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发酵工程第20节


第20章 空气除菌设备
在发酵产品的生产中,好氧微生物的培养占绝大多 数。通常以空气作为氧源,自然空气中含有灰尘颗粒、 水蒸气上附着有各种杂菌。空气的除菌是好氧发酵成败 的一个重要环节。 除菌的方法很多,如过滤除菌、热灭菌、化学灭菌 和辐射灭菌等。实上应用的除菌方法往往是几种方法的 结合。 过滤除菌是发酵工业中经济实用的空气除菌方法, 此方法是采用定期灭菌的介质来阻截空气中的微生物, 以取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭、玻 璃纤维、有机和无机烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、 烧结塑料)等。

20.1 介质除菌的原理

微生物中,球菌的直径一般在 0.5~2μm,杆菌一般长 在l~5μm,宽在0.5~1μm,酵母则个体较大。 空气溶胶的过滤除菌原理与通常的液体过滤原理是不 同的,液体过滤介质间的空隙应小于颗粒直径,空气过滤 除菌介质间空隙往往远大于颗粒直径。 如棉花纤维直径一般为 16~20 μm、充填系数为8%时, 所形成的网格空隙为 20~50μm。微粒随气流通过滤层时, 滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进,使气流无数次改变 运动速度和运动方向,绕过纤维前进。 这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、 重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用,而将微粒拦截。

20.1.1 惯性冲击滞留作用

带有颗粒的空气通过滤层时,仅能从纤维的间隙通 过,由于纤维纵横交错,迫使空气要不断改换运动方向 和运动速度方能通过滤层。空气中的微粒在运动中与气 流具有一致的方向,当超过某一速度时,微粒具有了一 定的惯性力。 如图20-l,当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维 方向运动时,空气受阻可改变运动方向,绕过纤维前进。 而由于微粒的运动惯性较大,未能及时改变运动方向随 气流前进,直冲到纤维表面,被滞留在纤维表面。这种 现象称为惯性滞留作用。 纤维能滞留微粒韵宽度区域b与纤直径df 之比,即为 其有效分率,称为单纤维的惯性冲击捕获效率η1。

惯性冲击滞留作用
纤维滞留微粒的宽度b的大小由微粒的运动惯性所决 定,微粒的运动惯性越大,它受气流换向干扰越小, b 值就越大。 实践证明,捕获效率是微粒惯性力的无因次准数φ的 函数,而准数 φ 与纤维的直径、微粒的直径、微粒的运 动速度的关系为:

惯性冲击滞留作用

空气流速是影响捕获效率的重要参数。在其它条件一定 下,改变气流的流速可改变微粒的运动惯性力。当气流速度 下降时,微粒的运动速度随着下降,动量减小,惯性力下降, 微粒脱离主导气流的可能性也减少,相应纤维滞留微粒的宽 度b减少,即捕获效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力 不足以使微粒脱离主导气流对纤维产生碰撞,即在气流的任 一处,微粒也随气流改变方向绕过纤维前进,即b=0时,惯 性力无因次准数φ=1/16,纤维的碰撞滞留效率等于0,这时的 气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。 图20-2表示的是不同 直径的微粒对不同直径纤维的临界速度。 vc 是空气在纤维网格间隙的真实速度,它与容器截面的 空气速度VS的关系受填充密度a的影响:

20.1.2 拦截滞留作用
在微粒直径很小,质量很轻,它随低速气流流动慢 慢靠近纤维时,微粒所在的主导气流流线受纤维所阻而 改变方向,绕过纤维前进,并在纤维的周边形成一层边 界滞留区。滞留区的气流速度更慢,进入滞留区的微粒 慢慢靠近纤维并接触纤维而被黏附滞留,此作用叫做拦 截滞留作用。这种拦截滞留作用对微粒钓捕获效率η2 与 气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比的关系为

