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第六章、空气除菌

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教学重点空气除菌的方法常用的过滤介质过滤除菌的机制及流程

教学重点空气除菌的方法常用的过滤介质过滤除菌的机制及流程

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面，这叫做惯性冲击滞留作用。当气流速度达到 一定时，它是介质过滤除菌的主要作用纤维能滞 留微粒的宽度区间b与纤维直径df之比称为单纤 维的惯性碰撞捕集效率，用η1表示： η1=b/df b值由微粒的运动惯性所决定。微粒的运动惯性 越大，它所受气流换向干扰越小，b值就越大。
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没有带电荷的微粒在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，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菌对很小 的微粒效率很低。
3、热杀菌
将空气加热到一定温度后保温一定时间,使 微生物蛋白热失活而致死。热杀菌是有效的，可 靠的杀菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热 大量的空气，以达到杀菌目的，这是十分不经济 的。工业上是利用空气压缩时放出的热量进行杀 菌。实用流程图如下。
性，不疏水，当被水湿后，就失去除菌能力，且
潮湿后强度很差，易被气流冲破。因此，一般须
经疏水处理。
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常用的疏水剂有2-5%的2124酚醛树脂酒精溶 液，采用沉降、涂抹或喷洒处理，可提高机械强 度，但不防水。用硅酮（5%有机硅）处理，防潮 性能好但不防油。
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5、绝对过滤介质
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（2）介质过滤 介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空
气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截 流过的空气所含的微生物，而取得无菌空气。 常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等。
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第六章灭菌

第六章灭菌

8、空气排除情况：蒸汽灭菌过程中, 温度的 控制是通过控制罐内的蒸汽压力来实现。压 力表所显示的压力应与罐内蒸汽压力相对应, 即压力表的压力所对应的温度应是罐内的实 际温度。但是如果罐内空气排除不完全, 压 力表所显示的压力就不单是罐内蒸汽压力, 还包括了空气分压, 因此, 此时罐内的实际温 度就低于压力表显示压力所对应的温度, 以 致造成灭菌温度不够而灭菌不彻底。
工业上, 培养基、发酵设备一般都采用 蒸汽灭菌, 而对空气则采用过滤的方法除菌， 实验室采用硫、甲醛熏蒸等方法灭菌。
第二节 灭菌的基本原理
一、灭菌的概念：一用、物：理或化学方法杀灭或
除掉物料或设备中所有的有生命的有机体 的技术或工艺过程。 二、几种常用灭菌方法的基本原理 1、化学灭菌：
化学物质与细胞中成分发生化学反应， 如蛋白变性，酶失活，破坏细胞膜透性等。 如75％乙醇使蛋白变性，HgCl溶液。
分被破坏的温度和时间。
二、培养基灭菌的类型
１、分批灭菌及其特点 １）概念：将配制好的培养基输入发酵罐内，直
接用蒸汽加热，达到灭菌要求的温度和压力后，维 持一定时间，再冷却至发酵要求的温度。
２）优点：不需要其他设备，操作简单是生产 上常用的灭菌方法。
３）缺点：加热和冷却时间长，营养成分有一 定的损失；设备利用率低。
细菌过滤器（孔径0.25-0.45um)
4、干热灭菌：
细胞内各种与温 度有关的氧化反 应迅速增加,使微 生物的致死率增 高，工业上用 1600C保持1～2小 时，达到灭菌目 的。玻璃仪器等。
5、湿热灭菌
直接用蒸汽灭菌，蒸汽使蛋白质发 生不可逆的凝固变性，使微生物在短时 间内死亡。广泛用于工业生产上。
4、微生物数量多, 彻底灭菌比较困难。

