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第三章 空气除菌设备

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生化工程第三章 空气除菌

生化工程第三章 空气除菌

计算题
1.试设计一台通风量为10m3/min 的棉花纤维过 滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数 为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。滤层
选用df=16μm ,气速Vs=0.1m/s，填充系数α =8%。 求：过滤效率η及滤层厚度L
解： 1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100) =3.33×10-12 η=1-P=1-3.33×10-12 2) 表查得K=0.31cm-1, L＝－ln（Ns/ N0）/K
C. 扩散捕获效率：
3
1 [2(1 2X 0 /df)ln(1 2X 0 /df ) - (1 2X 0 /df) 1/(1 2X 0 /df)] 2(2.00 ln N Re )
其中：2X0/df＝[1.12×2(2-lnRe)DB /V df ]1/3
DB（微粒的扩散率）=CKT/3πμdp C－滑动系数； K－波耳兹曼常数，1.41×10－24kg.m/k； T－绝对温度(k)
当过滤效率为90％（穿透率为10 % ）时：
K＝ - lnP/L90＝-ln10% /L90＝2.303/ L90
直径16μ m的玻璃纤维的L90值 空气流速（m/s） 0.03 L90（cm） 4.05 0.15 8.50 0.30 1.52 3.05 0.38
11.70 1.53
1 2(2.00 ln N Re )
3. 过滤除菌设备（过滤除菌）
1）深层纤维介质（棉花、活性炭、 玻璃纤维）过滤器： 填充物顺序：孔板－铁丝网－ 麻布－棉花－麻布－活性炭－ 麻布－棉花－麻布－铁丝网－ 孔板
2) 平板式纤维纸过滤 器 （flat fiber paper filter）：

空气除菌及调节设备

空气除菌及调节设备

➢生物工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温 度和空气压强。
洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。
洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等 于0.5μm的最大允许粒子数。
洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于 等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。
1立方英尺=1（ft3）=0.0283立方米（m3）=28.317升（liter）
• 对于沉浸式和喷淋式换热器，在设 计时应保证一定的空气流速，一般选 择空气流速为 5～10m／s。
空气除菌及调节设备
（七）气液分离器
• 气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾 和油雾粒子除去的设备。
• 常用的有旋风式和填料式。 • 旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线
方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生 的离心力场来分离重度较大的微粒。 • 填料式分离器又称除雾器，是利用填料的惯 性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。
• 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与
骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架 上，并缝紧所有会造成短路的空隙。 • 它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特 性和过滤面积而定。 • 布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。 • 最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤 维滤布。
空气除菌及调节设备
空气除菌及调节设备
4.冷热空气直接混合式空气除菌流程
空气除菌及调节设备
•利用热空气加热冷空气的除菌流程
利用热空气加热冷空气的除菌流程
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
空气除菌及调节设备
冷热空气直接混合式空气除菌 流程

空气除菌的工艺及设备

空气除菌的工艺及设备
对空气的要求随发酵类型不同而异 • 厚层固体曲需要的空气量大，压力不高，无菌度不严格，可选
用离心式通风并经适当的空调处理(温、湿)就可以了； • 酵母培养消耗空气量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压
力以克服发酵罐的液柱阻力，所以一船采用罗茨鼓风机或高压 离心式鼓风机通风；
• 介质过滤是目前发酵工业上常使用的空气除菌方法。它采用定期灭菌 的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。 常用的过滤介质有棉花；活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和 无机烧结材料等。由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只 有0.5~2μm，而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径几倍到几十 倍，因此过滤机理比较复杂；
• 4.1.4空气含菌量的测定 • 空气是许多气态物质的混合物，主要成分
是氮气和氧气，还有惰性气体及二氧化碳和水 蒸汽。除气体外，尚有悬浮在空气中的灰尘， 而灰尘主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰 和植物花粉等组成。一般城市灰尘多于农村， 夏天多于冬天，特别是气候温和湿润地区，空 气中的菌量较多。据统计，大城市每立方米空 气中的含菌数约为3000~10000个。要准确测定 空气中的含菌量来决定过滤系统或查定过滤空 气的无菌程度是比较因难的。
超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破 坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。但 应用较广泛的还是紫外线，它在波长为 226.5~328.7nm时杀菌效力最强，通常用于 无菌室和医院手术室。但杀菌效率较低， 杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来 保证无菌室的无菌程度。
• 4.2.2加热灭菌 • 虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度
• 4.2.3静电除菌
• 静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子 而达到除尘、除菌的目的。悬浮于空气中 的微生物，其孢子大多带有不同的电荷， 没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会 被电离变成带电微粒。但对于一些直径很 小的微粒，它所带的电荷很小，则微粒就 不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小 的微粒效率较低。

