生化工程第三章 空气除菌.ppt

单击此处编辑母版标题样式,第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,空气是一种气态物质的混合物，除氧和氮外，还含有惰性气体、二氧化碳和水蒸气等。此外，尚有悬浮在空气小的灰尘，主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰、植物的花粉以及种类繁多的细菌和其他微生物所组成。,生物工程专业课程,空气除菌的目的及重要性,在好氧深层培养中，微生物细胞的繁殖代谢需要溶解氧，因为有氧氧化对生物体来说是能量放出最多的途径。,现在深层培养都是纯种培养，培养基接种之前都经过灭菌，通入的氧气也应是无菌的。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,通入的氧气（空气）的量有多大？,如：一个,50 m,3的发酵罐，装填系数,0.7,，通气量,0.8 v v m,，,170h,周期，那么每个培养周期需通入：,170600.80.750=2.8610,5,m,3,空气,每,m,3,大气中约含有,10,3,10,4,个微生物，多为细菌及孢子，也有真菌、酵母和病毒。在工程上如何解决向培养液提供大量无菌空气的问题？,工业上利用过滤方法制备大量无菌压缩空气，用过滤介质阻隔微生物。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,一、空气中的微生物,二、空气压缩过程中状态的变化,三、空气除菌方法,四、典型的空气除菌流程分析,五、空气过滤器设计,六、新型过滤器,本章内容：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气中微生物的数量与环境有密切的关系,.,一般干燥寒冷的北方，空气中含微生物量较少，而潮湿温暖的南方空气中含微生物量较多，城市空气中的微生物含量比人口稀少的农村多，地平面空气微生物含量比高空多。,一、空气中的微生物,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气中的微生物是依附在尘埃上的，空气中的尘埃数与细菌数的关系如下式。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,分布规律：,微生物在空气中的分布情况与空气环境因素有关，空气质量愈好，微生物的种类及数量愈低。发酵工厂通常采用高空采气的方法。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,理想状态的压缩循环,1,2,2a,3,4,5,6,V,V,1,V,2,p,1,p,2,p,0,二、,空气压缩过程中状态的变化,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,1,2,3,4,V,V,1,V,2,V,4,V,3,p,p,2,p,1,0,压缩机实际工作循环,V,1,V,3,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,容积系数,压缩机工作时，每次循环吸入气体的体积（,v,1,-,v,4,）与活塞扫过的体积（,v,1,-,v,3,）之比，用,0,表示,由于气体的压缩和膨胀过程中，伴随有温度的变化，即有多变性。设膨胀过程的多变指数为,K,，并以名义压力为基准，则对残留气体的膨胀过程可有以下方程：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,以,v,h,=,v,1,-,v,3,表示工作容积,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,压缩 空气的压缩过程可看作绝热过程，压缩后的空气温度与被压缩的程度有关。例,15,的空气由,110,5,Pa,被压缩到,310,5,Pa,（绝压）,则温度上升到,121,；如果压缩比更大，压缩空气的温度就更高。,若将高温压缩空气通入空气过滤器，可能引起过滤介质的炭化或燃烧，而且增大反应罐的降温负荷，给培养温度的控制带来困难，因此要将压缩空气降温。,压缩空气的冷却及除水除油,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,一般用列管式冷却器进行冷却，空气走壳程，冷却水走管程，传热系数大约在,60,120 J/m,2,s,。,冷却 相对湿度,、湿含量,X,（湿度）：,空气中水蒸汽分压与同温度时的饱和水蒸汽压力之比称为相对湿度,。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,P,W,：空气中水蒸汽的分压,P,S,：同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压,每,1kg,干空气中所含有的水蒸汽的,kg,数称为空气的湿含量。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,如果将,1,的湿空气冷却，开始一段时间,X,不变，则,P,W,也不变，但由于饱和水蒸汽压,P,S,随空气温度下降而下降，因此相对湿度逐渐增大。当相对湿度,升高到,1,时，空气中的水蒸汽已饱和，这时的温度称为,:,露点。,如果气体温度继续下降，空气中的水蒸汽开始冷凝成水，空气的相对湿度保持为,1,，湿含量,X,则开始下降，所以冷却过程可分为二段。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,第一段,T,第二段 ：,T,1,（,不变）,=1,X,不变,X,下降,等湿冷却 减湿冷却,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,压缩空气经冷却会有水滴出，混在空气中，如果使用活塞式空气压缩机，空气中还混杂有油滴（油作润滑作用），为了保证空气过滤器的效能，必须除去空气中的水份和油滴。,旋风分离器可分离空气中的滴液，但效果差。