簡介

在發酵工業中,絕大多數是利用好氣性微生物進行純種培養,空氣則是微生物生長和代謝必不可少的條件。但空氣中含有各種各樣的微生物,這些微生物隨著空氣進入培養液,在適宜的條件下,它們會迅速大量繁殖,消耗大量的營養物質並產生各種代謝產物;干擾甚至破壞預定發酵的正常進行,使發酵產率下降,甚至徹底失敗。因此,無菌空氣的製備就成為發酵工程中的一個重要環節。空氣淨化的方法很多,但各種方法的除菌效果、設備條件和經濟指標各不相同。實際生產中所需的除菌程度根據發酵工藝要求而定,既要避免染茵,又要儘量簡化除菌流程,以減少設備投資和正常運轉的動力消耗。合理選擇除菌方法,決定除菌流程以及選用和設計滿足生產需要的除菌設備等。
原理

空氣溶膠的過濾除菌原理與通常的過濾原理不一樣,一方面是由於空氣溶膠中氣體引力較小,且微粒很小,常見懸浮於空氣中的微生物粒子在0.5~2μm之間,深層過濾所用的過濾介質----棉花的纖維直徑一般為16~20μm,填充係數為8%時,棉花纖維所形成的孔隙為20~50μm;超細玻璃纖維濾板因纖維直徑很小,為1~1.5μm,濕法抄制緊密度較大,所形成的格線孔隙為0.5~5μm。微粒隨氣流通過濾層時,濾層纖維所形成的格線阻礙氣流直線前進,使氣流無數次改變運動速度和運動方向,繞過纖維前進。這些改變引起微粒對濾層纖維產生慣性衝擊、重力沉降、阻攔、布朗擴散、靜電吸引等作用而將微粒滯留在纖維表面上。
一、慣性捕集作用
在過濾器中的濾層交錯著無數的纖維,好像形成層層的格線,隨著纖維直徑減小,充填密度的增大,所形成的格線就越緊密,格線的層數也就越多,纖維間的間隙就越小。當帶有微生物的空氣通過濾層時,無論順纖維方向流動或是垂直於纖維方向流動,僅能從纖維的間隙通過。由於纖維交錯所阻迫,使空氣要不斷改變運動方向和速度才能通過濾層。當微粒隨氣流以一定速度垂直向纖維方向運動時,因障礙物(介質)的出現,空氣流線由直線變成曲線,即當氣流突然改變方向時,沿空氣流線運動的微粒由於慣性作用仍然繼續以直線前進。慣性使它離開主導氣流;走的是虛線的軌跡。氣流寬度以內的粒子,與介質碰撞而被捕集。這種捕集由於微粒直衝到纖維表面,因摩擦粘附,微粒就滯留在纖維表面上,這稱為慣性衝擊滯留作用。
慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用,其大小取決於顆粒的動能和纖維的阻力,也就是取決於氣流的流速。慣性力與氣流流速成正比,當流速過低時,慣性捕集作用很小,甚至接近於零;當空氣流速增至足夠大時,慣性捕集則起主導作用。
二、攔截捕集作用
氣流速度降低到慣性捕集作用接近於零時,此時的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時,微粒不能因慣性滯留於纖維上,捕集效率顯著下降。但實踐證明,隨著氣流速度的繼續下降,纖維對微粒的捕集效率又回升,說明有另一種機理在起作用,這就是攔截捕集作用。
微生物微粒直徑很小,質量很輕,它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時,微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻,從而改變流動方向,繞過纖維前進,而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區。滯流區的氣流速度更慢,進到滯流區的微粒慢惕靠近和接觸纖維而被粘附滯留,稱為攔截捕集作用。

直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產生一種不規則的運動,稱為布朗擴散。擴散運動的距離很短,在較大的氣流速度和較大熱纖維間隙中是不起作用的,但在狠慢的氣流速度和較小的纖維間隙中,擴散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機會,從而被捕集。
四、重力沉降作用
微粒雖小,但仍具有重力。當微粒重力超過空氣作用於其上的浮力時,即發生一種沉降加速度。當微粒所受的重力大於氣流對它的拖帶力時,微粒就發生沉降現象。就單一重力沉降而言,大顆粒比小顆粒作用顯著,一般50μm以上的顆粒沉降作用才顯著。對於小顆粒只有氣流速度很慢時才起作用。重力沉降作用一般是與攔截作用相配合,即在纖維的邊界滯留區內。微粒的沉降作用提高了攔截捕集作用。
五、靜電吸附作用
乾空氣對非導體的物質作相對運動摩擦時,會產生靜電現象,對於纖維和樹脂處理過的纖維,尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。有人測定微生物孢子帶電情況時發現,約有75%的孢子具有l~60負電荷單位,15%的孢子帶有5~14正電荷單位,其餘10%則為中性,這些帶電荷的微粒會被帶相反電荷的介質所吸附。此外,表面吸附也屬這個範疇,如活性炭的大部分過濾效能應是表面吸附作用。
工藝流程