灭菌与除菌工艺及设备—无菌空气制备

灭菌与除菌工艺及设备—无菌空气制备

图4-21 过滤纸类过滤器
（3）非织造布类介质
滤布类，滤效99.9%以上。
（4）微孔膜类介质
①能除去全部M，但不能除去噬菌体的过滤介质，主要有膜孔小于 0.22μm的聚偏四氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）膜材。
②能除去小至0.01μm的微粒，可除去噬菌体，主要有Bio-X滤材和膨 化聚四氟乙烯。
三、空气过滤介质及过滤器
1、对过滤介质的要求 ➢除菌效率高 ➢空气压力降小 ➢耐消毒灭菌 ➢运行可靠、来源充足 ➢使用和维护成本低
2、过滤介质种类
（1）纤维状或颗粒状介质 包括 ①棉花
②玻璃纤维 ③活性炭 ④烧结材料类
纤维状或颗粒状介质特点
（2）滤纸状过滤介质
主要是超细玻璃纤维纸，纤维孔隙1~1.5um，厚度0.25~0.4mm。
第三节 无菌空气制备
一、空气净化除菌的方法与原理
1. 空气除菌的意义 ●工业发酵对空气质量的要求：无菌，无灰尘，无杂质，水油控制， 温度，湿度，正压等。
2. 空气除菌方法
●空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
（1）除去方法 （2）杀灭方法
①静电吸附除菌 ②介质过滤除菌 ③辐射杀菌 ④加热杀菌
3. 空气过滤除菌的原理
微孔滤膜
绝对过滤
尘埃或M直径>过滤介孔直径
相对过滤（深层介质过滤）：
尘埃或M直径<过滤介孔直径
棉花、玻璃纤维和 颗粒活性炭
（1）布朗扩散作用 （2）拦截滞留作用 （3）惯性冲击滞留作用 （4）重力沉降作用 （5）静电吸附作用
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。
1. 两级冷却、分离、加热除菌流程

空气除菌流程的基本设备

空气除菌流程的基本设备

空气除菌流程的基本设备空气除菌是一项重要的卫生工作，它可以有效地减少病毒、细菌等微生物在空气中的传播和感染，保障人们的健康和安全。

本文将介绍空气除菌流程的基本设备，包括净化器、消毒灯、空气循环系统等。

一、净化器净化器是空气除菌的核心设备之一，它能够过滤掉空气中的微粒子和有害物质，提高室内空气质量。

常见的净化器有HEPA过滤器、活性炭过滤器等。

1. HEPA过滤器HEPA过滤器是高效颗粒空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter）的缩写，能够过滤掉直径在0.3微米以上的微粒子。

HEPA 过滤器有多种类型，包括机械式、电子式和混合式等。

机械式HEPA 过滤器通过纸质或合成纤维材料对微粒子进行拦截；电子式HEPA过滤器则利用静电吸附原理吸附微粒子；混合式HEPA过滤器则结合了机械式和电子式的优点。

