过滤器除菌技术

第五章空气除菌

教学目的：1、了解空气灭菌的基本方法和无菌空气的质量标准；2、熟悉介质过滤除菌的机理；3、掌握空气过滤器的结构；4、掌握典型的空气除菌流程。教学方法：讲授

教学手段：使用多媒体课件

教学内容：

第一节空气净化的方法

一、空气的组成

1、气态物质混合物：氮气、氧气、二氧化碳、惰性气体、H2O等

2、悬浮在气态中的灰尘：地壳物质颗粒、烟灰、花粉、微生物

其中，空气中微生物的数量与环境有密切关系：一般干燥寒冷的北方，空气中含微生物量较少，而湿润温暖的南方空气中含微生物较多；城市空气中的微生物含量（103-104个/m3）比人口稀少的农村多；地平面空气中微生物含量比高空多。

二、空气灭菌的必要性

1、好氧微生物在培养过程中，其生长、繁殖、代谢均需要大量氧气的参与；

2、所需氧气通常是以空气的形式提供的；

3、空气中含大量的各类微生物，如果随空气一同进入培养系统，便会在合适的条件下大量繁殖，与目的菌株竞争性消耗营养物质，并产生各种副产物，从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行，甚至使培养过程彻底失败导致倒罐；

4、因此空气的灭菌是好氧培养过程中的一个重要环节。

三、空气灭菌的方法

1、热灭菌法

基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）热变性而得以实现。

空气在进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力，所以，空气热灭菌时所需的温度，就不必用蒸汽或其他载热体加热，而可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。

空气经压缩后温度可升到200℃以上，保持一定时间后，便可实现干热杀菌。

利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气具有特别重要的意义。在实际应用时，对培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置的管道灭菌以及管道长度等问题都必须加以仔细考虑。

2、静电除菌

近年来一些工厂已使用静电除尘除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去了空气中的微生物。

静电除菌时是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。

悬浮于空气中的微生物，其孢子大多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电颗粒。

对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。

3、介质过滤除菌法

过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。该法广泛应用，是获得大量无菌空气的常规方法，在生产中使用最多。

（1）绝对过滤：利用微孔滤膜，其孔隙小于0.5甚至0.1μm，将空气中的细菌滤除，从而

获得无菌空气。

（2）深层介质过滤：由多种介质组成过滤层，滤层较深，空隙较大，靠静电、扩散、惯性和阻截作用等将细菌截留在滤层中，从而获得无菌空气。

第二节空气的深层过滤除菌原理和介质

一、空气的过滤除菌原理

1、布朗扩散截留作用

2、拦截截留作用

3、惯性撞击截留作用

4、重力沉降作用

5、静电吸引作用

在过滤除菌中，有时很难分辨上述各种机理各自所作贡献的大小。

随着参数的变化，各种作用之间有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。

一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大，而重力和静电引力的作用则很小。

气流速度小：布朗扩散截留和拦截截留显著

气流速度大：惯性撞击截留作用显著

二、空气过滤除菌常用介质

1、纸类过滤介质

玻璃纤维纸：以质量较好的无碱玻璃采用喷吹法制成直径很小的纤维（Φ1-1.5 μm ），由于纤维特别细小，故不宜散装填充，而采用造纸的方法作成0.25-1mm厚的纤维纸。一般应用时需将3～6张滤纸叠在一起使用。

玻璃纤维纸很薄，纤维间的孔隙为1～1.5 μm，厚度约为0.25-0.4mm，密度为2600 kg/m3，堆积密度为384 kg/m3，填充率为14.8％。

优点：过滤效率高，对于>0.3μm的颗粒的去除率为99.99％以上，同时阻力比较小，压降较小。

缺点：强度不大，特别时受潮后强度更差。为了增加强度，在纸浆中加入7-50％的木浆。

2、纤维状或颗粒状过滤介质

（1）棉花：常用的过滤介质，通常使用脱脂棉，有弹性，纤维长度适中。一般填充密度为130～150 kg/m3，填充率为8.5～10％。

（2）玻璃纤维：纤维直径小，不易折断，过滤效果好。纤维直径约为5～19 μm ，填充密度为130～280 kg/m3，填充率为5～11％。

（3）活性炭：要求活性炭质地坚硬，不易压碎，颗粒均匀，装填前应将粉末和细粒筛去。常用小圆柱体的颗粒活性炭，大小为Φ（3×10）～（3×15）mm，密度1140 kg/m3，填充密度为470～530 kg/m3，填充率44％。

