无菌空气的制备.ppt

,无菌空气的制备,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，会随着空气进入车间中，在适宜的条件下，大量繁殖，消耗营养物质，产生代谢产物，干扰甚至破坏车间的正常运行，使工作效率降低，产量下降，甚至造成车间生产失败等。,因此空气的除菌成为车间工作的一个重要环节。,医药工业应用的“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”。,第一节 空气中的微生物和除菌方法,一 空气中的微生物种类及分布,空气中微生物的含量和种类，随地区、季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异:含量：1)北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较少；南方温暖、湿润，空气中的含菌量较多；2)离地面越高，含菌量越少；3)一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；,4)城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少。就种类而言，空气中的微生物种类以细菌、细菌芽胞和霉菌孢子较多，也有酵母、霉菌和病毒。微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。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10-310-4个/m3进行计算。,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。,二、发酵对空气无菌程度的要求,i 如酵母，培养基是以糖源为主，有机氮比较少，它能利用无机氮源、要求的pH值较低，在低pH值下，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，在繁殖过程中能抵抗少量的杂菌影响，因而对无菌空气的要求不如氨基酸、液体曲、抗生素发酵那么严格。ii 氨基酸与抗生素发酵因周期长短的不同，对无菌空气的要求也不同。,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。,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。,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-091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。,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。,三、空气的除菌方法,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。,理论上，声能、高能阴极射线、X射线、射线、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 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。紫外线通常用于无菌室、医院手术室等空气对流不大的环境下杀菌。但杀菌效率较低，杀菌时间较长，一般要结合甲醛蒸汽消毒或苯酚喷雾等来保证无菌室较高的无菌程度。,1.辐射杀菌,射线源,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，则需要消耗大量的能源和增设大量的换热设备，这是不经济的。,2热杀菌,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。,图4-1为利用空气压缩时放出的热量进行保温杀菌,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。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。,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。,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。,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。,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。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。,4过滤除菌法,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（膜过滤）。,膜过滤：是利用微孔滤膜，其空隙小于0.5m，甚至小于0.1m。,第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质,一、空气过滤除菌的原理深层过滤：以棉花、玻璃纤维、活性炭为过滤介质。,介质间空隙大于微生物，如棉花纤维直径16-20m，充填系数为8%时，所形成的网格空隙为20-50 m。,介质过滤是以大空隙的介质过滤层除去较小颗粒，这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是一种滞留现象。这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸引等。,1）惯性冲击滞留作用,当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，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质量，在以一定速度运动时具有一定惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。,这种现象称作 惯性冲击滞留作用,介质除菌原理,当气流速度达到一定时，惯性冲击滞留作用是介质过滤的主要作用 在一定条件下（微生物微粒直径、纤维直径、空气温度），改变气流的速度就是改变微粒的运动惯性力。当气流速度下降时，微粒的运动速度也下降，动量减小，惯性力下降，微粒脱离主导气流的可能性也减小，相应纤维滞留微粒的宽度较小，即捕获效率下降。,介质除菌原理,2）拦截滞留作用,当气流速度在临界速度以下，颗粒不再由于惯性碰撞而滞留。但是，颗粒质量很小，在气流绕过纤维时，颗粒仍然随气流运动，在气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞流区内气流速度更慢，进入滞留区的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘附作用而被滞留。