2. 活性炭过滤器活性炭过滤器是一种能够吸附空气中的有害气体和异味的过滤器，它能够有效地去除二氧化碳、甲醛、苯等有害物质。

活性炭过滤器通常与HEPA过滤器结合使用，共同提高空气净化效果。

二、消毒灯消毒灯是一种利用紫外线杀菌的设备，它能够有效地杀死空气中的细菌和病毒。

消毒灯分为UVC和UVB两种类型，其中UVC波长在200-280nm之间，是最常用的杀菌波长。

1. UVC消毒灯UVC消毒灯是一种利用紫外线UVC波长杀菌的设备，它能够有效地杀死空气中的细菌和病毒。

UVC消毒灯通常采用紫外线荧光管或LED 作为光源，具有使用寿命长、安全可靠等优点。

2. UVB消毒灯UVB消毒灯是一种利用紫外线UVB波长杀菌的设备，它能够有效地杀死空气中的细菌和病毒。

UVB消毒灯通常采用高压汞灯或低压汞灯作为光源，具有杀菌效果好、使用寿命长等优点。

三、空气循环系统空气循环系统是指通过风机将室内外空气进行循环，以达到空气流通和净化的目的。

常见的空气循环系统有中央空调系统、新风系统等。

1. 中央空调系统中央空调系统是一种通过送风管道将室内外空气进行循环的设备，它能够对室内空气进行过滤、净化和调节温度湿度等参数。

第三章空气除菌设备

第三章空气除菌设备
第三章空气除菌设备
特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过 多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。
高效前置过滤器采用泡沫塑料（经典除菌）和超细 纤维纸串联使用做过滤介质。
第三章空气除菌设备
4、空气压缩冷却过滤流程
设备简单，包括压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤 器。
适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区。
第三章 空气过滤 除菌系统
第三章空气除菌设备
教学目的与要求
掌握空气过滤除菌的方法和机理。 掌握常用的空气过滤器和主要空气过滤系
统的种类、结构和性能。 本章重点、难点——空气相对过滤除菌的
机理。
第三章空气除菌设备
本章内容
第一节 空气除菌的方法及机理 第二节 过滤除菌的流程 第三节 常用空气过滤器及过滤除菌系统
旋 风 分 离 器
第三章空气除菌设备
2、冷却空气直接混合式空气除菌流程
❖ 压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷 却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后 与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。
１ 粗过滤器 ２ 压缩机 ３ 贮罐 ４ 冷却器 ５ 丝网分离器 ６ 过滤器
第三章空气除菌设备
利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使 冷空气的温度升高，降低相对湿度。
10-空气吸入塔 9-粗过滤器 8-预热器
空气热灭菌流程示意图
1-空气压缩机 2-粗过滤器 3-保温管 4-贮气罐 5-保温罐 6-列管 式冷却器 7-涡轮压缩机 8-预热器 9-粗过滤器 10-空气吸入塔
第三章空气除菌设备
（三）静电除菌
原理：利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭 菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大 多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静 电场时则会被电离成带正电荷。

生物工程设备 第三章 无菌空气制备设备

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。

空气净化及除菌设备概述

空气净化及除菌设备概述

水雾除尘器
水雾除尘器工作原理：空气从设备底部进入，与上部 喷下的水雾逆流接触，将空气中的灰尘、微生物微粒 黏附于水中而沉降，从底部与水一起排出。带有微细 水雾的洁净空气经上部过滤网过滤后进入压缩机，经 洗涤后的空气可除去大部分大颗粒微粒和小部分微小 粒子。
2. 空气压缩机
生物工业生产中常用的空气是压力为0.2-0.3Mpa的低压压 缩空气，提供大量低压空气最理想的设备是涡轮式空气压 缩机。
第一节 空气净化除菌的方法与原理
一 生物工业生产对空气质量的要求
1.空气中微生物的分布
空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、霉菌和病毒。它 们在空气中的含量随环境的不同而有很大的差异。一般干燥寒冷 的北方空气含菌量较少。而潮湿温暖的南方空气含菌量较多。人 口稠密的城市比人口稀少的农村空气含菌量多。地平面比高空的 空气含菌量多。虽然各地空气中微生物的分布是随机的，但它们 的数量级可以认为是103-104个/m3
二 空气净化除菌方法
空气除菌就是杀灭或除去空气中的微生物。空气 除菌的方法很多，如辐射、化学药品和加热杀菌 都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀 灭空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法 则是利用分离方法将微生物粒子除去。
1.热杀菌
热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌方法。工业生产上常利 用空气压缩时放出的热量进行加热保温杀菌。
常用的类型有立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷 淋式热交换器等。由于空气的给热系数很低，一般只有 420kJ/（m2·h·oC），设计时应采用适当的措施来提高它 的给热系数，否则将会大大增加传热面积。
提高空气给热系数的最好办法是增加空气的流速，当选择 列管式热交换器时，若水质条件许可，杂质少，不容易形 成积垢，可安排空气走管内，做成多管程流动，提高空气 流速。若水质条件不允许，空气走管外时，也要采用多加 挡板的办法使其在壳内做多壳程流动，提高空气流速。