第6章 灭菌及空气净化

第6章 灭菌及空气净化

(2)蒸料要求
达到熟、软、疏松、不粘手、无夹心，产生熟 料固有的色泽和香气
(3)蒸料过程中蛋白质变化
蛋白质适度变性：若在一定的热力作用下，蛋白 质的二、三、四级结构被破坏，严格的空间排列 被打乱；而一级结构未发生变化。 二次变性（过度变性）：蛋白质进一步变性，分 子结构发生改变。
图中说明，AB曲线的左侧，为原料中残留的未变性蛋白质；CD曲线的 右侧表示蛋白质的二次变性。在AB和CD两曲线之间区域表示蛋白质变 性适度。同时还说明蒸煮压力越高，所需蒸料时间越短，时间控制范 围越小，这就要求时间控制要精确
保 温 阶 段
5、保温 调节好各进汽和排汽阀门，使罐压 和温度保持在一稳定水平，维持一定时间。 在保温阶段，凡进口在培养基液面下的各 管道都应通入蒸汽；在液面上的其余管道 则应排放蒸汽，这样才能保证灭菌彻底， 不留死角。
降 温 阶 段
6、保温结束后，依次关闭各排汽、进汽阀； 待罐内压力降至0.5kg/cm2左右时，向罐内通 入无菌空气，向夹套或蛇管中通入冷水，使 培养基降至所需温度。
细胞个数减少速率与残存菌个数:
N----菌的残留个数 t----灭菌时间（s） k----菌死亡的反应速度常数（1/min）
⑵理论灭菌时间的确定
对数残留定律的概念：
—— 对微生物进行湿热灭菌时，培养基中的微生物受热死亡 的速率与残存的微生物数量成正比，这就是对数残留定律。 数学表达式：
- dN/d = N
一、常用灭菌方法及原理
1、化学物质灭菌 2、辐射灭菌 3、干热灭菌 4、湿热灭菌☆
一、常用灭菌方法及原理
• 1、化学物质灭菌
甲醛、苯酚、氯化汞、戊二醛 消毒灭菌中使菌体细胞蛋白质变性、改变细 菌细胞膜透性或干扰细菌的酶系统，导致菌 体死亡或生长受抑制。 加入后不易去除，不适于培养基灭菌，只适 于局部空间或某些器械消毒。

空气灭菌

空气灭菌

2，应用范围 ， 通常用于无菌室和医院手术室。 通常用于无菌室和医院手术室。 3，缺点 ， 杀菌效率较低，杀菌时间较长。 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。 的无菌程度。
二、加热灭菌
原理:利用空气压缩时产生的热进行灭菌。 原理 利用空气压缩时产生的热进行灭菌。 利用空气压缩时产生的热进行灭菌 空气进口温度为21° ， 空气进口温度为 °C，出口温度为 187~198°C，压力为 ° ，压力为0.7MPa。 。
第二节 空气除菌的方法
辐射灭菌 加热灭菌 静电除菌 介质过滤
一、辐射灭菌 1，原理 ， α射线、X射线、β射线、γ射线、紫 射线、 射线、 射线、 射线、 射线 射线 射线 射线 外线、 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， 坏蛋白质，破坏生物活性物质，从 而起到杀菌作用。 而起到杀菌作用。
过滤器的功能
实际上，空气过滤器的滤材具有深度。 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 。
过滤机理
4 直接拦截 4 惯性撞击 4 扩散拦截
第三节 介质过滤除菌的工艺
空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具 备的参数，根据空气的性质而制订的， 备的参数，根据空气的性质而制订的，同时还 要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性 进行考虑。 进行考虑。 对于一般要求的低压无菌空气， 对于一般要求的低压无菌空气，可直接采用一 般鼓风机增压后进入过滤器，经一、 般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤 除菌而制得。 除菌而制得。 而一般的深层通气发酵， 而一般的深层通气发酵，除要求无菌空气具有 必要的无菌程度外，还要具有一定的压力， 必要的无菌程度外，还要具有一定的压力，这 就需要比较复杂的空气除菌流程。 就需要比较复杂的空气除菌流程。

第六章 空气除菌的工艺及设备

第六章 空气除菌的工艺及设备
p 3 p 0
18d f
式中 c：层流滑动修正系数； v0：微粒（即空气）的流 速，m / s； d f ：纤维直径，m； d p：微粒直径，m；
p：微粒密度，kg / m 3； ：空气粘度，Pa s
气流速度下降到微粒的惯性力不足以使其 脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任 一处，微粒也随气流改变运动方向绕过纤维前 进，即b＝0时，惯性力无因次准数φ＝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vc。 vc是空气在纤维网格间隙的真实速度，它 与容器空截面时空气速度vs的关系受填充密度α 的影响。
（4）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。 （5）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。 （6）防止发酵罐中的发酵液会倒流到过滤器中来。


BM ：微粒扩散率 K：波尔曼常数； T：绝对温度，K。
BM cKT / 3d p；
四、重力沉降作用
五、静电吸附作用
第四节
Hale Waihona Puke 空气过滤除菌的流程一、空气净化的工艺要求
（1）将进入空压机的空气粗滤，滤去灰尘、沙土 等固体颗粒。 （2）将经压缩后的热空气冷却，并将析出的油、 水尽可能地除掉。
2. 空气过滤介质
常用的空气过滤介质有棉花和活性炭(总过 滤器及分过滤器)、玻璃棉和活性炭(一级过滤)、 超细玻璃纤维纸(一般用于分过滤器)、石棉滤 板(分过滤器)等。 新的过滤介质还有烧结材料、多孔材料等 高效滤菌材料。
3. 空气过滤器的操作要点
（1）空气过滤器始终保持干燥状态 （2）当过滤器用蒸气灭菌时，应先将蒸汽管和过 滤器内部的冷凝水放掉，灭菌蒸汽的压力应保 持在0.17—0.2MPa(表压)。 （3）小型过滤器的灭菌时间约为0.5h，蒸汽从上 向下冲；大型过滤器的灭菌时间约为1h，蒸汽 一般先从下向上冲0.5h，再从上向下冲0.5h。

