第3章 滅菌技術(shù)

1、第3章 滅菌技術(shù),各種培養(yǎng)過程，往往要求在沒有雜菌污染的情況下進(jìn)行，否則產(chǎn)生各種不良后果：,I) 由于雜菌的污染，使生物反應(yīng)的基質(zhì)或產(chǎn)物，因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降；2) 由于雜菌所產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物，或在染菌后改變了發(fā)酵液的某些理化性質(zhì)，使產(chǎn)物的提取變得困難，造成收得率降低，或使產(chǎn)品質(zhì)量下降；3) 污染的雜菌可能會(huì)分解產(chǎn)物，而使生產(chǎn)失敗；4) 污染的雜菌大量繁殖，會(huì)改變反應(yīng)介質(zhì)的 pH，從而使生物反應(yīng)發(fā)生異常變化5

2、) 發(fā)生噬菌體污染，微生物細(xì)胞被裂解，而使生產(chǎn)失敗，等等。,因此，多數(shù)培養(yǎng)過程需要進(jìn)行純種培養(yǎng)，具體措施為： 1) 使用的培養(yǎng)基和設(shè)備須經(jīng)滅菌； 2) 好氣培養(yǎng)過程中使用的空氣應(yīng)經(jīng)除菌處理； 3) 設(shè)備應(yīng)嚴(yán)密，生物反應(yīng)器中要維持高于環(huán)境的壓力； 4) 培養(yǎng)過程中加入的物料應(yīng)經(jīng)過滅菌； 5) 使用無污染的純粹種子等。,3.1滅菌的方法,所謂滅菌，就是指用物理或化學(xué)方法殺滅或去除物料或設(shè)備中一切有生

3、命的物質(zhì)的過程。,一、概念,滅菌方法,化學(xué)藥劑滅菌,射線滅菌,干熱滅菌,濕熱滅菌,過濾除菌,利用化學(xué)藥劑與微生物間的反應(yīng)而進(jìn)行的殺菌過程。常用的化學(xué)藥劑有甲醛、氯(或次氯酸鈉)、高錳酸鉀、環(huán)氧乙烷；季銨鹽(如新潔爾滅)、三氯乙氰尿酸、二氯乙氰尿酸鈉、過氧乙酸、穩(wěn)態(tài)二氧化氯等。 因其將與培養(yǎng)基中某些成分發(fā)生反應(yīng)，故不用于培養(yǎng)基的滅菌。,利用紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子進(jìn)行滅菌的方法。最常用的波長(zhǎng)為 2.537×l

4、0-7m的紫外線。但紫外線的穿透力低，所以僅用于表面消毒和空氣的消毒。除了紫外線，也可利用 0.06 ~ 1.4×10-10 m的X線或由Co60產(chǎn)生的?射線進(jìn)行滅菌。,二、方法,指在干燥條件下加熱殺菌的一種方法，此時(shí)微生物主要是由于氧化作用而死亡。 常用的干熱滅菌條件是1600C下保溫1 h。 如微波加熱滅菌、烘箱加熱滅菌。,即利用飽和蒸汽進(jìn)行滅菌。蒸汽的價(jià)格低廉，來源方便，穿透力強(qiáng)，滅菌效果可靠，為最基本的滅菌方法。 12

5、00C(約 1×105Pa表壓)維持29 ~ 30 min,即利用過濾方法阻留微生物，達(dá)到除菌的目的的一種方法。如空氣除菌、料液的過濾除菌。,,,,,,繼續(xù),過氧乙酸,過氧乙酸，簡(jiǎn)稱PAA，其分解物為醋酸、水和氧，均為無毒，無殘留，可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、養(yǎng)殖等行業(yè)。具有強(qiáng)氧化作用，可以迅速殺滅各種微生物，包括病毒、細(xì)菌、真菌及芽孢。,缺點(diǎn)：由于原液為強(qiáng)氧化劑，具有較強(qiáng)的腐蝕性；對(duì)金屬有腐蝕性，不可用于金屬器械的消毒；易分解、

6、見光一引起爆炸。,常用的消毒方法：1)浸泡 ;2)擦拭：3)噴霧及熏蒸：,固態(tài)過氧乙酸：四乙酰乙二胺（ＴＡＥＤ）和過碳酸鈉（ＳＰＣ）。在配置中，ＳＰＣ作為氧化劑可以氧化ＴＡＥＤ中的乙酰基，生產(chǎn)過氧乙酸。過碳酸鈉（ＳＰＣ）在水中分解為過氧化氫和碳酸鈉，生成安全、無刺激性氣味。,返回,穩(wěn)態(tài)二氧化氯,二氧化氯由于氯相似的氣味，沸點(diǎn)110C，具有強(qiáng)氧化作用，其有效氯為次氯酸鈉的2.75倍，滅菌效果卻是其5倍。,殺菌機(jī)理：二氧化氯對(duì)細(xì)胞壁有較強(qiáng)的

