空氣除菌

    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；幹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，又要盡量簡化除菌流程，以減少設備投資和正常運轉的動力消耗。

 

1、空氣中的微生物

空氣中的微生物種類以細菌和細菌芽孢較多，也有酵母，黴菌孢子和病毒。這些微生物大小不一，一般附著在空氣中的灰塵上或霧滴上，空氣中微生物的含量一般為103～104個／米3。灰塵粒子的平均大小約0.6μm左右，所以空氣除菌主要是去除空氣中的微粒(0.6～1μm ）。

發酵用的無菌空氣要達到以下標準：①連續提供一定流量的壓縮空氣。發酵用無菌空氣的設計和操作中常以通氣比或VVM來計算空氣的流量。VVM的意義是單位時間（min）單位體積（m3）培養基中通入標準狀況下空氣的體積（m3），一般為0.1～2.0。②空氣的壓強為0.2～0.4Mpa。過低的壓強難於克服下遊的阻力，過高的壓力則是浪費。③進入過濾器之前，空氣的相對濕度∮≤70%。這是防止空氣過濾介質的受潮。④進入發酵罐的空氣溫度可比培養溫度高10～30℃。⑤壓縮空氣的潔淨度，在設計空氣過濾器時，一般取失敗概率為10-3為指標。也可以把100級作為無菌空氣的潔淨指標。100級指每立方米空氣中，塵埃粒子數最大允許值≥0.5μm的為3500，≥5μm的為0；微生物最大允許數為5個浮遊菌/m3，一個沉降菌/ m3。

 

發酵工業應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數，從而能控製發酵汙染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。生產上使用的空氣量大，要求處理的空氣設備簡單，遠行可靠，操作方便，現就各種除菌方法簡述如下：

 

空氣在進入培養係統之前，一般均需用壓縮機壓縮，提高壓力，空氣經壓縮後溫度能夠升到200 ℃以上，保持一定時間後，便可實現幹熱殺菌。

 

輻射滅菌的原理是α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質，破壞生物活性物質，從而起到殺菌作用。應用範圍通常用於無菌室和醫院手術室。缺點是殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。

 

近年來一些工廠已使用靜電除塵器除去空氣中的水霧、油霧和塵埃，同時也除去了空氣中的微生物。對Iμm的微粒去除率達99％，消耗能量小，每處理1000m3的空氣每小時隻耗電0.4~0.8kW。空氣的壓力損失小，一般僅(3~15)×133.3Pa。但對設備維護和安全技術措施要求較高。

 

靜電防塵是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。懸浮於空氣中的微生物，其孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒進入高壓靜電場時都會被電離變成帶電微粒。但對於一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，當產生的引力等於或小於氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗擴散運動的動量時，則微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。用靜電除菌淨化空氣有如下優點：①阻力小，約1.01325×104Pa；②染菌率低，平均低於10~15％；③除水、除油的效果好；④耗電少。缺點是設備龐大，需要采用高壓電技術，且一次性投資較大；對發酵工業來說，—其捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。

 

過濾除菌法是讓含菌空氣通過過濾介質，以阻截空氣中所含微生物，而取得無菌空氣的方法。通過過濾除菌處理的空氣可達到無菌，並有足夠的壓力和適宜的溫度以供好氧培養過程之用。該法是目前廣泛應用來獲得大量無菌空氣的常規方法。常用的過濾介質有棉花；活性炭或玻璃纖維、有機合成纖維、有機和無機燒結材料等。由於被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小，一般隻有0.5~2μm，而過濾介質的材料一般孔徑都大於微粒直徑幾倍到幾十倍，因此過濾機理比較複雜。

隨著工業的發展，過濾介質逐漸由天然材料棉花過渡到玻璃纖維、超細玻璃纖維和石棉板、燒結材料(燒結金屬、燒結陶瓷、燒結塑料)、微孔超濾膜等。而且過濾器的形式也在不斷發生變化，出現了一些新的形式和新的結構，把發酵工業中的染菌控製在極小的範圍。

