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％。
空气的析水计算：
空气的相对湿度：
空气的湿含量
P：湿空气的总压，Pa。
空气压缩过程中，湿含量不变，于是有H2＝H1，将 公式5—41代人并整理得下公式：
j =j P P
s1 2 1
2
Ps 2 P1
1.3 静电除菌
1. 原理：没有电荷的微粒进入电离区会被电离成带正电荷微粒，在高压电极板上加上5kV 的直流电压，极板间形成一均匀电场，当气流与被电离的微粒流过时，带正电荷的微粒 受静电场库仑力的作用，产生一个向负极的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。 2 ，缺点 但对于一些直径很小的微粒，不能被吸附而沉降或效率较低，除菌效率不是很高；高压 电存在要求管理严格，空气必须干燥（潮湿会导电），投资费用大；需要与高效空气过 滤器联合使用。
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。
空气的压缩过程可看做绝热过程时，压缩后的空气温 度与被压缩的程度有关：
T1：压缩前空气的绝对温度，K ； T2：压缩前后空气的绝对温度，K；
P1：压缩前后空气的绝对压强，Pa；
P2：压缩前后空气的绝对压强，Pa； K：绝热指数，对空气而言k=1．4。
vx
冷却器热交换量：
Q＝G(I1-I2) J／h
5-36
I1、I2为湿空气的热焓包括干空气的热焓和所带水 蒸气的热焓，即：
I = ( cg + cw H )t + r0 H = ( 1010 + 1880H )t + 2500x
J／kg 5-37
由公式(5—36)得出的热交换量可以求出换热器的换
当捕集的微粒积聚到一定厚度时，则极板间的火花放电加剧，极板电压下降， 微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，这时除菌效率很快下降。一般当电极板上 尘厚1mm时，就应该用喷水管自动喷水清洗，洗净干燥后重新投入使用。
电离部分 带微粒的空气 10000v 5000v 图4-2 静电除尘器装置图 除尘部分 清洁空气
4.空气除菌的意义（参见培养基灭菌）
1.生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能 力的下降。
2.杂菌也会产生代谢产物，这就使产物的提取更加困难，造成 得率降低，产品质量下降。 3.有些杂菌会分解产物，使生产失败。 4.杂菌大量繁殖后，会改变反应液的pH值，使反应异常。 5.如果发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，使生产失败。 附：据日本抗生素生产的统计资料，设备渗漏和空气除菌不彻 底是导致染菌的主要原因。
5.好气性发酵对空气除菌的要求
1.工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同而 异。 2.半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般 无需复杂的空气净化处理。 3.密闭的深层通气发酵培养需氧微生物需严格的纯净培 养。进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和 过滤除菌等处理，才能满足生物工程的要求。 4.绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。在工程 设计中一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通 过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。 5.发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质 ，无水，无油，正压等几项指标。
1.5 辐射灭菌：超声波、高 能阴极射线、X射线、γ射线、 β射线、紫外线理论上都能 破坏蛋白质活性而起杀菌作 用。应用较广泛的还是紫外 线。紫外线波长为253.7－ 265nm时杀菌效力最强，它的 杀菌力与紫外线的强度成正 比，与距离的平方成反比。

1 6 化学药剂灭菌法


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。
5-42
压缩空气露点的求取: 可设想将状态1的空气经压缩、降温到析出水( ％)，求出此时的水汽分压：
j＝100
P
sd
= Ps1
jP
1 s2
2 1
P P
Pa
5-43
根据温度与饱和水蒸气压的关系图表，可以查出露点数 值。如果压缩空气被冷却到露点以下，则空气中会有水析
出。所以，如果采用两级冷却，必须先计算出该空气的露
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、
冷却器、空气加热设备等。
另外空气预处理流程也应根据当地空气情况作相应的
变化。
5－11空是除菌设备流程图
国内几种常见的流程： 1－粗过滤器 2－压缩机
可除去空气中绝大多数的20μm以上的液滴。但对
于10μm大小的液滴，除去效率只有60％～70％。
b．丝网除沫器 对压缩空气中夹带的雾状液滴，
应采用比旋风分离器效率更高的丝
网除沫器来除去。 丝网除沫器可除去1μm以上的 雾滴，去除率约为98％。 丝网除沫器的结构见图5—14。
(7)、空气加热设备 作用：把空气相对湿度从100％降低到70％以下。 一般都采用列管换热器，空气走管程，蒸汽走壳程。 或者采用套管式加热器，空源自走管程，蒸汽走夹套。3－冷却器
4－空气过滤器 5－分离器 6－加热器
图5－15(1) 几种空气预处理流程
1－粗过滤器 2－压缩机
3－冷却器
4－空气过滤器 5－分离器 6－加热器
图5－15(2) 几种空气预处理流程
1－粗过滤器 2－压缩机
3－冷却器
4－空气过滤器 5－分离器 6－加热器
图5－15(3) 几种空气预处理流程
潮湿地域和季节，空气中含水量较高，为了避免过滤介质
受潮而失效，冷却还可以达到降湿的目的。 可采用列管式热交换器，空气走壳程，管内走冷却水。
为了增加冷却水的流速，提高传热系数，采用双程或四程
结构。为防止压缩空气走短路及提高传热效率，管间装有 4～5块圆缺挡板。空气冷却器的传热系数为105W／(m2· ℃)
3. 发酵用无菌空气的质量标准 细菌、酵母菌、霉菌和病毒是空气中的主要微生物，它
们大多附着在空气中的灰尘上。
一般来说，凡是尘埃浓度高的地区，空气中所含微生物 的量也越多。城市市中心空气中的微生物含量也高于农村。 夏季的空气中所含微生物也比冬季多，离地面近的空气中所 含微生物也比离地面高的多。 工程设计中常以微生物浓度104个／m3作为空气的污 染指标。
(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。
贮罐的H/D=2—2.5，其容积可按下式估算：
VR=(0.1～0.2)VA m3 VA为空压机每分钟排气量(20oC，1×l05Pa状况下)，m3
(5)、冷却器 空压机出口气温一般在120℃左右，必须冷却。另外在
左右。
在冷却器的设计计算中，把空气看做含有水气的湿空气。 空气经压缩、冷却过程的参数标示如图5—12。
图5—12 冷却器设计计算参数指标
设空压机的排气量(20℃、1×105Pa状况下)为Vo(m3 ／min)，则在吸人状态下，空气的比体积：
空气质量流量（以干空气计）：
G=
60V 0
kg/h
5-35
点，再合理确定第一冷却器的冷却温度。
(6)、气液分离设备
作用：除去空气中的水和油，以保护过滤介质。
一般有两类：
a、利用离心力沉降的旋风分离器；
b、利用惯性拦截的介质分离器。
a．旋风分离器 是利用离心力进行气—固或气—液沉降分离的设备。 它结构简单、阻力小、分离效率高，结构示意见图5—13。
使用时，压缩空气以15～25m／s的流速以切线方 向进入旋风分离器，并在环隙内作圆周运动，水滴或固 体颗粒因其密度比空气大得多而具有较大惯性而被甩向 器壁最后被收集。
0.9～2.1
0.6～1.6 0.5～1.1 0.5～1.0 3.0～5.0 0.0015～0.225 0.6～1.6
2.0～10.0
1.6～13.6 1.6～4.8 0.5～1.0 5.0～19.0 0.0015～0.28 1.6～13.6