7、吸附和穿透能力，可有效的氧化細(xì)胞內(nèi)含巰基的酶，快速抑制蛋白質(zhì)的合成從而殺滅微生物。,可殺滅真菌、芽孢、病毒、藻類、支原體、衣原體、乙肝病毒、愛滋病毒等。,浸泡或噴灑,5-30min,250-500mg/L,醫(yī)院器械、病房病人用品,與水混合,,1mg/L,飲用水、泳池水、空調(diào)水、循環(huán)冷卻水,浸泡,5-10min,250mg/L,飲食行業(yè)與家庭用其消毒,浸泡,5-10min,50mg/L,水果、蔬菜淋洗消毒,熏蒸或噴灑,5-10min,20

8、000mg/L m3,空間消毒,浸泡噴灑,5-10min20-40s,250mg/L,食品機(jī)械、設(shè)備管道及包裝物,使用方法,處理時(shí)間,ClO2濃度,使用場(chǎng)合,,,,,,,,,,,,,,返回,3.2 培養(yǎng)基的滅菌操作及其設(shè)備,工業(yè)上培養(yǎng)基的滅菌,分批滅菌,連續(xù)滅菌,,,,,3.2.1 分批滅菌,一、概念,分批滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅菌的操作過程，也稱實(shí)罐滅菌(簡(jiǎn)稱實(shí)消)

9、。,發(fā)酵罐一般裝有進(jìn)氣、排氣、接種、補(bǔ)料等管道。為了減少滅菌死角，通常將罐頂所有進(jìn)料口合并為一與罐連接。,圖2-1 實(shí)罐滅菌設(shè)備示意圖,二、操作,空氣分過濾器滅菌、吹干,夾套或蛇管預(yù)熱至700C左右,由進(jìn)氣管、出料管和取樣管通入蒸汽直沖至1200C ，0.1MPa,開啟其它所有閥門進(jìn)行保壓30 min，做到“不進(jìn)則出”,依次關(guān)閉各排汽、進(jìn)汽閥門，只留排氣口，進(jìn)行降壓、冷卻，待罐壓低于分過濾器時(shí)通入無菌空氣,,,,,3.2.2 連續(xù)滅菌,

10、一、概念,培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻后送入已滅菌的發(fā)酵罐內(nèi)的工藝過程稱為連續(xù)滅菌。,特點(diǎn)：,① 可采用高溫快速滅菌工藝，營(yíng)養(yǎng)成分破壞的少；② 發(fā)酵罐非生產(chǎn)占用時(shí)間縮短，容積利用率提高；③ 熱能利用合理，適合實(shí)行自動(dòng)化控制；④ 不適合用于粘度大或固形物含量高的培養(yǎng)基的滅菌；⑤ 增加一套連續(xù)滅菌設(shè)備，增多了操作環(huán)節(jié)，增加了染菌的機(jī)率。,二、連續(xù)滅菌的流程,連續(xù)滅菌流程,連消塔―噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程,薄板換熱

11、器連續(xù)滅菌流程,噴射加熱連續(xù)滅菌流程,由連消泵、連消塔、維持罐和噴淋冷卻器組成,由3個(gè)薄板換熱器、維持管組成，節(jié)約了蒸汽和冷卻水,由噴射加熱器、維持管、膨脹閥和真空冷卻器組成,,,,,,,圖2-2 連續(xù)滅菌流程,連消塔―噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程,薄板換熱器連續(xù)滅菌流程,噴射加熱連續(xù)滅菌流程,1料液罐；2連消泵；3連消塔；4維持罐；5噴淋冷卻器,三、連續(xù)滅菌的設(shè)備,1 、連消塔,,圖2-3 連消塔,a 套管式連消塔,b 混合式連消塔,c 連

12、消器,套管式(a),氣液混合式,混合式連消塔(b),連消器(c),,,,,,,,2、 噴射加熱器,圖2-4 噴射加熱器示意圖1噴嘴；2吸入口；3吸入室；4混合噴嘴；5混合段；6擴(kuò)大管,依靠料液的噴射而吸入蒸汽,3、維持罐,圖2-5 維持罐1入口；2進(jìn)料管；3出料管；4溫度計(jì)測(cè)溫口；5排盡管,圓筒形：H/D=2~4,進(jìn)料管由上部側(cè)面伸入至下部,罐容積以滿足維持時(shí)間為準(zhǔn)，一般8~25 s,3.2.3 發(fā)酵設(shè)備的滅菌,A. 培養(yǎng)基采用分批