空气除菌

空气除菌

1.是一个比较完善的空气除菌流程，它可适应各种的气候条件，能充
分的分离空气中含有的水分，使空气在低的相对湿度下进入过滤器， 提高过滤效率。 2.流程的特点是：两次冷却、两次分离、适当加热。两次冷却、两次 分离油水的好处是：能提高传热系数，节约冷却用水；油水雾分离得 比较完全。
1. 经第一次冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓 度比较大，故适宜用旋风分离器分离。 2. 第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小的雾粒，宜采用丝 网分离器分离，发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效果高的作 用。 3. 经二次分离的空气带的雾沫就较少，两级冷却可以减少油膜污染对 传热的影响。 4. 若采用低温的地下水，可采用串联来减少冷却水用量。在没有低温 地下水时，第二级可采用冰水冷却，通常第一级冷却到30一35℃，第 二级冷都到20-25℃。除水后，空气的相对湿度还是l00％，可用加热 的办法把空气的相对湿度降到50一60％。
(一) 空气压缩冷却过滤流程
如图所示是由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成的空气除 菌流程。但它只能适用于那些气候寒冷，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。

流程的分析计算
（二）两级分离、两次冷却、一次加热的空气除 菌流程
因此空气的除菌成为耗氧发酵的一个重要环节。
٠ 除菌的方法很多，如过滤除菌、热杀菌、静电除菌、辐射杀菌等，各种方
法的除菌效果、设备条件、经济指标各不相同。
٠实际生产中所需要的除菌程度根据发酵工艺要求而定，即要避免染菌，又 要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
（一）空气中微生物的分布 微生物在固体或液体培养物中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢

空气除菌2

空气除菌2

第六章培养基的灭菌●知识要点和教学要求1）、了解空气灭菌的要求和方法2）、掌握空气过滤除菌流程3）、掌握空气的预处理4）、掌握空气的过滤除菌原理和介质●能力培养要求通过本章节的学习，学生能掌握空气灭菌的要求和方法及空气过滤除菌流程。

●教案内容一、消毒与灭菌的区别消毒与灭菌在发酵工业中均有广泛应用。

消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物。

一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。

例如，用于消牛奶、啤酒和酿酒原汗等的巴氏消毒法，是将物料加热至60维持30min，以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。

灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。

消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的。

二、培养基灭菌时间计算1. 分批灭菌（实罐灭菌）如果不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看作是在保温阶段（灭菌温度）被杀灭，这样可以简单地利用式14-1，粗略地求得灭菌所需的时间。

例14-1有一发酵罐内装40m3培养基，在121温度下进行实罐灭菌。

原污染程度为每1mL有2*105个耐热细菌芽孢，121时灭菌速度常数为1,8min-1。

求灭菌失败机率为0.001时所需要的灭菌时间。

2. 连续灭菌连续灭菌的灭菌时间，仍可用式14-1计算，但培养基中的含菌数，应改为每1mL培养基的含菌数，则式14-1变换为下式：式中：c0及cs分别为单位体积培养基灭菌前和灭菌后的含菌数，（个/mL）。

例14-3若将例14-1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度为131，此温度下灭菌速度常数为15min-1，求灭菌所需的维持时间。

第六章空气灭菌空气除菌不净是发酵染菌的主要原因之一。

比如一个通气量为40m3/min的发酵罐，一天所需要的空气量高达（5.76*104）m3，假如所用的空气中含菌量为104个/m3，那么一天将有5.76*108个微生物细胞进入发酵罐，这么多的杂菌带入，完全可导致发酵失败。

空气中的微生物与除菌方法

空气中的微生物与除菌方法


2）阻截作用 在气流速度在临界速度以下，由于速度很低 时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞留区 内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤 维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留， 这种作用称为阻截作用。
3）布朗运动
很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一 种不规则直线运动，称为布朗运动

