(9)--4.1 无菌空气制备发酵工程.ppt

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1、第第四四章章 无菌空气的制备无菌空气的制备生物科学生物科学与技术学院与技术学院 侯典侯典海海本章内容本章内容1 1、空气中微生物的分布和发酵工业对空、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求气无菌程度的要求 2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 4 4、介质过滤除菌的工艺、介质过滤除菌的工艺 5 5、介质过滤除菌的设备、介质过滤除菌的设备1 1、无菌空气的概念无菌空气的概念 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“无菌空气无菌空气”。1、

2、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求 2 2、空气中微生物的分布、空气中微生物的分布l空气中的含菌量随环境不同而有很大差异：l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103-104个m3进行计算。3 3、发酵对空气无菌程度的要求、发酵对空气无菌程度的要求 l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。l一般按染菌机率为一般按染菌机率为1010-3-3。来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1-21-2次次染菌。1、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求

3、4 4、空气含菌量的测定、空气含菌量的测定 培养法培养法：微生物学中已介绍过。撞击培养法撞击培养法:一定体积得空气喷向培养基，培养、计数光学法：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。2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 空气除菌方法013214辐射灭菌辐射灭菌加热灭菌加热灭菌 静电除静电除菌菌 介质过滤介质过滤2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 1 11 1、原理、原理射线、X射线、射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。2 2、应用范围、应用范围通常用于无菌室和医院手术室。3 3、缺点、缺点杀菌效率较低，杀菌时间较长。一

4、般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。辐射灭菌辐射灭菌2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 2 2加热灭菌加热灭菌 1 1、利用压缩热进行空气灭菌的流程图空气进口温度为空气进口温度为2121，出口温度，出口温度为为187-198187-198 ，压力，压力为为0 0.7MPa7MPa。原理？原理？3 3静电除静电除菌菌 1 1、原理原理利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 2 2、优点、优点 阻力小，约1.01325104Pa 染菌率低，平均低于10-15 除水、除油的效果好 耗电少 3 3、缺点、缺点设备庞大、一次性投资较大、捕集率尚

5、嫌不够，需要采取其它措施。2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 4 4介质过滤介质过滤过滤除菌：利用过滤除菌：利用有孔有孔介质从介质从气体中除去气体中除去微生物的方法。微生物的方法。空气过滤器的功能：是从气体中去除污染物（微生物）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。以使达到所需的气体的无菌程度。l发酵工程中广泛应用的无菌空气制备技术；发酵工程中广泛应用的无菌空气制备技术；l普遍普遍采用膜过滤器。采用膜过滤器。2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 4 4介质过滤介质过滤l过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子过滤器经常被认为是一种简单的网或筛子，过滤过

6、滤/分离分离是在是在一个平面上进行的。一个平面上进行的。l实际上，实际上，空气过滤器的滤材具有深度空气过滤器的滤材具有深度。“弯曲通道弯曲通道”的结的结果对于污染物的去除起到了辅助作用。果对于污染物的去除起到了辅助作用。2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 本章内容本章内容1 1、空气中微生物的分布和发酵工业对空、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求气无菌程度的要求 2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 4 4、介质过滤除菌的工艺、介质过滤除菌的工艺 5 5、介质过滤除菌的设备、介质过滤除菌的设备3 3、介质过滤除菌的机理、介质过

7、滤除菌的机理 3.1.3.1.过过 滤滤 机机 理理1)直接拦截2)惯性撞击3)扩散拦截3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 1)1)、直接拦截、直接拦截l流体中的基本过滤机制；l本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒；l例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒；绝对截留绝对截留 -颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 1)1)、直接拦截、直接拦截l当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除。l容污能力可以用弯曲结构提高筛网作用。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 1)1)、直接拦截、直接拦截l通过

8、搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截l不规则形状的颗粒/方向性；l多个颗粒同时撞击到同一个滤孔。不规则形状的搭桥不规则形状的搭桥多个小颗粒的搭桥多个小颗粒的搭桥3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 1)1)、直接拦截、直接拦截l拦截在过滤器表面的颗粒堆积成颗粒层。l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。l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。滤饼滤饼 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 2)2)、惯性撞击惯性撞击l尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式。l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。l颗粒