13、滅菌時(shí)，發(fā)酵罐不必單獨(dú)滅菌，而與培養(yǎng)基一起進(jìn)行實(shí)消,B. 培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐需在培養(yǎng)基滅菌前直接通蒸汽進(jìn)行空罐滅菌，稱為“空消”,大進(jìn)汽,關(guān)小各排汽閥，升壓至0.16~0.18 MPa,保壓30 min,關(guān)進(jìn)汽閥，待罐內(nèi)壓力低于分過濾器時(shí)通入無菌空氣,冷卻,,,,,3.3 空氣除菌流程及設(shè)備,3.3.1 好氧發(fā)酵對(duì)無菌空氣的要求,在絕大多數(shù)的深層培養(yǎng)過程中，必須不斷將無菌空氣通入發(fā)酵罐內(nèi)，以滿足生產(chǎn)菌生理代謝對(duì)氧的需求。這種發(fā)

14、酵稱為好氧發(fā)酵。,那為什么通入的空氣事先必須進(jìn)行嚴(yán)格的除菌呢？這主要由于空氣的組成有關(guān)。,空氣(即大氣)是氣態(tài)物質(zhì)的混合體，包括氧氣、氮?dú)?、氫氣、二氧化碳、惰性氣體、水分等，還含有懸浮于空氣中的灰塵及各種微生物。Air中微生物主要是細(xì)菌、細(xì)菌芽孢、霉菌孢子、霉菌、酵母和病毒粒子。而且微生物很少單獨(dú)存在，一般附著在air中塵埃上。菌含量Y與塵埃個(gè)數(shù)X有以下關(guān)系：,Y=0.0003X-2.6,因此，通常除菌與除塵具有同樣的意義.,另外，大氣

15、中灰塵和微生物的含量隨地域和季節(jié)而變化，一般為103~104個(gè)/m3 ，其分布規(guī)律為：,大城市人口密集、噪雜地區(qū)air含菌多；高原、山區(qū)含菌量比平原地區(qū)少；高空比地面少；溫暖季節(jié)、潮濕、濕熱季節(jié)比寒冷干燥地區(qū)多。,因此，通入發(fā)酵罐中的供細(xì)胞生長(zhǎng)代謝之用的空氣，必須事先進(jìn)行除菌，否則，將導(dǎo)致發(fā)酵染雜菌，發(fā)酵失敗。,如酵母培養(yǎng)過程，因它的培養(yǎng)基是以糖源為主，有機(jī)氮比較少，它能利用無機(jī)氮源、要求的pH值較低，在這樣低pH值下，一般細(xì)菌較

16、難繁殖，而酵母的繁殖速度又較快，在繁殖過程中能抵抗少量的雜菌影響，因而對(duì)無菌空氣的要求不如氨基酸、液體曲、抗生素發(fā)酵那么嚴(yán)格。而氨基酸與抗生素發(fā)酵因周期長(zhǎng)短的不同，對(duì)無菌空氣的要求也不同?？偟膩碚f，影響因素是比較復(fù)雜，需要根據(jù)具體的工藝要求。一般按染菌機(jī)率為10-3來計(jì)算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1、2次染菌。,各種不同的發(fā)酵過程，對(duì)所用的無菌空氣的無菌程度有不同的要求。這由于所用菌種的生長(zhǎng)能力強(qiáng)弱、生長(zhǎng)速度的快慢、它

17、的分泌物的性質(zhì)、發(fā)酵周期的長(zhǎng)短、培養(yǎng)物的營(yíng)養(yǎng)成分和pH值的差異。,3.3.2 過濾除菌流程,一、 空氣除菌流程的要求,空氣過濾除菌流程是根據(jù)生產(chǎn)對(duì)無菌空氣的無菌程度、空氣壓力、溫度等，并結(jié)合吸氣環(huán)境的空氣條件和所用除菌設(shè)備的特性而制訂的。,,Air除菌流程一般由以下幾部分組成：,粗過濾器,空氣壓縮機(jī),貯罐,油水分離器,空氣冷卻器,水分離器,加熱器,總過濾器,分過濾器,去除大顆粒塵埃,供給能量,離心式鼓風(fēng)機(jī),往復(fù)式壓縮機(jī),渦輪式壓縮機(jī),

