微生物工程(发酵)无菌空气的制备.ppt

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1、第四章 无菌空气的制备,需氧微生物发酵所需氧气来源于空气，且需长时间无间断供应，因此空气的除菌非常重要。 据统计，空气系统的染菌占总染菌数的20，居第二位。 需建立确保无菌、简化流程、节约能源的空气除菌系统。,4.1无菌空气的标准,4.1.1空气中微生物的分布规律 易附着于固体表面或液滴中，含菌量随环境不同而有很大的差别： 潮湿南方多，干燥北方少； 人口稠密处多，人口稀少处少； 低空多，高空少 选择良好的取风位置与提高除菌系统效率同样重要。,4.1.1空气中微生物的分布规律,城市一般含菌量： 103个/m3或104个/m3,结论：由于空气中微生物是依附于尘埃、微粒及微细的水滴上，故净化空气就是

2、要除去悬浮于空气中的尘埃和细微水滴，使之无菌。,4.1.1空气中微生物的分布规律,4.1.2发酵对空气无菌程度的要求,空气中的微生物多是细菌孢子，以及酵母、霉菌和病毒，常见菌株大小见右表：,故认为只要将0.3um以上的微粒全部除掉，就可达到无菌; 生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是：一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。,需注意： 不同的发酵过程对空气除菌要求不同： 一般酵母发酵时，pH低，周期短，抗杂菌能力强，无菌要求低； 细菌或细胞发酵时，周期长，自身抗感染能力弱，无菌要求高。,4.1.3空气含菌量的测定,光学法与培养法； 粒子计数测

3、定法； 固定膜采样法；,4.2 空气除菌方法,显然用高热蒸汽来加热保温灭菌不现实 常用方法：过滤法 其它方法：热杀法、射线法、静电除菌法。,4.2.1热杀法,微生物加热后体内蛋白质（酶）的氧化变性而死亡。 原理：利用空气压缩时温度的升高来实现，根据多变压缩公式：,T1 T2,=,P2 P1,m-1 m,m为多变指数，取1.21.3,热杀菌,空气热灭菌流程示意图 1-空气压缩机 2-粗过滤器 3-保温管 4-贮气罐 5-保温罐 6-列管式冷却器 7-涡轮压缩机 8-预热器 9-粗过滤器 10-空气吸入塔,4.2.1热杀法,优点：产生空气量大，热杀时间短，维持设备不必太庞大。 不足：设备必须耐高压

4、、高温，且需加大冷却器的热负荷。因此从经济角度考虑，实际生产中较少采用。,4.2.2静电除尘法,原理:在强度较大的电场中，负极出现电晕现象，使附近的中性分子电离为正负离子，并向两极运动。因负离子的移动距离大，所以使固体和液体微粒向正极运动，而在正极沉淀。 正极为沉淀极，负极为电晕极。,静电除菌,静电除尘器装置图,管式静电除菌器,4.2.2静电除尘法,特点： 除尘效率高（1um微尘去除率达99以上） 能量消耗少（处理1000m3只需0.4-0.8度电） 空气阻力小 不足：前期投入高、因使用高压电技术，故制造、安装复杂、维修要求严格。,4.3过滤除菌,利用能定期灭菌的过滤介质阻截流过的空气中所含有

5、的微生物，从而获得无菌空气。 目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。,按过滤介质的空隙大小，可分为绝对过滤介质和深层过滤介质。 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，为了达到除菌效果，必须具有一定厚度。,纤维介质深层过滤除菌的原理 气流通过滤层时基于滤层纤维的层层阻碍，迫使气体在流动中出现无数次改变速度和方向的绕流运动，而导致菌体微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电引力作用，把微粒截留、捕集在纤维表面上，达到过滤的目的。,4.3过滤除菌,(c)扩散,(b)拦截,(a)惯性,(d)重力,(e)静电,利

6、用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理,空气,过滤空气,4.4过滤介质和过滤器结构,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,过滤介质是过滤除菌过程中的关键，它直接影响除菌的效果，动力的消耗，设备的尺寸以及运行的可靠性。 常见的过滤介质有：棉花，超细玻璃纤维，各种合成纤维，微孔烧结材料和微孔超滤膜等。,2.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,棉花 应选用长纤维并疏松的新鲜棉花； 标准：压紧后仍有弹性，长度适中（2-3cm），直径16-21um，实密度1520kg/m3，填充密度130-150 1520kg/m3，填充率8.5-10%； 为使填充均匀，可先制成棉垫。,2

7、.4.1常用过滤介质,玻璃纤维 8-19um的无碱玻璃纤维，直径小，过滤效率好，不易吸水，压降小，耐高温，光滑，不易长菌。 静电引力起重要作用； 缺点：体积大，不易填充；换装时纤维有大量碎末；,2.4.1常用过滤介质,玻璃纤维 8-19um的无碱玻璃纤维，直径小，过滤效率好，不易吸水，压降小，耐高温，光滑，不易长菌。 静电引力起重要作用； 缺点：体积大，不易填充；换装时纤维有大量碎末；,2.4.1常用过滤介质,活性炭 吸附微生物的能力远低于棉花，故其主要作用是位于两层棉花之间，使气流均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,活性炭 吸附微生物的能力远低于棉花，故其主要作用是位于两层棉花之间，使气流

