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第二章第二章 发酵用压缩空气预处理及除菌设备发酵用压缩空气预处理及除菌设备.绝大多数工业微生物发酵都是利用好氧性微生物进行深层悬浮纯种培养过程，在培养过程中需要连续通入大量无菌空气，以供生产菌生长和合成产物之用。.第一节 供发酵工厂使用的无菌空气质量指标1.压缩空气的压强 0.20.35MPa2.空气流量 根据发酵罐的体积确定3.空气的温度 压缩空气的温度比发酵温度高104.相对湿度 进入总过滤器的压缩空气相对湿度控制在 60%-70%5.洁净度 压缩空气中含菌量降至零或达到洁净度100级 .第二节 压缩空气的预处理及工艺流程设计一、压缩空气预处理的目的 为了保证总过滤器内过滤介质的干燥，不应因压缩空气中夹带的水滴、油滴受潮引起介质的结团变形而失效，因此在进入总过滤器之前要把压缩空气中夹带的水滴、油滴除去。.第二节 压缩空气的预处理及工艺流程设计二、压缩空气的冷却 空气压缩过程，压强与温度关系式中，T1、T2为压缩前后的绝对温度，K；p1、p2为压缩前后空气的绝对压强，pa；一般发酵工厂净化系统设计时取K=1.3.例1 20的大气经空气压缩机的压缩，空压机空气出口压强为表压0.2MPa，问此时压缩空气的温度是多少？解：T1=273+20=293K p1=0.101MPa p2=0.301MPa，K取1.3 因此从压缩机输出的高温压缩空气必须进行适当冷却，再进入总过滤器进行除菌处理。.三、压缩空气的除水原理及压缩空气预处理系统的工艺流 程设计1.压缩空气的除水原理 压缩空气冷却到露点，即有水分析出，为了防止压缩空气把析出的水分带入总过滤器，必须在空气进入总过滤器之前把其夹带的水分除掉。空气的相对湿度、空气中的水分分压与空气中湿含量的关系如下：为空气相对湿度，%；x为空气中湿含量，kg/kg(水汽/干空气)；pw为空气中的水气分压，pa；ps为与空气同温度的水的饱和蒸气压，pa；p为空气的总压强.若空气的湿含量x、温度t不变，空气压强越大相对湿度也越大。压缩空气在预处理过程中无相变，即x1=x2，下式成立：为空气压缩前后相对湿度，%；ps1和ps2分别为与空气同温度的水的饱和蒸气压，pa；p1和p2为压缩前后空气的绝对压强，pa。.例2 空压机吸入温度为20，相对湿度80%的空气当压缩到0.2MPa（表压），温度为120，问（1）此时压缩空气的相对湿度为多少？（2）若将上述压缩空气冷却到有水析出时，问冷却到多少摄氏度（露点）？解：（1）查空气20时ps1=2340Pa,120时ps2=198653Pa此时空气的相对湿度为2.8%.（2）当空气达到露点，即 由ps2查t2=34.5，即冷却到34.5时开始有水析出。.例3 若将例2的压缩空气冷却至25（压强不变），求（1）其湿含量是多少？（2）每千克干空气能析出多少水？查得25时ps=3.1677kPa。解（1）湿含量为（2）已知：每千克干空气能析出水=x1-x2=0.0117-0.00661=0.0051kg.例4 若将例3中已析出水分的压缩空气加热到35（压强保持不变），问其相对湿度为多少？查得35时ps=5.623kPa解：由此例题，将析出水的压缩空气加热可以降低其相对湿度，防止过滤器的过滤介质因受潮而失效，因此进入总过滤器前的压缩空气加热，控制相对湿度在60%-70%之间。.第三节 压缩空气预处理系统的设备.空气中微生物的分布空气中微生物的分布 空气中微生物的含量和种类，随地区、季节、空气中灰尘粒子多少以及人们的活动情况而异。北方气候干燥、寒冷，空气中的含菌量较多;离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空 气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为30008000个/米3空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母、霉菌和病毒。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103104个/米3。灰尘粒子的平均大小约0.6m左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1m）.空气除菌的方法空气除菌的方法 （一）热杀菌（一）热杀菌（二）静电除菌（二）静电除菌（三）介质过滤除菌三）介质过滤除菌（四）辐射杀菌四）辐射杀菌.（一）热灭菌法（一）热灭菌法热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力。所以，空气热灭菌时所需的温度可直接利用空气压缩时温度升高而实现。空气热灭菌时所需的温度可直接利用空气压缩时温度升高而实现。空气压缩后温度能达到200度以上，保持一定时间后，便可实行干热杀菌。利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气有特别意义。.（二）静电除菌（二）静电除菌原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌 目的。目的。优点 阻力小，约1.013104Pa 染菌率低，平均低于10-15 可除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去微生物。除水、除油的效果好 耗电少 缺点设备庞大、一次性投资较大、静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。.