空气除菌设备

空气除菌设备



为确保安全，应安装分过滤器将空气 进一步过滤，然后再进入发酵罐。
2．辐射杀菌

X射线、β射线、紫外线、超声波、γ射线等 从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。 应用较广泛的是紫外线，它的波长在 253.7～265μm时杀菌效力最强，它的杀菌力 与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。 紫外线通常于无菌室和医院手术室等空气对 流不大的环境下消毒杀菌。
5

达到一定的空气流量、压力 空压机、贮气罐

副作用1：压缩后空气温度升高，不利于过滤设备 副作用2：某些类型的空压机使空气中混入油滴

6

降低空压机出口空气的温度
冷却器
副作用：空气温度降低，其相对湿度就上升。空气温度一般会降为其露点之下， 相对湿度可达100%，并析出小水滴。
为防无菌过滤介质受潮，要除湿、除油

空气净化流程图
1.一级冷却器 4.二级冷却器
2.油水分离器 5.去污器
3.贮罐 6.总过滤器
空气压缩冷却过滤流程
1.粗过滤器 2.压缩机 3.贮罐 4.冷却器 5.总过滤器


空气压缩冷却过滤流程 特点：适用于气候寒冷（空气温度低），相对湿 度很低的地方，或相应的季节。 由于空气的温度低，经压缩后它的温度也不会升 高很多，特别是空气的相对湿度低，空气中绝对 湿含量很小，虽然空气经压缩到工艺要求的压力 ，并冷却到进入培养、发酵设备所要求的温度( 一般为35℃，过滤器要求的温度)，空气的相对 湿度可以保持在60％以下。 使用涡轮式空气压缩机或无油润滑的情况下效果 是好的；但采用普通往复式空气压缩机（带润滑 油）时，可能会产生油雾而污染过滤器，这时就 须加丝网分离器将油雾分离。

第三章 空气除菌设备

第三章 空气除菌设备
这样，压缩机的耐热性能要提高，零部 件采用耐热材料加工。
3、静电除菌
除尘效果在85%-99%间，空气压头损失 小、设备不大，能耗低。对很小的微粒除 尘效率较低。
工作原理：利用静电引力吸附带电粒子而 达到除菌除尘目的。
装置分电离区和捕集区：
电离区：放电线接上10KV的直流电压，形 成电位梯度很强的不均匀电场。
捕集区：高压电极板上加5KV的直流电压， 形成均匀电场，带正电粒子向负极板移动。
4、过滤除菌
采用定期灭菌的过滤介质来阻截流过空 气所含的微生物，而取得无菌空气。 过滤方法可分为深层过滤和绝对过滤。
深层过滤：过滤介质材料的直径及所形 成的网格大于微粒的直径，过滤机理比较 复杂；所用的介质材料有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、有机合成纤维。
绝对过滤：过滤介质材料的直径及网格 小于微粒的直径，将微粒绝对的阻截在介 质上。所用介质有：烧结材料和微孔滤膜。
二 深层过滤除菌机理
微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形 成的网格阻碍气流直线前进，使气流出现 无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤 维前进，引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸 附等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气从筒身中部切线进入，水雾油雾从 排污管排出，空气经缓冲层和过滤层后由 顶盖排出。
过滤孔板用顶盖法兰压紧，周边用橡胶 圈密封。
过滤器的直径D=（4V/πVS）0.5 V—空气体积流量（m3/s） VS—空气流速（m/s）
3、管式过滤器： 当设备直径相同时，管式过滤器比平板
式过滤器的过滤面积大得多。
特点：安装、拆卸方便，结构紧凑、占 地面积小。
第二节 过滤除菌流程
一 空气除菌流程的要求
空气除菌流程是根据生产对无菌空气的 要求，当地环境的空气条件，除菌设备的 特性决定的。