8、均匀再分布。,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸 直径1-2um，厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。 具很高的过滤效率，较低的过滤阻力，坚韧，抗湿；,2.4.1常用过滤介质,超细纤维玻璃纸 直径1-2um，厚0.25-1mm的无碱玻璃纤维纸。 具很高的过滤效率，较低的过滤阻力，坚韧，抗湿；,2.4.1常用过滤介质,优点：强度高、寿命长、耐高温，可逆洗再生、使用方便； 不足：填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞，实际需要数目多，接点多，易造成泄露污染，很难彻底灭菌。,优点：强度高、寿命长、耐高温，可逆洗再生、使用方便； 不足：填充率高、流量小、压力降大、容易阻塞，实际需要数目多，接点多，易

9、造成泄露污染，很难彻底灭菌。,微孔聚合物： 聚乙烯醇过滤板，将聚乙烯醇乙酰化，并涂敷耐热树脂制成； 能高温灭菌，安装方便，微孔多、过滤效率高，压力降小。,微孔聚合物： 聚乙烯醇过滤板，将聚乙烯醇乙酰化，并涂敷耐热树脂制成； 能高温灭菌，安装方便，微孔多、过滤效率高，压力降小。,4.4.1常用过滤介质,4.4.1常用过滤介质,石棉滤板 用纤维短而直的蓝石棉与纸浆纤维混合打浆而成。 过滤效率较低； 不易穿孔或折断，可耐受蒸汽反复灭菌，抗湿,4.4.1常用过滤介质,新型过滤介质 用四氟乙烯经膨化而制成的过滤介质； 优点：过滤面积大、流量快、阻力小、体积小,4.4.2过滤器的结构,深层棉花过滤器 一般

10、为立式圆筒形，下方为进气口，上方出气口； 介质安装顺序：孔板、铁丝网、麻布、棉花、麻布、活性炭、麻布、棉花、麻布、铁丝网、孔板；,使用注意事项： 安装后用空气蒸汽吹一段时间，打开检查是否有松动，以补加。 使用一段时间后必须灭菌，由上向下通入0.2-0.2MPa干燥蒸汽，约45min，然后用压缩空气吹干。,4.5无菌空气的制备流程,空气压缩后，温度不变，相对湿度会增加，易析出水滴，会对过滤介质造成影响，故空气压缩后应进行适当的处理，使除油、降低湿度后再进入空气过滤器。 一般使用冷却再加热法；,4.5无菌空气的制备流程,采风（高度） 预过滤（去除5m的微粒） 空气压缩 0.6-0.8MPa 空气储

11、罐（稳定压力，沉降作用） 冷却（去除水分） 油水分离（利用离心力去除油滴、液滴）,除雾（填料式除雾器，捕集小液滴） 加热 （50，空气相对湿度60%） 总过滤 80-90% 罐前除雾 99% 预过滤 99.9999% 除菌过滤（精过滤）,利用热空气加热冷空气的除菌流程 1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器,空气压缩冷却过滤流程 1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器,2.5.3压缩空气预处理设备,空气气口的高度与位置： 采取10m以上的高度，远离废气的排气口。,2.5.3压缩空气预处理设

12、备,空气气口的高度与位置： 采取10m以上的高度，远离废气的排气口。,粗过滤器： 在压缩机吸入口之前的过滤器，捕集空气中较大的灰尘以减少对压缩机的磨损。阻力小，容尘量大。 常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。,空气压缩机： 往复式空气压缩机由活塞在汽缸中往复运动，完成吸气、压缩、排气；气流不稳定、脉冲大、空气油含量高；,涡轮式压缩机 电动机带动涡轮旋转，气体由于离心力向周围蜗壳通道运动，获得较高压强后排出，排气量大、占地小、压力稳定、不含油雾；但噪音过大。,螺杆式空压机 目前较理想的空压机，占地小，供气量大，油雾少或无油雾，噪音小。,冷却： 空气压缩后温度上升，若直接

13、通入空气过滤器，会损坏过滤介质，影响培养基温度及培养物的生长；因此，必须冷却。,冷却： 空气压缩后温度上升，若直接通入空气过滤器，会损坏过滤介质，影响培养基温度及培养物的生长；因此，必须冷却。,4.5.1压缩空气预处理原理,空气贮罐,作用：消除压缩机排出空气量的脉冲，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。,空气换热设备,常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。,析水设备旋风分离机,作用：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。,析水设备丝网除沫器,利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾。,具有热交换器的预处理流程： 冷却后的压缩空气与压缩机出口温度较高的空气进行热交换，节省热能和冷却水。,析水设备丝网除沫器,利用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用分离空气中水雾或油雾。,本章小结,空气除菌的主要原因 发酵对空气无菌程度的要求 空气除菌方法：过滤法、热杀法、射线法、静电除菌法原理 纤维介质深层过滤除菌的原理 常用过滤介质及其优缺点 压缩空气预处理的原因,