丝网除雾器对于直径,5,m,的滴液，除雾效率可达,99%丝网除雾器的阻力降很小，丝网除雾器通常用不锈钢丝网、铜网或塑料网填充。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,加热,经过冷却的空气的相对湿度是,100%,，会把过滤介质打湿，所以通入总过滤器前要降低,，采用的方法是加热使,下降到,50,60%,。,T,到发酵温度,X,不变,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,各种不同的培养过程，鉴于其所用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、培养周期的,长短以及培养基中,pH,值差异，对空气灭菌的要求也不相同。所以，对空气灭菌的要求应根据具体情况而定但一般仍可按,10,-3,的染菌概率，即在,1000,次培养过程中，只允许一次是由于空气灭菌不彻底而造成染茵，致使培养过程失败。空气净化的方法大致有如下几种。,三、,空气除菌方法,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,1.,加热灭菌,2.,辐射灭菌,3.,化学灭菌,4.,静电除尘,5.,介质过滤,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,加热灭菌,空气热灭菌法是基于加热后微生物体内的蛋白质,(,酶,),热变性而得以实现。它与培养基的加热灭菌相比，虽都是用加热法把微生物杀死，但两者的本质是有区别的。,鉴于空气在进入培养系统之前，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，就不必用蒸汽或其他载热体加热，而可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气经压缩后温度能够升到,200,以上，保持一定时间后便可实现干热杀菌。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具有特别的意义。,生化工程 第三章 空气除菌,许多微生物及其孢子都带有电荷，约有,75,的孢子带有,1-60,负电子单位，,15,的孢子带有,5 14,正电子单位，其余,l0,的孢子为中性。介质过滤中带电荷的粒子可被带相反电荷的介质吸引除去。,生物工程专业课程,静电除尘,静电除菌是利用静电引力来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，其孢子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。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降、所以静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,介质过滤,过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质、以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤除菌处理的空气可达到无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供好氧培养过程之用。该法是目前广泛应用来获得大量无菌空气的常规方法。在空气的除菌方法中，介质过滤除菌生产中使用最多。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气净化一般是把吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤，然后进入空气压缩机。从空压机出来的空气,(,一般压力在,l.96 10,5,Pa,以上，温度,120-150),。先冷却到适当的温度,(20-25),除去油和水，再加热，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。,四、典型的,空气除菌流程分析,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,page,31-32,低湿空气：,高空采气,无油润滑压缩,贮罐,冷却器,总过滤器,分过滤器,净化空气,发酵罐,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,高湿空气：,高空采气,无油润滑压缩,贮罐,冷却器,总过滤器,分过滤器,净化空气,发酵罐,油水分离器,除雾器,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,1.,捕集效率,分析过滤介质对微生物及尘埃颗粒的捕集是以统计分析为基础，基本的设想有三点：,充填于过滤床上的纤维纵横交错，构成一层层的纤维网格，设单位厚度过滤介质中有,层这样的网格。,五、,空气过滤设计,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,气流中的任一微粒，随气流经网格时，可能与纤维发生碰撞，其概率为,p,，,p,与纤维直径之比及气流状况有关。,如果微粒与,L,层网格纤维碰撞的次数小于,m,时，仍能返回气流中，从而透过过滤介质层。