2.静电电除尘：被电离的空气离子在向电极快速移动过程 中撞击上空气中的尘埃、菌体后，使菌体、尘埃移向电极， 最终沉降吸附在电极上，以达到除尘除菌的目的。

3.介质过滤除尘、除菌
实际使用时根据具体发酵选用除菌方式，一般常用过
滤除菌的方法。
三、介质过滤除菌

按过滤机制不同可分为绝对过滤和深层过滤。 绝对过滤：是利用微孔滤膜，其空隙小于0.5μm，甚至小 于0.1μm
第六节 空气中的微生物与除菌方法
一、空气中的微生物 含量、种类随空气状况而异； 北方少，南方多，高空少，城市多，农村 少 就种类而言，通常细菌芽孢、霉菌孢子居 多；空气中的微生物一般附着在尘埃、雾 滴上；
二、空气除菌方法

1.加热灭菌：采用加热手段（电、蒸汽、空压机）将空气 加热到灭菌温度进行灭菌。
一次冷却一次析水的空气预处理流程 适用范围：空气湿含量较大地区
高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程

特点 ：两次冷却、两次分油水、适当加热。 空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至 20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度 升高，相对湿度下降。
利用热空气加热冷空气的流程 适用范围：空气湿含量中等地区
介质的空隙小于0.5µm，
（二）、介质过滤

1、介质过滤机理 1）惯性碰撞作用 当微生物等颗粒随空气以一定的速度流 动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻， 空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。 但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在 以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时， 由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上， 由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面 上，这叫做惯性滞留作用 当气流达到一定速度时，它是介质过滤除 尘的主要作用。

生物化工工艺学--第6章--空气的灭菌

生物化工工艺学--第6章--空气的灭菌

布袋过滤器：效率高，但阻力大。多采用合成纤维滤布。
填料式粗过滤器：效果好，阻力小，但结构较复杂。材料有油浸铁 丝网、玻璃纤维或其它合成纤维。
油浴洗涤装置：洗涤除菌效果好，阻力也不大，但耗油量大。空气
进入装置后通过油层洗涤。 水雾除尘装置：空气从底部进入，上部喷下水雾，将空气中的灰尘 和微生物颗粒粘附沉降。
介质过滤器分离原理
利用块状介质、颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离 空气中水滴或油滴的方法。
常用的介质过滤器：丝网过滤器 丝网过滤器的丝网有：不锈钢、镍、铝、铜、聚乙烯、涤纶、绵伦等。
第四节 空气的过滤除菌原理和介质
一 空气过滤除菌原理
间隙大于微生物的过滤介质是如何 将微生物过滤除去的呢？？？ 撞击作用 拦截作用 布朗扩散 重力作用 静电引力
三 压缩空气的除水除油
除水除油的必要性：
经冷却降温后的空气相对湿度增大，会析出水来，使过滤介质受潮失效， 因此压缩后的空气要除水。 空压机中会带有润滑油，故除不的同时还需进行除油。
分离空气中油水的两类设备：
利用离心力进行沉降的旋风分离器。 利用惯性进行拦截的介质过滤器。
旋风分离器的结构与操作原理
构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等。
操作原理：含尘气体由进气管进入旋风分离器后， 沿圆筒的切线方向，自上而下作圆周运动。 颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心力大，故 逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿壁面落下，自锥体排 出进入灰斗。 净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上做旋
转运动，最后经顶部排气管排出。
第六章 空气的灭菌
A. 好氧微生物培养过程中（合成代谢产物及菌体生长）需要消耗大 量的氧气； B. 空气可提供大量的氧气； C. 空气中夹带大量的各类微生物； D. 消耗培养基中的营养物质，产生副产物，破坏纯培养过程的进行。

无菌空气制备

无菌空气制备

第六章空气除菌的工艺及设备在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生物生长和代谢必不可少的条件。

但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降，甚至彻底失败。

因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。

空气净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。

实际生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。

本章将讨论合理选择除菌方法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。

第一节空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求一、无菌空气的概念发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。

此种空气称为“无菌空气”。

二、空气中微生物的分布通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。

一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。

因此，研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容。

各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。

三、发酵对空气无菌程度的要求各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力、生长速度、产物性质、发酵周期、基质成分及pH值的差异，对空气无菌程度的要求也不同。

如酵母培养过程，其培养基以糖源为主，能利用无机氮，要求的pH值较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。