空气除菌设备

空气除菌设备

10
（六）空气过滤器 深层纤维介质过滤器 通常是立式圆筒形，内部充填过 滤介质，空气由下向上通过介质， 从而达到除菌的目的。纤维介质 主要有棉花，玻璃纤维等。
纤维介质过滤器的填装方法大致如下 孔板 —— 金属丝网—— 麻布织品——棉花— —麻布织品——活性炭——麻布织品——棉花— —麻布织品——金属丝网——孔板
1、布袋过滤：结构简单，过滤效率和阻力损失因滤布材 料不同而有所差别。滤布要定时清洗。 2、填料式过滤 油浸铁回丝、玻璃纤维、合成 纤维作填料。
3
3、油浴洗涤 空气进入装置后要通过 油箱中的油层洗涤，其 中的微粒被油粘附后沉 降除去。
4、水雾除尘 空气出口 滤网 高压水
空气
废水
4
（三）空气压缩机 供给发酵用的无菌空气需要克服过滤介质的阻力， 管道、弯头的阻力和发酵液的液柱压力，同时，还要 维持 发酵罐正压，因此在生产中通过压缩机将空气压 力提高到3.5~4.0公斤（表压）。图为压缩机平面图：
1
除菌流程中的各种设备
（一）高空取气管 高空取气管是远离地面几十米的管子。一般而言， 地面附近空气中所含的 微生物和灰尘等均比高空空 气中含的多，据资料介绍，每升高10米，空气中杂 菌 可降低一个数量级，因此从高空取气要比从低空 取气有利得多。

（二）粗过滤器
一般作为空气压缩机的附件，安排在空压机的空气进口，有的则 单独设置。其结构为一个内装过滤介质的方形或园形器体。经过 除尘器可把空气中的杂质，特别是硬度较大的灰 尘过滤除掉， 防止这些东西进入压缩机而使气缸磨损。
7
（四）气液分离器 气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水 气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水 雾和油雾粒子除去的设备 1、旋风分离器 是利用气流从切线方向进入容 器时在容器内形成旋转运动时 产生的离心力场来分离重度较 大的微粒，10m以上的微粒。 大的微粒，10m以上的微粒。 特点：结构简单、制造方便。 总的要求 直径不要太大：

空气净化除菌设备(PPT79页)

空气净化除菌设备(PPT79页)
D可以根据空气量及流速求出：
2，滤纸过滤器（flat fiber paper filter）
结构：筒身、顶盖、滤层、夹板、缓冲层
3，金属过滤器 （1）过滤器
外壳图
外壳滤芯 接口图
外壳示意图
（2）预过滤器
气体预过滤 器外壳图
气体预过滤器 结构图（单芯）
气体预过滤器 结构图（多芯）
（3）过滤系统
2、洁净室的洁净度标准
一般生产区没有洁净度要求；控制 区的洁净度要求为10万级；洁净区对洁净 度的要求为1万级的一般无菌工作区；无菌 区对洁净度的要求为100级的工作区。
等级 100 级
每立方米(每升) 每立方米(每升)
空气中≥0.5微 空气中≥5微米尘
米尘粒数
粒数
≤35×100(3.5)
1000 级 ≤35×1000(35)≤250(0.25)
（一）、空气除菌方法(除去或杀灭)
•辐射杀菌 •热杀菌 •静电的测定
• 培养法：微生物学中已介绍 过
• 光学法 ：用粒子计数器通过 微粒对光线的散射作用来测 量粒子的大小和含量。
一、辐射灭菌
1，原理
• α射线、X射线、β射线、γ射 线、紫外线、超声波等从理 论上讲都能破坏蛋白质，破 坏生物活性物质，从而起到 杀菌作用。
空气过滤器的操作要点 2
• 过滤器灭菌后应立即引入空气，以便将介质层内 部的水分吹出，但温度不宜过高，以免介质被烤 焦或焚化。蒸汽压力和排气速度不宜过大，以避 免过滤介质被冲翻而造成短路。
• 在使用过滤器时，如果发酵罐的压力大于过滤器 的压力(这种情况主要发生在突然停止进空气或空 气压力忽然下降)，则发酵液会倒流到过滤器中来。 因此，在过滤器通往发酵罐的管道上应安装单向 阀门，操作时必须予以注意。

