《净化除菌设备》PPT课件.ppt

第三章,空气净化除菌设备,讲授内容,空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求 空气除菌的方法 介质过滤除菌的机理 介质过滤除菌的工艺 介质过滤除菌的设备及计算,【教学目的与要求】了解发酵工业对空气除菌的要求，掌握空气除菌的方法、流程及设备和设计计算。【教学重点与难点】空气除菌的方法、介质过滤除菌工艺流程、设备和计算。,思考题:1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率2.设计一适合南方环境的空气净化流程，并说明理由。过滤除菌流程有那些?特点和适用范围3.过滤除菌的要求4.提高过滤效率的措施5.过滤器计算 某发酵罐通风量为15m3/min，发酵周期100h，设计一台的棉花过滤器，(已知空气流速=0.1m/s，此时过滤常数K=13.5/m)进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，求到罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)。计算过滤器的滤层厚度和直径。,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。,空气中微生物的种类及大小 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，一般设计可认为大气中微生物含量为103104个/m3进行计算。,三、生物工业生产对空气质量的要求 包括两个内容：操作环境净化要求 通入发酵罐的无菌空气的要求,三、发酵对空气无菌程度的要求 各种不同的发酵过程，对空气无菌程度的要求也不同。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1次染菌。四、空气含菌量的测定 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。,第二节 空气除菌的方法,辐射灭菌 加热灭菌 静电除菌 介质过滤除菌,一、辐射杀菌1、原理射线、X射线、射线、射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，而起到杀菌作用。常用的是紫外线，波长253.7265nm杀菌力最强，杀菌强度与紫外线强度呈正比，与距离的平方成反比。2、应用范围用于空气对流不大的环境：无菌室和医院手术室。3、缺点杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛熏蒸或苯酚喷雾来保证无菌室的无菌程度。对霉菌甲醛效果稍差、一般采用硫磺熏蒸。,二、加热灭菌：热杀菌是有效、可靠的杀菌方法。利用压缩热进行空气灭菌的流程图空气进口温度为21，出口温度为187198，压力为0.7MPa。但采用蒸汽、电加热空气杀菌，经济上不合理。,三 静电除菌 利用静电引力吸附带电离子达到除菌除尘目的。优点 1、除尘效率效果好，最佳条件下对1微米的微粒可达99%，一般在85%99%。2、耗电少。每处理1000m3空气耗电0.20.8kW。3、阻力小设备不大。30150Pa，4、染菌率低，平均低于1015 缺点：维护安全技术措施要求高，设备庞大、一次性投资大。捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。,由两部分组成:电离部分、除尘部分。,四.过滤除菌 最常用的方法 采用定期灭菌的干燥过滤介质阻截流过的空气中的微生物、尘埃达到除菌目的。孔隙大于微生物直径按孔隙两类 需要一定的滤层厚度 孔隙小于微生物直径 绝对过滤 绝对过滤在发酵工业应用广泛，Millipor公司0.22m膜过滤器，可反复进行蒸汽杀菌，英国的DH公司（Domnick Hunrev）可直接除去噬菌体0.01m。材质为 聚偏氯乙烯、聚四氟乙烯、超细玻璃纤维,第三节 介质过滤除菌的机理,滤材,孔,一、定义,过滤除菌利用有孔介质从气体中除去微生物。,1 微米(m)等于:106 米 103 毫米3.910-5 英寸又称 micron,微米,小颗粒的相对尺寸,小颗粒的相对尺寸,一个空气过滤器的功能是从气体中去除污染物（微生物）以使达到所需的气体的无菌程度。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。,二、空气过滤器的功能,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。,“弯曲通道”存在于：,三、过 滤 机 理、拦截过滤：孔径小于颗粒直径，绝对过滤 流体中的基本过滤机制 本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒 例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸 大于其孔径的颗粒,颗粒大于孔径,绝对截留-颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中,当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除容污能力可以用弯曲结构提高 筛网无此作用通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截不规则形状的颗粒/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,直接拦截,多个小颗粒的搭桥,定义:拦截在过滤介质表面的颗粒堆积成颗粒层。当过滤介质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介质，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高。,滤饼,、孔径大于颗粒直径过滤介质的作用机理1、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,效率1=b/df实践证明 是惯性力的无因次准数的函数。