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,在这样的情况下，纤维滤床所捕集的微粒数,为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,当,m,0,时，表明微粒没有同纤维发生碰撞而穿过滤床，则上式变为：,两边取对数：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,对数穿透定律,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,当,m,0,时，如,m,=,m,时，则上式变为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,上式可简写成：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,实际上滤层厚度是一定的，为,L,；且空气中微粒浓度也是变化的，为简化一般取平均值；,在滤层厚度为,L,，时间为,t,内所捕集到的微粒数为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,为计算过滤效率，假设漏进两颗粒子的时间间隔为,t,则：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,那么，过滤器的捕集效率,等于：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,2.,捕集效率机理,惯性冲击,阻 截,扩 散,重力沉降,静电吸引,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,过滤介质有一定厚度，介质的截面上孔隙比过滤要除去的颗粒更大。,通常，尘埃颗粒直径,0.52,m,，细菌,0.10.3,m,；介质的截面纤维间隙：,1625,m,（,d,f,=16,m,）,为什么能除去杂菌呢？,现在普遍认为：,惯性碰撞，拦截和布朗扩散因素是深层过滤能够除菌的主要因素，总的过滤因素是这三种效率之和。,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,惯性冲击,过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小、充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数就越多，纤维间的间隙就越小，当带有微生物的空气通过滤层时，仅能从纤维的间隙通过，由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改换运动方向和运动速度才能通过滤层。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,一定流速气流中的微尘具有一定的惯性力，当气流遇到过滤介质而改变方向时，微尘仍作直线运动以致与过滤介质碰撞而被阻拦在过滤介质表面。当气体流速达到一定值时，惯性碰撞是介质过滤除尘的主要因子。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,以单纤维进行分析：,d,d,f,单纤维周围气流情况示意图,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,捕集效率,纤维能滞留微粒的宽度区间为,d,，与纤维直径,d,f,之比称为单纤维的惯性冲击捕集效率,。,生化工程 第三章 空气除菌,纤维滞留微粒的宽度,d,的大小由微粒的运动惯性所决定，微粒惯性越大，,d,越大。大量实践表明：捕集效率是粒子惯性力的无因次准数,的函数，即：,生物工程专业课程,准数,与纤维的直径、微粒直径、微粒的运动速度的关系为：,生化工程 第三章 空气除菌,表明：空气流速,v,是影响捕集效率的重要参数。在一定条件下（微粒直径、纤维直径），改变气流的速度就是改变微粒的惯性力。,当气流速度下降时，微粒的运动速度随着下降，微粒的动量减小，惯性力减弱，微粒脱离主导气流的可能性减小，相应的纤维滞留微粒的宽度,d,减小，即捕集效率下降。,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,当气流速度降到微粒的惯性力不足以使微粒脱离主导气流对纤维产生碰撞，在气流的任意处，微粒随气流改变运动方向绕过纤维，即,d,0,时，惯性力无因次准数,1/16,，纤维的碰撞滞留效率等于零；这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度,v,c,；,v,c,是空气在纤维间隙的真实速度，它与容器空截面时空气流速,v,s,的关系受充填密度,的影响。,生化工程 第三章 空气除菌,临界速度,v,c,的值随纤维直径和微粒直径而改变。参见,page 37,图,3-4,生物工程专业课程,阻 截,气流速度降到临界速度以下时，微粒不能因惯性碰撞而滞留在纤维上，捕获效率显著下降，但随气流速度继续下降，纤维对微粒的捕获效率又回升，这表明：有另一种机制在起作用，即拦截滞留作用。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,微粒流线与单纤维介质的距离为,S,：,d,p,纤维,S,微粒,生化工程 第三章 空气除菌,这实际上是通过过滤介质纤维实现的机械拦截，截留效率完全决定于颗粒直径。,生物工程专业课程,拦截滞留作用对微粒的捕集效率与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径的关系式可以总结成公式：参见教材,page 37 3-14,式。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,扩散机理,直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗运动，布朗运动的距离很短，在较大的气流速度、较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗运动的作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,设离纤维,2,x,0,处气流中的微粒都可能会因扩散运动与纤维接触，滞留在纤维上，这就增加了纤维的捕集效率。,扩散捕集效率的计算可用拦截捕集的公式计算，但其中的微粒的直径则应以扩散距离代入进行计算（可理解为扩散作用类似于微粒直径的增大）。参见教材,page 38,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,3.,对数穿透定律,生化工程 第三章 空气除菌,不同的发酵过程，对空气灭菌的要求不同；生产上一般按,10,-3,的染菌机率进行设计。