空气除菌及调节设备

3空气的除菌及调节设备3.1.1空气除菌意义：保证纯种培养，杀死或除去空气中的微生物，满足发酵工业的要求。空气含菌量的测定：过滤法、撞击法、沉降法、简易定量测定法、光散射粒子计数法除菌方法：辐射杀菌、加热杀菌、静电除菌、介质过滤除菌3.1空气除菌设备生物工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温度和空气压强。洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等于0.5μm的最大允许粒子数。洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。1立方英尺=1（ft3）=0.0283立方米（m3）=28.317升（liter）1美加仑(gal)=3.785升1英加仑(gal)=4.546升空气洁净级数空气洁净级数(英制)粒径≥0.5μm的最大微粒数（个/ft3）粒径≥0.5μm的最大微粒数（个/m3）空气洁净级数(国际)1001003500M3.51000100035000M4.51000010000350000M5.51000001000003500000M6.53.1.2空气除菌流程•1．空气压缩冷却过滤流程•此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌流程，它由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。空气除菌流程•空气压缩冷却过滤流程空气压缩冷却过滤流程1-粗过滤器2-空气压缩机3-贮罐4-冷却器5-过滤器过滤空气•它只能适用于那些气候寒冷、相对湿度很低的地区。•这种流程在使用蜗轮式空气压缩机或无油润滑空压机的情况下效果是好的。•采用普通空气压缩机时，应加装丝网分离器先将油雾除去。空气压缩冷却过滤流程2．两级冷却、分离、加热的空气除菌流程•它可以适应各种气候条件，能充分地分离空气中含有的水分，使空气在低的相对湿度下进入过滤器，提高过滤除菌效率。•这种流程的特点是：2次冷却、2次分离、适当加热。•此流程尤其适用于潮湿的南方地区。空气除菌流程•两级冷却、分离、加热的空气除菌流程旋风分离器3．前置高效过滤除菌流程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•高效前置过滤除菌流程的特点是无菌程度高。•高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电除菌）和超细纤维纸串联使用作过滤介质。前置高效过滤除菌流程4.冷热空气直接混合式空气除菌流程•利用热空气加热冷空气的除菌流程利用热空气加热冷空气的除菌流程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•此流程适用于中等湿含量的地区。•其特点是：可省去第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空气温度。•但此流程的空气冷却温度和空气分配比的关系随所吸取空气的参数而变化，常常需要进行具体的计算而给予调节。冷热空气直接混合式空气除菌流程空气过滤除菌实用化流程1.粗滤器2.空压机3.空气贮罐4.沉浸式空气冷却器5.油水分离器6.二级空气冷却管7.除雾器8.空气加热器9.空气过滤器10.金属微孔管过滤器（或上接纤维纸过滤器）第三节压缩空气预处理系统的设备设计（一）吸风塔吸风塔的高度＞10m。吸风塔内的空气流速不能太快。≤8m/s（二）粗过滤器•作用：粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。•要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小。•常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。布袋过滤•布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架上，并缝紧所有会造成短路的空隙。•它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特性和过滤面积而定。•布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。•最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤维滤布。•一般来说气流速度越大，则阻力越大，且过滤效率也低。•气流速度一般为2～2.5m3/（m2·min），空气阻力大约为600～1200Pa。•滤布要定期清洗，以减少阻力损失和提高过滤效率。布袋过滤油浴洗涤空气装置水雾除尘装置（三）前置预过滤器绒布或聚氨酯泡沫塑料无纺布粗过滤层亚高效过滤层流速≤0.5m/s流速0.2~0.5m/s（四）空气压缩机•根据全厂发酵工艺所需的空气流量、克服压缩空气输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强来选用空气压缩机型号。提供生产用的空气有0.2～0.3Mpa压力（低压压缩空气）。（1）涡轮式空气压缩机•提供大量低压空气的最理想设备是涡轮式空气压缩机。•涡轮式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形机壳，使部分动能转变为静压后输出。•涡轮式空气压缩机输气量大，输出空气压力稳定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，获得的空气不带油雾。•适用于生物工业的是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.25～0.5MPa。•低压涡轮空气压缩机有单级的和多级的，后者还可分段。•输气量＞100m3/min，最大12000m3/min。涡轮式空气压缩机•往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定。•因气缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中带进油雾。（2）往复式空气压缩机油雾的影响（1）传热系数降低，给空气冷却带来困难；（2）油雾带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维间隙而增大空气压力损失；（3）油雾粘附在纤维表面形成微生物微粒穿透过滤层的途径，降低过滤效率。•选用无油润滑的往复式压缩机也可解决油雾的污染和影响。