【正文】 撞，即在氣流的任一處，微粒也隨氣流改變運(yùn)動(dòng)方向繞過(guò)纖維前進(jìn)，即 b＝ o 時(shí)，慣性力無(wú)因次準(zhǔn)數(shù) φ＝ 1/16，纖維的碰撞滯留效率等于零，這時(shí)的氣流速度稱為慣性碰撞的臨界速度 vc。 vc 是空氣在纖維網(wǎng)格間隙的真實(shí)速度，它與容器空截fdb?1?sPamkgmdmdsmvcdvdcppffpp??：空氣粘度，；：微粒密度，；：微粒直徑，；：纖維直徑，；速，：微粒（即空氣）的流：層流滑動(dòng)修正系數(shù)；式中?????3003//)1(18面時(shí)空氣速度 vs 的關(guān)系受填充密度 α的影響。 臨界速度 vc的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。圖 14— 4 表示了幾種不同直徑的微粒對(duì)不同直徑纖維的臨界速度。 圖 74 空氣的臨界速度 vc 二、攔截捕集作用 氣流速度降低到慣性捕集作用接近于零時(shí)，此時(shí)的氣流速度為臨界速度。氣流速 度在臨界速度以下時(shí)，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著下降。但實(shí)踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對(duì)微粒的捕集效率又回升，說(shuō)明有另一種機(jī)理在起作用，這就是攔截捕集作用。 微生物微粒直徑很小，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在的主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻，從而改變流動(dòng)方向，繞過(guò)纖維前進(jìn)，而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢，進(jìn)到滯流區(qū)的微粒慢惕靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱為攔截捕集作用。攔截捕集作用對(duì)微粒的捕集效率與氣流的雷諾準(zhǔn)數(shù)和微粒與纖維直徑比的關(guān)系，可以總結(jié)成下 面的經(jīng)驗(yàn)公式： 此公式雖然不能完善地反映各參數(shù)變化過(guò)程纖維截留微粒的規(guī)律，但對(duì)氣流速度等于或???vdmdmdddRRRRRRffpfp????????????????ReRe)2(11)1()1l n ()1(2R e )(212：氣流的雷諾準(zhǔn)數(shù)。；：纖維直徑，；：微粒直徑，；，：微粒和纖維的直徑比式中小于臨界速度時(shí)計(jì)算得的單纖維截留效率還是比較接近實(shí)際的。 3，擴(kuò)散捕集作用 直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的距離很短，在較大的氣流速度和較大熱纖維間隙中是不起作用的，但在狠慢的氣流速度和較小的纖維間隙中，擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機(jī)會(huì)，從而被捕集。 設(shè)微粒擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的最大距離為 2x，則離纖維 2x 處氣流中的微粒都可能因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與纖維接觸，滯留在纖維上，這就增加了纖維的捕 集效率。擴(kuò)散捕集效率的計(jì)算可用攔截捕集的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，但其中微粒的直徑應(yīng)以擴(kuò)散距距離代入計(jì)算，故得下式： 三、重力沉降作用 微粒雖小，但仍具有重力。當(dāng)微粒重力超過(guò)空氣作用于其上的浮力時(shí)，即發(fā)生一種沉降加速度。當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就發(fā)生沉降現(xiàn)象。就單一重力沉降而言，大顆粒比小顆粒作用顯著，一般 50μm 以上的顆粒沉降作用才顯著。對(duì)于小顆粒只有氣流速度很慢時(shí)才起作用。重力沉降作用一般是與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)。微粒的沉降作用提高了攔截捕集作用。 5，靜電吸附作用 圖 75 單纖維除菌總效率和氣流速度的關(guān)系 干空氣對(duì)非導(dǎo)體的物質(zhì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，對(duì)于纖維和樹脂處理過(guò)的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。有人測(cè)定微生物孢子帶電情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，約有 75％的孢子具有 l~60 負(fù)電荷單位， 15％的孢子帶有 5~14正電荷單位，其余 10％則為中性，這些帶電荷的微粒會(huì)被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過(guò)濾效能應(yīng)是表面吸附作用。 ? ?。：絕對(duì)溫度，：波爾曼常數(shù)；；：微粒擴(kuò)散率；式中KTKdc K TBBvdBdxdxdxdxdxpMMfMfffff???3//R e )(2)3(211)21()21l n ()21(2R e )(21313?????????????????????????