《生物工程设备》第四章 空气除菌与空气调节设备

第四章空气除菌与空气调节设备好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的氧气，这些空气通常由空气提供。

根据国家药品生产质量管理规范（GMP）的要求，生物制品、药品的生产场地也需符合空气洁净度要求并有相应的管理手段。

第一节空气除菌的原理与方法一、生物工业对空气质量的要求1．空气中微生物的分布地域（南方与北方、城市与乡村）、季节2．发酵用无菌空气的质量标准（1）连续提供一定流量的压缩空气；（2）空气的压强（表压）0.2-0.4MPa；（3）进入过滤器之前，空气的相对湿度小于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，取失败率为10－3，也可以把100级作为无菌空气的洁净指标。

100级：每立方米空气中，尘埃粒子数最大允许值≥0.5μm的为3500，≥5μm为0；微生物最大允许数为5个浮游菌/m3，1个沉降菌/ m3 。

二、空气净化除菌方法（一）空气除菌方法1．辐射杀菌α－射线、χ－射线、β－射线、γ－射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质等生物活性物质，从而起到杀菌的作用。

辐射灭菌目前仅用于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌，对于大规模空气的灭菌还无法应用。

2．热杀菌空气进入发酵罐之前，一般匀需用压缩机压缩，提高压力。

利用空气压缩时放出的热量进行保温灭菌。

见流程3．静电除菌利用静电引力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，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微粒，但对于一些直径小的微粒，所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒布朗扩散运动的动量时，微粒不能被吸附而沉降，因此静电除尘对很小的微粒效率较低。

流程见图4．介质过滤除菌二、介质过滤除菌机理依靠气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力和静电引力等作用，从而把微生物截留、捕集在纤维表面上，实现过滤目的。

图为过滤除菌时各种除菌机理的示意图。

1．布朗扩散截留作用布朗扩散的运动距离短，在较大的气速、较大的纤维间隙中不起作用，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用增加了微粒与纤维的接触滞留机会。

2．拦截截留作用当微粒直径小、质量轻，它随气流运动慢慢靠近纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周围形成一层边界滞留区，滞留区的气流流速更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。

拦截截留的截留效率与气流的雷诺准数和微粒同纤维的直径比有关。

3．惯性撞击截留作用当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，空气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，层层叠叠，迫使空气流不断改变运动方向和速度。

由于微生物颗粒的惯性大于空气，因而当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒未能及时改变它的运动方向，而撞击并被截留于纤维的表面。

4．重力沉降5．静电吸引力惯性截留、拦截和布朗扩散的除菌作用较大，重力和静电引力的作用较小。

当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，惯性冲击起主要作用；当气流速度较小时，除菌效率随气流速度增加而降低，扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能截流起主要作用。

三、深层过滤效率和过滤器计算过滤效率：滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值。

η＝(N1-N2)/N1=1-N2/N1N1过滤前空气的微粒数；N2过滤后空气的微粒数；N2/N1穿透滤空气过滤器的过滤效率与微粒的大小，过滤介质的种类和规格，介质的填充密度，过滤介质厚度及所通过的空气气流速度有关。

第二节空气介质过滤除菌设备一、介质过滤除菌流程1．两级冷却、加热除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候，尤其适用于潮湿地区。

它能充分地分离油水，使空气达到相对湿度较低下进入过滤器，提高过滤效果。

2．冷热空气直接混合式空气除菌流程特点：省去第二级冷却器后的分离设备和空气加热设备，流程较简单，冷却水用量少。

适用于中等湿含量地区，不适合于空气湿含量高的地区。

3．高效前置过滤空气除菌流程特点：采用高效率前置过滤设备，减轻主过滤器的负担。

4．将空气冷却至露点以上的流程将空气冷却至露点以上，使进入过滤器的空气相对湿度60－70％以下。

适用于北方和内陆气候干燥地区。

5．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。

特点：对热能的利用合理，但加热面积要足够大才能满足要求。

6．一次冷却和析水的空气过滤流程将压缩空气冷却至露点以下，析出部分水分，升温使相对湿度为60％，再进入空气过滤器，采用一次冷却一次析水。

二、空气介质过滤除菌设备（一）采风口应建在工厂的上风头，远离烟囱。

高10m以上，设计气流速度8m/s。

也可将采风口建成采风室，直接构筑在空压机房的屋顶上。

（二）粗过滤器作用：拦截空气中较大的灰尘以保护空压机，减轻主过滤器负担。

采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置等。

过滤介质可用泡沫塑料或无纺布（折叠式）。

布袋过滤器：将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，绷紧缝于骨架上，缝紧所用会造成短路的空隙。