这就是阻截（拦截）滞留作用,介质除菌原理,在介质过滤除菌中并非主要作用（因在实际过滤中气流速度不可能很慢）,拦截滞留作用对微粒的捕获效率2与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比相关,介质除菌原理,3）布朗运动,直径小于1m的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，即布朗运动。,使较小的颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留；气流速度大时，凝聚现象为惯性碰撞所取代,介质除菌原理,4）重力沉降作用,再小的微粒也有重力；当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会沉降。对于小颗粒而言，只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕获效率。,介质除菌原理,5）静电吸引作用,许多微生物和孢子都带有电荷 具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷 当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸附作用,介质除菌原理,二、介质过滤效率,滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比称为过滤效率，用表示，是衡量过滤设备过滤能力的指标。,=1P,N0 过滤前空气中的微粒含量（个）；N 过滤后空气中微粒含量（个）；N/N0 过滤后过滤前空气中微粒数的比值，称为穿透率 P,空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和规格（纤维直径）、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等因素有关。,在一定条件下（包括气流速度、温度、介质种类、填充密度、杂菌种类等），通过单位高度介质层后，杂菌浓度的下降量与进入此介质层的杂菌量成正比。即：,dN/dL=KN0,dN/dL 单位滤层所除去的微粒数（个/cm）；L 滤床厚度（cm）；K 过滤常数或除菌常数（cm1）,上式整理并积分，可得：,ln,NN0,=KL,对数穿透定律表示进入滤层的微粒数与穿透滤层微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。,L=,1K,ln,N0N,N0 过滤前空气中的微粒含量（个）；N 过滤后空气中微粒含量（个）；K 过滤常数或除菌常数（cm1）,常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度以及空气中颗粒大小等有关。K值可通过实验测得，也可通过计算求得。若令N=0，则 L=，事实上也不可能；一般取N=0.001,对数穿透定律表达式说明介质过滤不能长期获得100%的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长空气中带菌微粒在过滤器中滞留的时间。过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过。所以过滤器必须定期灭菌。,三、影响介质过滤效率的因素,1）纤维直径,介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。,2）介质填充厚度,3）介质填充密度,增加填充密度，可提高过滤效率,4）空气流速,在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高。,四、提高过滤除菌效率的措施1、减少进口空气的含菌量2、设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质3、设计合理的空气预处理设备，以除去油、水杂质4、降低空气的相对湿度，避免过滤介质潮湿,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,一、对空气的要求无菌、干燥、有一定的温度，一定的压力二、空气的预处理1、提高压缩前空气的洁净度：高空取气、空气吸口设置过滤器2、去除压缩后空气中所带的油和水,空气 高空取气管 前过滤 空气压缩机 冷却器 贮气罐 油水分离器 加热器空气过滤器 无菌空气,空气过滤除菌的工艺过程,汽车空调空气过滤器,空调过滤网,1、粗过滤器,粗过滤器,作用：主要是捕集较大的灰尘颗粒,型式：布袋式过滤器、油浴洗涤过滤器 水雾除尘过滤器、填料式过滤器 旋风分离式过滤器等,要求：过滤效率高，阻力小（阻力大则增加空压机的吸入负荷，降低压缩空气的排出量）,大气中的微生物多依附于尘埃颗粒上；高度每上升10米，微生物量通常下降一个数量级，因此，有条件的尽可能高空取气。,将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，绷紧缝于焊接在进风口的骨架上。多用毛质绒布或合成纤维滤布；滤布应定期更换。结构简单，过滤效率高；但过滤阻力大,布袋式过滤器,油浴洗涤过滤器,空气通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而被除去。百叶窗式的圆盘可分离大滴油雾，过滤网分离小颗粒油雾。效果好；但耗油多,水雾除尘过滤器,空气从设备底部进口管吸入，经装置上部喷下的水雾洗涤，空气中的灰尘、微生物微粒被黏附沉降，从器底排出。空气流速1-3m/s，太高则带入水雾太多，降低空压机的排气量。,2、空气贮罐,大小：应和空压机的排气量相配套 V=0.10.2 W V-贮罐容积,m3 W-排气量,m3/min,作用：消除空压机排出空气量的脉动 维持稳定的压力 分离部分油水,空气贮罐,3、空气压缩,空气压缩机离心式通风机罗茨鼓风机,离心式通风机,通风制曲流程图,通风机,罗茨鼓风机,空气压缩机(air compressor)简介,型式:有多种，发酵工业通常用的多为往复式压缩;分立式和卧式,风量：10m3/min 为小型 1040m3/min 为中型 40m3/min 属大型,小型空压机,大型空压机,排出压力：一般 24 kg/cm2,工作的基本原理：,打气筒如何工作？,空压机的压缩过程是依靠汽缸内的活塞作往复运动而进行的（故称往复式）,其工作过程分3步：吸气压缩排气,活塞来回一次，完成一次工作循环（吸气 压缩 排气）,冲程：活塞每来或回一次的距离,余隙：在实际压缩过程中，活塞并不压到汽缸的最底部；一般占汽缸总体积的38%。,气缸冷却：水冷和风冷；水冷更常用,多级压缩：要得到压力较高的压缩空气，单靠一级压缩是不能完成的；因气体被压缩会产生大量的热，气体温度上升；气体的压缩比（气体压缩后与压缩前的压力比）愈大，则气体的温度上升越高；,当压力比达到一定数值时，气体的温度达到压缩机润滑油的闪点（200240），润滑油被烧成炭渣。