发酵工艺学第四章培训课件

工业发酵所需的无菌空气要求高，用量大，故选择运行可靠、操作方便、 设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。
2020/7/5
1. 辐射杀菌
理论上，声能、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线 等都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但具体的杀菌机理研究比较少， 了解得较多的是紫外线杀菌，紫外线波长为2537-2650 À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。
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高空采风、两次冷却、两次分油水、 适当加热流程
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冷热空气直接混合式空气除菌流程
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高效前置过滤除菌流程
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四 空气过滤器设计
1、惯性捕集作用
在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，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。 当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或 是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。由于纤 维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通 过滤层。
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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％。
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、 无机和金属烧结材料等。
当过滤介质孔隙小于或大大小于被过滤的微粒直径时， 通常称为绝对过滤。
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三 典型的空气除菌流程分析
发酵生产中制备无菌空气的大致过程如下:
空气 高空取气管 除尘器 空气压缩机
贮气罐
一级冷却器 油水分离器
二级分离器 除雾气 加热器
2) 在进入发酵罐前应加装分过滤器以保证安全;采用该系统压缩机能 量消耗会相应增大，压缩机耐热性能要增加，其零部件也要选用耐 热材料。
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3．静电除菌
原理:利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘的目的。悬浮于空气 中的微生物、微生物孢子大多带有不同的电荷,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。
压缩过程中又有可能夹带机器润滑油的烟雾。
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对空气除菌流程的要求
1. 流程的制订就根据所在的地理、气候环境和设备条件而考虑。如在环 境污染比较严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负 荷；在温暖潮湿的南方，要加强除水设施，以发挥过滤器的最大除菌 效率；在压缩机耗油严重的设备流程中则要加强消除油雾的污染等。
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4）空气含菌量测定 难以准确测定，一般采用培养法和光学法。 目前我国采用Y-09－1型粒子计数器，是利用微粒对光 线散射作用来测量粒子大小和数量的。总菌数的测定； 重叠细菌则难以测准。
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二 空气的除菌方法
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。 破环生物体活性的方法较多，如辐射杀菌、加热杀菌、化学药物杀 菌，都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力。而静电吸附和介质过滤 的方法是把微生物的粒子用分离方法除去。
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（二）发酵对空气无菌程度的要求
1) 好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要作到绝对无菌在目 前是不可能的，也是不经济的。 2) 不同的发酵，由于所采用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、 分泌物的性质、发酵周期的长短、培养物的营养成分和PH值的差异， 对所用的无菌空气的无菌程度有不同的要求。
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设df为纤维断面的直径，当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向
运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当
气流突然改变方向时，它离开主导气流；气流宽度b以内的粒子， 与介质碰撞而被捕集。
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
式中 c ：层流滑动修正系数；
v
：微粒（即空气）的流
0
d f ：纤维直径， m ；
速， m / s ；
d
：微粒直径，
p
m；
：微粒密度，
p
kg / m 3；
：空气粘度， Pa s
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由上式可见：空气流速v0是影响捕集效率的重要参数。在一定条件 下(微生物微粒直径、纤维直径、空气温度)，改变气流的流速就是 改变微粒的运动惯性力；当气流速度下降时，微粒的运动速度随之 下降，微粒的动量减少，惯性力减弱，微粒脱离主导气流的可能性 也减少，相应纤维滞留微粒的宽度b减小，即捕集效率下降。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＝o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。
第三节 空气除菌
• 一 空气中的微生物 • 二 空气除菌方法 • 三 典型的空气除菌流程 • 四 空气过滤设计
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一 空气中的微生物
耗氧微生物在繁殖培养过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。 但空气中含各种各样的微生物，会随着空气进入培养基中，在适宜的 条件下，大量繁殖，消耗营养物质，产生代谢产物，干扰甚至破坏发 酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻 底失败等。
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2. 空气被压缩即放出内能而使温度升高，必需将其迅速冷却，以减少 压缩机的负荷，保证机器正常运行。空气冷却将析出大量的冷凝水 形成水雾，必须将其除去，否则带入过滤器将会严重影响过滤效 果。
3. 冷却与除水除油的措施，可根据各地环境气候条件而改变，通常要 求压缩空气的相对湿度为50％-60％时通过过滤器为好。
图4-1为利用空气压缩时放出的热量进行保温杀菌。
空气进口温度为21℃，空气的出口温 度为187-198℃，压力为0.7MPa。从 压缩机出口到空气贮罐段管道加保温 层进行保温，使空气达到高温后保持 一段时间，保证微生物死亡。
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1) 为了延长空气的高温时间，防止空气在贮罐中走短路，最好在贮罐 内加装导简。采用热杀菌装置时，还应装有空气冷却器，并排除冷 凝水，以防止在管道设备死角积聚而造成杂菌繁殖的场所。
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例题：某除菌流程，空气压力为4工程大气压，要求空气加热到35˚C 时相对湿度φ =60%，问第二级冷却器应至少把空气冷却到多少度 (假定冷却后空气中水雾全部分离)？
x0.62P 2 PbPb
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• 查表得知35˚C时空气中的饱和水蒸汽分压是5619帕， 加热前冷空 气的相对湿度φ＝100％。
因此空气的除菌成为耗氧发酵的一个重要环节。
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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 ٠
法的除菌效果、设备条件、经济指标各不相同。
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٠ 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
常用于洁净工作台、洁净工作室所需无菌无尘空气的第一次除尘， 配合高效过滤器使用。
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，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。
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4．过滤除菌法
是目前发酵工业中经济实用的空气除菌方法，是采用定期灭菌的介 质来阻截流过空气所含的微生物，而取得无菌空气的。
• 查水蒸汽分压表知26 ˚ C水的蒸汽压为3371帕，就是说第二级冷却 器至少应把空气冷却到26 ˚ C。
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• 对于气候很干燥的地方，或寒冷的冬天，可将流程简化 ，只用第一冷却器，将空气冷却到35 ˚ C即可满足相对 湿度φ＝60％而进过滤器。它所要求的条件是：
• 查表得知当6˚C相对湿度是80％时，或12 ˚ C相对湿度 60％时，水蒸汽分压为843.4帕。
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3）无菌要求：在发酵过程中不因空气染菌而造成损失。 一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经除菌后空
气的无菌程度为N=10-3。
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通常细菌繁殖一代只需20-30min，如果发酵过程中进 入一个细菌，则繁殖15h后，可达到109（10亿)个。则大量 的杂菌就使发酵受到严重干扰或失败，故是以进入1-2个杂 菌即失败作为依据的。
• 流程的分析计算
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（二）两级分离、两次冷却、一次加热的空气除 菌流程
2020/7/5
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。
2020/7/5
（三）高效前置过滤除菌流程(无菌程度高)
１—高效前置过滤器，２—压缩机，３—贮罐，４—冷却器，５—丝网分离 器，６—加热器，７—总过滤器