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第2章空气净化除菌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。2.1空气净化除菌的方法与原理2.1.1发酵工程对空气无菌程度的要求1.空气组成及主要杂质地域（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)保证连续提供足量的无菌压缩空气;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(染菌率)为10-3。10-3失败率表示1000次培养所用的无菌空气只允许1次染菌机会。对于无菌度要求稍低的发酵品种,也可以把100级作为发酵生产无菌空气的洁净指标。100级为每立方米空气中,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/m32.1.2空气除菌的常用方法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。目前仅用于表面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。图2-1利用空压机所产生的热来进行灭菌流程示意图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。4介质过滤除菌图2-2静电除尘器及除尘机理图示2.1.3空气介质相对过滤除菌基本原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。1惯性冲击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。2拦截作用当微粒直径小、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布朗扩散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。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的增加而降低，扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能截流起主要作用。2.1.4介质过滤除菌的计算过滤效率：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。1.对数穿透定律空气通过单位滤层后,微粒浓度下降量与进入此介质的空气中的微粒浓度成正比,即:-dN/dL=KN1假定：过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近纤维的存在而受影响；空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流带走；过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；空气中的微粒在滤层中递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体将上式整理,积分后为:2.2空气介质过滤除菌流程2.2.1空气净化的工艺要求2.2.2过滤除菌的一般工艺流程1两级冷却、加热除菌流程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：采用高效率的前置过滤设备，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。2.2.3改进的过滤除菌工艺1.以电脑式空气滤洁器代替高空采风塔用电脑控制，可以自洁、除尘效率高，可选用定时自洁、定负压自洁和手动自洁等不同模式。不受潮湿气候影响、能耗小、阻力损失小、占地面积小、安装方便和滤芯使用寿命长。2.3过滤介质和空气预处理设备按过滤介质孔隙将空气过滤分2类：深层过滤:介质间孔隙大于微生物直径,故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的,这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料);绝对过滤:介质的孔隙小于细菌,含细菌的空气通过介质,细菌就被截留于介质上而实现过滤除菌。如用聚四氟乙烯或纤维素酯材料做成的微孔滤膜。2.3.1空气过滤介质1、常用的过滤介质除菌效率高、高温灭菌、不易受油水沾污而降低除菌效率；对气体的阻力小、成本低、来源充足、经久耐用且便于调整更换操作。传统空气过滤介质：棉花、活性炭和超细玻璃纤维等。超细玻璃纤维纸的除菌效率好，但易为油、水所沾污。在空气预处理较好的情况下，采用超细玻璃纤维纸作为总过滤器及分过滤器的过滤介质，除菌效率高。在空气预处理较差的情况下，其除菌效率较差。棉花和活性炭，因介质层厚、体积大、吸油水的容量大，受油、水影响要比超细玻璃纤维纸好一些，调换过滤介质时劳动条件差。新型过滤介质：烧结材料、多孔材料等。烧结金属板、烧结金属管常用作分过滤器介质。微孔过滤介质，如硝酸纤维酯类和聚四氟乙烯类微孔滤膜，在有预过滤的情况下，能绝对过滤干燥或潮湿的空气中平均直径大于孔径(0.2μm)的所有微生物，是当前生产上采用的过滤介质。2、空气过滤对无菌滤膜的要求在生产应用中，采用加热灭菌法使安装在过滤器中的过滤膜无菌化。无菌过滤膜在应用中注意点：（1）使用温度≤150℃，在使用寿命期限内可以经受反复灭菌热冲击而不发生变形、变性等造成密封失效的可能。（2）永久的疏水性能，即膜面不能形成水滴。（3）所采用的材料不能被微生物所吸收利用。（4）膜的最大孔径需保证对微生物的绝对阻留。（5）在高温高湿下保持耐腐蚀性，能经受高温干燥的空气运行。（6）安装、更换和维修方便。2.3.2介质过滤除菌中的空气预处理设备1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。2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（平板式）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。水雾除尘装置空气从设备底部进口管吸入,经装置上部喷下的水雾洗涤,将空气中的灰尘、微生物颗粒黏附沉降,从装置底部排出,而带有水雾的洁净空气,经上部过滤网过滤后进入压缩机。（3）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。1、涡轮式空压机由电动机通过增速装置直接带动涡轮高速旋转，将空气吸入并使之获得较高的离心力，甩向叶轮外圆周，部分动能转变为静压能，由压出管排出。国产的涡轮空压机的型号有DA型和SA型，D代表单吸、S代表双吸、A代表涡轮压气机。DA350-41表示：单吸涡轮空压机，供气量为350m3/min，出口压强为4kg/cm2，此机第一次设计产品。特点：为供气量大，出口压强稳定，输出的压缩空气不含油雾。与往复式空压机相比，功率消耗较小，结构紧凑，占地面积较小，但其技术管理要求较高。（4）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。（5）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。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。列管式热交换器换热器（6）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。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％。不锈钢丝网除沫器（7）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。2.3.3空气过滤器1.纤维及颗粒状介质过滤器2.纸过滤器3.金属烧结管式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。金属烧结滤芯4.微孔滤膜过滤器属于绝对过滤器，过滤介质的孔隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中的所有杂菌完全滤除。常用的膜材料:混合纤维素酯微孔滤膜、醋酸纤维膜、硅酸硼纤维微孔滤膜、聚四氟乙烯微孔滤膜。其中聚四氟乙烯膜最为常用,它能滤除大于0.1μm以上的微粒和微生物。为增强过滤膜的强度，将过滤膜制做成折叠型，并把附加里衬的滤膜绕在不锈钢中心柱上，外加耐热的聚丙烯外套。为延长微孔膜的使用寿命，在其前加装相匹配的空气预过滤器和蒸气过滤器，以除去管道内的铁锈、污垢和微粒等对微孔膜的污染。2.3.4过滤器的使用当用蒸气灭菌时，先将蒸汽管和过滤器内部的冷凝水全部排放掉，灭菌蒸汽的压力保持在0.17—0.2MPa(表压)。将夹套预热，然后将蒸汽直接通入介质层中。小型过滤器的灭菌时间约为0.5h，蒸汽从上向下冲；大型过滤器的灭菌时间约为lh，蒸汽一般先从下向上冲0.5h，再从上向下冲0.5h。过滤器灭菌后立即引入无菌