同时，气体温度越高，所消耗的动能也越大。在多级压缩中，每级的压力比都较低，逐级 提高压力比；而且在每级压缩后，有级间冷却器把前一级压缩的气体冷却到第一级吸入时的温度，故消耗功率低。,摩托单缸,汽车四缸,汽车六缸,曲轴(crankshaft),曲轴带动活塞工作,4、空气冷却器,空气的压缩过程可近似地看作绝热压缩过程，压缩后的空气温度与被压缩的程度有关,T2=,P2P1,T1,k1,k,T1,T2 压缩前、后空气的热力学温度（K）;P1,P2 压缩前、后空气的绝对压强（Pa）;k 绝热指数，空气为1.4,若压缩为多变过程，则可用多变指数m(空气可取1.2-1.3)代替式中的绝热指数k。,例如：20的空气由1105 Pa 被压缩到4105 Pa，且m=1.3，求压缩空气的温度。,解：,t=403 273=130,如果压缩比更大，则压缩空气的温度更高。,过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器，有可能引起过滤介质的炭化或燃烧；且增大了发酵罐的降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分的蒸发，影响微生物的生长。,冷却器类型：立式列管式热交换器 沉浸式热交换器 喷淋式热交换器,列 管 式 空 气 冷 却 器,5、气液分离器,作用：分离空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾,大气中总含有一定量的水分，并以气态存在。,空气中的水蒸气分压与同温度下的饱和蒸汽压之比，称为相对湿度或相对湿含量。,相对湿度;PW 空气中水蒸气分压(Pa);PS 相同温度下水的饱和蒸汽压(Pa),1）当空气中的水蒸气过多，超过饱和度（相对湿度100%）时；2）或在空气冷却至露点以下时 空气中的水蒸气才会形成水滴析出,夜间空气温度降低时，空气中的水分会有一部分析出，形成露水或霜。这说明在水蒸气含量不变的情况下，由于温度的降低，能够使空气中原来未达饱和的水蒸气可变成饱和蒸气，多余的水分就会析出。测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。,使水蒸气达到饱和时的温度就叫作露点。,露点仪,单位质量干空气中所含有水蒸气的质量称作空气的湿含量或绝对湿含量。,在空气湿含量不变的条件下，可导出：,1、2 原空气、压缩空气的相对湿度；Ps1、Ps2 原空气、压缩空气温度下的饱和蒸汽压；P1、P2 原空气、压缩空气的压力,压缩后空气的相对湿度2除了与原始空气的相对湿度1、温度T1（决定Ps1值）及压力P2有关外，也和压缩后的温度T2（决定Ps2值）有关。,这一点对空气除菌是不利的，因为压缩后的空气必须冷却，而冷却后的空气相对湿度将增加，很有可能达到饱和而有水滴析出，从而打湿空气过滤介质。,空气在压缩后湿含量不变，在其未经冷却时，由于温度很高，所以相对湿度很小，但当其冷却时，相对湿度急剧增大。,若将压缩后的空气冷却到原始气温，即T2=T1,Ps2=Ps1时，压缩空气的相对湿度2仅与压缩后的压力P2有关，如压缩比(P2/P1)增大多少倍，相对湿度(2/1)也增大多少倍。,气液分离器型式：旋风分离器 丝网分离器,旋风分离器,总的要求：1）旋风分离器的直径不可过大 因气流旋转所产生的离心力与分离器的直径成反比；若空气流量很大，可采用并联方式2）进口的气流速度要适当 离心力与气流速度的平方成正比；速小，分离效果 差；速过大，则能量损失多 一般采用气流速度1525m/s；排气出口48m/s,原理：利用气流从切线方向进入容器，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。,优缺点：旋风分离器结构简单，制造方便；对分离10 m 以上的微粒效率较高，但对10 m 以下的微粒比较困难。,丝 网 分 离 器,丝网分离器,原理：利用填料的惯性拦截,优点：由于丝网的表面间隙小，可除去较细小的雾状微粒，分离效率可达98-99%,填料：不锈钢丝，塑料丝 0.1-0.4mm,6、空气总过滤器（介质层过滤器）,结 构,常用的过滤介质：,4）玻璃纤维纸：利用高质量的无碱玻璃采用喷制法制成的孔隙率1 1.5 m的滤纸,1）棉花 宜选用纤维细长、疏松的新棉花,2)活性炭 3mm,长5 10 mm,圆柱状，有较大的表面积，通过物理吸附作用而吸附微生物。,3）玻璃纤维 8 19 m,活性炭,玻璃纤维,介质充填流程：孔板铁丝网（30 40目）麻布 棉花 活性炭 麻布 棉花 麻布 铁丝网 孔板,充填要求：棉花密度 150 200 kg/m3 活性炭层占 1/21/3 疏密均匀,夹套的作用是消毒时对过滤器介质加热。但要小心控制，若温度过高，易使棉花焦化，局部丧失过滤效能。,空气从切线方向进入，从上部排出,过滤器上方装有安全阀；底部有排污口,6、分过滤器,一般每个发酵罐和种子罐都各配有一个分空气过滤器,通常用平板式纤维纸过滤器,超 细 纤 维 纸 分 过 滤 器,三、典型的空气除菌流程,（1）将空气冷却至露点以上的流程 适用范围：气候干燥地区,（2）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,（3）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3035，第二级冷却至2025，经分水后加热到3035，因为温度升高，相对湿度下降。,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。该流程的特点是：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。,（4）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,（5）冷热空气直接混合式空气除菌流程,(6)高效前置过滤除菌流程(无菌程度高),高效前置过滤器，压缩机，贮罐，冷却器，丝网分离器，加热器，总过滤器,.它是利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中效、高效过滤后，进入空气压缩机。经高效前置过滤器后，空气的无菌程度已达99.99，再经冷却、分离，经主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高，以保证发酵的安全。.高效前置过滤器采用泡沫塑料(静电除菌)、超细纤维纸为过滤介质，串联使用。,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。,对空气除菌流程的要求,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。,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。,