式中:R—微粒和纤维的直径比(R=dP/df);dp—微粒直 径(m);df—纤维直径(m);Re —气流的雷诺数。

20.1.5 静电吸引作用

干空气对非导体物质相对运动摩擦时,会产生诱导 电荷,如纤维和树脂处理过的纤维,特别是合成纤维更 易代电荷。空气中的微生物微粒常带有不同的电荷,如 枯草杆菌的芽孢20%带正电荷,15%带负电荷,15%为 中性。 在介质过滤中,这些带电荷的微生物可被具有相反 电荷的纤维介质所吸引,另外也可能是纤维介质被流动 的带电荷的粒子所感应,产生相反的电荷而将粒子吸引。

其它辅助作用
20.1.3布朗扩散作用 直径小于1μm的微粒在很慢的气流中能产生一种不规 则的直线运动,称之为布朗扩散。其效果往往使较小的 微粒凝集为较大的微粒,大大增加了微粒与纤维的接触 滞留机会。随之或发生重力沉降或被介质所拦截。 20.1.4重力沉降作用 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。大颗粒比小颗粒的作用显著,对于小颗粒只 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,微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。

20.2 介质过滤效率和过滤器计算
20.2.1 对数穿透定理
过滤效率η是指滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之 比: 它是衡量过滤设备过滤能力的指标。 式中N0—过滤前空气中的微粒含量(个); N—过滤后空气中的微粒含量(个); N/N0—过滤前后空气中的微粒数的比值,称为穿透 率P 。

20.2.1对数穿透定理

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。 在一定的条件下(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人此介质层的杂菌量成正比,即

式中 dN/dL 单位滤层所除去的微粒数 (个 /cm ); L—滤床厚度(m);K—过滤常数或除菌常数(m-1)。

20.2.1 对数穿透定理
将上式整理并积分得:



K ? K ? ln10 ? 2.303K
'

'

式中C0、C——进口、出口空气的菌浓度(个/cm3)。 上式即称为对数穿透定律,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。 若令N/No=0.1,即颗粒的90%被捕获,穿透10%, 相应的滤层厚度可以用X90表示。则由式(20-9)得:

20.2.2 过滤器的计算
过滤器的效率与操作条件有密切关系,图20-3是除 菌常数K及X90与空气流速ωg的关系。过低和过高的空气 流速都会使 K 下降。在设计过滤器时应取 K 最低时的流 速,以保证空气过滤器有良好的除菌效率。


例如,一个发酵罐每分钟用空气量为 10m3,空气中 的微生物浓度若为200个/m3。空气在过滤器中的线速度 为0.15m/s,这时过滤器的除菌效率K=153.5 m-1,发酵周 期100h。 过滤器出口空气中的含菌量取 N = 0.001 个。则介质 层厚度: 空气过滤器的直径:

10.3 空气除菌设备
20.3.1压缩空气的预处理
空气的除菌必须配备一定量的空气压缩机和空气除 菌设备。大气中的微生物空气中的尘埃颗粒上。一般认 为高度每上升10 m,大气大多依附于中的微生物量下降 一个数量级,因此空气压缩机的取气口可建在较高的位 置。 由于经过压缩的空气具有很高的温度,且当其冷却 后又具有较高的相对湿度,可冷凝为水滴析出,同时经 过空压机的空气往往还带有油滴,这些夹杂在压缩空气 中的水滴和油滴很容易使空气过滤器的除菌能力下降导 至失败。因此在压缩空气进人过滤介质之前,必须进行 空气的预处理,以保证过滤器的可靠性。

20.3.1压缩空气的预处理
1.压缩空气的温升 空气的压缩过程可以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:

式中: 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(对于空气可 取1.2~1.3)代替式(20-26)中的绝热指数k。

20.3.1压缩空气的预处理

2.压缩空气的湿度 大气中总含有一定量的水分,并以气态存在。当空 气中的水蒸气过多,超过饱和度(即相对湿度为 100 %) 时,或在空气冷却至露点以下时,空气中的水蒸气就会 形成水滴析出。 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:

式中 φ— 相对湿度; pw— 空气中水蒸气分压 ( Pa) ; ps—同温度下水的饱和蒸汽压(Pa)。

20.3.1压缩空气的预处理
1kg 干空气中所含有水蒸气的质量( kg )称作空气 的湿含量或绝对湿含量,用X来表示。若Gg(千克干空 气)含有Gw,(千克水蒸气),则其湿含量:

对于密闭系统有:

式中:φ1、φ2—原空气、压缩空气的相对湿度; psl、ps2 -原空气、压缩空气温度下的饱和蒸汽压; p1、p2-原 空气、压缩空气的的压力。

10.3.2 空气过滤除菌流程
为保证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;要保证不受油、水干扰贴要有一系列冷却、分离、 加热的设备夹保证空气的相对湿度在 50 % ~60 %的条件 下过滤。 空气除菌设备流程一般包括粗过滤器、空压机、空 气贮罐、空气冷却器、气液分离器、空气入热器、空气 过滤器等。流程可根据气候条件等适当增减;这些设备 有各种不同的型号可供选择。

1 粗过滤器
粗过滤器是安装在空气压缩机前的过滤设备,主要 作用是捕集较大的灰尘颗粒,起到保护空气压缩机,防 止其受磨损的作用,同时也可减轻空气过滤器的负荷。 对粗过滤器的要求是过滤效率要高,阻力要小。 通常有布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤过滤器 和水雾除尘过滤器等形式的粗过滤器。

2 空气贮罐
停留时间一般取 0.1~0.2min。即:

3空气冷却器
用于空气冷却的热一交换器种类很多,常用的有立 式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器 等。

4 气液分离器
压缩空气的除油除水设备型式很多,常用的有两大 类:一是利用离心力进行沉降的旋风分离器,另一种是 利用惯性截留的填料式分离器。 旋风分离器是一种结构简单,阻力小,分离效果较 高的气固或气液分离设备。其除水效率可达99%。 填料式分离器所用的填料有焦炭、活性炭、瓷环、 金属车屑、金属丝网、塑料丝网等。丝网分离器具有较 高的分离效率(98%-99%),可除去较细小的雾状微粒 (5μm)。

5 空气过滤器
空气过滤器是过滤除菌的关键设备,它的质量不但影响 到介质的消耗量、过滤过程动力消耗(压力降)、操作劳动 强度、维护管理等,而且还关系到运转过程的可靠性。 过滤介质,按其孔径大小可分为两类: 第一类的孔隙小于细菌和孢子,当空气通过时,微生物 可以被阻留在介质的一侧,这种介质称为绝对过滤介质。由 于其孔径小于微生物,因此空气中即使会有液滴也不会影响 除菌效率。这种过滤介质的使用寿命在一年以上。如在空气 无菌过滤前,先经粗过滤器滤去较大的颗粒,可有效地延长 过滤器的使用寿命。图20-10是PVA滤芯过滤器示意图。

5 空气过滤器

第二类是如前所述孔径大于微生物的过滤介质,其 中一种是用棉花、玻璃纤维、合成纤维和颗粒活性炭填 充的过滤器,它是一个圆筒形容器,内有两层多孔筛板 将过滤介质压紧并入以固定。填充时应使介质分布均匀, 以避免空气走短路或发生介质被吹翻的现象。另一种是 将过滤材料制成纸、板或管状,如超细玻璃纤维滤纸、 金属烧结板等等。这种材料不须填充得很厚,但除菌效 率较高。图20-12是一种超细玻璃纤维纸过滤器,它利黯 两片多孔板将几张超细玻璃纤维纸夹紧即可进行无菌过 滤,且具有很高的除菌效率和较低的阻力损失。 填充物按下面顺序安装:


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