生物工程设备 第三章 无菌空气制备设备

N1 5 10 3 10 60 100 ln ln N2 10 3 L 0.85(m) ' K 13.5
过滤器直计算(D)： 下标1为空气压缩前的空气状态，下标2为压缩 进入过滤器的空气状态。
V1 P V2 P2 1 T1 T2
10 9807 303 V1 PT2 60 V2 1 0.0443 (m3 / s) T1 P2 293 392000
第二章 空气除菌与空气调节设备
好氧微生物在培养过程中需要消耗大量的 氧气，这些氧气通常由空气提供。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。
第一节 空气除菌的原理与方法
一 .生物工业对空气质量的要求 1 .空气中微生物的分布 地域（南方与北方、城市与乡村） 季节
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。
二.空气介质过滤设备及设计计算
只讨论选择设备时的一些原则和计算方法。原因是完 成同一任务的设备类型很多。 （一）粗过滤器 1.安装位置 2.常用型式：布袋过滤器、填料式过滤器、油浴洗涤 和水雾除尘等 （二）空压机： 1.作用：提供0.2~0.3MPa的压力，大量的低压理想空 气 2.形式： 涡轮式：出口压力0.25~0.5MPa，出口风量较稳定； 往复式：出口压力不稳定。多缸稳定。须用润滑油， 空气中带油污粒子，须改善油污污染问题。
2 .发酵用无菌空气的质量标准
（1）连续提供一定流量的压缩空气； （2）空气的压强（表压）0.2-0.35MPa； （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稍高 （ 5）压缩空气的洁净度，取失败率为10－3。
3.空气含菌量的测定
（1）光学法－粒子计数器（0.3～0.5μm)微粒的 各种浓度,测得结果是空气中的灰尘 和微生物，不准确 （2）培养法－－微生物培养（准确培养的活微生 物）
二.空气净化除菌方法
（一）空气除菌方法 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。辐射灭菌目前仅用 于一些表面的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。见流程
（五）空气冷却器：
1.作用 2.种类：列管式、沉浸式、喷淋式
（六）空气过滤器（设计适用的过滤器） 1.空气除菌效率（衡量过滤设备的过滤效能的指标）： 滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值。
N1 N 2 N2 1 N1 N1
N1 — _过滤前空气的微粒数； N2 — 过滤后空气的微粒数 2.穿透率
V2 0.0443 D 0.75(m) 0.785 s 0.785 0.1
压力损失(▽P)计算： υo=υ(1－α)=1/(1－0.08)=0.109（m/s） 进入过滤器密度：
2
1 PT2 1
T1 P2
1.293 1 303 3 4.67 (kg / m ) 273 4
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。
第二节 空气介质过滤除菌设备及计算 一 .介质过滤除菌流程 （一）空气除菌流程的确定： 1.根据发酵生产对无菌空气的要求（无菌程 度、风温、风湿及风压） 2.采气环境的空气条件、空气性质 3.所用除菌设备的特性
（二）空气除菌流程
1 .两级冷却、加热除菌流程 是一个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.
Q D 0.785 s
Q-通风量（m3/s)(注意：总过滤器一般用2~4个并联， Q是单个的通风量）。
6）深层过滤器的安装结构
孔板 金属丝网 麻布 棉花 活性碳
例题:
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），通入过滤器的空气 含菌量是5000个/m3，发酵周期100小时，要求发酵 1000罐漏入一个杂菌，工作温度30℃。 解:选用16μm棉花作过滤介质，填充系数为8%，空 气流速υo=0.1m/s。由表查的过滤常数K=13.5m-1。
N2 N1
'
影响过滤效率的因素很多：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。
3.空气过滤除菌的对数穿透定律（过滤规律）
研究空气过滤器的过滤规律时为了简化做了四个假 定条件下：（1）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；（2） 空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被 气流卷起带走；（3）过滤器的过滤效率与空气中 微粒的浓度无关；（4）空气中微粒在滤层中的递 减均匀，即每一纤维层除去同样百分率的微粒数。 在这些假定条件前提下发现，空气通过单位滤 层后，微粒下降的浓度与进入空气的微粒浓度成正 比。 即对数穿透定律
对数穿透定律：
空气通过滤层，其微粒数随着滤层的厚度 逐渐降低，即：
N2 ln KL N1
N－滤层中空气的微粒浓度，个/m3. L– 过滤介质的厚度，m。 dN/dL-----单位滤层除去的微粒数，个/m3. K---过滤常数
L
dN KN dL
N2 过滤介质 N1

对数穿透定律公式揭示了深层介质过滤 除菌时进入滤层的空气微粒浓度与穿过滤层 的微粒浓度之比的对数是滤层厚度的函数。 常数K值与多个因素有关，如纤维种类、 纤维直径、填充密度、空气流速、空气中微 粒的直径等，通常可选择特定的条件通过实 验方法求得。课本381页表3－1－2，3－1－3等
对df=14μm的玻璃纤维，填充系数8%，在不同风速下测得K′
空气流速υs（m/s）0.03 K′ (1/m) 56.7
0.15 25.2
0.3 19.3
0.92 29.4
1.52 150
3.15 605
K值由计算求出：
4 (1 4.5 ) K 2 d f (1 )
4）深层过滤阻力（压力降）计算 2 m o
（三）空气储罐： 1.作用：消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳定空 压。 2.安装位置：紧安在空压机之后 3.有关计算：V容＝0.1~0.2 Vc. Vc—空压机排气量 （四）气液分离器： 1.作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除 去。 2.种类：旋风式、填料式（利用填料拦截－丝网分离 器，填料种类很多－活性炭、焦炭、瓷环、金属 网、塑料网等）
2 P cL d f
L-过滤层厚度（m) ρ –空气密度（kg/m3) α –介质填充系数 υo –空气在介质空隙中的流速（m/s) υo=υs/(1－α) υs -空罐截面气速（m/s) df –介质纤维直径（m）
m –实验指数，棉花m=1.45； 19μm玻璃纤维,m=1.35 8 μm玻璃纤维,m=1.55 C –阻力系数，棉花C=100/Re; 玻璃纤维C=52/Re 5)深层过滤器直径计算

1.惯性撞击截留作用
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.拦截截留作用
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.布朗扩散截留作用 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。
空气中杂菌含量及分布
空气中含杂菌一般在103~104（个）/m3。杂
菌含量多少与地域、季节有关，南方多，北方少；
低空多，高空少；城市多，农村少；夏季多，冬
季少。为了获得含杂菌少的空气，工厂多采用采 风塔（高20多米）采风。 无菌空气要求 工厂对空气除菌，要求达到一定程度，通常 设计指标，通风1000罐次，只感染1个杂菌。
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。
气速与除菌效率的关系：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；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；如果气速 过大η又会下降，可能是已扑集的微粒又被卷起的原因。
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。
空气黏度查得： μ =18.6×10-6Pa· S