9、离开流体主流而撞击到滤材上。当流体改变运动方向时，当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留。面并由于吸附力而停留。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 2)2)、惯性撞击惯性撞击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。停留的颗粒减停留的颗粒减小了滤孔孔径小了滤孔孔径3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 2)2)、惯性撞击惯性撞击l颗粒被机械拦截或被吸附拦截。l在气体中比在液体中更有效。l对大于 0.5-1.0 微米的颗粒很有效。l表面相互作用电荷不同l范德华力(Van der Waals)吸附吸附3 3

10、、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3)3)、扩散拦截扩散拦截l气体分子(作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴l布朗运动(Brownian motion)碰撞的结果，l增加了颗粒碰撞过滤介质的机会。l对小-细颗粒(0.1-0.3微米)非常有效。l在气体中有效。气体气体分子分子做做布朗运动布朗运动分散在气体分子中的小颗粒分散在气体分子中的小颗粒 或雾滴受到撞击发生位移或雾滴受到撞击发生位移3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3)3)、扩散拦截扩散拦截被随机运动的气体分子被随机运动的气体分子碰撞的碰撞的颗粒撞击颗粒撞击到过滤到过滤介质上并被吸附截留介质上并被吸附截留当流经过滤介质时流体必

11、当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进须沿弯曲通道行进。这。这将将增加过滤机制的有效性。增加过滤机制的有效性。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 l直接拦截l惯性撞击l扩散拦截过滤介质的过滤过滤介质的过滤/分离效率由于以下的共同作用而增强：分离效率由于以下的共同作用而增强：3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式l1)表面过滤:l编织网粉末烧结l2)深度过滤:l纤维材料结构l棉花l活性炭或玻璃纤维l有机合成纤维l浇铸膜结构3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 l1)1)表面过滤表面过滤:l滤饼过滤又称为表面过滤，使用织物、多孔材料或膜等作为过滤介质。过滤介质的孔径不一定要

12、小于最小颗粒的粒径。l所有滤孔在一个平面上,依靠直接拦截捕获颗粒的过滤介质。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式l1)1)表面过滤表面过滤:l过滤开始时，部分小颗粒可以进入甚至穿过介质的小孔，但很快由颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。最后被截留在介质表面的颗粒形成滤饼(即滤渣层)。l随着滤饼的形成，真正真正起起过滤介质作用的是滤饼本过滤介质作用的是滤饼本身，因此称为滤饼过滤身，因此称为滤饼过滤。滤饼过滤主要适用于含固量较大（1%）的场合。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式l2)

13、2)深度过滤深度过滤:l深层过滤一般应用介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土等），纤维材料，膜结构材料等作为过滤介质。l小于介质空隙的颗粒可进入到介质内部，而长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。深深层层过过滤滤无无滤滤饼饼形形成成，主要用于净化含固量很少（0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式l2)2)深度过滤深度过滤:l污染物被介质内部结构捕获的一种过滤介质，滤孔贯穿于整个介质厚度。l调整流道可以获得高容污能力。3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式

14、3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 表面或筛网过滤的局限表面或筛网过滤的局限l主要依靠直接拦截。小于孔径的颗粒将穿过。l惯性撞击无效。l扩散拦截有微效。3.2 3.2 介质过滤方式介质过滤方式4 4、介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的工艺 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一般鼓风机增压后进入过滤器进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。而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无菌空气具有必要的无菌程度外，还

15、要具有一定的压力外，还要具有一定的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。4 4、介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的工艺 1 1、对空气除菌流程的要求、对空气除菌流程的要求流程的设备：主设备：空气压缩机附属设备：要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简设备流程，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、气候环境设备条件4 4、介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的工艺 2 2、空气过滤除菌流程的分析、空气过滤除菌流程的分析发酵厂所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

16、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。4 4、介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的工艺 l两级冷却、分离、加热的空气过滤除菌流程特点：两次冷却，两次分离，适当加热特点：两次冷却，两次分离，适当加热A A、采风、采风B B、预过滤、预过滤C C、空气压缩空气压缩D D、贮气、贮气E E、两两级冷却、级冷却、油水分离、除雾油水分离、除雾F F、加热加热G G、管前、管前除雾和除雾和预过滤预过滤4 4、介质过滤除菌的工艺介质过滤除菌的工艺 l高效前置过滤除菌流程特点：无菌程度高特点：无菌程度高C C、空气压缩空气压缩D D、贮