填料式粗过滤器：采用油浸铁丝网、玻璃纤维或其它合成纤维等。

油浴洗涤装置：空气进入装置后通过油层洗涤，空气中的微粒被黏附而逐渐沉降于油箱底部而除去。

（三）空气压缩机提供动力，克服设备阻力。

有往复式、螺杆式和涡轮式空压机。

涡轮式空压机输气量大，输出空气压力稳定，效率高，无易损部件，获得的空气不带油雾等优点。

往复式空气压缩机出口压力不稳定，空气带油雾，导致传热系数降低，给空气冷却带来困难，如果油雾分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质纤维间歇，增大空气压力损失。

（四）空气储罐作用：消除压缩空气的脉动，若选用涡轮式或螺杆式空压机，由于其排汽均匀而连续，因此空气储罐可省去。

（五）冷却器采用列管式热交换器，空气走壳程，冷却水走管程。

为增加冷却水的流速，提高传热系数，采用双程或四程结构。

夏天第一级冷却器可用循环水来冷却压缩空气，第二级冷却器采用9℃的低温水冷却压缩空气。

由于空气被冷却到露点以下会有凝结水析出，故冷却器外壳的下部应设置排除凝结水的接管口。

从节能观点考虑，空气储罐应布置在空压站附近，空气冷却器布置在发酵车间外。

这样可以利用压缩空气总管管道沿程冷却空气，减少冷却器的热交换量。

（六）气液分离设备冷却后的压缩空气，会有来自压缩机的润滑油。

如果冷却温度低于露点温度，空气会析出水分。

所以在冷却器后安置气液分离设备，除去空气中的水和油，保护过滤介质。

1．旋风分离器利用离心力进行气－固或气－液沉降分离的设备。

具有结构简单、阻力小、分离效率高。

对10μm的粒子，旋风分离器的分离效率60－70％。

2丝网除沫器圆筒内填充100－150mm的金属丝网，当丝网除沫器直径小于1m，可将丝网绕成消防带状填入容器内，当直径大于1m时，可把金属丝网多层叠在一起。

丝网除沫器可除去1μm以上的雾滴，去除率约98％。

（七）空气加热设备采用列管式加热器，空气走管程，蒸气走壳程。

或采用套管式加热器，空气走管程，蒸气走夹套。

第三节过滤介质和过滤器按过滤介质孔隙将空气过滤分2类：1 绝对过滤，介质孔隙小于被拦截的微生物，如用聚四氟乙烯或纤维素酯材料做成的微孔滤膜；2 深层过滤，介质孔隙大于被拦截的微生物但介质有一定的厚度。

一、纤维及颗粒状介质过滤器一般被用作发酵工厂的总过滤器，直径2.5-3m,见图。

常用介质有：(1) 棉花：常用未脱脂棉，纤维长2－3cm，直径16－20μm，实密度1520kg/m3。

(2) 玻璃纤维：用无碱玻璃纤维，直径3－20 μm，实密度2600kg/m3，直径10μm。

为减少玻璃纤维的粉碎、提高除菌效率和填放方便，可用酚醛、呋喃树脂等将树脂合成具有一定填充率和形状的过滤垫后再放入过滤器。

(3) 活性炭：常用的颗粒状活性炭为小圆柱体，大小为Φ3mm×（10－15）mm。

颗粒活性炭不单独作为过滤介质，常与纤维介质分层堆放成过滤床。

二、滤纸过滤器以超细玻璃纤维为过滤介质，其孔径1-1.5μm，厚约0.25-0.4mm，平时以3－6张滤纸叠合在一起使用。

除菌效率高，阻力小，但强度不太大，因此常用酚醛树脂、甲基丙稀酸树脂、密胺树脂、含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理，以提高防湿能力。

三、金属烧结管空气过滤器由单根或几十根或上百根金属微孔滤管安装在不锈钢过滤器壳体内。

压缩空气进入壳程，通过金属微孔滤管的壁除去杂菌合颗粒，得到无菌空气，由管程排出。

特点：使用寿命长，气体阻力小，安装维修方便。

金属过滤器在使用时为防止空气管道中的铁锈、微粒和蒸气管道中铁锈对金属微孔滤管的污染，在金属烧结管过滤器之前要加装与其匹配的空气预过滤器和蒸气过滤器。

四、微孔膜过滤器－绝对过滤器由耐高温且疏水的厚度为150μm的聚四氟乙烯膜构成。

它能绝对滤除所有大于0.01 μm以上的微粒，能除去几乎所有空气中夹带的微生物。

为增强膜芯的强度，用不锈钢做中心柱，把附加里衬的滤膜做成折叠型的过滤层绕在不锈钢中心柱上，外加耐热的聚丙烯外套（见图）。

为延长微孔膜过滤器的使用寿命，使用时应配置与膜过滤器相匹配的空气预过滤器和蒸气过滤器，除去管道内的铁锈、污垢和微粒对微孔膜的污染。