 

 

在過濾器中的濾層交錯著無數的纖維，好像形成層層的網格，隨著纖維直徑減小，充填密度的增大，所形成的網格就越緊密，網格的層數也就越多，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；走的是圖中虛線的軌跡。氣流寬度b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麵，因摩擦粘附，微粒就滯留在纖維表麵上，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。

 

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，但在很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。

 

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。對於小顆粒隻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。

 

幹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。這些帶電荷的微粒會被帶相反電荷的介質所吸附。此外，表麵吸附也屬這個範疇，如活性炭的大部分過濾效能應是表麵吸附作用。

上述機理中，有時很難分辨是哪一種單獨起作用。總的來說，當氣流速度較大時(約大於0.1m/s)，慣性捕集是主要的。而流速較小時，擴散作用占優勢。前者的除菌效率隨氣流速度增加而增加，後者則相反。而在兩者之間，在ηs極小值附近，可能是攔截作用占優勢。以上幾種作用機理在整個過程中，隨著參數變化有著複雜的關係，目前還未能作準確的理論計算。

 

（二）空氣過濾除菌的介質

1、紙類過濾介質

2、纖維狀或顆粒狀過濾介質

包括棉花、玻璃纖維、活性碳等。

3、微孔過濾介質

 

 

（一）、空氣淨化的工藝要求

空氣過濾除菌流程是生產對無菌空氣要求具備的參數(如無菌程度、空氣壓力、溫度等)，並結合吸氣環境的空氣條件和所用空氣除菌設備的特性，根據空氣的性質而製訂的。

對於一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用一般鼓風機增壓後進入過濾器，經一、二次過濾除菌而製得。如無菌室、超淨工作台等用作層流技術的無菌空氣就是采用這種簡單流程。自吸式發酵罐是由轉子的抽吸作用使空氣通過過濾器而除菌的。而一般的深層通風發酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還要具有一定高的壓力，這就需要比較複雜的空氣除菌流程。

供給發酵用的無菌空氣，需要克服介質阻力、發酵液靜壓力和管道阻力，故一般使用空壓機。從大氣中吸入的空氣常帶有灰塵、沙土、細菌等；在壓縮過程中，又會汙染潤滑油或管道中的鐵鏽等雜質。空氣經壓縮，一部分動能轉換成熱能，出口空氣的溫度在120~160°C之間，起到一定的殺菌作用，但在空氣進入發酵罐前，必須先行冷卻；而冷卻出來的油、水，又必須及時排出，嚴防帶入空氣過濾器中，否則會使過濾介質(如棉花等)受潮，失去除菌性能。空氣在進入空氣過濾器前，要先經除塵、除油、除水，再經空氣過濾器除菌，製備淨化空氣送入發酵罐，供菌體生長與代謝的需要。

(1)首先將進入空壓機的空氣粗濾，濾去灰塵、沙土等固體顆粒。這樣還有利於空壓機的正常運轉，提高空壓機的壽命。

(2)將經壓縮後的熱空氣冷卻，並將析出的油、水盡可能地除掉。常采用油水分離器與去霧器相結合的裝置。

(3)為防止往複壓縮機產生脈動，和一般的空氣供給一樣，流程中需設置一個或數個貯氣罐。

(4)空氣過濾器一般采用二台總過濾器(交叉使用)和每個發酵罐單獨配備分過濾器相結合的方法，以達到無菌。

 

（二）、過濾除菌的一般流程

空氣過濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進行壓縮前過濾，然後進入空氣壓縮機。從空氣壓縮機出來的空氣(一般壓力在0.2MPa以上，溫度120~160°C)，先冷卻至適當溫度(20~25°C)除去油和水，再加熱至30~35°C，最後通過總空氣過濾器和分過濾器(有的不用分過濾器)除菌，從而獲得潔淨度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空氣。

 

五、發酵廢氣廢物的安全處理