发酵工程教学课件《空气除菌》

发酵工程教学课件《空气除菌》

普通变性杆菌 金黄小球菌 酵母菌
病素 霉状分枝杆菌
0.5-1.0 0.5-1.0 3.0-5.0
0.0015-0.225 0.6-1.6
1.0-3.0 0.5-1.0 5.0-19.0
0.0015-0.28 1.6-13.6
空气除菌的方法
不同菌种的生长能力的强弱、生长速率的 快慢、培养周期的长短及所需培养基的组成各 不相同。因此，空气的灭菌情况应视具体情况 而定，但仍以小于0.001的染菌概率作为空气 灭菌彻底的标准，即1000次培养中允许1次由 于空中灭菌不彻底而导致染菌。适用于发酵中 大量空气灭菌何处军的方法常有三种：加热灭 菌、静电除菌、过滤除菌。
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三、空气过滤器类型
由于被过滤空气需要以一定速率通过过滤介质， 因此，不易被有水污染，除菌效率高，阻力小， 成本低，易更换。因此，用于空气过滤的介质主 要有两大类： 一是以纤维状物（如棉花、玻璃纤维、腈纶、维 尼纶等）或颗粒状物（主要是活性炭）为介质所 构成的过滤器。 二是以微孔滤纸、纸板、滤棒构成的过滤器前所采用的 过滤介质必须在干燥条件下工作，才能保证除菌的 效率。因此，空气需要预处理，以除去油、水和较 大颗粒。除了保证除菌目的，还应选择合适的流程 以提高除菌效率。 空气过滤除菌有多种工艺流程，以下三种较 常见。
1、两级冷却、加热除菌流程
这是工艺上比较成熟的一套空气净化系统，常为发酵生产使用， 可适应各种气候条件，具体工艺流程如下图： 将高空采集的气体，经粗过滤器处较大颗粒等杂质后，经空气 压缩后使空气温度升高到120~150°C，再经两级空气冷却器降温， 经两级油水分离器出去空气中的油和水，再加热至一定温度后进入 空气过滤器进行除菌，最后获得无菌程度高，温度、压力和流量均 符合生产要求的无菌空气。

第六章 灭菌动力学

第六章 灭菌动力学

y = 0.0122x R2 = 0.9771
0.08
0.06
0.04
0.02
ln Nt N0
0
0
2
4
6
8
10
14
12
y = 1.5943x
R2 = 0.9999
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
t
0.35 0.3
0.25
y = 0.0326x R2 = 0.9917
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
0.24953 0.293253
110
0 0.798507696 1.609437912
2.38959647 3.193167468 4.782504201 6.299349327
9.60338296 12.76236064
120
0 4.7627991 9.5261933 14.428615
0.12 0.1
Del系数，Nabla系数和灭菌标准
03 液体介质的灭菌方式
介质的批式灭菌
例：有一发酵罐内装40m3培养基，在121温度下进行实罐灭菌。原污 染程度为每1mL 有2*105个耐热细菌芽孢，121度时灭菌速度常数为 1.8min-1。求灭菌失败机率为0.001时 所需要的灭菌时间。
解：
t 1 ln N 0 2.303 lg N 0 K Nt K Nt
第六章灭菌动力学.ppt null 5229285rr 分享于 2012-11-05 07:45:6.8 暂无简介 文档格式: .ppt 文档页数: 98页 文档大小: 3.11m 文档热度: 文档分类: 待分类 文档标签: 灭菌动力学 系统标签: 灭菌 动力学 微生物 培养基 芽孢 发酵罐

空气过滤除菌流程3 - 第六章空气灭菌

空气过滤除菌流程3 - 第六章空气灭菌

Y=0.003x-2.6
式中，y-空气中的微生物数量（个/m3），x-空气中的尘颗粒数量（个/m3）。
2、空气灭菌的要求和方法
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增基中 PH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的染菌机率，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菌，致使培养过程失 败。
要制备较高无菌程度、具有一定压力的无菌空气，并保持过滤器在比较高的效率 下进行过滤，并维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，则要有一系列的加热、冷 却及分离和除杂设备来保证。空气过滤除菌有多种流程，下面分别介绍几种较典型流 程。
压缩机 冷却器 分离器 加热器 过滤器
流程的制订还需要根据所在地的地理、气候环境和设备条件加以考虑。P94
生化生产工艺课程教案
胡斌杰
2006年5月
第六章 空气灭菌
教 学 内 容
1、空气灭菌的要求和方法 2、空气过滤除菌流程 3、空气的预处理 4、空气的过滤除菌原理和介质
好氧微生物在培养过程中，无论是生长还是合成代谢产物都需要消耗大量的 氧气，以满足微生物的生长、繁殖及代谢的需要。这些氧气通常是由空气提供， 但是，空气中夹带有大量的各类微生物，这些杂微生物如果随空气一起进入培养 系统，便会在合适的条件下大量繁殖，并与目的微生物竞争性消耗培养基中的营 养物质，从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行，甚至使培养过程彻底失败导 致倒罐，造成严重的经济损失。
3）高效前置过滤空气除菌流程
流程优点： 适用地区：
高效前置过滤器
压缩机
贮罐
冷却器 丝网分离器
加热器