上述機(jī)理中，有時(shí)很難分辨是哪一種單獨(dú)起作用。圖 75 是單纖維除菌總效率 ηs(包括慣性、擴(kuò)散、攔截等作用 )與氣流速度的關(guān)系?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)氣流速度較大時(shí) (約大于 )，慣性捕集是主要的。而流速較小時(shí)，擴(kuò)散作用占優(yōu)勢(shì)。前者的除菌效率隨氣流速度增加而增加，后者則相反。而在兩者之間，在 ηs 極小值附近，可能是攔截作用占優(yōu)勢(shì)。 以上幾種作用機(jī)理在整個(gè)過(guò)程中，隨著參數(shù)變化有著復(fù)雜的關(guān)系，目前還未能作準(zhǔn)確的理論計(jì)算。 第四節(jié) 空氣過(guò)濾除菌的流程 一、空氣凈化的工藝要求 空氣過(guò)濾除菌流程是生產(chǎn)對(duì)無(wú)菌空氣要求具備的參數(shù) (如無(wú)菌程度、空氣壓力、溫度等 )，并結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用空氣除菌 設(shè)備的特性，根據(jù)空氣的性質(zhì)而制訂的。 對(duì)于一般要求的低壓無(wú)菌空氣，可直接采用一般鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過(guò)濾器，經(jīng)一、二次過(guò)濾除菌而制得。如無(wú)菌室、超凈工作臺(tái)等用作層流技術(shù)的無(wú)菌空氣就是采用這種簡(jiǎn)單流程。自吸式發(fā)酵罐是由轉(zhuǎn)子的抽吸作用使空氣通過(guò)過(guò)濾器而除菌的。而一般的深層通風(fēng)發(fā)酵，除要求無(wú)菌空氣具有必要的無(wú)菌程度外，還要具有一定高的壓力，這就需要比較復(fù)雜的空氣除菌流程。 供給發(fā)酵用的無(wú)菌空氣，需要克服介質(zhì)阻力、發(fā)酵液靜壓力和管道阻力，故一般使用空壓機(jī)。從大氣中吸入的空氣常帶有灰塵、沙土、細(xì)菌等；在壓縮過(guò)程中，又會(huì)污 染潤(rùn)滑油或管道中的鐵銹等雜質(zhì)?？諝饨?jīng)壓縮，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，出口空氣的溫度在 120~160176。C之間，起到一定的殺菌作用，但在空氣進(jìn)入發(fā)酵罐前，必須先行冷卻；而冷卻出來(lái)的油、水，又必須及時(shí)排出，嚴(yán)防帶入空氣過(guò)濾器中，否則會(huì)使過(guò)濾介質(zhì) (如棉花等 )受潮，失去除菌性能?？諝庠谶M(jìn)入空氣過(guò)濾器前，要先經(jīng)除塵、除油、除水，再經(jīng)空氣過(guò)濾器除菌，制備凈化空氣送入發(fā)酵罐，供菌體生長(zhǎng)與代謝的需要。 (1)首先將進(jìn)入空壓機(jī)的空氣粗濾，濾去灰塵、沙土等固體顆粒。這樣還有利于空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高空壓機(jī)的壽命。 (2)將經(jīng) 壓縮后的熱空氣冷卻，并將析出的油、水盡可能地除掉。常采用油水分離器與去霧器相結(jié)合的裝置。 (3)為防止往復(fù)壓縮機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，和一般的空氣供給一樣，流程中需設(shè)置一個(gè)或數(shù)個(gè)貯氣罐。 (4)空氣過(guò)濾器一般采用二臺(tái)總過(guò)濾器 (交叉使用 )和每個(gè)發(fā)酵罐單獨(dú)配備分過(guò)濾器相結(jié)合的方法。以達(dá)到無(wú)菌。 二、過(guò)濾除菌的一般流程 空氣過(guò)濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進(jìn)行壓縮前過(guò)濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。從空氣壓縮機(jī)出來(lái)的空氣 (一般壓力在 以上，溫度 120~160176。C)，先冷卻至適當(dāng)溫度(20~25176。C)除去油和水，再加熱至 30~35176。C，最后通過(guò)總空氣過(guò)濾器和分過(guò)濾器 (有的不用分過(guò)濾器 )除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空氣。一般，空氣凈化采取如圖 76 所示的工藝流程。 在上述工藝過(guò)程中，各種設(shè)備系圍繞兩個(gè)目的：一是提高壓縮前空氣的質(zhì)量 (潔凈度 )；另一個(gè)是去除壓縮空氣中所帶的油和水。 1，提高壓縮前空氣的質(zhì)量 主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強(qiáng)吸入空氣的壓縮前過(guò)濾。 (1)空氣吸氣口 提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。據(jù)報(bào)道，吸 氣口每提高 3． 05m，微生物數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于空氣中的微生物數(shù)量因地區(qū)、氣候而不同；因此吸氣口的高度也必須因地制宜，一般以離地面 5~10m 為好。在吸氣口處需要設(shè)置防止顆粒及雜物吸入的篩網(wǎng) (也可以裝在粗過(guò)濾器上 )，以免損壞空氣壓縮機(jī)。