【正文】 層通風(fēng)發(fā)酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，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。 第四節(jié) 空氣過濾除菌的流程 一、空氣凈化的工藝要求 空氣過濾除菌流程是生產(chǎn)對(duì)無菌空氣要求具備的參數(shù) (如無菌程度、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。而流速較小時(shí)，擴(kuò)散作用占優(yōu)勢(shì)。 ? ?。 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的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。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。 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。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)。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。 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。微粒的運(yùn)動(dòng)慣性 越大，它受氣流換向干擾越小， b值就越大。 慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用，其大小取決于顆粒的動(dòng)能和纖維的阻力，也就是取決于氣流的流速。圖 143中的 df 為纖維斷面的直徑，當(dāng)微粒隨氣流以一定速度垂直向纖維方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，因障礙物 (介質(zhì) )的出現(xiàn)，空氣流線由直線變成曲線，即當(dāng)氣流突然改變方向時(shí)，沿空氣流線運(yùn)動(dòng)的微粒由于慣性作用仍然繼續(xù)以直線前進(jìn)。下面分述顆粒被捕獲的作用機(jī)理以及它們的大小和關(guān)系。 圖 73 單纖維空氣流程圖 圖 73 為一單纖維的流動(dòng)模型。 第三節(jié) 過濾除菌的機(jī)理 目前發(fā)酵工廠采用的空氣過濾設(shè)備大多數(shù)是深層過濾器和玻璃纖維過濾紙過濾器，所用的過濾介質(zhì)一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纖維、焦炭和超細(xì)玻璃纖維、維尼龍等。常用的過濾介質(zhì)有棉花；活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無機(jī)燒結(jié)材料等。 用靜電除菌凈化空氣有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)阻力小，約 104Pa； (2)染菌率低，平均低于 10~15％； (3)除水、除油的效果好； (4)耗電少。但對(duì)于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對(duì)微粒的拖帶力或微粒布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，則微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對(duì)很小的微粒效率較低?？諝獾膲毫p失小，一般僅 (3~15) 。 采用加熱滅菌法時(shí)，要根據(jù)具體情況適當(dāng)增加一些輔助措施以確保安全。壓縮后的空氣用管道或貯氣罐保溫一定時(shí)間以增加空氣的受熱時(shí)間，促使有機(jī)體死亡。 利用壓縮熱進(jìn)行空氣滅菌的流程見圖 71(a)。例如懸浮在空氣中的細(xì)菌芽孢在 218176。但應(yīng)用較廣泛的還是紫外線，它在波長(zhǎng)為 2265~3287A時(shí)殺菌效力最強(qiáng)，通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。同時(shí)，為了克服設(shè)備和管道的阻力并維持一定的罐壓，需采用空氣壓縮機(jī)。在使用之前必須加以處理以除去其中的有害成分。一般采用培養(yǎng)法和光學(xué)法測(cè)定其近似值。除氣體外，尚有懸浮在空氣中的灰塵，而灰 塵主要由構(gòu)成地殼的無機(jī)物質(zhì)微粒、煙灰和植物花粉等組成。但是在陰雨天氣或環(huán)境污染比較嚴(yán)重時(shí)，空氣中也會(huì)懸浮大量的活力較強(qiáng)的微生物，它進(jìn)入培養(yǎng)物的良好環(huán)境后，只要很短的調(diào)整期，即可進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期而大量繁殖?？偟膩碚f，影響因素是比較復(fù)雜的，需要根據(jù)具體情況而訂出具體的工藝要求。 各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數(shù)量也隨條件的變化而異，一般設(shè)計(jì)時(shí)以含量為 103~104 個(gè)／ m3 進(jìn)行計(jì)算。此種空氣稱為“無菌空氣”?？諝鈨艋姆椒ê芏?，但各種方法的除菌效果、設(shè)備條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各不相同。第六章 空氣除菌的工藝及設(shè)備 在發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)是利用好氣性微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，空氣則是微生物生長(zhǎng)和代謝必不可少的條件。實(shí)際生產(chǎn)中所需的除菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定，、既要避免染茵，又要盡量簡(jiǎn)化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力消耗。 二、空氣中微生物的分布 通常微生物在固體或液體培養(yǎng)基中繁殖后，很多細(xì)小而輕的菌體、芽孢或孢子會(huì)隨水分的蒸發(fā)、物料的轉(zhuǎn)移被氣流帶入空氣中或粘附于灰塵上 隨風(fēng)飄浮，所以空氣中的含菌量隨環(huán)境不同而有很大差異。 三、發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求 各種不同的發(fā)酵過程，由于所用菌種的生長(zhǎng)能力、生長(zhǎng)速度、產(chǎn)物性質(zhì)、發(fā)酵 周期、基質(zhì)成分及 pH 值的差異，對(duì)空氣無菌程度的要求也不同。一般按染菌機(jī)率為 103。一般細(xì)菌繁殖一代僅需 20~30min，如果進(jìn)入一個(gè)細(xì)菌，則繁殖 15h 后，可達(dá) 109 個(gè)。一般城市灰塵多于農(nóng)村，夏天多于冬天，特別是氣候溫和濕潤(rùn)地區(qū)，空氣中的菌量較多。前者在微生物學(xué)中已有介紹，后者系用粒子計(jì)數(shù)器通過微粒對(duì)光線的散射作用來測(cè)量粒子的大小和含量。對(duì)空氣的要求隨發(fā)酵類型不同而導(dǎo)，厚層固體曲需要的空氣量大，壓力不高，無菌度不嚴(yán)格，一般選用離心式通風(fēng)并經(jīng)適當(dāng)?shù)目照{(diào)處理 (溫、濕 )就可以了。 