•目前许多工厂采用一种简易的方法，将现有的L型往复式空气压缩机拆除气缸供油管道，改装由二硫化钼氟塑料制成的自润滑活塞环。往复式空气压缩机•往复式空气压缩机有单缸、多缸之分，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等气缸排列式。•若以出口压力来分类，往复式空气压缩机可分成高压（8～100MPa）、中压（1～8MPa）及低压（1MPa以下）之分。•目前国内生产的低压往复式压缩机大多是双缸二级压缩的。•双缸二级压缩机又以L形的设计最为普遍。•生物工业生产，常把二级压缩机的高压气缸改为可以单独吸入新鲜空气的低压气缸。•采用往复式空气压缩机的除菌流程中需具有粗过滤器和空气贮罐。•粗过滤器起着预先过滤大颗粒灰尘，提高压缩机使用寿命的作用。•空气贮罐是作为缓冲往复式压缩机的排气脉冲，稳定压力使用的。（3）螺杆式空气压缩机•利用高速旋转的螺杆在汽缸里瞬时组成空腔并因螺杆的运动把腔间内空气压缩后输出。•螺杆式压缩机分单杆压缩机和双螺杆压缩机。•这类压缩机是整机安装，占地面积小，压缩空气中不含油雾且排气平稳。•因其维护保养技术要求比较高，适合大中型发酵企业采用。大型空气压缩机•空气压缩机为定型产品，可根据工艺要求的风量、风压及其他性能参数，从空气压缩机的产品目录中选择定购。（五）空气贮罐•作用：1.消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力；2.让高温的空气在贮罐里停留一定的时间，起到空气的部分杀菌作用3.利用重力沉降作用分离部分油雾。•大多数是将贮罐紧接着压缩机安装。贮罐大小按经验公式计算：V＝0.1~0.2VC式中V——贮罐体积，m3；Vc——压缩机的排气量，m3／min。空气贮罐安全阀压力表排气管人孔进气管压缩空气要切向进入空气贮罐有的在罐内装冷却蛇管。也有的在贮罐内加装导筒。排污阀（六）空气冷却器•空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。•设计时应根据空气冷却过程的特点进行考虑•常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等。•设计时应采用恰当的措施来提高它的给热系数。最好办法是增加空气的流速。•在计算冷却器的热交换量时应注意，除了使压缩空气冷却外，在析出水分的情况下还应加入水分冷凝时所释出的汽化潜热。•采用新型的板翘式热交换器以强制流动的冷空气作为冷却介质，传热系数最大可达1260kJ/（m2·h·℃）。•对于沉浸式和喷淋式换热器，在设计时应保证一定的空气流速，一般选择空气流速为5～10m／s。（七）气液分离器•气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。•常用的有旋风式和填料式。•旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。•填料式分离器又称除雾器，是利用填料的惯性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。旋风分离器•旋风分离器的优点是结构简单，制造方便•总的要求是：①旋风分离器的直径不要太大。②进口的气流速度要适当。①旋风分离器的直径不要太大。原因：气流旋转运动所产生的离心力与分离器半径成反比。要分离的空气量大时，可采用多个分离器并联。•旋风分离器的设计计算，一般是采用实验为基础的比例设计，先计算分离器的进口截面积，再按所选定的分离器型式的尺寸比例计算出各部位的尺寸。•旋风分离器的直径D可以用下式估算：式中D—旋风分离器直径，mqv—通过旋风分离器的空气流量，m3/min0.1vDq旋风分离器旋风分离器②进口的气流速度要适当。•旋转气流所产生的离心力与气流速度的平方成正比。•气流速度小，分离效果差；•但气流速度过大，则能量损失多（压降大），同时也会产生涡流而降低效率。•一般采用进口气流速度15～25m／s，排气出口气流速度为4～8m／s。•旋风分离器对于分离10μm以上的微粒效率较高，但对10μm以下的微粒分离就比较困难。•一般冷凝水雾粒的大小为10～200μm，可选用旋风分离器进行分离•旋风分离器的压头损失通常是500～2000Pa。旋风分离器填料分离器•填料分离器是利用各种填料如焦炭、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾，起着进一步净化气体的作用。•它们的分离效率随它们的表面积增大而增大。•丝网分离器体积较小，丝网表面间隙小，可除去小至5μm的雾状微粒，分离效率可达98％～99％，且阻力损失不大。•但对于雾沫浓度很大的场合，会因雾沫堵塞孔隙而增大阻力损失。丝网分离器空气介质过滤除菌设备•汽液分离器•丝网规格很多，常用的丝网由不锈钢、镍、铝、铜、聚乙烯、聚丙烯、涤纶、锦纶等材料制成。•丝的直径一般为0.25mm左右，也可为0.l～0.4mm的扁丝。•一般将丝织成宽100～150mm的网带，丝网孔径20～80目，丝网介质层高度最少为100mm，常用150mm，分离细雾时可用200～300mm。•一般只按商品丝网高度规格选取，常用高度为150mm。分离器圆筒直径按容器的空截面气速进行计算：（m）式中Vg——通过分离器的空气体积流量，m3／svs——空截面气速，m／s；D——分离器圆筒直径，m。4gsVDv•空截面气速约为丝网间隙中空气的实际流速的75％。•空气的实际流速，可由下面的经验公式计算出容许的最大值，称为容许气速，其值为：（m/s）••K值与空气中雾沫微粒的浓度、液体的表面张力、粘度和丝网的比表面积等因素有关，一般选K=0.067进行设计计算。gLgvK1gxx空气的阻力损失通过分离器后空气的阻力损失，可由下面经验公式进行计算：（Pa）33.44sgpv（八）空气加热器•除水以后的压缩空气在进入总过滤器之前要把相对湿度降到60％～70％，通常的方法是采用换热器来加热压缩空气达到降湿的要求•空气加热器一般采用列管式换热器，也有采用套管换热器。•要控制进入发酵罐的空气温度最好不要超过微生物培养温度10℃。提高过滤效率的措施1.减少进口空气的含菌数：(1)加强生产环境的卫生管理，减少环境空气中的含菌量(2)提高空气进口位置（高空采风），减少空气进口含量(3)加强压缩前的空气预过滤。2.设计和安装合理的空气过滤器。3.降低进入总过滤器空气的相对湿度：(1)采用无油润滑空压机；(2)加强空气的冷却，去油水；(3)提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度。过滤介质1.棉花2.玻璃纤维3.活性碳4.超细玻璃纤维纸5.石棉滤板6.烧结材料过滤介质：如PVA7.新型过滤介质：如PV