（三）介质过滤除菌滤材滤材孔孔洁净气体洁净气体含微生物的气体含微生物的气体介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤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，而层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。达到除菌的目的。是大多数发酵厂广泛采用的方法。.空气过滤除菌原理空气过滤除菌原理一般只有过滤介质的间隙小于颗粒直径，才能起到过滤作用。而在空气介质过滤除菌过程中过滤介质的间隙往往大于颗粒（微生物）直径。当气流通过滤层时由于滤层纤维网格的层层阻碍，迫使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，从而导致微粒对滤层纤维产生惯惯性性冲冲击击、重重力力沉沉降降、拦拦截截、布布朗朗扩扩散散、静静电吸附电吸附等作用而把微生物滞留在纤维表面。.、布朗扩散截留作用：直径小于1m的微粒在运动中往往产生一种不规则的布朗运动，使微粒间相互凝集成较大的粒子，从而发生重力沉降或被介质截留。但是这种作用只有在气流速度较低时才较显著。.微粒随空气气流向前运动，当气流为层流时，随气流运动的粒子在接近纤维表面的部分由于与过滤介质接触而被纤维吸附捕集，这种作用称之为阻拦截留。空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦截留作用愈大。但是在介质过滤的除尘除菌中，阻拦截留并不起主要作用。、阻拦截留：.空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力。当微粒随气流以一定速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改变运动方向时，由于微粒具有的惯性作用使它们仍然沿原来方向前进碰撞到纤维表面，产生摩擦粘附而使微粒被截留在纤维表面，这种作用称惯性碰撞截留。截留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈大，惯性力越大，截留效果也愈好。此外，惯性碰撞截面作用也与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好。惯性碰撞截留在介质除尘中起主要作用。、惯性碰撞截留：.惯性碰撞截留.、重力沉降作用机理、重力沉降作用机理重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降。就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。.、静电吸附作用机理、静电吸附作用机理干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。.当空气流过介质时，上述五种除菌机理同时起作用，不过气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能是截留起主要作用。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，此时惯性冲击起主要作用；如果空气流速过大，除菌效率又下降，则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中。下图表示气流速度与单纤维除菌效率的关系。.（四）辐射灭菌法 最常用的是用紫外光线进行无菌室灭菌。它的主要作最常用的是用紫外光线进行无菌室灭菌。它的主要作用是使微生物的用是使微生物的DNA分子产生胸腺嘧啶二聚体，导致分子产生胸腺嘧啶二聚体，导致细胞死亡。细胞死亡。紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置于紫外光直接照射下，而且在一定范围内作用强度与距离平方成反比。此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在无菌室操作时应关闭紫外灯。.发酵生产中制备无菌空气的大致过程 压缩空气预处理系统的设备流程压缩空气预处理系统的设备流程.两级冷却、加热除菌流程两级冷却、加热除菌流程3035度大部分的水、油都结成较大的雾粒，且浓度较大，可在此分离2025度分离直径较小的雾粒空气湿度由100%降至50%60%该流程适宜于潮湿地区.特点：可省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。此流程适用于中等混合量的地区。冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程.特点：无菌程度高高效前置过滤空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程.利用热空气加热冷空气的流程利用热空气加热冷空气的流程.吸风塔空气压缩机车间建在上风向口；吸风塔的高度大于等于10米；为了防止雨水灌入，顶部设计有防雨罩。.粗过滤器 作用：安装在空压机前，主要捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。选型：过滤效率高、阻力小，以免增加空压机的吸入负荷和降低空压机的排气量。型式：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘。粗过滤器（1）水雾除尘器过滤效率：50%70%（对0.5m粒子）55%88%（对1.0m粒子）90%99%（对5m粒子）设计要点：洗涤室内空气流速不能太大，一般在12m/s的范围，否则带出水雾太多，会影响压缩机，降低排气量。水雾除尘器1-滤网 2-喷雾器 粗过滤器（2）油浴洗涤空气装置优点：分离效果比较好，阻力小。缺点：耗油量大。