生物制药工程设备空气除菌及设备课件.pptx
生物制药工程设备,生物制药工程设备,空气除菌及设备,工厂的灭菌设备(青岛),空气除菌是需氧发酵的重要环节。发酵周期越长，对无菌空气的需求越多。以一个50m3发酵罐为例，若装料系数为0.7，如果要求每立方米发酵液每分钟通气0.8m3，培养周期为170h，那么每个周期需要通入无菌空气达2.86105m3。,提纲,第一节 无菌空气的标准第二节 空气除菌方法第三节 过滤除菌原理及设计第四节 压缩空气的预处理及设备,索菲特除菌过滤器(SZ-15G-1)-(浙江),第一节 无菌空气的标准,一 无菌空气的概念,无菌空气。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,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。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103104个/m3进行计算。,二 空气中微生物的分布,空气中含有的微生物依附于尘埃、微粒及细微的水滴上。尘埃粒子粗过滤器（进入空压机之前）；水蒸汽随空气冷却成水滴分离(除水)；油滴压缩空气含有空气压缩机的油滴(除油)。,三 发酵对空气无菌程度的要求,三 发酵对空气无菌程度的要求,只要将空气中含有0.3m以上的微粒全部除掉，就可认为是无菌空气，也就是无菌空气的标准。,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强弱、生长速度快慢、发酵周期长短及培养基中pH的差异，而对空气除菌的要求一般也不一样。,酵母培养,除菌要求低,氨基酸、抗生素发酵、细胞培养,除菌要求高,三 发酵对空气无菌程度的要求,一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的孢子或芽孢，繁殖时需要较长的调整期。在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境后，只要很短的调整期，即可进入对数生长期而大量繁殖。影响因素是比较复杂的，需要根据具体情况而订出具体的工艺要求。一般按染菌机率为10-3。来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许12次染菌。,四 空气含菌量的测定,四 空气含菌量的测定,粒子计数器测定法：利用微粒对光线有散射作用的原理来测定粒子的大小和含量。,四 空气含菌量的测定,固定膜采样法：采样时间不限，每小时空气取样可达2m3，可用于压缩空气中微生物含量的监测。,第二节 空气除菌方法,一 热杀菌法,虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将它破坏。例如悬浮在空气中的细菌芽孢在218下24s就被杀死。如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到灭菌目的，这样太不经济。利用空气压缩时产生的热进行灭菌对于无菌要求不高的发酵来说则是一个经济合理的方法。,丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产,一 热杀菌法,一 热杀菌法,压缩比=6，空气预热到60(T1)再进入压缩机，多变指数取m=1.25。计算T2,二 静电除尘法,原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的。,二 静电除尘法,优点：效率高(1m微粒去除率达99%以上)、能耗少(处理1000m3空气耗电0.4-0.8kWh)、空气阻力小(10-30 mmH2O)。缺点：一次投资费用高、制造安装复杂、维修严格。,主要应用于化工、冶金领域,1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板；5-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。,三 过滤除菌法,目前普遍采用的方法，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：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。,第三节 过滤除菌原理、设计及计算,过滤介质按孔隙大小分两类：,绝对过滤介质：空隙小于细菌和孢子，当空气通过时，微生物被阻留在介质的一侧。,深层过滤介质：孔隙大于微生物（用得较多）,将聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩合，制成多孔的聚乙烯醇缩甲醛树脂(PVF)，经过耐热处理制成孔径小于0.3m的滤膜。,棉花、玻璃纤维、合成纤维、活性炭、超细纤维滤纸、金属烧结板,过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤/分离是在一个平面上进行的。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,绝对过滤介质,深层过滤介质,1、棉花纤维、玻璃纤维、合成纤维和颗粒状活性炭(需填充一定厚度),深层过滤介质,2、超细纤维滤纸、金属烧结板(无需填充很厚),一 纤维介质深层过滤除菌的原理,目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻璃纤维、尼龙等。