发酵工程单元操作

发酵工程单元操作

常压蒸汽灭菌锅 常压蒸汽灭菌锅是用铁锅、砖、水泥砌成的，造价低，适于一般生产单位和专业户使用。大小可根据需要而定，但最大的锅每次装料也最好不超过500公斤。
烘箱 烘箱主要是用于玻璃器皿的干燥和灭菌，也可用于其它物品烘干。
01
第四节 培养基的灭菌
Work Review
湿热灭菌的基本原理： 湿热灭菌是直接用蒸汽灭菌。蒸汽冷凝时释放大量潜热，并具有强有强大的穿透力，在高温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆的凝固性变性，致使微生物在短时间内死亡。
湿热灭菌要比干热灭菌更有效，这一方面是由于湿热易于传递热量，另一方面是由于湿热更易破坏保持蛋白质稳定性的氢键等结构，从而加速其变性。
高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等。
干热灭菌法， 将金属制品或清洁玻璃器皿放入电热烘箱内，在150～170℃下维持1～2小时后，即可达到彻底灭菌的目的。 在这种条件下，可使细胞膜破坏、蛋白质变性、原生质干燥，以及各种细胞成分发生氧化。 灼烧，是一种最彻底的干热灭菌方法，但它只能用于接种环、接种针等少数对象的灭菌。
（2）过滤除菌法
是将液体或气体用微孔薄膜过滤，使大于孔径的细菌等微生物颗粒阻留，从而达到除菌目的。在体外培养时，过滤除菌大多用于遇热容易变性而失效的试剂或培养液。
目前，大多实验室采用微孔滤膜滤器除菌。关键步骤是安装滤膜及无菌过滤过程。
滤膜过滤装置、烧结玻璃滤板过滤器、石棉板过滤器（Seitz滤器）、素烧瓷过滤器以及硅藻土过滤器等。过滤除菌的缺点是无法去除其中的病毒和噬菌体。
培养基中的颗粒物质 培养基中的颗粒物质大，灭菌困难，反之，灭菌容易。一般说来，含有颗粒对培养基灭菌影响不大，但在培养基混有较大颗粒，特别是存在凝结成团的胶体时，会影响灭菌效果，必须过滤除去。
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以棉花、玻璃纤维、尼龙等纤维类或者活性炭作为 介质填充成一定厚度的过滤层，或者将玻璃纤维、 聚乙烯醇、聚四氟乙烯、金属烧结材料制成过滤层， 其介质间的空隙大于被滤除的尘埃或微生物。空气 流过这种介质过滤层时，借助惯性碰撞、阻截、静 电吸附、扩散等作用，将其尘埃和微生物截留在介 质层内，达到过滤除菌目的。
介质过滤效率
η= (N1-N2) / N1 = 1- N2 / N1 = 1-P 式中：P为穿透率
在一定条件下，可以通过计算方法确定过滤层厚 度。
-dN = KN dL
ln N2 / N0 = -KL 由此式可求滤层厚度
穿透的菌数与原菌数之比的对数与介质层厚度成 正比，因此也称为对数穿透定律
1．影响介质过滤效率的因素
2、冷热空气直接混合流程 ● 流程
特点：冷却用水少、耗能少。 适用范围：适用于中等湿含量的地区
3、高效前置除菌流程
❖ 特点及适用范围 特点：除菌效果好。 适用范围：适用于中等湿含量及干燥的地区。
二、除菌设备及计算 (一)、粗滤器 1、作用：除去空气中大颗粒灰尘，减少对压缩机
的损坏及减轻总滤器的负荷。 2、布袋粗滤器 3、填料式粗滤器：效果好，但清洗困难。 4、油浴式粗滤器：对压缩机无影响，但耗油 多。
5、静电吸附作用：微生物和孢子都带电荷。
第三节 空气过滤的效率
深层介质过滤不是面积过滤，而是无数层纤维将 空气中的微生物等颗粒滞留在介质中。它仅仅是延 长了空气中微粒的停留时间，随着使用时间的延长， 微粒穿过介质过滤层的几率不断增加，因此不能得 到100％的过滤效率。每使用一段时间后，介质层 中的微粒堆集到一定数量，微粒穿过的几率大大增 加，这时就必须进行灭菌。
的物理性质有关。
2、阻截作用：质量小的微生物等颗粒，在气流速度 较低时，在纤维的周边形成一层边界滞留层，在滞 留层气流速度更低，由于摩擦、粘附作用被滞留
3、布朗扩散作用 ：很小的颗粒流动速度很慢的气流 中能产生一种不规则的，称为布朗扩散运动。这种 结果会使小颗粒相互凝聚，而被过滤。
4、重力沉降作用：当颗粒所受的重力大于气流对它 的拖带力时，微粒就沉降。
