空气净化除菌与空气调节

第三章空气净化除菌与空气调节§1空气除菌方法及流程一、通风发酵对无菌空气的要求1、空气中M的分布：空气中以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘或雾滴上，空气中M含量一般为103~104个／m3。含量和种类，随地区,季节和空气中灰尘粒子多少及人们的活动情况而异,北方干燥，寒冷含菌量较少，离地面高，含菌量越少；一般每升高10m，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市含菌量较多，农村则较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／m３。第一章空气除菌•2、发酵对无菌空气的要求不同微生物，不同发酵过程对无菌空气要求不同：•菌种繁殖快，发酵周期短，要求低；•培养基起始pH低或发酵产酸，要求低；•培养基营养差，要求低；•代谢产物为抗生素或杀菌剂，发酵后期要求低；•染菌率一般按10-3计，即发酵1000批次，允许污染1~2个杂菌。二、空气除菌的方法灭菌:是指用物理或化学的方法杀灭或去除物料或设备中所有生命物质的过程。（1）辐射杀菌紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的高能粒子能起灭菌的作用。穿透力低,用于表面消毒和空气消毒。X射线、γ射线也可灭菌。（2）静电除菌（0.2~0.8kW/1000m3hr）原理：利用静电引力吸附带电粒子达到除菌效果.分电离区、捕集区：效率85~99%，对微小粒子效率低。（3）化学药剂灭菌：如甲醛、氯（或次氯酸钠）、高锰酸钾、环氧乙烷、季铵盐（如新洁尔灭）等。会与培养基中的一些成分产生作用，且不易去除，不适宜用培养基灭菌。（4）热杀菌（5）介质过滤除菌利用过滤方法阻拦微生物达到除菌的目的。工业上制备无菌空气最经济实用的方法。介质过滤除菌：介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，达到除菌的目的。分深层过滤和绝对过滤两种。深层过滤：过滤介质材料直径及形成的网格大于微粒直径，机理复杂,例传统棉花、活性炭等。绝对过滤：过滤介质材料直径及形成的网格比微粒直径小，PVA烧结材料、烧结金属、微孔滤膜等，将微粒绝对阻截在介质中。三、空气过滤除菌流程1、空气除菌流程：空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求，根据空气的性质而制定的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。生产中制备无菌空气的过程大致如下：空气高空取气管除尘器空气压缩机贮气罐一级冷却器油水分离器二级分离器除雾气加热器总过滤器→分过滤器无菌空气进发酵罐2除菌流程2、对空气除菌流程的要求：空气应有一定的压力，过滤器高效，尽量采用新技术，流程尽可能简化，动力消耗低，操作简便，运转费用低。设备中要用无油润滑，否则影响过滤效率。附属设备也要尽量用新技术，提高效率，减少设备投资、降低运转费用及动力消耗。3、发酵对空气无菌程度的要求绝对无菌在目前是不可能的，也不经济。发酵对空气的要求是：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标；发酵对空气无菌程度要求：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。无菌空气：指通过除菌处理使空气的含菌量降低到零或极低，从而使污染的可能性降低到极小，不因空气污染造成损失的空气。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个/罐。★空气含菌量的测定：培养法：微生物法；光学法：粒子计数器.四、空气除菌流程分析生物工厂所使用的空气除菌流程，随各地的气候条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。空气的相对湿度在50%～60%条件下过滤效率高。（１）两级分离、冷却、加热的空气除菌流程P375特点：两次冷却两次分离，第一次冷至30～35℃，大部分水、油凝结成较大雾粒，且浓度较高，用选风分离器分离；第二次冷至20～25℃，使空气进一步析出细小水雾、油雾粒子，采用丝网分离器，提高分离效果。