17、气、贮气E E、冷却、油、冷却、油水分离、除雾水分离、除雾F F、加热加热G G、管前除、管前除雾和预过滤雾和预过滤A A、采风、采风B B、高效过滤、高效过滤本章内容本章内容1 1、空气中微生物的分布和发酵工业对空、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求气无菌程度的要求 2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 4 4、介质过滤除菌的工艺、介质过滤除菌的工艺 5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备1 1、总过滤器（颗粒直径、总过滤器（颗粒直径5m m）如：如：深层棉花、活性炭深层棉花、活

18、性炭过滤器等过滤器等2 2、预过滤器、预过滤器（颗粒直径（颗粒直径0.5m m）如：如：金属过滤器金属过滤器3 3、精过滤器（、精过滤器（颗粒直径颗粒直径0.22m m除菌过滤）除菌过滤）如：如：膜过滤膜过滤5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备1 1、深层棉花、活性炭过滤器、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活性碳麻布棉花麻布铁丝网孔板 5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备2 2、金属过滤器、金属过滤器外壳图外壳滤芯接口图外壳滤芯接口图 滤芯滤芯5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备3

19、 3、膜过滤器、膜过滤器5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备滤芯消毒滤芯消毒问题问题l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。l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。5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备膜过滤器的质量评价膜过滤器的质量评价1 1、过滤性能评价、过滤性能评价 表征材料过滤性能的主要参数为过滤精度、透过性和纳污容量。表征材料过滤性能的主要参数为过滤精度、透过性和纳污容量。l过滤过滤精度：即完全滤除的固体颗粒的粒度临界值。精度：即完全滤除的固

20、体颗粒的粒度临界值。l绝对绝对过滤：截留率达到过滤：截留率达到99.9999%99.9999%的过滤；的过滤；l绝对过滤绝对过滤精度：通过过滤介质截留率达到精度：通过过滤介质截留率达到99.9999%99.9999%的最大经营球形粒的最大经营球形粒子的直径子的直径l透过性：过滤材料容许气体透过的能力。以单位压差下、单位时间内透过性：过滤材料容许气体透过的能力。以单位压差下、单位时间内透过单位面积的空气量表示。透过单位面积的空气量表示。l纳纳污污容量：过滤材料滤除部分微粒后，对透气性影响的大小容量：过滤材料滤除部分微粒后，对透气性影响的大小5 5、介质过滤除菌的设备介质过滤除菌的设备膜过滤器的质

21、量评价膜过滤器的质量评价1 1、过滤器完整性测试、过滤器完整性测试 包括破坏性和非破坏性测试包括破坏性和非破坏性测试l破坏性破坏性测试测试是指细菌挑战测试，该测试方法是证明过滤器能够满足苛是指细菌挑战测试，该测试方法是证明过滤器能够满足苛刻的除菌级过滤器标准的根本方法。在细菌挑战测试中，需根据统计刻的除菌级过滤器标准的根本方法。在细菌挑战测试中，需根据统计学原理从每批产品中抽取一定数量的样品，按照标准测试学原理从每批产品中抽取一定数量的样品，按照标准测试方法，利用方法，利用缺陷假单胞缺陷假单胞菌菌(已改称为已改称为缺陷短波单胞菌缺陷短波单胞菌)（Brevundimonas diminuta B

22、revundimonas diminuta ATCC 19146ATCC 19146）溶液溶液进行进行细菌挑战测试，过滤器需要细菌挑战测试，过滤器需要达到达到10107 7CFU/cmCFU/cm2 2滤滤膜的细菌截留，才可认为该滤器为除菌级过滤器膜的细菌截留，才可认为该滤器为除菌级过滤器。l起泡点测试，扩散流测试，压力衰减测试起泡点测试，扩散流测试，压力衰减测试（自学）（自学）本章内容本章内容1 1、空气中微生物的分布和发酵工业对空、空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求气无菌程度的要求 2 2、空气除菌的方法、空气除菌的方法 3 3、介质过滤除菌的机理、介质过滤除菌的机理 4 4、介质过滤除菌的工艺、介质过滤除菌的工艺 5 5、介质过滤除菌的设备、介质过滤除菌的设备