c层流修正系数 vo 微粒空气的流速m/s df 纤维直径m dp 微粒直径m p 微粒密度kg/m3 空气黏度Pa.s,当空气流速降低，惯性力降低，b宽度小效率降低，降到一定程度，=1/16，=0 此时的vo称为临界速度 vo与df、dp有关,当流体改变运动方向时，惯性使颗粒 撞击到滤材表面并由于吸附力而停留,当流经过滤介质时流体或气体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。,停留的颗粒减小了滤孔孔径,2、拦截滞留作用机理 当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。其捕集效率可用经验式：R=dp/df 气流的雷诺数,拦截,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.,表面相互作用：电荷不同 微生物带正电荷与介质带的负电荷相反，通过时被吸附，再者空气通过介质，介质表面感应出很强的静电荷，将微生物颗粒吸附，以树脂处理过的纤维最明显。,3.静电吸附作用机理,扩散拦截,静电吸附作用,4、布朗扩散作用机理 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且气流速度很低有效。,布朗扩散,被随机运动的气体分子碰撞的颗粒撞击到过滤介质上并被吸附截留,布朗扩散,当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进。这将增加过滤机制的有效性。,5、重力沉降 当颗粒所受到重力大于气流对它的拖带力时，颗粒沉降。稳定的分离效果。,小结,过滤介质的过滤/分离效率由于拦截过滤 惯性撞击 拦截滞留扩散拦截（布朗扩散、静电吸引、重力沉降）的共同作用而增强,过滤机理总结,拦截过滤,惯性撞击,扩散拦截（布朗扩散、静电吸引、重力沉降）,过滤机理及其效率,第四节 介质过滤除菌的工艺流程,空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，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。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、二次过滤除菌而制得。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，这就需要比较复杂的空气除菌流程。,一、对空气除菌流程的要求,流程的设备：主设备：空气压缩机 蜗轮 螺杆 有油无油、附属设备：要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简没备流程，降低设备投资、运转费用和动力捎耗，简便操作。流程的制订应考虑：地理、气候环境：空气湿度、温度、压力、污染程度。菌种的工艺要求确定 设备条件,二、空气过滤除菌流程的分析,发酵厂使用的空气除菌流程，随各地的气候条件及设备条件不同而有很大的差别。要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。气流速度可由操作来控制；要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50%60%的条件下过滤。主过滤器空气湿度50%60%过滤效果最好,1.两级冷却、分离、加热流程特点：两次冷却、两次分离、适当加热。适合任何地区,3035,2025,5060%3035,2.空气压缩冷却过滤流程 去掉，特点：简单 适合空气温度6相对湿度80%或12，60%采用蜗轮压缩机。,5060%3035,3.前置高效过滤器除菌流程,特点：无菌程度高,5060%3035,4.冷热空气直接混合 空气除菌流程,特点：可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空气温度。此流程适用于中等混合量的地区。,5060%3035,5.利用热空气加热冷空气的流程,第五节 介质过滤除菌的设备及计算,一、深层过滤效率和过滤器的计算过滤除菌效率：滤层所滤去的微粒数（浓度）与原空气所含微粒数（浓度）的比值。N1原空气所含微粒数个/m3 N2过滤后空气微粒数个/m3 穿透率：穿透过滤滤层的空气所含微粒浓度与原空气微粒浓度的比值。过滤除菌效率+穿透率=？,1.对数穿透定律：在研究空气过滤器的过滤规律，简化研究，做如下4个假定：流经过滤介质的每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响。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。过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的微粒数。在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正比。,空气通过单位滤层后，微粒浓度下降量与进入此介质的空气中的微粒浓度成正比，即,N滤层中空气的微粒浓度，个/m3；L过滤介质层的厚度，m；dN/dL单位滤层除去的微粒数，个/m3；K、K 过滤常数。深层过滤除菌的对数穿透定律。表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比是过滤层厚度的函数。,过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径dp等。为了方便计算采用过滤效率为90%的滤层厚度作对比,对数穿透定律，是以四个假定为前提，对于滤层厚度较薄的过滤器是符合的，但对于滤层厚的过滤器产生偏差较大，且滤层厚后，微粒数递减不均匀，K值变化较大需要修正。,过滤器的效率和操作条件密切相关 除菌常数和过滤器的空气流速vs有关，vs过高过低对k值都有影响，设计时，应考虑vs的取值，以保证除菌效果。,vs,L90,K,L90,空气流速和除菌常数的关系,例如：一发酵罐每分钟需要空气10m3，空气在过滤器中的线速度为0.15m/s，此时过滤常数为153.5m-1，空气的微生物浓度为200个/m3，发酵周期为100h，设计过滤器？