18、無油潤(rùn)滑壓縮機(jī),,,,,,,緩沖排氣壓力，使air壓力穩(wěn)定,去除壓縮air中的大顆粒油水霧,冷卻壓縮air，使其析出水份,分離壓縮air中水份,除水后的冷空氣濕度一般為100%，為了達(dá)到進(jìn)入過濾器所要求的濕度50 % ~ 60 % ，通常需要加熱,,除菌，給全廠提供無菌air,進(jìn)一步除菌，通常每個(gè)發(fā)酵罐配置一臺(tái),,,,,,,,,大型空氣壓縮機(jī),二、空氣除菌流程,發(fā)酵工業(yè)工廠所使用的空氣除菌流程，隨各地的氣候條件不同而有很大的差別。要保

19、持過濾器有比較高的過濾效率，應(yīng)維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。氣流速度可由操作來控制；要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設(shè)備來保證空氣的相對(duì)濕度在50 ~ 60 %的條件下過濾。下面是幾個(gè)典型設(shè)備流程。,1、空氣冷卻流程,圖2-6 空氣冷卻流程1粗過濾器；2壓縮機(jī)；3貯罐；4冷卻器；5總過濾器,只適用于氣候寒冷而干燥的地區(qū),要求使用渦輪式空氣壓縮機(jī)或無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，若采用往復(fù)式空氣壓縮機(jī)時(shí)，須在冷卻器前加絲網(wǎng)分離

20、器以除油霧。,究竟氣溫和相對(duì)濕度低到什么程度才能采用該流程，需要通過計(jì)算來確定。,計(jì)算的依據(jù)是：空氣壓縮前和進(jìn)入過濾器的濕含量相等，即：,,化簡(jiǎn)可得 ?1Pb1P2 = ?2Pb2P1 當(dāng) P1＝1 (kg/cm2)＝98070 (Pa), P2 = 4 (kg/cm2)＝392280 (Pa) 進(jìn)入過濾器的空氣為350C，60% 時(shí)，Pb2＝0.0573 (kg/ cm2)＝5615 (Pa)

21、則 ?1Pb1＝?2Pb2P1/ P2＝ 843 (Pa),因此，查飽和水蒸氣表可知:當(dāng)當(dāng)?shù)乜諝庀鄬?duì)濕度? = 100 %時(shí)， t? 40C 80 %, t? 60C 60 %,

22、 t? 120C,2、兩級(jí)冷卻、加熱除菌流程,,圖2-7 兩級(jí)冷卻、加熱除菌流程1 粗過濾器；2 壓縮機(jī)；3 貯罐；4 冷卻器；5 旋風(fēng)分離器；6 絲網(wǎng)分離器；7 加熱器；8 空氣過濾器,特點(diǎn)：二次冷卻、二次分離、適當(dāng)加熱,優(yōu)點(diǎn)：二次冷卻、分離能最大程度地除去空氣夾帶的油水，減少油膜對(duì)傳熱的影響，提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水。,3、高效前置過濾除菌流程,,圖2-8 高效前置過濾除菌流程1高效前置過濾器；2壓縮機(jī)；3貯罐；4冷卻器；5絲

23、網(wǎng)分離器；6加熱器；7過濾器,特點(diǎn)：在壓縮機(jī)前利用一個(gè)高效過濾器，取代前面2種流程中的粗過濾器，可以達(dá)到較高的無菌程度。,高效前置過濾器采用泡沫塑料(靜電除菌)、超細(xì)纖維紙為過濾介質(zhì)，串聯(lián)使用，此時(shí)無菌程度已達(dá)99.99%,3.3.3 過濾介質(zhì),過濾介質(zhì)是過濾除菌的關(guān)鍵，它的好壞不但影響到介質(zhì)的用量、過濾過程動(dòng)力消耗(壓力降)、還關(guān)系到除菌效果。,過去一直采用棉花纖維或玻璃纖維結(jié)合活性炭使用，近年來，開發(fā)了許多新型的過濾介質(zhì)，如超細(xì)破璃

24、纖維，其它合成纖維，微孔燒結(jié)材料和超濾微孔薄膜等。,1、棉花,棉花纖維一般直徑為16 ~ 21?m左右，裝填時(shí)要分層均勻鋪砌，最后要壓緊，裝填密度達(dá)到150 ~ 200 kg/m3為好。如果壓不緊或是裝填不均勻，會(huì)造成空氣走短路，甚至介質(zhì)翻動(dòng)而喪失過濾效果。,最好選用纖維細(xì)長(zhǎng)疏松的新鮮的全脂棉。這是由于貯藏過久的棉花，纖維會(huì)發(fā)脆，斷裂，增大了壓力降；脫脂棉纖維會(huì)因易吸濕而降低除菌效果。,2、玻璃纖維,玻璃纖維直徑比棉花纖維小，一般為8