發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。但殺菌效率較低，殺菌時(shí)間較長(zhǎng)。C 下 24s 就被殺死。空氣進(jìn)口溫度為 21176。為防止空氣在貯罐中走短路，最好在罐內(nèi)加裝導(dǎo)筒。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)低，受熱不很均勻，同時(shí)在壓縮機(jī)與發(fā)酵罐間的管道難免有泄漏，這些因 素很難排除，因此通常在進(jìn)發(fā)酵罐前裝一臺(tái)空氣分過濾器。但對(duì)設(shè)備維護(hù)和安全技術(shù)措施要求較高。 靜電除菌裝置按其對(duì)菌體微粒的作用可分成電離區(qū)和捕集區(qū)。 缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，需要采用高壓電技術(shù)，且一次性投資較大；對(duì)發(fā)酵工業(yè)來說， — 其捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。由于被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小，一般只有 ~2μm，而過濾介質(zhì)的 材料一般孔徑都大于微粒直徑幾倍到幾十倍，因此過濾機(jī)理比較復(fù)雜。對(duì)不同的材料、不同 規(guī)格、不同填充情況，都會(huì)得到不同的過濾效果 空氣溶膠的過濾除菌原理與通常的過濾原理不一樣，一方面是由于空氣溶膠中氣體引力較小，且微粒很小，常見懸浮于空氣中的微生物粒子在 0． 5~2μm 之間，深層過濾所用的過濾介質(zhì) 棉花的纖維直徑一般為 16~ 20μm，填充系數(shù)為 8％時(shí)，棉花纖維所形成的孔隙為 20~50μm；超細(xì)玻璃纖維濾板因纖維直徑很小，為 1~1． 5μm，濕法抄制緊密度較大，所形成的網(wǎng)格孔隙為 0． 5~5μm。這是帶顆粒的氣流流過纖維截面的假想模型。 一、慣性捕集作用 在過濾器中的 濾層交錯(cuò)著無數(shù)的纖維，好像形成層層的網(wǎng)格，隨著纖維直徑減小，充填密度的增大，所形成的網(wǎng)格就越緊密，網(wǎng)格的層數(shù)也就越多，纖維間的間隙就越小。慣性使它離開 主導(dǎo)氣流；走的是圖中虛線的軌跡。慣性力與氣流流速成正比，當(dāng)流速過低時(shí)，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當(dāng)空氣流速增至足夠大時(shí)，慣性捕集則起主導(dǎo)作用。同時(shí)，實(shí)踐證明，捕集效率是微粒慣性力的無因次準(zhǔn)數(shù) φ的函數(shù)： ηl=f（ φ） 準(zhǔn)數(shù) φ與纖維的直徑、微粒的直徑、微粒的運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系為： 由上式可見，空氣流速 v0 是影響捕集效率的重要參數(shù)。 臨界速度 vc的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。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，說明有另一種機(jī)理在起作用，這就是攔截捕集作用。；：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。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。對(duì)于小顆粒只有氣流速度很慢時(shí)才起作用。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。：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。前者的除菌效率隨氣流速度增加而增加，后者則相反。 對(duì)于一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過濾器，經(jīng)一、二次過濾除菌而制得。 供給發(fā)酵用的無菌空氣，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)。空氣在進(jìn)入空氣過濾器前，要先經(jīng)除塵、除油、除水，再經(jīng)空氣過濾器除菌，制備凈化空氣送入發(fā)酵罐，供菌體生長(zhǎng)與代謝的需要。常采用油水分離器與去霧器相結(jié)合的裝置。 二、過濾除菌的一般流程 空氣過濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進(jìn)行壓縮前過濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。C，最后通過總空氣過濾器和分過濾器 (有的不用分過濾器 )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。 (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。如果將粗過濾器提高到相當(dāng)于吸氣口的高度，則不需另設(shè)吸氣口。因此，空氣進(jìn)入壓縮機(jī)前應(yīng)盡量除去塵埃和霧滴。C(往復(fù)式壓縮機(jī) )或150176。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，然后進(jìn)行過濾。 （ 1）一級(jí)空氣冷卻器 用 30176。C 左右。C 的空氣冷卻到 20~25176。 （ 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。 （ 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) (例如冬天或過濾器阻力下降很大時(shí) )就會(huì)析出水來，使過濾介質(zhì)受潮。 實(shí)踐證明，空氣過濾器的過濾效率主要與微粒的大小、過濾介質(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)。：過濾后空氣中的微粒含量；：過濾前空氣中的微粒式中21121 )4(NNNNN ??? 上式稱為對(duì)數(shù)穿透定律，它表示進(jìn)入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對(duì)數(shù)是濾層厚度的函數(shù)。于是 N1/N2＝ 1014，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，我們常把 Nl/N2＝ 1015 作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。但實(shí)際上，當(dāng)濾層較厚時(shí)，遞減就不均勻，即 K’值發(fā)生變化，濾層越厚，K’值變化越大。由此可見，要用一定高度的介質(zhì)過濾器取得較大的除菌效率，應(yīng)選用纖維較細(xì)而填充率較大的介質(zhì)，并采用較大的氣流速度。 二、計(jì)算舉例（自學(xué)） 參見《發(fā)酵工程與設(shè)備》 p98 三、空氣過濾器與過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)是過濾除菌的關(guān)鍵，它的好壞不但影響到介質(zhì)的消耗量、動(dòng)力消耗 (壓力降 )、勞動(dòng)強(qiáng)度、維護(hù)管理等，而且決定設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸，還關(guān)系到運(yùn)轉(zhuǎn)過程的可靠性。 1， 空氣過濾器 (1)纖維狀及顆粒狀介質(zhì)過濾器 圖 77 是深層棉花、活性炭