在上述工藝過程中,各種設備系圍繞兩個目的:一是提高壓縮前空氣的質量(潔淨度);另一個是去除壓縮空氣中所帶的油和水。
1、提高壓縮前空氣的質量
主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強吸入空氣的壓縮前過濾。
(1)、空氣吸氣口
提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。吸氣口每提高3.05m,微生物數量減少一個數量級。由於空氣中的微生物數量因地區、氣候而不同;因此吸氣口的高度也必須因地制宜,一般以離地面5~10m為好。在吸氣口處需要設定防止顆粒及雜物吸入的篩網(也可以裝在粗過濾器上),以免損壞空氣壓縮機。如果將粗過濾器提高到相當於吸氣口的高度,則不需另設吸氣口。
(2)粗過濾器
吸入的空氣在進入壓縮機前先通過粗過濾器過濾,可以減少進入空氣壓縮機的灰塵和微生物,減少往復式空氣壓縮機活塞和氣缸的磨損,減輕介質過濾除菌的負荷。常用的粗過濾器有油浸鐵絲網、泊浸鐵環和泡沫塑膠等。
2、去除壓縮空氣中所帶的油和水
空氣中的微生物通常不單獨游離存在,而依附在塵埃和霧滴上。因此,空氣進入壓縮機前應儘量除去塵埃和霧滴。空氣中的霧滴不僅帶有微生物,還會使空氣過濾器中的過濾介質受潮而降低除菌效率,以及使空氣過濾器的阻力增加。為此,必須設法使進入過濾器的空氣保持相對濕度在50~60%左右。從空氣壓縮機出來的空氣,溫度為120°C(往復式壓縮機)或150°C(渦輪式壓縮機),其相對濕度大大降低,如果在此高溫下就進入空氣過濾器過濾,可以減少壓縮空氣中夾帶的水分,使過濾介質不致受潮。但是一般的過濾介質耐受不了這樣高的溫度。因此,壓縮空氣一般先通過冷卻,降低溫度,提高空氣的相對濕度,使其達到飽和狀態並處於露點以下,使其中的水分凝結為水滴或霧沫,從而將它們分離除去。冷卻去水後,再將壓縮空氣加熱,降低其相對濕度,使其未除去的水分不致凝結出來,然後進行過濾。
空氣通過往復式壓縮機的氣缸後縮帶來的油霧滴,同樣會粘附微生物,降低過濾器的除菌效率及使過濾阻力增大,但通過冷卻後可以和水一起分離除去。如果往復式壓縮機採用半無油潤滑或無油潤滑,則可以大大降低壓縮空氣的油霧含量。現將去除油、水的工藝過程所需設備及其作用概述如下:
(1)一級空氣冷卻器
用30°C左右的水,把從壓縮機出來的120°C或150°C的空氣冷卻到40~50°C左右。
(2)二級空氣冷卻器
用9°C冷凍水或15~18°C地下水,把40~50°C的空氣冷卻到20~25°C。冷卻後的空氣,其相對濕度提高到100%,由於溫度處於露點以下,其中的油、水即凝結為油滴和水滴。
(3)空氣貯罐
用以沉降大的油滴和水滴及穩定壓力。
(4)鏇風分離器
用以分離50μm以上的液滴及部分較小的液滴。
(5)絲網除沫器
用以分離5μm以上的液滴。使用絲網除沫器需控制好空氣的流速,並不斷去掉凝結下來的油水。在空氣壓力為0.2Mpa(表壓)的情況下,最佳的空氣流速應為1~2m/s(空床速度),在此操作條件下可以去掉較小的霧滴。
(6)空氣加熱器
分離油、水以後的空氣的相對濕度仍然為100%,當溫度稍微下降時(例如冬天或過濾器阻力下降很大時)就會析出水來,使過濾介質受潮。因此,還必須使用加熱器來提高空氣溫度,降低空氣的相對濕度(要求在60%以下),以免析出水來。
特點

套用領域

空氣除菌設備主要用於清除壓縮空氣中的油、水、塵埃、細菌等。它廣泛套用於需要高潔淨度壓縮空氣的各科研部門和工業企業。例如:化工、醫藥、食品、釀造、冶金、機械、電子、精密儀器等領域。
製藥工業/食品工業:噴霧乾燥;攪拌;輸送;灌注;包裝;吹瓶
發酵工業:生物工程;釀造
粉體工業:氣流粉碎;粉體儲藏,輸送
機械製造/電子工業:IC電路製造用氣動;設備/工具;精密零件乾燥;噴漆;塗裝
精密儀器:集中管理計裝;化學分析裝置
精密機械:數控工具機
醫療:醫學用氣;呼吸用氣
造紙/紡織工業
水產養殖
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