油浴洗涤空气装置 1-滤网 2-加油斗 3-油镜 4-油层 空气压缩机空气压缩机 根据发酵工艺所需的空气流量、克服压缩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。目前在发酵工厂使用的压缩机分为：涡轮式空气压缩机、往复式空气压缩机、螺杆式空气压缩机。涡轮式空气压缩机电机直接带动涡轮，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，使部分动能转变为静压后输出涡轮式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀、运转平稳、易损部件少、维护方便等特点，是非常理想的生物加工过程供气设备。离心式空气压缩机适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.250.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。.涡轮式空气压缩机适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.250.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。.往复式空气压缩机活塞在汽缸内的往复运动而将空气吸入和压出；出口压力不够稳定，产生空气的脉动。单缸和多缸，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等汽缸排列形式出口压力：高压（8100MPa）、中压（18MPa）、低压（1MPa以下）低压小型（1m3/min）是单缸，大多数是双缸二级压缩的：空气先进入第一级（低压）汽缸经压缩和冷却后进入第二级（高压）汽缸进行压缩，然后排出，以L形的设计最为普遍，额定出口压力为0.8MPa，可在0.40.8MPa的范围内进行调节。.空气贮罐空气贮罐安全阀人孔.空气贮罐作用消除压缩机排出空气时的脉动，维持稳定的空气压力；使高温空气在贮罐里停留一定的时间，起到部分杀菌作用；利用重力沉降作用分离部分油、水。.冷却器冷却器（1）一级空气冷却器 用30左右的水，把从压缩机出来的120 或150 的空气冷却到4050 左右。（2）二级空气冷却器 用9 冷冻水或1518地下水，把4050 的空气冷却到2025。冷却后的空气，其相对湿度提高到100%，由于温度处于露点以下，其中的油、水即凝结为油滴和水滴。.空气除菌中除去水雾油雾的原因：空气除菌中除去水雾油雾的原因：（1）水雾油雾导致传热系数降低，给空气冷却带来困难。（2）如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞 过滤介质的纤维空隙，增大空气压力损失。（3）黏附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层 的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而 破坏过滤效果。.油、水分离设备油、水分离设备冷却后的压缩空气，会有来自空压机的润滑油，尤其是往复式空压机。如果冷却温度低于露点，空气中还会有水和油。所以在冷却器后面安置了气液分离设备，除去空气中的水和油，以保护过滤介质。利用离心力沉降的旋风分离器利用惯性拦截的介质分离器.油、水分离设备初级分离水滴或油滴设备采用旋风分离器，其对10m直径的水滴除去效率在60%70%，除去3040m大小粒子的效率在90%左右。若要除去25m大小的水滴或油滴采用金属丝网除沫器。在发酵工厂一般采用旋风分离器作为粗除水器，在其后安装金属丝网除沫器作为精细除水器。.空气过滤器过滤效率 过滤除菌效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，是衡量过滤设备的过滤效能的指标：式中 N1过滤前空气中微粒含量，个/m3；N2过滤后空气中微粒含量，个/m3；过滤前后空气中微粒浓度的比值，即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值，称为穿透率。空气过滤器对数穿透定律假定：流经过滤介质的每一纤维的空气流态并不因其它 临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 被气流卷走；过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关；空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄 层除去同样百分率的微粒数。在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正比。.空气过滤器式中 N空气中微粒浓度，个/m3 L滤层厚度；dN/dL单位滤层除去的微粒数，个/m K过滤常数，1/m把上式整理并积分得：深层介质过滤除菌的对数穿透定律 或 空气过滤器 为了实验和计算方便，可采用过滤效率为0.9时滤层厚度L90作为对比基准，有：即故得 从上式可见，可把常数 K理解为过滤效率为90%时所需滤层的倒数。因此，可以依据一系列的L90实验数据，设计新过滤器。空气过滤器df=16 m玻璃纤维的L90.空气过滤器 过滤压力降过滤压力降可以由下面经验公式计算：（Pa）式中 L过滤层厚度，m 空气密度kg/m3 介质充填系数 v空气实际在介质间隙中的速度，m/s vs过滤器空罐空气流速,m/s空气过滤器df纤维直径mm实验指数 棉花介质 m=1.45 19m玻璃纤维 m=1.35 8m玻璃纤维 m=1.55C阻力系数(是Re的函数）当以棉花作为过滤介质时，C100/Re 当以玻璃纤维作为介质时，C52/Re.