加热灭菌 将空气加热至一定温度，并维持一定时间，杀灭空 气中的微生物。空气中的细菌芽孢在218℃维持24s， 就被杀死。
2．电除尘 ε=(E/r)ln(d2/d1)-1
第二节 介质过滤除菌
一、绝对过滤 1.定义：绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微
生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤 除。它是采用很细小的纤维介质制成，介质空隙小 于0.5μm ，甚至小于0.1 μm 。 2.绝对过滤的特点：空气质量易于控制；节约能源和 时间，操作简便。
5．绝对过滤介质：
这是一种能控制孔径的过滤介质，孔径在0.45um 以下，小于一般菌体、称为绝对过滤介质。国外已 有商品出售。这种滤纸的材料有硝酸纤维脂类、聚 四氟乙烯等。
第五节 过滤除菌设备
一、除菌流程 1、两级冷却、分离、加热流程 ● 流程
特点及适用范围 特点：提高传热系数、节约冷却用水、油水分离完 全。 适用范围：潮湿的南方地区。
(1)介质填充厚度与过滤效率的关系
(2)介质填充密度与过滤效率的关系 可见增加填充密 度，可以提高过滤效率。
(3)空气流速与过滤效率的关系 在空气流速很低时， 过滤效率随气流速度增加而降低，当气流速度增加 至临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高
一、常用的滤菌介第质四节 过滤介质
用于空气除菌的过滤介质主要有：棉花、活性炭、 玻璃纤维、超细玻璃纤维纸、石棉、烧结材料以及 微孔过滤介质(也称绝对过滤介质)等。
分滤) 、烧结材料(用于分滤) 烧结金属、陶瓷、塑料等、 其他：超滤膜，孔径小于0.4 μm
2、棉花(纤维)深层过滤器
(1)、结构
滤层排列：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)、特点
结构简单，过滤效果好， 但棉花潮湿后易染菌， 常用作主滤器。
3、平板纤维纸过滤器
(1)、结构：罐体、顶盖、滤 层、夹板及缓冲层
滤层排列：孔板铜丝网 麻布滤纸 麻布 铁丝 网孔板
(2)、特点：适合处理空气量 小或分滤，效果决定于滤纸 的孔径及厚度。
4、管式过滤器
特点：过滤面积比平板纤 维纸过滤器大，气速高时产 气大。
例一发酵罐用气量为10m3/min,空气在过滤器中的线 速度0.15m/s;这时过滤器除菌常数为153.5m-1,空 气中微生物的浓度为200个/m3,发酵周期为100h, 求过滤器直径和介质厚度，假若空气流速变为 0.03m/s（此流速下k= 20.0m-1)求过滤层的厚度。
3.常用的材料为：纤维素脂微孔滤膜（孔径0.5 μm ， 厚度0.15 μm ）、硅酸硼纤维微孔滤膜（孔径0.1 μm ）、聚四氟乙烯微孔滤膜（孔径 0.2μm或0.5 μm ，孔率80%）。我国研制的混合纤维素脂微孔 滤膜和醋酸纤维素脂微孔滤膜，除过滤除菌外，还 有静电吸附作用。
二、介质过滤（深层过滤）机理
图为带颗粒气流通过单一纤维截而的假想模型。 当气流为层流时，气体中的颗粒随气流作平行运动， 接近纤维表面时，气流改变方向，绕过纤维而前进， 颗粒于惯性作用，未能及时改变运动方向，继续前 进而与纤维碰撞被阻裁。因滤层由无数多纤维组成， 对颗粒的碰撞几率为无穷多，故产生过滤除菌作用。
❖ 在一定条件下，捕集效率随 气流速度增加而增大，当然 气流速度过大，也会将颗粒 带走而捕集效率下降。相反， 当气流速度小时，颗粒因运 动速度小而惯性也小，颗粒 被捕集的可能性也就小。如 果气流速度小至颗粒的惯性 力不足以使颗粒脱离气流时， 颗粒就不与纤维碰撞而被捕 集，此时的气流速度称为临 界速度。空气临界速度与纤 维直径、颗粒密度以及气体
1．工业上空气除苗所用过滤介质(如棉花、玻璃纤维、活性炭 等)的滤孔远大于菌体，为何能达到除菌目的?
2、列举空气除菌的方法和原理 3、影响介质过滤效率的因素 4、名词解释：绝对过滤介质、介质过滤效率、穿透率 5、除菌流程的评价 6、除菌设备有哪几部份组成 7、提高过滤除茵效率的主要措施