,空气过滤器要解决的问题是：含菌个数,N,0,的空气经过处理后要达到,N,=10,-3,，过滤器需要的介质层厚度。,针对,N,/,N,0,与,L的关系，在大量实验基础上，总结出了对数穿透定律，用以指导上述问题的解决。,生物工程专业课程,研究空气过滤时，为排除一些复杂的因素，首先作如下假设：,1,每一支过滤介质纤维的空气流态并不因其它纤维的存在而受影响；,2,过滤器的过滤效率与空气中的微粒浓度无关；,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,4,空气中的微粒在滤层中的递减均匀，即每层纤维除去同样百分率的菌体；,在以上假设下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入滤层的微粒浓度成正比，即：,生化工程 第三章 空气除菌,3,空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附。,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,此即对数穿透定律,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,对数穿透定律表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。式中常数,K,的值与空气流速、纤维充填密度、纤维直径、空气中微粒颗粒大小等因素有关。参见教材,page 40,表,3-2,为设计计算方便，可以采用过滤效率,90,时的滤层厚度为基准。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,可以理解为常数,K,是过滤效率为,90,时所需的滤层厚度的倒数，这样在一系列的,L,90,的实验数据基础上，设计新过滤器时，计算很方便。参见教材page 41,表,3-3,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,由于,K,值要通过实验测得，而,K,值又随很多因素改变而变化，因此，根据以上分析单纤维捕集效率时，应通过参数关系来计算出,K,值。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,如前分析，单纤维过滤效率作用机理的捕集效率为：,过滤器效率惯性碰撞效率,+,阻截效率,+,扩散拦截效率,一般过滤器设计是以低于临界速度的空气流速计算，这时惯性冲击捕集效率等于零，即：,过滤器效率阻截效率,+,扩散拦截效率,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,实际上，过滤器的过滤效率应考虑纤维充填情况后经适当的变换，才可由拦截捕集效率和扩散作用捕集效率所反映，当充填系数：,0,0.1,时,捕集效率与纤维直径，充填密度，滤层厚度及微粒浓度的变化关系如下：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,代入上式后得：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,当纤维直径很小，充填密度较大，滤层较薄时，这时,K,的计算是比较符合实际的，但滤层较厚时，误差较大。,生物工程专业课程,4,、过滤器的计算,对于,dx,的纤维床微元，若纤维的充填率为,，则在该体积微元中纤维的根数（假定每根均为单位长度且与气流方向垂直）为：,通过该微元时，气流中颗粒浓度变化为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,d单纤维阻留宽度；,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,例题,一个发酵罐每分钟空气流量为,10 m,3,，空气在过滤器中的线速度为,0.15,m/s,，这时过滤器的除菌效率,K,153.5 m,-1,，空气中的微生物浓度为,200,个,/m,3,，发酵周期为,100,hr,。据此设计空气过滤器。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,N,1,=1060100200=1.210,7,(,个,),过滤器出口空气中的含菌取,0.001,，则介质层的厚度为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气过滤器的直径为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,若空流速因故变为,0.03,m/s,，在此流速下，除菌常数变,20.0 m,-1,，这时，每分钟进入过滤器的微生物数为：,每分钟从过滤器出口流出的微生物数为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,在此操作条件下，介质层的厚度应为：,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,六、新型过滤器,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气系统导致染菌及其防治措施：,空气系统导致染菌是好氧发酵染菌的主要原因之一因空气不洁造成的染菌，可波及许多发酵罐批，对生产危害甚大。,空气除菌系统环节较多，彼此相互制约，倘若一个环节失调，就会使灭菌失败，这是空气系统容易导致染菌的主要原因。,本章小结,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,空气带菌主要包括：,(1),油掺入空气和列管式冷却器穿孔。,(2),空气过滤器过滤介质松动、过滤介质老化、操作不当使过滤介质受潮、灭菌时被冷凝水润湿等。,第一个问题可采用无润滑油活塞式空气压缩机和定期检查列管式冷却器来解决。,第二个问题可通过严格按操作规程操作，定期更换过滤介质和检修过滤器来解决。,生化工程 第三章 空气除菌,生物工程专业课程,结合本地实际，设计一空气净化流程并对流程环节进行分析。,作业,生化工程 第三章 空气除菌,