适当加热：空气经冷却除水后相对湿度100％，采用加热方法，将相对湿度提高到50～60％。流程例某除菌流程，空气压力为4atm（表压），要求空气加热到35℃时，相对湿度φ=60%，问第二级冷却器应至少把空气冷却到多少度？（假设冷却后的空气中不含水雾）解：查表35℃时空气中的饱和水蒸汽分压=5619Pa，加热前冷空气的相对湿度φ1=100%，加热前后空气湿含量没有发生变化，X1＝X2，加热前后压力不变。所以：X1＝0.622×φ1ps1⁄〔1－φ1ps1〕X2＝0.622φ2ps2⁄〔1－φ2ps2〕因P1=P2所以φ1ps1＝φ2ps2又φ1＝100％ps1＝φ2ps2＝0.6×5619＝3371Pa查水蒸汽分压表得知26℃水的蒸汽压力为3371Pa，即第二级冷却器至少应把空气冷却到26℃。（2）、冷热空气混合加热的空气除菌流程此流程适用于中等湿含量的地区。特点是：省去一级冷却和分离设备及空气加热设备，流程简化，使冷却水用量少。压缩空气分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60%。例2．吸入的空气t1＝25℃，φ1=80%，冷却后t2=25℃，φ2=100%，混合后t3=35℃，φ3=60%，计算混合比（P1=1kg/㎝2，p2＝p3=4kg/㎝2）。解：吸入空气的湿含量：〔ps:饱和水蒸气分压强〕X1＝0.622×φ1ps1⁄〔1－φ1ps1〕＝0.622×0.8×0.0323/〔1－0.8×0.0323〕＝0.0165（kg水蒸汽/kg干空气）冷却分离后的湿含量X2＝0.622×φ2ps2⁄〔1－φ2ps2〕＝0.622×1×0.0323/〔1－1×0.0323]＝0.051(kg水蒸汽/kg干空气)混合空气的湿含量：X3＝0.622×φ3ps3⁄〔1－φ3ps3〕＝0.622×0.6×0.0573/〔1－0.6×0.0573〕＝0.0054(kg水蒸汽/kg干空气)设未处理的空气百分比为Y则：X1Y+[1-Y]X2=X3所以Y＝[X3-X2]/[X1-X2]=3%(kg水蒸汽/kg干空气)即未处理的空气占百分之三。（3）高效前置过滤除菌流程为了提高空气的无菌程度，可采用高空采风。一般每升高10m，空气中微生物含量减少一个数量级。在高空吸风的同时，也可采用高效的前置过滤方法，即在压缩机前设置一台高效过滤器，降低过滤器负荷，提高空气的无菌程度。前置过滤器可用泡沫塑料（即静电除菌）、超细纤维纸为过滤介质，并串联使用。99.99%≤0.50.2~0.5(4)冷冻干燥机流程冷干机具有将空气中的油水冷凝并除去的作用，可取代两级冷却、分离、加热流程中两级冷却器及分离器，使流程简化。该流程多配备三级不同等级过滤器，可满足要求；特点：流程简单、适合各种气候，占地小，操作方便，但只适用中、小型工厂。五、过滤除菌流程中设备结构（1）、粗过滤器[预~]：安装在进口，除去其杂质，尤其是硬度较大的灰尘，降低气缸磨损。布袋式：绒布较好，空气流量2~2.5m3/minm2.填料式:油浴洗涤装置：易带油水雾洗涤装置[空气1~2m/s]空气粗滤器又除尘器，一般空压机的附件，在空压机的空气进口处，有的单独设置。其结构为一个内装过滤介质的方形或园形器体。除菌设备（2）、空气压缩机：空气压缩机供给发酵用的无菌空气，需要克服过滤介质的阻力，管道、弯头的阻力和发酵液的液柱压力，同时，维持发酵罐正压，空气压力一般提高到3.5~4.0kg/cm2（表压）。无油润滑空压机：活塞环采用聚四氟乙烯往复式~：耗油较多，多淘汰；涡轮式~：流量大，出气均匀，无易损件0.2~0.25MPa螺杆式~：因占地小出气平稳受欢迎，技术要求高0.35~（3）、空气贮罐：作用：消除压缩空气的脉动，稳定空气的压力，除去空气中部分水滴、油滴。结构：空圆柱壳体，上装安全阀，压力表，容积为空压机排气量的10~20%。一般选空压机时有配套贮罐。下设排污口，定期排污。结构：H/D=2.2~2.5（4）、气液分离器水雾粒子10~200μm作用：除空气中被冷凝成雾状的水雾、油物粒子。A、旋风分离器：10μm以上的粒子结构尺寸：上面带切线方向进口的圆柱体，下部连有倒圆锥壳体设备。例：38型、45型、60型[d/D=0.38],已标准化。