空气除菌及调节设备

空气除菌及调节设备

1 x
x
• K值与空气中雾沫微粒的浓度、液体的表面张力、 粘度和丝网的比表面积等因素有关，一般选 K=0.067进行设计计算。
空气的阻力损失
通过分离器后空气的阻力损 失，可由下面经验公式进行计算：
p 33.44vsg
（Pa）
（八）空气加热器
• 除水以后的压缩空气在进入总过滤器之 前要把相对湿度降到60％～70％，通常 的方法是采用换热器来加热压缩空气达 到降湿的要求
• 但此流程的空气冷却温度和空气分配比 的关系随所吸取空气的参数而变化，常常 需要进行具体的计算而给予调节。
空气过滤除菌实用化流程
1.粗滤器 2.空压机 3.空气贮罐 4.沉浸式空气冷却器 5.油水分离器 6.二级空气冷却管 7.除雾器 8.空气加热器 9.空气过滤器 10.金属微孔管过滤器（或上接纤维纸过滤器）
• 目前国内生产的低压往复式压缩机大多是双缸 二级压缩的。
• 双缸二级压缩机又以L形的设计最为普遍。
• 生物工业生产，常把二级压缩机的高压气缸改 为可以单独吸入新鲜空气的低压气缸。
• 采用往复式空气压缩机的除菌流 程中需具有粗过滤器和空气贮罐。
• 粗过滤器起着预先过滤大颗粒灰 尘，提高压缩机使用寿命的作用。
空气贮罐
贮罐大小按经验公式计算：
V＝ 0.1~0.2VC
式中 V——贮罐体积，m3； Vc——压缩机的排气量，
m3／min。
压力表 进气管
安全阀 排气管
人孔
压缩空气要切向进入空气贮罐 有的在罐内装冷却蛇管。 也有的在贮罐内加装导筒。
排污阀
（六）空气冷却器
• 空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。 • 设计时应根据空气冷却过程的特点进行考虑 • 常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热

生化工程第三章 空气除菌

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
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/m2·s·℃。 ②冷却 相对湿度φ、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φ。
Pw ϕ= PS
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生 化 工 程 第 三 章 空 气 除 菌
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。 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。
K 2 3
1 K p2 −1 ⇒∆v = v3 p1
K
v1 −v4 则 λ0 = ： v1 −v3 v1 −v3 v4 −v3 ∆v = − = 1− v1 −v3 v1 −v3 v1 −v3
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生 化 工 程 第 三 章 空 气 除 菌
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生 化 工 程 第 三 章 空 气 除 菌
第一段 T↓ φ ↑ φ →1 X 不变 等湿冷却
第二段 ：T↓ φ（不变）=1 X 下降 减湿冷却
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生 化 工 程 第 三 章 空 气 除 菌
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5µm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。

第三章_空气除菌

第三章_空气除菌

2、特点
省去分离设备、加热设备和加热介质 空气过滤除菌后易重被污染
空气预处理流程的选择 除菌效率达到要求（气候、环境） 设备数量、投资、运转费用和动力消耗较少 操作简便
第二节 深层过滤除菌原理
过滤除菌方法:绝对过滤和深层过滤 绝对过滤：介质的孔隙小于被滤除的尘埃或微
生物，当空气流过介质层时，空气中的尘埃和微 生物被截留在介质层的表面
空气过滤需要推动力；过滤介质要求在干 燥条件下工作，才能保证除菌效率
预处理:对进入空气过滤器的空气进行预处理，
达到合适的空气状态（压力、温度、湿度）
过滤:对空气进行过滤处理，除去微生物
一、对空气预处理的要求（空气过滤时状态）
1、加压：（0.2~0.3MPa）在发酵生产过程中，为了维持
单纤维惯性冲击捕集效率： 1 b
df
式中：b—单纤维能滞留微粒的气流宽度，m
（微粒大小、密度、气流速度、空气粘度）
df—纤维直径，m
准数：


cpd
2u
p
0
18 df
式中：c—修正系数，11.46
ρ p—微粒密度，kg/m3 dp—微粒直径，m u0—气流速度，m/s μ —空气粘度，Pa.s
同一介质，过滤效率与介质纤维直径关系很大， 介质纤维直径越小，过滤效率越高
过滤效率与介质滤层厚度、填充密度和空气流速 有关
3、对数穿透定律
四点假定：
①过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近 纤维的存在而受影响
②空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附，不再 被气流卷起带走
③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递减均匀，即每一纤维薄
两次冷却、分离、加热的空气除菌流程
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往复运动而将空气抽吸和压
出。压力不稳定，有油雾。

