发酵 对无菌空气的要求。 不同类型的发酵，由于菌种生长活力、繁殖速度、培 养基成分和pH值及发酵产物等不同，对杂菌抑制的 能力不同，因而对无菌空气的无菌程度要求也有所不 同。 无菌要求：在工程设计上，一般要求无菌程度为 N=10-3，即1000次使用周期中只允许有一个杂菌通 过。
f ( )
1
当b=0时η1=0
cpd p2u 0 1 18df 16
临界气流速度：
d u 1.125 c d
f c p
2 p
2、拦截滞留作用机理
当气流速度低于
临界速度时，颗
粒不会因惯性碰 撞而被滞留
在气流绕过纤维时，颗粒随之改变方向 气流在纤维周边形成一层边界滞留区 在滞留区内气流速度更慢，颗粒缓慢接近纤维，
空气
过滤空气
1、惯性冲击滞留作用机理
原理：
b d 0
当微生物等颗粒随空气 流动进入过滤介质，气 流碰到滤层纤维时，空 气就改变运动方向绕过 纤维继续前进
df
图4-14 单纤维空气流线图
微生物等颗粒由于具有
一定的质量，在以一定
速度运动时而有惯性
在惯性力作用下穿过气 流层碰到纤维，由于摩 擦、粘附作用，被滞留 在纤维表面上
空气过滤需要推动力；过滤介质要求在干 燥条件下工作，才能保证除菌效率 预处理: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（压力、温度、湿度）
过滤:对空气进行过滤处理，除去微生物
一、对空气预处理的要求（空气过滤时状态）
1、加压：（0.2~0.3MPa）在发酵生产过程中，为了维持
一定的罐压和克服设备、管道、阀门、过滤介质等的阻 力，所供给的空气必须具有一定压力
经过dL厚度过滤介质过滤后，空气中颗粒数的减 少数为-dN
dN KNdL
式中：N—滤层中空气的颗粒数，个 L—过滤介质层厚度，m K—过滤常数，1/m
移项后积分：
L
0
1 dL K
N2
N1
dN N
1 N1 L ln K N2
冷热空气直接混合的空气除菌流程
（六）前置高效过滤器的空气除菌流程
1、流程：在压缩机前设臵一台高效过滤器
1-高效过滤器 2-空压机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
2、特点
前面高效过滤，减轻后面过滤负荷 多次高效过滤，空气无菌程度比较高 吸气阻力大，影响压缩机的吸气量
一次冷却、分离、加热的空气除菌流程
2、特点
省去第二次冷却、分离设备 使用无油润滑压缩机或离心式压缩机
（三）空气压缩冷却过滤除菌流程 1、流程：将压缩空气冷却到30～35℃、相对湿度
为60%～70%以下
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
2、特点
流程最简单，所用设备最少 适用于北方和内陆气候干燥地区
深层过滤：介质间的孔隙大于被滤除的尘埃或
微生物。空气流过这种介质过滤层时，借助惯性 碰撞、拦截、静电吸咐、扩散、沉降等作用，将 其尘埃和微生物截留在介质层内
一、深层过滤除菌机理
过滤介质的孔隙（20～50μm），要除去微生物颗
粒（0.5～2μm），利用惯性碰撞、拦截、布朗运 动、重力沉降和静电吸引等作用除菌
2、降温：（tF=30~35℃）与发酵温度一致 3、减湿：（φ=50~60%）湿空气经压缩冷却后会有水分 析出，而目前所采用的介质过滤除菌方法，要求过滤介 质处于干燥状态，才能保证过滤除菌效率 4、去油：往复式空气压缩机工作需用润滑油，在高温下 润滑油汽化进入空气，经冷却析出，影响过滤除菌效率
二、空气过滤除菌流程 制定原则：
并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留
3、布朗扩散作用机理
很小的颗粒在流动速
度很低的气流中能产
生一种不规则直线运
动，称为布朗运动
因布朗运动性碰撞介质纤维而被滞留，这种作用称
为布朗扩散作用
布朗扩散运动使较小微粒凝聚为较大微粒，
随即
可能产生重力沉降或被过滤介质截留
4、重力沉降作用机理
当气流对微粒的拖
冷热空气间接换热的空气除菌流程
（五）冷热空气直接混合的空气除菌流程 1、流程：压缩空气从缓冲罐出来后分成两部分，
一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器 分离水雾后与另一部分高温气体混合
2、特点
省去加热介质和加热设备 适用于空气的湿含量为中等的地区 要经常根据气候条件调节冷热空气的比例
三.空气除菌的方法
然而，由于空气传热效率很低，温度分布很不均匀， 并且有些耐热菌的孢子需要非常长的时间才能杀灭， 所以加热的方法不能大量制造无菌空气。
第一节 空气过滤除菌流程
空气除菌流程的要求：
高空采风：进口风管设置在上风口，20~30m高，减少吸 入空气的微生物含量 前过滤器：压缩机前安装中效前置过滤器，保护压缩机和 减轻总过滤器负担 尽量选无油润滑压缩机，减少压缩后空气中的油雾污染。 压缩机后采用冷却型空气储罐，可降低压缩后空气的温度， 同时除去部分润滑油。 采用冷却-旋风分离器，使油水分离较完全。 采用除雾器（丝网分离器），除去空气中的雾滴。 用蒸汽加热空气约50°C，使空气的相对湿度低于60%， 再进入总过滤器，保证总过滤器维持干燥状态。 空气经总过滤器除去大部分尘埃、颗粒和微生物后，进入 每一个发酵罐上的分过滤器，再进入发酵罐。这样空气的 除菌程度可达到99.99999%以上。
二.空气中的微生物
空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节而异， 空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷的北 方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈高含菌量 愈少；工业城市比农村含菌量多。据统计大城市空气 含菌数为3000~10000个/m3。
二、空气中微生物 影响因素：高度、季节、地区、地点
空气除菌流程的要求
空气除菌设备从总过滤器开始要都能采用蒸汽彻底灭 菌，并能分段保压和灭菌。这样就不需要常常用蒸汽 对过滤器或整个空气过滤系统进行灭菌。 空气过滤系统要能定期排油，排水，能检测各阶段的 空气温度及其净化程度，并能防止冷凝水倒流入总过 滤器 设备尽量简单。
空气除菌的要求： 无菌、无尘、无油、无水、有压力
2、特点
比较完善、典型的空气过滤除菌流程，可适应各种 气候条件 所需设备最多，投资较大，占地面积大，阻力大 两次冷却后又加热，冷却和加热介质消耗较多
两次冷却、分离、加热的空气除菌流程
（二）一次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程：将压缩空气冷却至20～25℃ ，分离析
出水分后升温使相对温度降为60%左右，进入过滤器
生产对无菌空气要求具备的参数，如无菌程度、 空气压力、温度等 吸气环境的空气条件 所用除菌设备的特性
要求：尽量采用新技术新设备，提高除菌效率，
减少设备数量，降低设备投资、运转费用和动 力消耗，便于操作
（一）两次冷却、分离、加热的空气除菌流程 1、流程