8、一发酵罐用气量为10m3/min空气在过滤器中的 线速度0.03m/s;这时过滤器除菌常数k= 20.0m-1, 空 气 中 微 生 物 的 浓 度 为 200 个 /m3, 发 酵 周 期 为 100h求过滤器直径和介质厚度。
5、水浴式除尘 器
对大粒子效果好， 但对压缩机影 响大。
(二)、空气压缩机 1、涡轮式 2、往复式 (三)、空气贮罐 1、作用：稳定压力及分离部分油雾。 2、结构：罐体、压力表、安全阀(或加冷却蛇管、导
筒) 3、罐的计算 V = 0.1~0.2W（压缩机排气量）m3/min D/H = 1: 2~2.5
解：N0=1060100200=1.2107 过滤器出口空气中的含菌量取0.001，则介质层厚度
L=（1/k）LnN0/N =1/153.5Ln1.2107/0.001=0.151m
空气过滤器的直径 D=(4Q/g)0.5
第六节、讨论
一、提高过滤除菌效率的主要措施 空气净化处理的根本目的是除菌，然而目前所使用 的过滤介质必须在干燥状态下工作才能保证过滤效 率，因此就必须除油、除水。空气净化流程的选择 必须围绕着提高过滤除菌效率进行，其主要措施有：
二、常用的空气净化流程
空气净化流程的选择都是为了满足以上措施。
常用的空气净化流程
1、共同点
提高进风口位置，减少空气含菌量。
采用过滤性能较好的油浸或金属丝网作为预过滤 器．减少进口空气的含尘量，同时对空压机的保护 作用较明显。
空气经过冷却，除油、除水后，再加热提高温度，降 低空气的相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工 作。
1、减少进口空气的含菌数 加强生产环境的卫生管理,减少环境空气中的含菌量； 提高空气进口位置(高采风口)，减少进口空气含菌量； 加强压缩机前的预过滤。
2、设计和安装合理的空气过滤器。 3、降低进入总过滤器的空气的相对湿度，保证过滤
在于燥条件下工作。 采用无油润滑的空压机； 加强空气的冷却，除油、除水； 提高进入总过滤器的空气的温度，降低其相对湿度等。
1．惯性碰撞滞留作用
当微生物等颗粒随气流以一定速度流动，在接近纤 维时，气流碰到纤维而受阻，空气改变运动方向绕 过纤维继续前进；但微生物等颗粒由于具有一定的 质量，在以一定速度运动遇到纤维，因惯性作用而 离开气流继续前进并碰在纤维表面上。由于摩擦、 粘附作用被滞留在纤维表面上，这就是惯性碰撞滞 流作用。
(四)、气液分离器 1、作用：将空气中的水雾及油雾除去。 2、种类 旋风式(气液分离) ：螺旋顶盖式、蜗壳式、扩散式、
旁路式. 用于雾滴大、量大情况。 填料式(除雾器)： 丝网、瓷环式、其他：活性炭、金
属屑、塑料丝网、空气冷却器 1、立式列管式 2、沉浸式 3、喷淋式 (六)、空气过滤器 1、过滤介质 棉花 、玻璃纤维、活性炭、超细玻璃纤维纸、石棉滤板(用于
第六章 空气除菌
好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗 氧气。工业生产上均采用空气作为氧气来源。空气 的条件：
❖ 微生物除去或杀死。
❖ 具有一定压力。
❖ 过滤介质处于干燥状态。
第一节 空气中的微生物与除菌方法
一、空气中的微生物 1、大城市空气中含菌数为3000-10000个／m3。 2、空气中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵
3．玻璃纤维；
玻璃纤维的直径差别很大，原则上以直径小的 过滤效率高，但直径太小容易断裂，且操作人员 接触后易过敏，因此国内基本不使用。
4．超细玻璃纤维：
以质量较好的无碱玻璃，用喷吹法制成的直径很小 的纤维。由于直径小，不易散装填充，因而采用造 纸的方法，做成纤维纸、使用时叠在—起。由于丝 径小，纸的网格孔径也小，因此除菌效率高。
选用除雾效果好的金属丝网除雾器。
2、不同点
根据当地气候环境条件不同和冷却水温度来源不同， 选用一级或二级冷却，对于南方气温较高、湿度较 大，宜采用二级冷却，第一级采用河水或自来水冷 却。第二级采用深井水或冷冻水冷却。