如果將粗過(guò)濾器提高到相當(dāng)于吸氣口的高度，則不需另設(shè)吸氣口。 (2)粗過(guò)濾器 吸入的空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)前先通過(guò)粗過(guò)濾器過(guò)濾，可以減少進(jìn)入空氣壓縮機(jī)的灰塵和微生物，減少往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞和氣缸的磨損，減輕介質(zhì)過(guò)濾除菌的負(fù)荷。常用的粗過(guò)濾器有油浸鐵絲網(wǎng)、泊浸鐵環(huán)和泡沫塑料等。 2，去除壓縮空氣中所帶的油和水 空氣中的微生物通常不單獨(dú)游離存在，而依附在塵埃和霧滴上。因此，空氣進(jìn)入壓縮機(jī)前應(yīng)盡量除去塵埃和霧滴?？諝庵械撵F滴不僅帶有微生物，還會(huì)使空氣過(guò)濾器中的過(guò)濾介質(zhì)受潮而降低除菌效率，以及使空氣過(guò)濾器的阻力增加。為此，必須設(shè)法使進(jìn)入過(guò)濾器的空氣保持相對(duì)濕度在 50~60％左右。從空氣壓縮機(jī)出來(lái)的空氣，溫度為 120176。C(往復(fù)式壓縮機(jī) )或150176。C(渦輪式壓縮機(jī) )，其相對(duì)濕度大大降低，如果在此高溫下就進(jìn)入空氣過(guò)濾器過(guò)濾，可以減少壓縮空氣中夾帶的水分，使過(guò)濾介質(zhì)不致受潮。但是一 般的過(guò)濾介質(zhì)耐受不了這樣高的溫度。因此，壓縮空氣一般先通過(guò)冷卻，降低溫度，提高空氣的相對(duì)濕度，使其達(dá)到飽和狀態(tài)并處于露點(diǎn)以下，使其中的水分凝結(jié)為水滴或霧沫，從而將它們分離除去。冷卻去水后，再將壓縮空氣加熱，降低其相對(duì)濕度，使其未除去的水分不致凝結(jié)出來(lái)，然后進(jìn)行過(guò)濾。 空氣通過(guò)往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸后縮帶來(lái)的油霧滴，同樣會(huì)粘附微生物，降低過(guò)濾器的除菌效率及使過(guò)濾阻力增大，但通過(guò)冷卻后可以和水一起分離除去。如果往復(fù)式壓縮機(jī)采用半無(wú)油潤(rùn)滑或無(wú)油潤(rùn)滑，則可以大大降低壓縮空氣的油霧含量?，F(xiàn)將去除油、水的工藝過(guò)程所需設(shè)備及 其作用概述如下。 （ 1）一級(jí)空氣冷卻器 用 30176。C 左右的水，把從壓縮機(jī)出來(lái)的 120176。C 或 150176。C 的空氣冷卻到 40~50176。C 左右。 （ 2）二級(jí)空氣冷卻器 用 9176。C 冷凍水或 15~18176。C 地下水，把 40~50176。C 的空氣冷卻到 20~25176。C。冷卻后的空氣，其相對(duì)濕度提高到 100%，由于溫度處于露點(diǎn)以下，其中的油、水即凝結(jié)為油滴和水滴。 （ 3）空氣貯罐 用以沉降大的油滴和水滴及穩(wěn)定壓力。 （ 4）旋風(fēng)分離器 用以分離 50μm 以上的液滴及部分較小的液滴。 （ 5）絲網(wǎng)除沫器 用以分離 5μm 以上的液滴。使用絲網(wǎng)除沫器需控制 好空氣的流速，并不斷去掉凝結(jié)下來(lái)的油水。在空氣壓力為 （表壓）的情況下，最佳的空氣流速應(yīng)為 1~2m／ s(空床速度 )，在此操作條件下可以去掉較小的霧滴。 （ 6）空氣加熱器 分離油、水以后的空氣的相對(duì)濕度仍然為 100％，當(dāng)溫度稍微下降時(shí) (例如冬天或過(guò)濾器阻力下降很大時(shí) )就會(huì)析出水來(lái)，使過(guò)濾介質(zhì)受潮。因此，還必須使用加熱器來(lái)提高空氣溫度，降低空氣的相對(duì)濕度 (要求在 60％以下 )，以免析出水來(lái)。 除空氣預(yù)處理外，影響空氣除菌的重要因素還有空氣過(guò)濾器的過(guò)濾介質(zhì)及操作。 第五節(jié) 介質(zhì)過(guò)濾除菌的設(shè) 備及計(jì)算 一、深層過(guò)濾效率和過(guò)濾器的計(jì)算 過(guò)濾效率就是濾層所濾去的微粒數(shù)與原來(lái)微粒數(shù)的比值，它是衡量過(guò)濾器過(guò)濾能力的指標(biāo)： N2／ Nl：過(guò)濾前后空氣中的微粒含量比值，即穿透濾層的微粒數(shù)與原有微粒數(shù)的比值，稱為穿透率。 實(shí)踐證明，空氣過(guò)濾器的過(guò)濾效率主要與微粒的大小、過(guò)濾介質(zhì)的種類和規(guī)格 (纖維直徑 )、介質(zhì)的填充密度、介質(zhì)層厚度以及氣流速度等因素有關(guān)。 1，對(duì)數(shù)穿透定律 研究過(guò)濾器的過(guò)濾規(guī)律時(shí)，先排除一些復(fù)雜的因素，假定： (1)過(guò)濾器中過(guò)濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰近纖維的存在而受影響； (2)空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流帶走； (3)過(guò)濾器的過(guò)濾效率與空氣中微粒的濃度無(wú)關(guān)； (4)空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。這樣，空氣通過(guò)單位濾。層后，微粒濃度下降量與進(jìn)入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比，即： 含量。：過(guò)濾后空氣中的微粒含量；：過(guò)濾前空氣