B、填料式分离器采用焦碳、活性炭、瓷环、金属丝网、塑料丝网填料，体积小，除去5μm以上粒子效率98~99%，阻力小，但雾沫浓度大时会因雾沫堵塞，阻力加大。填充密度500~550kg/m3为佳。分离效率随表面积增大而增大。丝网分离器因间隙小，容器体积小，应用广泛。丝网直径0.1~0.4mm，孔径20~80目,介质层厚度一般150mm,除细雾时厚度可达200~300mm。分离器直径：D=√4V/πνsV—通过过滤器时空气的体积流量m3/s；νs—空容器截面的空气流速，按丝网间隙中空气实际流速的75%计，m/s；K=0.067ρl—雾沫密度，ρg:空气密度实际流速：ν=K√[ρl-ρg]/ρg（5）、空气换热器（冷却器、加热器）空气经压缩，气温可达144ºC左右，而发酵生产所需空气的温度为30~34ºC左右，故需将空气冷却或加热。常用的类型：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等。热空气夹带的油水蒸汽经冷凝，由器底排除。空气给热系数低，一般设计时要采取适当措施：提高空气流速5~10m/s；经常改变空气流向，提高湍流程度。（6）、过滤器：设两级，总过滤器[远]，分过滤器[近]§2过滤除菌设备原理、结构和计算传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为1～2米，过滤介质一般是棉花、活性炭，也有玻璃纤维、焦炭等。对不同材料，不同规格以及填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。1、深层过滤原理（机理）3除菌原理1、深层过滤原理（机理）空气中的微生物粒子大小在0.5～2μm之间，过滤介质—棉花纤维直径约为16~20μm。充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50μm，微粒随气流通过滤层时，如何将直径小的微粒阻截？（１）、惯性冲击滞留作用机理棉纤维直径为df的断面，当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进，而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向随主导气流前进，于是微粒直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，即为惯性冲击滞留作用。过滤效率:η1=b/df实践证明：捕集效率η1是微粒惯性力的无因次准数φ的函数，即：η1=f（φ）φ=cρpdp2νο/18μdfc：层流滑动修正系数。气速是影响捕集效率重要因素,νο下降，惯性力下降，νο下降到一定程度，b=0，φ=1/16，此时η1=0。临界气速νCdp（µm）123419µm13µm8µm1µm临界气速临界气速随纤维直径和微粒直径变化情况Vc=Vs/（1-a）a为填充密度Vs空截面气速（２）、拦截滞留作用机理气流速度降到临界速度时捕集效率显著下降，但随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升。（３）、布朗扩散作用机理：（４）、重力沉降作用机理：（５）、静电吸附作用机理以及表面吸附作用机理：2、深层过滤效率和过滤器计算深层过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来空气中所含微粒数的比值，它是衡量过滤设备过滤能力的指标：η=（N1--N2）/N1=1--N2/N1N1——过滤前空气中微粒含量N2——过滤后空气中微粒含量N2/N1—过滤后前空气中含有微粒数的比值，即穿透滤层的微粒数与原有微粒数的比值，称为穿透率。影响深层过滤效率的因素：微粒大小、介质种类、规格、填充度、介质层厚度以及空气气流速度等有影响。[1]对数穿透定律在研究空气过滤器的过滤规律时，先排除一些复杂的因素，假定条件：A、过滤器中过滤介质每一纤维单独发挥作用；B、空气中的微粒与纤维表面一接触即被吸附，且不再被气流卷起带走；C、过滤器的过滤效率与空气中微粒浓度无关；D、空气中微粒在滤层中的均匀递减。对数穿透定律函数关系对数穿透定律：空气通过单位虑层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度呈正比，-dN/dL=KN[dN/dL：单位虑层虑去的微粒数