被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有0.52m，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直径一般为16 20m，填充系数为8时，棉花纤维所形成的孔隙为2050m；超细玻璃纤维滤板因纤维直径很小，为11.5m，湿法抄制紧密度较大，所形成的网格孔隙为0.55m。过滤机理比较复杂。以纤维介质为例。,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，使气流无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进。这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。,一 纤维介质深层过滤除菌的原理,主要是纤维介质截获颗粒的机理。,（一）惯性撞击截留作用（二）拦截截留作用（三）布朗扩散截留作用（四）重力沉降作用（五）静电吸附作用,1 直接拦截,(1)颗粒大于孔径。,1 直接拦截,(2)尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截(搭桥作用)。不规则形状的颗粒/方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔,不规则形状的搭桥,多个小颗粒的搭桥,滤饼,拦截在过滤器表面的颗粒堆积所形成的颗粒层称为“滤饼”。当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的“滤饼”即已形成了。,滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高。,2 惯性撞击,尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式。流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性。颗粒离开流体主流而撞击到滤材上。,2 惯性撞击,2 惯性撞击,2 惯性撞击,2 惯性撞击,颗粒被机械拦截或被吸附拦截,在气体中比在液体中更有效.,对大于0.5-1.0 微米的颗粒很有效.,3 扩散拦截,气体分子(作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴。布朗运动(Brownian motion)碰撞的结果，增加了颗粒碰撞过滤介质的机会。仅在气体中有效对小-细颗粒(0.1-0.3微米)非常有效,3 扩散拦截,3 扩散拦截,3 扩散拦截,过滤机理总结,当气流速度较大时(约大于0.1m/s)，惯性捕集是主要的。而流速较小时，扩散作用占优势。而在两者之间，可能是拦截作用占优势。以上几种作用机理在整个过程中，随着参数变化有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。,过滤机理总结,细菌,在设计过滤除菌设备时，只有薄层介质过滤器(阻力小)才选用较高的空气流速，一般以采用0.15m/s以下为宜。,二 空气过滤时的对数穿透定律,过滤除菌效率或称空气过滤器的过滤效率，是指过滤器中过滤介质层捕集空气中微粒与空气中原有微粒数目之比，即：是单纤维各种机理除菌效率的综合体现。,二 空气过滤时的对数穿透定律,实验结果证明，微粒在滤层内减少的速率正比于微粒的浓度，即：分离变量积分，得：K与纤维种类、纤维直径、空气流速、填充系数及微粒直径等因素有关。,或,根据若已知除菌要求和K，则可以计算出介质层厚度L。L90：除菌效率为90%时的介质厚度。,L90,可以理解为介质阻止微生物穿透的性能。K或K越大，表明该介质越能阻止微生物粒子的穿透。L90是K的倒数，反映了介质过滤性能的优劣：L90小，表明只需要很薄的滤层即可除去90%的微生物粒子。,除菌常数K或K,深层除菌过滤器效率与操作条件有关,三 空气过滤器的设计,介质层填充厚度过滤器直径过滤层压力降,(一)介质层填充厚度(高度),由对数穿透定律进行计算。,N0可根据进口空气的污染度(空气含菌浓度C0)、空气流量及持续使用时间计算出。,例如，取C0=10000个/m3，空气流量为200m3/min，连续使用2000h，则N0=10000 200 2000 60=2.4 1011个，Ns一般取10-3个，于是N0/Ns=2.4 1014个。在设计空气总过滤器时，常取N0/Ns=1015作为设计指标。K可通过试验数据或计算的方法求得。,(一)介质层填充厚度(高度),K可通过试验数据或计算的方法求得。,(二)过滤器直径,根据空气流量和流速的关系计算,Vs可根据生产任务等条件求得。w的确定方法是：当K通过实验确定时，取0.1-0.3m/s，计算K时，则取临界气速，以保证生产对无菌空气的要求。,(二)过滤器压力降,空气通过过滤器介质层时要克服与介质的摩擦而引起的压力损失，即压力降：,四 过滤介质和过滤器的结构,（一）常用过滤介质,四 过滤介质和过滤器的结构,（二）过滤器的结构、棉花活性炭过滤器,四 过滤介质和过滤器的结构,（二）过滤器的结构、超细玻璃纤维纸过滤器（分过滤器）,第四节 压缩空气的预处理及设备,空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，如无菌程度、空气压力、温度和湿度等，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质而综合制定的。