(滤层厚度直径)解：No=1060100200=1.2107（个）Nt=0.001个滤层厚度：,过滤器的直径：,因故空气流速变为0.03m/s，此时K=20.0m-1，同一个发酵罐，风量变了，此时的风量为0.7851.1920.03m3每分钟进入过滤器的菌数：N1=0.7851.1920.0360200=400个此操作条件下，每分钟从过滤出口的菌体数为,达不到发酵对无菌空气的要求。,在此操作条件下，要达到100h内从过滤器穿透的微生物数为0.001，介质的滤层厚度为：此操作条件下的滤层厚度为：远远大于0.151m，（没考虑风量是否达到要求）设计时须考虑K值和空气流速。,2.空气过滤压降的计算可采用经验公式 L滤层厚度m 空气密度，kg/m3 介质填充系数 df 纤维直径m v 空气在介质间隙中的流速m/s v=vs/(1-)m 实验指数,对不同的过滤介质 棉花1.45 19m的纤维1.35 8m纤维 1.55 C阻力系数 是Re的函数 棉花介质 c100/Re纤维作介质c52/Re,二、过滤器的结构,1，深层棉花、活性炭过滤器 立式圆筒形，内部填充过滤介质，以达到除菌的目的。,填充物的装填顺序如下：孔板铁丝网麻布棉花麻布活性碳麻布棉花麻布铁丝网孔板,过滤器直径的计算,V工作压力下处理空气量m3/s v 空气的流速（空截面气速）m/s 一般取0.10.3m/s 原则使过滤器在较高的气速下运行，效率和气速有关。,2、滤纸过滤器,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,气体预过滤器结构图（单芯）,气体预过滤器结构图（多芯）,气体预过滤器外壳图,（3）过滤系统过滤系统由 金属过滤器、预过滤器及蒸汽过滤器组成。预过滤器的作用是将空气前处理系统中的铁锈等杂物进行预滤。蒸汽过滤器则是阻挡蒸气管路中的锈蚀物和锅炉污垢等杂质。上述二种过滤器的功能是保护金属过滤器，延长其使用寿命。,（4）主要技术参数 过滤效率：99.9%过滤微粒直径0.2m过滤介质：预过滤器为中空玻璃纤维或高效过滤纸，蒸汽过滤器为聚四氟乙烯,金属过滤器为金属粉末镍冶炼而成。最大工作压力：0.8MPa工作温度：预过滤器130 蒸汽过滤器130 金属过滤器130气体阻力：在额定流量下，进口压力0.1MPa时，初始压降小于0.01MPa。,5、膜过滤（1）示意图,（2）系统组成蒸汽过滤器预过滤器（粗）除菌过滤器（精）,预过滤器形式：以管式、袋式、折叠式为主，也可以是填充床式、浮动床式的过滤器，以及离心机、真空机等过滤器材。预过滤器一般选用深层过滤器，在使用过程中要求有低的压降、高的容尘量和变动幅度小的过滤精度和效率。过滤介质：玻璃纤维复合毡（聚丙烯纤维复合毡）。技术参数：过滤精度:0.3-0.5m过滤效率:95%-99.9%初始压差:0.005MP工作温度:80可耐最大压差:0.08MPa,除菌过滤器形式以板框式、管式、折叠式为主 过滤介质：微过滤膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。）除菌过滤应具备的特点：高的过滤精度；大的通过量；能耐反复的消毒操作；强的亲水性或疏水性；足够的使用强度。,技术参数过滤精度：0.01m过滤效率：99.9999%工作温度：60C可耐最大压差：0.4MPa（25C，正向）蒸汽灭菌：125C2C，每次30min，可达160次各级过滤的配置各级过滤的配置问题主要有通过量与精度两个方面，不同的物料处理流程是有区别的。例如：在无菌空气的处理中，压缩机的前置过滤器精度一般为5m，总过滤器的过滤精度一般为0.5m，过滤效率95%左右，预过滤器的过滤精度为0.3m，过滤效率约99%，除菌过滤器的精度为0.01m，过滤效率99.9999%以上。,消毒问题滤芯（器）消毒是一个日常操作工序。滤芯常见的消毒方法有蒸汽、热水和化学试剂消毒三种。蒸汽消毒要注意选择饱和蒸汽，一则是可以可靠杀死细菌，二则是可通过控制压力来调节温度。蒸汽消毒对于疏水滤芯来说相对是简单的，但对亲水滤芯特别是膜材料耐温度不高的滤芯来说，操作方法是至关重要的,空气过滤器的操作要点,为了使空气过滤器始终保持干燥状态，当过滤器用蒸气灭菌时，应事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0.170.2MPa(表压)。开始时先将夹套预热(无夹套则不需预热)，然后将蒸汽直接冲入介质层中：小型过滤器的灭菌时间约为半小时，蒸汽从上向下冲；大型过滤器的灭菌时间约为l h，蒸汽一般先从下向上冲半小时，再从上向下冲半小时。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（止回阀），操作时必须予以注意。,三、附属设备,1、粗过滤器作用：是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也可减轻总过滤器负荷。要求：过滤效率要高，阻力要小；否则会增加压缩空气的吸入负荷和降隐低压缩空气机的排气量。常用的粗过滤器有：布袋过滤填料过滤油浴洗涤水雾除尘,2、空气贮罐 作用：是消除压缩机排出空气量的脉动，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。贮罐的大小可按下面的经验公式计算：,3、气液分离器旋风式填料式,4、空气冷却器立式列管式热交换器沉浸式热交换器喷淋式热交换器,四、空气过滤除菌的介质纸类过滤介质：玻璃纤维纸纤维或颗粒状过滤介质 棉花、填充率8.5%10%玻璃纤维、5%11%活性炭 44%烧结板材料微孔滤膜类过滤介质 绝对过滤 滤芯,影响介质过滤效率的因素：1.介质纤维直径2.滤层厚度3.介质的填充密度4.空气流速,提高过滤效率的措施1.合理的空气预处理设备，合理的净化流程，使油水分离良好。2.合理的空气过滤器，选用过滤效率高的介质。3.保证进口空气的清洁度 高空采风；改善环境条件，降低空气菌数 压缩气站设在厂区的上风头；空气压缩前的预处理4.降低进入过滤器空气相对湿度，在干燥条件运转；使用无油润滑压缩机；加强油水分离；提高过滤器进口空气 的温度，降低相对湿度。,