缺点：体积大，占有空间大，操作困难，装填介质时费时费力，介质装填的松紧程度不易掌握，空气压降大，介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气，另外更换玻璃纤维类介质时碎沫飞扬，影响操作人员身体健康。

空气过滤除菌的介质

3、微孔滤膜类过滤介质

微孔滤膜类过滤介质的空隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中细菌真正滤去，即绝对过滤。

特点：易于控制过滤后的空气质量，节约能量和时间，操作简便。

这一类介质包括纤维素脂微孔滤膜、聚四氟乙烯微孔滤膜等。

三、空气过滤器的结构

1、深层棉花（活性炭、玻璃纤维）过滤器

深层棉花过滤器是立式圆筒形，内部充填过滤介质，空气由下向上通过过滤介质，以达到除菌的目的。

填充物按下列顺序安装：

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

其中：

金属丝网和麻布的作用是使空气均匀进入棉花滤层；

夹套的作用为灭菌，在消毒时对过滤介质加热，要十分小心控制，温度过高容易使棉花焦化而局部丧失过滤效率，甚至有烧焦着火的危险。

2、平板式纤维纸分过滤器

空气从筒身中部切线方向进入，空气中的水雾沉入筒底，由排污管排出，空气经缓冲层通过下孔板经薄层介质过滤后，从上孔板进入顶盖排气孔排出。

其中：

金属丝网和麻布的作用仍是使空气均匀进入滤层。

3、管式过滤器

4、接迭式低速过滤器

四、提高过滤除菌效率的措施

1、设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。

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、保证进口空气清洁度，减少进口空气的含菌数。方法：①加强生产场地的卫生管理，减少生产环境空气中的含菌数；②正确选择进风口，压缩空气站应设上风口；③提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数；④加强空气压缩前的预处理。

4、降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质能在干燥状态下工作。方法：①使用无润滑油的空气压缩机；②加强空气冷却和去油去水；③提高进入过滤器的空气温度，降低其相对湿度。

第三节空气净化的流程

空气净化一般是吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤，然后进入空气压缩机。从空压机出来的空气（一般压力在1.96×105Pa以上，温度120～150℃），先冷却到适当的温度（20～25℃）除去油和水，再加热到30～35 ℃，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。

一、空气净化的一般流程

流程的制定要根据具体所在地的地理、气候环境和设备条件来考虑。如在环境污染比较严重的地方要改变吸风的条件（如采用高空吸风），以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的地方要加强除水设施以确保和发挥过滤器的最大除菌效率。

二、几种典型的空气净化流程

1、两级冷却、加热除菌流程

这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分分离油水，使空气达到较低的相对适度下进入过滤器，以提高过滤效率。

特点：两次冷却、两次分离、适当加热。

优点：能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。

经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒(>20 μm)，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。

第二冷却器使空气进一步冷却后析出较小雾粒(>1μm)，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效率高的作用。

通常，第一级冷却到30～35℃，第二级冷却到20～25℃。

除水后，空气的相对湿度仍是100％，须用丝网分离器后的加热器将空气中的相对湿度降低至50～60％，以保证过滤器的正常运行。

尤其适用于潮湿地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。

2、冷热空气直接混合式空气除菌流程

压缩空气从储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、油雾后与另一部分未处理的高温压缩空气混合，此时混合空气已达到温度为30～35℃，相对湿度为50～60％的要求，在进入过滤器过滤。

特点：省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备，流程简单；

利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少。

适用于中等湿含量地区，但不适合空气湿含量高的地区。

3、高效前置过滤空气除菌流程

采用高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，降低了主过滤器的负荷，所得的空气无菌程度很高。

4、利用热空气加热冷空气的流程

利用压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。

对热能的利用比较合理，热交换器可兼做贮气罐，但由于气—气换热的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求。

第四节附属设备

一、粗过滤器

安装在压缩空气机前的过滤器，主要作用是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也可减轻总过滤器负荷。

要求过滤效率要高，阻力要小。

通常有：布袋过滤，油浴洗涤和水雾除尘等。

二、空气贮罐

作用：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力；利用重力沉降作用分离部分油雾；热杀菌；贮气。

三、气液分离器

作用：分离空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子。