空气除菌中除去水雾油雾的原因，否则：
（1）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
1、两级分离、冷却、加热的空气除菌流程
旋 风 分 离 器

比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，
能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进
入过滤器，以提高过滤效率。

特点：两次冷却、两次分离、适当加热。 尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，
对流程中的设备作适当的增减。
旋 风 分 离 器
破坏过滤效果。
安全阀
3、贮气罐
贮气罐的作用： （1）消除脉动维持罐压 的稳定。 （2）使部分液滴在罐内 沉降。 （3）保温灭菌。
于磨擦粘附，微粒就滞留在纤
维表面上。
２、拦截滞留作用机理

原理：当气流速度下降到一定值时，若微粒随气流 慢慢靠近纤维时，受纤维所阻改变方向，绕过纤维
前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区，滞留
区的气流流速更慢，当与纤维表面接触时就被捕集。
３、布朗扩散作用机理

原理：直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种
温度的提高，可直接利用空气压缩时的温度升高来 实现。
2-粗过滤器
3-保温管
4-贮气罐
5-保温罐
1-空气压缩机
7-涡轮压缩机
6-列管式冷却器
10-空气吸入塔 9-粗过滤器 8-预热器
空气热灭菌流程示意图
1-空气压缩机 2-粗过滤器 3-保温管 4-贮气罐 5-保温罐 6-列管 式冷却器 7-涡轮压缩机 8-预热器 9-粗过滤器 10-空气吸入塔
第三章 空气过
滤除菌系统
教学目的与要求

掌握空气过滤除菌的方法和机理。

掌握常用的空气过滤器和主要空气过滤系
统的种类、结构和性能。

本章重点、难点——空气相对过滤除菌的
机理。
本章内容

第一节 空气除菌的方法及机理 第二节 过滤除菌的流程 第三节 常用空气过滤器及过滤除菌系统


第一节 空气除菌的方法及机理

特点：可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热 设备，流程比较简单，利用压缩空气来加热析水后 的空气，冷却水用量少等。

应用范围：中等含湿地区，不适合于空气含湿量高 的地区。
3、高效前臵过滤除菌流程

原理：利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高 效过滤后，再进入空气压缩机，这样就降低了主过
滤器的负荷。
（二）热灭菌法

热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。
空气温度与微生物热死灭的时间
温度
200℃
250℃
300℃
350℃
时间
15.1 s
5.1 s
2.1 s
1.05 s

直接加热：消耗大量能源，增设许多换热设备，不 经济。

利用余热进行杀菌：空气在进入培养系统之前，一
般需用空压机以提高压力，所以空气热灭菌时所需
一、通风发酵对无菌空气的要求 二、空气除菌的方法和杀菌机理



三、相对过滤除菌机理
一、通风发酵对无菌空气的要求
（一）空气中微生物的分布

空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有 酵母，霉菌和病毒；随水分的蒸发、物料的移动被
气流带入空气中或黏附在灰尘上而漂浮在气流中。

空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气
才能除菌，也称相对过滤。

介质孔隙小于微生物——微生物直接被截留，也称 绝对过滤。

空气中微生物粒子通常0.5-2 um。 一般过滤介质的孔隙都较微生物大。
空气中常见杂菌的大小
菌种 宽，μm 金黄色小球菌 产气杆菌 蜡样芽孢杆菌 普通变形杆菌 0.5~1.0 1.0~1.5 1.3~2.0 0.5~1.0 细胞 长，μm — 1.0~2.5 8.1~25.8 1.0~3.0 宽，μm — — — — 孢子 长，μm — — — —
降。