25、~ 19 ?m ，因此裝填系數(shù)不能太高，一般為6-10%，否則會(huì)增大過濾阻力。,缺點(diǎn)是：更換過濾介質(zhì)時(shí)將造成碎末飛揚(yáng)，使皮膚發(fā)癢， 甚至出現(xiàn)過敏現(xiàn)象。,3、活性炭,活性炭除菌是利用其具有較大的表面積，從而具有較強(qiáng)的吸附作用的特性，將air中微生物吸附。,常用的活性炭為：直徑3 mm、長(zhǎng)5 ~ 10 mm的圓柱狀活性炭。,特點(diǎn)是：1) 過濾阻力小，僅為棉花的1/2； 2) 過濾效率比棉花低。,目前工廠都是夾裝在二

26、層棉花中使用，以降低濾層阻力。用量約為整個(gè)過濾層的1/3 ~ 1/2。,4、超細(xì)玻璃纖維紙,超細(xì)玻璃纖維是利用質(zhì)量較好的無堿玻璃，采用噴吹法制成的直徑為1 ~ 1.5 ?m的玻璃纖維。,由于纖維特別細(xì)小，無法象前面介紹的過濾介質(zhì)一樣直接散裝充填，而采用造紙的方法做成0.25 ~ 1 mm厚的纖維紙 。,特點(diǎn)：網(wǎng)格的孔隙小，約為0.5 ~ 5 ?m，比棉花小10 ~ 15倍，故它有較高的過濾效率；過濾效率除與纖維直徑、網(wǎng)格孔隙有關(guān)外，

27、還與氣流速度有關(guān)，氣流速度越大過濾效率越高。但太高氣速，因纖維直徑小，強(qiáng)度差，易受air 沖擊而破壞，特別是受潮后這種現(xiàn)象更嚴(yán)重，最終導(dǎo)致過濾阻力太大。,目前工廠一般都將其應(yīng)用于空氣分過濾器中。,5、石棉濾板,它是采用纖維小而直的藍(lán)石棉20 %和8 %紙漿纖維混合打漿抄制而成的一種石棉板。,特點(diǎn)：受潮不易折斷，耐潮、蒸汽反復(fù)殺菌能力強(qiáng)，適用于air分過濾器。,6、燒結(jié)材料過濾介質(zhì),包括燒結(jié)金屬(蒙乃爾合金、青銅等)、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等

28、。,是這些材料微粒粉末加壓成型后，在熔點(diǎn)溫度下熔融粘結(jié)而成。但只是粉末表面熔融粘結(jié)而保持粒子的空間和間隙，形成了微孔通道，具有微孔過濾的作用。 如國(guó)產(chǎn)的蒙乃爾合金板(鈦錳合金)。,特點(diǎn)：強(qiáng)度高，不須經(jīng)常更換，使用壽命長(zhǎng)，能耐受高溫反復(fù)殺菌，且受潮后影響不大，不易損壞，使用方便，故對(duì)空氣前處理除水除油要求不很嚴(yán)格。,缺點(diǎn)：價(jià)格貴,7、新型過濾介質(zhì),如微孔直徑小于菌體粒子的所謂絕對(duì)過濾。如德國(guó)Sartorius公司生產(chǎn)的Sartofluor

29、 GA濾芯就是一種代表性過濾器，是采用疏水性聚四氟乙烯制成的微孔膜，其孔徑為0.1 ~ 0.2 ?m。,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出一些新的過濾介質(zhì)，,這種過濾器的特點(diǎn)是： 過濾面積大、壓差小、流量大、使用壽命長(zhǎng)、耐高溫消毒、過濾效率高、甚至可除噬菌體。,上面介紹的各種過濾介質(zhì)的除菌效果順序?yàn)椋?Sartofluor GA? 超細(xì)玻璃纖維? 金屬過濾器?玻璃纖維? 棉花? 石棉板? 活性炭,3.3.4 空氣過濾除菌的機(jī)理,過濾

30、介質(zhì),絕對(duì)過濾介質(zhì),深層過濾介質(zhì),介質(zhì)的孔隙小于微生物。利用阻留作用進(jìn)行除菌,介質(zhì)的孔隙大于微生物。利用攔截、顆粒的慣性沖擊、布朗運(yùn)動(dòng)、顆粒與介質(zhì)的靜電引力和重力等作用進(jìn)行除菌,,,,,深層過濾介質(zhì)層是由無數(shù)纖維層交錯(cuò)組成的，形成一定大小的網(wǎng)格孔隙。當(dāng)顆粒隨氣流通過濾層時(shí)，網(wǎng)格阻礙氣流直線前進(jìn)，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，繞過纖維而前進(jìn)，這些改變引起顆粒對(duì)濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、阻攔、布朗擴(kuò)散、重力沉降、靜電吸引等作用而將顆粒