空气过滤器 过滤介质对过滤介质的要求：吸附性强、阻力小、空气流量大、耐干热。常用的过滤介质：棉花（未脱脂）、活性炭、玻璃 纤维、超细玻璃纤维纸、化学纤维等。.空气过滤器棉花（未脱脂）：传统的过滤介质，工业规模和实验室均 使用。棉花纤维直径一般为1621m，装填密度达 150200kg/m3为好。玻璃纤维：普通玻璃纤维直径为819 m，强度低，充填系数采用6%10%，它的阻力比棉花小。硅硼玻璃纤维，可得较细直径（0.30.5 m）的高强度纤维，用其制成23mm厚的滤材，可滤除0.01m的微粒，可除去噬菌体和所有的微生物。.空气过滤器 活性炭：比表面积大，主要通过吸附作用截留微生 物。其粒子间隙大，对空气阻力比棉花小；强度低、破碎后增大气流阻力，一般装在两 层棉花中使用，用量为总滤层的1/31/2。超细玻璃纤维纸：直径为11.5 m,所形成的网格孔隙 为0.55 m,比棉花小1015倍,故有较高的过滤 效率。但抗湿性差、强度差。.空气过滤器烧结材料过滤介质：烧结聚合物，如聚乙烯醇过滤板PVA。微孔多，间隙中等，过滤效率高，且耐高温。属高气流速度型，对流速十分敏感。新型过滤介质材料：可耐蒸汽杀菌的膜材PVDF（聚偏氟乙烯）和PTFE（聚四氟乙烯）；可以滤除噬菌体的膨化PTFE。空气加热器分离油、水以后的空气的相对湿度仍然为100，当温度稍微下降时(例如冬天或过滤器阻力下降很大时)就会析出水来，使过滤介质受潮。因此，还必须使用加热器来提高空气温度，降低空气的相对湿度(要求在60以下)，以免析出水来。.空气过滤器 过滤器的结构及计算 a 纤维介质深层过滤器 结构参数：直径D和有效滤层高L 式中 q空气流经过滤器时的体积 流量，m3/s vs空截面空气流速,m/s。一 般取0.10.3 m/s。深层纤维介质空气过滤器 1-进气口 2-压紧架 3-出气口 4-纤维介质 5-换热夹套 6-活性炭空气过滤器过滤器的有效介质高度L，按对数穿透定律计算。上下棉花层厚度为总过滤层的1/41/3；中间活性炭层占总过滤层的1/31/2。充填物的安装顺序：孔板铁丝网麻布棉花麻布活性炭棉花铁丝网孔板 过滤介质弹簧压紧装置 1-壳体 2-过滤介质 3-压紧孔板 4-压紧螺杆 5-压紧支座 6-弹簧套 7-弹簧空气过滤器 b 纤维纸平板过滤器：适应充填薄层的过滤板或过滤纸结构参数计算：（m）式中 V通过过滤器的空气 体积流量，m3/s vs通过过滤介质时的 空气流速，对于高速超细纤维纸可取1.01.5m/s,对于石棉 过滤板取0.81.0m/s 纤维纸平板过滤器5、空气过滤器 JPF多滤芯膜折叠空气过滤器1-滤芯 2-过滤器体 3-滤芯固定孔板 4-进气口 5-排污口 6-空气出口JPF多滤芯膜折叠空气过滤器c5、空气过滤器 过滤器的计算举例 试设计一台通风量为10m3/min的棉花过滤器。空气压强为392kPa（绝对压力），进入 过滤器的空气含菌量是5000个/m3，发酵周期 为100h，要求倒罐率为0.1%（即1000次发酵 周期漏进一个杂菌），工作温度为30。棉花纤维直径16m,充填系数=8%,空气流速vs=0.1m/s。空气过滤器a、计算滤层厚度L查得过滤常数K=13.5/m根据对数穿透定律计算过滤层厚度:每批发酵通风过滤前含菌总数为:N1=50001060100=3108(个)过滤后含菌数为10-3个代入求得过滤层厚度:空气过滤器b、计算过滤器直径D：进口空气压强 p1=98070Pa过滤工作压强 p2=392000Pa通气量 V1=10m3/min=0.19m3/s过滤器空气流量为：故过滤层直径（即过滤层内径）为：.空气过滤器C、计算过滤器压力损失P：据，而滤层中空气流速为：v=vs/(1-)=0.1/(1-0.08)=0.109m/s =0p2T0/(p0T2)=1.2934273/(273+30)=4.67kg/m3 =18.6 10-6Pas.空气过滤器以棉花为过滤介质时：c=100/Re=100/0.436=229 m=1.45代入变可求得过滤阻力损失：.过滤介质分类介质间孔隙大于微生物直径，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、烧结材料等而另一类孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。除去0.2m左右的粒子，故可以把生物全部过滤除去。.过滤器的功能过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。.表面或筛网过滤的局限表面或筛网过滤的局限4主要依靠直接拦截。小于孔径的颗粒将穿过。4惯性撞击无效.4扩散拦截有微效.深度过滤介质深度过滤介质4颗粒可以在表面被捕集4也可以在介质深度被捕集4因此，提高了容污能力.过滤器的功能n实际上，空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道”的结果对于污染物的去除起到了辅助作用 .过滤器的功能n n“弯曲通道弯曲通道”存在于：存在于：.习 题1.画出两级冷却、分离、加热除菌流程框图，并在框内标出设备名称，简要介绍每个设备作用。2.设计一台通风量为50m3/min的棉花活性炭空气过滤器，空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，已知棉花纤维直径 d=16 微米，填充系数=8%，空气线速度为 0.1 m/sec，若进入空气过滤器的空气含菌量是 5000 个/m3，要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%，发酵周期 100 hr。工作温度为 40，平均气温为 20，计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。已知棉花纤维的K值为0.135.