要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方，首先需要提高空气的能量，即增加空气的压力，这就需要空气压缩机或鼓风机。空气经压缩后，温度会升高，经冷却会释放出水分，空气在压缩过程又有可能夹带机器润滑油雾。,空气除菌流程的要求,风压要求低、输送距离短、无菌度要求也不高的场合，如洁净工作室、具有自吸作用的发酵系统如转子式自吸发酵罐、喷射式自吸发酵系统等(只需要数十帕到数百帕的空气压力)采用普通的离心式鼓风机增压，将具有一定压力的空气通过一个过滤面积大的过滤器，以很低的流速进行过滤除菌，这样气流的阻力损失很小。由于空气的压缩比很小，空气温度升高不大，相对湿度变化也不大，空气过滤效率比较高，经一、二级过滤后就能符合所需无菌空气的要求。关键：离心式鼓风机的增压与空气过滤的阻力损失要配合好，以保证空气过滤后还有足够的压强推动空气在管道和无菌空间中流动。,空气除菌流程的要求,对于无菌度和输送距离等要求高的场合，就要采用较高压力的空气压缩机来增压。由于空气压缩比大，空气的参数变化也大，就需要增加一系列的附属设备。根据工厂所在地的地理、气候环境和设备条件来制定具体的空气除菌流程。如在环境污染较为严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿的南方，要加强出水设备；空气被压缩后温度升高，需要迅速降温以减小压缩机的负荷；空气冷却会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。,空气除菌流程的要求,空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120160)，先冷却至适当温度(2025)除去油和水，再加热至3035，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。各种设备系围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。,空气除菌的一般流程,空气除菌的一般流程,经过压缩机压缩的空气具有较高的温度，在压力不变的情况下冷却会造成相对湿度增加，析出水滴。经非无油润滑的往复式空气压缩机排除的压缩空气还带有一定量的油雾。以上情况可能使过滤介质受潮而引起失效，使空气除菌失败。因此压缩空气应先进行预处理：除油除水，再进入空气过滤器，即先冷却，再加热。一般要求进入过滤器的空气相对湿度为50-60%，温度为30-40。预处理过程做到经济合理很重要，在发酵工业产品成本中，动力费占45%，其中压缩空气系统占三分之一，冷却水占三分之一，搅拌占三分之一。,一 压缩空气的预处理原理,(一)压缩空气的冷却20的空气由1105Pa被压缩到4105Pa，取m=1.25，压缩后空气的温度可达：,压缩比越大，压缩空气温度越高压缩空气直接通入过滤器，会损坏过滤介质。温度过高也会增加发酵罐的降温负荷。高温空气还会增加罐内液体挥发。因此压缩空气须进行冷却。,压缩空气的温度变化,（二）压缩空气的除水原理,相对湿度：空气中水蒸气分压与同温度下水的饱和蒸气压之比：,（二）压缩空气的除水原理,湿含量 x：每1kg干空气中含有的水蒸气的kg数，也称绝对湿含量，kg/kg干空气：,相对湿度和湿含量变化规律,露点和湿含量变化规律,合并上述两式，得：若湿空气的温度和总压发生变化，而湿度x不变(高于露点温度)，则可取x1=x2，得出：,从上式可以看出，压缩空气的相对湿度除了和原始空气的相对湿度，温度t1(决定ps1数值)及压缩比P2/P1外，还和t2有关。若压缩空气冷却至原始空气的温度，即t1=t2，则ps1=ps2，那么压缩空气的相对湿度就仅和压缩比有关，即：从上式可以看出，压缩比增大多少倍，相对湿度也就增大多少倍，故空气通过加压就有可能达到饱和而析出水来。,空气湿度随地理位置、季节及气候条件而变,压缩空气制备过程相对湿度和湿含量变化的计算,欲将上述预处理过的空气相对湿度变为60%，需将温度升高到多少度？,欲将上述预处理过的空气相对湿度变为50%，需将温度升高到多少度？,二 空气预处理的流程,（一）空气冷却至露点以上的流程,相对湿度60%温度3040,适合地区：北方及内陆较干燥的地区；沿海的冬季,二 空气预处理的流程,（二）将压缩空气冷却至露点以下的流程,适合地区：空气中水分含量大，特别是沿海地区的夏季,压缩空气的二级冷却和析水流程：节能,（三）将冷热空气直接混合的流程,适合地区：中等湿含量的地区,优点：减少冷却水用量，不需要加热设备,（三）将冷热空气直接混合的流程,（四）具有热交换器的预处理流程,节省热能和冷却水,三 压缩空气预处理的设备,（一）取气口高度与位置,高度：取气口应放在较高的位置(每升高10米，微生物量下降一个数量级),位置：远离发酵罐尾气的放风口、循环水的冷却塔、锅炉烟道气排出口等,空压车间,（二）粗过滤器,填料：油浸铁回丝、玻璃纤维、其他合成纤维。,1-滤网 2-加油斗 3-油镜 4-油层,高效前置过滤除菌流程,（三）空压机的类型和选用,（四）空气贮罐,（五）空气的换热设备,（六）析水设备（气-液分离设备）,1、旋风分离器,原理：利用离心力进行离心沉降分离。,缺点：气速小则离心力亦小分离效果差；气速过大则在器内产生较大涡流降低分离效率。,（六）析水设备（气-液分离设备）,2、丝网除雾器,原理：利用惯性拦截原理进行分离。,缺点：通过丝网除雾器的空气流速不能太大，以免分离出的液滴又被空气挟带出来。,（六）析水设备（气-液分离设备）,2、丝网除雾器,习题,