31、滯留在纖維表面。,圖2-9 單纖維空氣流動(dòng)模型——空氣流線；--- 顆粒流線df 纖維直徑；dp 顆粒直徑 b 氣流寬度,1、慣性沖擊作用,當(dāng)灰塵顆粒隨氣流前進(jìn)遇到過濾介質(zhì)時(shí)，氣流受阻而改變方向，而顆粒因慣性作用仍沿直線向前運(yùn)動(dòng)，與纖維碰撞摩擦而吸附在纖維表面，據(jù)此攔截顆粒。這就稱為慣性沖擊作用。,捕集效率與空氣流速成反比。,2、 攔截滯留作用,在空氣流速較小時(shí)，微粒的流動(dòng)與空氣流線相似，受纖維所阻時(shí)，而改變方向，繞過纖維前進(jìn)，并

32、在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。而滯流區(qū)的空氣流速更慢，進(jìn)到滯流區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱為攔截滯留作用。,捕集效率隨空氣流速的降低而降低，但當(dāng)氣流速度降到一定時(shí)，捕集效率又有回升。這便可證明攔截滯留作用的存在。,繼續(xù),返回,3、布朗擴(kuò)散作用,我們都知道，分子之間存在布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。同樣空氣中的微粒也存在布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)在較大氣流速度、較大的纖維間隙時(shí)，不起作用；但在很小氣速和較小的纖維間隙時(shí)，則布朗擴(kuò)散作用大大增加

33、了微粒與纖維的接觸機(jī)會(huì)，從而將微粒截留住。,4、重力沉降作用,重力沉降作用是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用。當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就很容易沉降。大顆粒比小顆粒更易沉降，對(duì)小顆粒來說，只有氣速很慢時(shí)才起作用。一般它與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯流區(qū)內(nèi)，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率。,5、靜電吸引作用,干空氣與非導(dǎo)體的物質(zhì)(如過濾介質(zhì)纖維)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷。懸浮在空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，

34、如枯草桿菌孢子20 %帶正電荷，15 %帶負(fù)電荷。這些帶電的微粒就會(huì)受大異性電荷的物體吸引而沉降。,在整個(gè)過濾過程中，以上5種作用機(jī)制將隨參數(shù)變化和發(fā)生復(fù)雜的變化。一般認(rèn)為慣性、攔截和布朗運(yùn)動(dòng)的作用較大，而重力和靜電引力的作用較小。,一、深層棉花過濾器,1、結(jié)構(gòu),圖2-9深層棉花過濾器1壓緊架；2棉花層；3活性炭層；4棉花層,立式圓筒形，圓筒內(nèi)部充填過濾介質(zhì)、罐頂裝有壓力表、安全閥。在中間裝有過濾介質(zhì)部分設(shè)有夾套，其作用是過濾器滅菌是

35、對(duì)介質(zhì)加熱。,Air由圓筒底部切線進(jìn)入，經(jīng)過中間的過濾介質(zhì)層進(jìn)行過濾除菌后由圓筒上部排出,2、工作原理,3.3.5 空氣過濾設(shè)備,返回,3、過濾介質(zhì),為了減少過濾阻力，通常用活性炭作為間層，其高度為過濾層總高的1/3~1/2，而上限棉花層高度為總高的1/4~1/3。,4、安裝,為了使air能均勻進(jìn)入棉花層，通常在上下孔板上鋪上一層30～40目的金屬絲網(wǎng)和麻布。中間過濾層的安裝順序?yàn)椋嚎装濉F絲網(wǎng)—麻布—棉花—麻布—活性炭—麻布—棉花

36、—麻布—鐵絲網(wǎng)—孔板安裝介質(zhì)時(shí)，要求壓緊一致均勻，以免短路，一般采用頂蓋壓緊裝置。,繼續(xù),過濾層厚度的計(jì)算,對(duì)數(shù)穿透定律：穿透的菌數(shù)N與原菌數(shù)N0之比的對(duì)數(shù)值與介質(zhì)層厚度L成正比。,例：試設(shè)計(jì)一臺(tái)通風(fēng)量為10m3/min的棉花纖維過濾器，進(jìn)入過濾器空氣含菌量5000個(gè)/m3，發(fā)酵周期100h，要求倒罐率為0.1%(即1000次發(fā)酵周期漏進(jìn)1個(gè)菌)。選用?16?m的棉花纖維，填充系數(shù)為8%,空氣流速為0.1m/s。,解：查表得K=0.1