这种作用只有在尘粒较大时才存在。
５、静电吸附作用机理

原理：悬浮在空气中的微粒大多带有不同电荷，这 些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。 同时，气流通过纤维介质时，由于气流磨擦，使纤 维和尘粒上都带电荷。

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；当气流速度较小时，除菌效率随 扩散机理 气流速度的增加而降低，此时扩散起主要作用；

特点：采用了高效率的前臵过滤设备，使空气经过 多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。

高效前臵过滤器采用泡沫塑料（经典除菌）和超细
纤维纸串联使用做过滤介质。
4、空气压缩冷却过滤流程

设备简单，包括压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤 器。
适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区。


由于空气的湿度低，经压缩后它的温度也不会升高

缺点：对设备维护和安全技术措施要求较高（微粒
积累到一定厚度时，极板间放电，极板电压下降，
微粒吸附力减弱）。

应用：洁净工作台，洁净工作室。
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气流对微粒的拖带力或微
粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降， 所以静电除尘对很小的微粒效率较低。
很多，特别是空气的相对湿度低，空气中的绝对含
湿量很小，虽然空气经压缩并冷却到培养要求的温
度，但最后空气的相对湿度还保持在60%以下，这 就能保证过滤设备的过滤除菌效率，满足微生物培 养对无菌空气的要求。

缺点：通过空气压缩机时，可能会引起油雾污染过 滤器。
第三节 常用空气过滤器及过滤 除菌系统

无菌空气制备的整个过程包括两部分内容：
——对进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合
适的空气状态（温度、湿度）；
——对空气进行过滤处理，以除去微生物颗粒，满
足生物细胞培养需要。
一、空气预处理设备

粗过滤器 空气压缩机


贮气罐
空气冷却器 气液分离器 加热器
1、粗过滤器


安装在空气压缩机前的粗过滤器。
作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同 时也可减轻总过滤器负荷。
中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。选择
良好的取风位臵（如高空取风等）可以提高空气除 菌系统的除菌效率。

一般每升高10 m，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3000-8000个／m3。
（二）发酵对空气无菌程度的要求

不同的发酵过程，由于菌种生长能力强弱、生长速
（三）静电除菌

原理：利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭
菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大
多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静
电场时则会被电离成带正电荷。
电离区 捕集区
静电除尘器装臵图

优点：除尘效果好，耗能小（每处理1000m3空气每 小时只耗电0.2-0.8 kW），设备较小。
第二节 过滤除菌的流程

空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的 参数，如无菌程度、空气压力、温度等，并结合吸 气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空
气的性质而制定的。

要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方
——首先要增加空气压力，需使用压缩机或鼓风机。
——此外，空气压缩后温度升高，冷却后会释放出 水分，在压缩过程中又有可能夹带机器的润滑油雾， 这就使无菌空气的制备流程复杂化。
2、冷却空气直接混合式空气除菌流程

压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷
却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后
与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。
１ 粗过滤器 ２ 压缩机 ３ 贮罐
４ 冷却器 ５ 丝网分离器
６ 过滤器

利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使 冷空气的温度升高，降低相对湿度。
过滤网
空气出口
高压水入口

空气流速不能太大，一
空气入口
般在1-2m/s的范围，否 则带出的水雾太多，影 响压缩机，降低排气量。
图4-9 水雾除尘装置
2、空气压缩机

分类：离心式空气压缩机和
往复式空气压缩机两种。

离心式：输气量大，输出空
气压力稳定，效率高，输出
的空气不带油雾。

往复式：靠活塞在气缸内的
（四）过滤除菌

过滤除菌——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，而达到 除菌的目的。

常用的过滤介质——棉花、活性炭、超细玻璃纤维、
石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤
介质等。
常用的过滤介质按孔隙大小可以分为两类：

介质孔隙大于微生物——需有一定厚度的介质滤层
不规则的直线运动，称为布朗扩散。气体分子的热
运动对空气中细微尘粒的碰撞，使尘粒也随之做布
朗运动。尘粒越小，布朗运动越显著。

注意：布朗扩散作用在较大的气速或较大的纤维间 隙中是不起作用的。
４、重力沉降作用机理

原理：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