37、35 cm-1 N=0.1%=10-3個(gè) N0=5000*10*60*100=3*108個(gè),返回,2.550,3.0,1.320,0.195,0.100,0.135,0.193,K(1/cm),2.0,1.0,0.50,0.10,0.05,空氣流速(m/s),,,,,,,,,,,,6.05,3.15,1.500,0.394,0.193,0.252,0.567,K(1/cm),1。52,0。

38、92,0.30,0.15,0.03,空氣流速(m/s),,,,,,,,,,,,?16?m，填充系數(shù)8%的棉花纖維的K值,?14?m玻璃纖維的K值,返回,二、平板式纖維紙分過濾器,1、結(jié)構(gòu),,圖2-10 平板過濾器1上孔板；2墊圈；3銅絲網(wǎng)；4麻布；5濾紙；6麻布；7銅絲網(wǎng)；8墊圈；9下孔板,由筒身、氣液分離網(wǎng)、緩沖層、濾層和夾板構(gòu)成，筒身為圓錐底。,2、工作原理,Air由筒身中部切線進(jìn)入，經(jīng)過絲網(wǎng)分離出油水后，進(jìn)入緩沖層，然后通過下孔

39、板經(jīng)薄層纖維紙過濾除菌后，從上孔板進(jìn)入頂蓋排氣孔排出。,3、過濾介質(zhì) 薄層纖維紙,4、安裝,過濾層的安裝順序?yàn)椋荷峡装濉獕|圈—銅絲網(wǎng)—麻布—濾紙—麻布—銅絲網(wǎng)—墊圈—下孔板 介質(zhì)一般采用頂蓋法蘭壓緊，并用墊圈密封。,缺點(diǎn)：過濾面積較小，僅局限于圓筒的橫截面。,三、管式過濾器,1、結(jié)構(gòu),,圖2-11 管式過濾器1銅絲網(wǎng)；2麻布；3濾紙；4扎緊帶；5濾筒,當(dāng)要求過濾面積較大，即采用平板式過濾器直徑較大時(shí)，通常采用這種管式過濾器，即

40、將濾紙卷裝在多孔管上。,它是一個(gè)內(nèi)套一個(gè)多孔管的錐底圓筒。,2、工作原理,Air由圓筒上部切線進(jìn)入，經(jīng)過卷裝在多孔管外部的濾紙過濾除菌后由內(nèi)管排出。,3、安裝,,卷裝濾紙時(shí)，要注意避免air從紙縫走短路，即扎紙時(shí)要小心不要扎破,四、接迭式低速過濾器,圖2-12 接迭式過濾器,其特點(diǎn)是將濾紙折疊成瓦楞狀而裝在濾框上。,,五、新型空氣過濾器,下面介紹一個(gè)以德國(guó)Sartorius 的Sartofluor GA濾芯 為過濾介質(zhì)的絕對(duì)過濾器。,其

41、基本結(jié)構(gòu)是以內(nèi)裝濾芯的圓筒，air由圓筒底部進(jìn)入，沿濾芯外壁四周穿過PTFE濾膜，進(jìn)入濾芯內(nèi)腔，然后由圓筒底部的連通濾芯的管道排出。,Sartorius 空氣過濾器及Sartofluor GA濾芯,返回,一、粗過濾器,,3.3.6 空氣過濾附屬設(shè)備,前面我們介紹了各種空氣過濾器，從空氣除菌流程一節(jié)，我們已知道，要制備無菌air還必須使用一些附屬設(shè)備，如粗過濾器、貯罐、氣液分離器、冷卻器等，下面我們對(duì)其作一簡(jiǎn)要介紹。,由于空氣中含有大量的

42、灰塵顆粒，若不進(jìn)行預(yù)處理，就直接吸入空氣壓縮機(jī)中，將嚴(yán)重磨損壓縮機(jī)軸承，同時(shí)增大空氣過濾器的負(fù)荷，因此，要求在壓縮機(jī)之前安裝粗過濾器，以除去較大顆粒的灰塵顆粒。粗過濾器通常由布袋過濾器、油浴洗滌和水霧除塵器等3種。,1、布袋過濾器,布袋過濾是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種粗過濾器，只要將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，緊套于焊在進(jìn)氣管的骨架上，并縫緊所有會(huì)造成短路的空隙。,濾布最好采用毛質(zhì)絨布，現(xiàn)多采用合成纖維濾布。,其最大缺點(diǎn)是濾布要定期換洗，以減

43、少阻力損失和提高過濾效率。,2、油浴洗滌裝置,圖2-13 油浴洗滌裝置1濾網(wǎng)；2加油斗；3油層；4油鏡；5空氣入口,工作原理空氣進(jìn)入裝置后要通過油箱中的油層洗滌，空氣中的微粒被油粘附而逐漸沉降于油箱底部而除去，經(jīng)過油浴的空氣因帶有油霧，需要經(jīng)過百葉窗式的圓盆，分離大粒油霧，再經(jīng)氣液過濾網(wǎng)分離小顆粒油霧后，由中心管吸入壓縮機(jī)。,特點(diǎn)：除塵效果比布袋過濾好，但需要定期補(bǔ)充油，耗油量大。,3、水霧除塵裝置,圖2-14 水霧除塵器,空氣從

44、設(shè)備底部進(jìn)口管吸入，經(jīng)上部噴下的水霧洗滌，將空氣中的灰塵、微生物微粒粘附沉降，從器底排出。洗滌后的空氣，經(jīng)上部過濾網(wǎng)過濾后排出，進(jìn)入壓縮機(jī)。,這種裝置的關(guān)鍵是要注意控制air的流速，流速太大，則帶出的水霧太多，會(huì)影響空壓機(jī)的使用，降低排氣量。,二、空氣貯罐,圖2-15 空氣貯罐,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是一個(gè)高徑比較大的立式圓筒，上下封頭為橢圓封頭。,其主要作用是消除壓縮機(jī)排的air的脈動(dòng)，穩(wěn)定air壓力，保證進(jìn)入發(fā)酵罐的air流量穩(wěn)定，同時(shí)也可

45、以利用重力沉降作用分離油霧。,V = 0.1 ~ 0.2 W,三、氣液分離器,Air經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，air中的濕氣將冷凝成水霧，同時(shí)air經(jīng)有油壓縮機(jī)后也將夾帶油霧，這些油水必須在進(jìn)入過濾器前除去，否則會(huì)浸濕過濾介質(zhì)，降低過濾效果。這種分離air中油水的設(shè)備結(jié)稱為氣液分離器。,氣液分離器,填料式分離器,旋風(fēng)分離器,,,,,1、旋風(fēng)分離器,,工作原理：是利用氣流從切線方向進(jìn)入容器，在容器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)來分離重度較大的微粒。

46、,分離效率與分離器半徑成反比，氣流速度成正比，但太大又將導(dǎo)致壓力降增大，一般進(jìn)氣15~25 m/s,排氣4~8 m/s,常應(yīng)用于分離較大顆粒的場(chǎng)合，即通常首次除油水,圖2-16 旋風(fēng)分離器,2、 填料式分離器,圖2-17 絲網(wǎng)分離器,工作原理：air由圓筒底部切線進(jìn)入，經(jīng)過填料（絲網(wǎng)）的攔截作用而除去其中的油水后，air由罐頂排出。,填料：焦炭、活性炭、瓷環(huán)、金屬絲網(wǎng)、塑料絲網(wǎng)等其中絲網(wǎng)使用最為廣泛，氣分離效率高，可高達(dá)98~99%，國(guó)

47、內(nèi)常用的是? 0.25×40目的不銹鋼絲網(wǎng) 。,常應(yīng)用于分離較小顆粒的場(chǎng)合，即通常二次除油水,三、空氣冷卻器,Air被壓縮后，溫度將迅速上升，尤其壓縮比大時(shí)，升溫更加明顯，必須將其冷卻并使air中水分除去，否則，會(huì)增大壓縮機(jī)的負(fù)荷，甚至燒焦過濾介質(zhì)。,常用的空氣冷卻器有：立式列管換熱器、沉浸式熱交換器和噴淋式熱交換器。,一、總過濾器的滅菌,排冷凝水,用0.1MPa的蒸汽夾套預(yù)熱幾min,0.2MPa蒸汽直接滅菌1h,空氣吹干4

48、~6h，至玻璃檢查無水位止,整個(gè)過程夾套應(yīng)通蒸汽,通常10天滅菌一次,,,,3.3.7 空氣過濾器的滅菌,二、分過濾器的滅菌,0.15MPa蒸汽直接滅菌45min,通常每批發(fā)酵都得滅菌一次,滅菌方法有哪幾種？何謂空消和實(shí)消？各自操作如何？連續(xù)滅菌流程有哪幾種？各自特點(diǎn)是什么？空氣過濾除菌流程一般包括哪幾部分？各自作用是什么？某生物制藥廠采用空氣冷卻流程以制備無菌空氣。當(dāng)?shù)乜諝庀鄬?duì)濕度60 %?？諝膺M(jìn)入總過濾器時(shí)的狀態(tài)為：相對(duì)濕度