空氣除菌

    在發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數是利用好氣性微生物進(jìn)行純種培養，空氣則是微生物生長(cháng)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(zhù)空氣進(jìn)入培養液，在適宜的條件下，它們會(huì )迅速大量繁殖，消耗大量的營(yíng)養物質(zhì)并產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物；干擾甚至破壞預定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)率下降，甚至徹底失敗。因此，無(wú)菌空氣的制備就成為發(fā)酵工程中的一個(gè)重要環(huán)節�？諝鈨艋�的方法很多，但各種方法的除菌效果、設備條件和經(jīng)濟指標各不相同。實(shí)際生產(chǎn)中所需的除菌程度根據發(fā)酵工藝要求而定，、既要避免染茵，又要盡量簡(jiǎn)化除菌流程，以減少設備投資和正常運轉的動(dòng)力消耗。

 

1、空氣中的微生物

空氣中的微生物種類(lèi)以細菌和細菌芽孢較多，也有酵母，霉菌孢子和病毒。這些微生物大小不一，一般附著(zhù)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(gè)／米3�；覊m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(fā)酵用的無(wú)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(fā)酵用無(wú)菌空氣的設計和操作中常以通氣比或VVM來(lái)計算空氣的流量。VVM的意義是單位時(shí)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(guò)低的壓強難于克服下游的阻力，過(guò)高的壓力則是浪費。③進(jìn)入過(guò)濾器之前，空氣的相對濕度∮≤70%。這是防止空氣過(guò)濾介質(zhì)的受潮。④進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養溫度高10～30℃。⑤壓縮空氣的潔凈度，在設計空氣過(guò)濾器時(shí)，一般取失敗概率為10-3為指標。也可以把100級作為無(wú)菌空氣的潔凈指標。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(gè)浮游菌/m3，一個(gè)沉降菌/ m3。

 

發(fā)酵工業(yè)應用的“無(wú)菌空氣”是指通過(guò)除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(gè)極低的百分數，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會(huì )。此種空氣稱(chēng)為“無(wú)菌空氣”。生產(chǎn)上使用的空氣量大，要求處理的空氣設備簡(jiǎn)單，遠行可靠，操作方便，現就各種除菌方法簡(jiǎn)述如下：

 

空氣在進(jìn)入培養系統之前，一般均需用壓縮機壓縮，提高壓力，空氣經(jīng)壓縮后溫度能夠升到200 ℃以上，保持一定時(shí)間后，便可實(shí)現干熱殺菌。

 

輻射滅菌的原理是α射線(xiàn)、X射線(xiàn)、β射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì)，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。應用范圍通常用于無(wú)菌室和醫院手術(shù)室。缺點(diǎn)是殺菌效率較低，殺菌時(shí)間較長(cháng)。一般要結合甲醛蒸汽等來(lái)保證無(wú)菌室的無(wú)菌程度。

 

近年來(lái)一些工廠(chǎng)已使用靜電除塵器除去空氣中的水霧、油霧和塵埃，同時(shí)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(shí)只耗電0.4~0.8kW�？諝獾膲毫�損失小，一般僅(3~15)×133.3Pa。但對設備維護和安全技術(shù)措施要求較高。

 

靜電防塵是利用靜電引力來(lái)吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，其孢子大多帶有不同的電荷，沒(méi)有帶電荷的微粒進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)時(shí)都會(huì )被電離變成帶電微粒。但對于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，當產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗擴散運動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，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。用靜電除菌凈化空氣有如下優(yōu)點(diǎn)：①阻力小，約1.01325×104Pa；②染菌率低，平均低于10~15％；③除水、除油的效果好；④耗電少。缺點(diǎn)是設備龐大，需要采用高壓電技術(shù)，且一次性投資較大；對發(fā)酵工業(yè)來(lái)說(shuō)，—其捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。

 

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

隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，過(guò)濾介質(zhì)逐漸由天然材料棉花過(guò)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(guò)濾器的形式也在不斷發(fā)生變化，出現了一些新的形式和新的結構，把發(fā)酵工業(yè)中的染菌控制在極小的范圍。

 

 

在過(guò)濾器中的濾層交錯著(zhù)無(wú)數的纖維，好像形成層層的網(wǎng)格，隨著(zhù)纖維直徑減小，充填密度的增大，所形成的網(wǎng)格就越緊密，網(wǎng)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(guò)濾層時(shí)，無(wú)論順纖維方向流動(dòng)或是垂直于纖維方向流動(dòng)，僅能從纖維的間隙通過(guò)。由于纖維交錯所阻迫，使空氣要不斷改變運動(dòng)方向和速度才能通過(guò)濾層。當微粒隨氣流以一定速度垂直向纖維方向運動(dòng)時(shí)，因障礙物(介質(zhì))的出現，空氣流線(xiàn)由直線(xiàn)變成曲線(xiàn)，即當氣流突然改變方向時(shí)，沿空氣流線(xiàn)運動(dòng)的微粒由于慣性作用仍然繼續以直線(xiàn)前進(jìn)。慣性使它離開(kāi)主導氣流；走的是圖中虛線(xiàn)的軌跡。氣流寬度b以?xún)鹊牧Ｗ�，與介質(zhì)碰撞而被捕集。這種捕集由于微粒直沖到纖維表面，因摩擦粘附，微粒就滯留在纖維表面上，這稱(chēng)為慣性沖擊滯留作用。

 

慣性捕集是空氣過(guò)濾器除菌的重要作用，其大小取決于顆粒的動(dòng)能和纖維的阻力，也就是取決于氣流的流速。慣性力與氣流流速成正比，當流速過(guò)低時(shí)，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當空氣流速增至足夠大時(shí)，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于零時(shí)，此時(shí)的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時(shí)，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著(zhù)下降。但實(shí)踐證明，隨著(zhù)氣流速度的繼續下降，纖維對微粒的捕集效率又回升，說(shuō)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(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在的主導氣流流線(xiàn)受纖維所阻，從而改變流動(dòng)方向，繞過(guò)纖維前進(jìn)，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(jìn)到滯流區的微粒慢惕靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱(chēng)為攔截捕集作用。

 

直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規則的運動(dòng)，稱(chēng)為布朗擴散。擴散運動(dòng)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(huì )，從而被捕集。

 

微粒雖小，但仍具有重力。當微粒重力超過(guò)空氣作用于其上的浮力時(shí)，即發(fā)生一種沉降加速度。當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時(shí)，微粒就發(fā)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(zhù)，一般50μm以上的顆粒沉降作用才顯著(zhù)。對于小顆粒只有氣流速度很慢時(shí)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。

 

干空氣對非導體的物質(zhì)作相對運動(dòng)摩擦時(shí)，會(huì )產(chǎn)生靜電現象，對于纖維和樹(shù)脂處理過(guò)的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著(zhù)。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(huì )被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過(guò)濾效能應是表面吸附作用。

上述機理中，有時(shí)很難分辨是哪一種單獨起作用�？偟膩�(lái)說(shuō)，當氣流速度較大時(shí)(約大于0.1m/s)，慣性捕集是主要的。而流速較小時(shí)，擴散作用占優(yōu)勢。前者的除菌效率隨氣流速度增加而增加，后者則相反。而在兩者之間，在ηs極小值附近，可能是攔截作用占優(yōu)勢。以上幾種作用機理在整個(gè)過(guò)程中，隨著(zhù)參數變化有著(zhù)復雜的關(guān)系，目前還未能作準確的理論計算。

 

（二）空氣過(guò)濾除菌的介質(zhì)

1、紙類(lèi)過(guò)濾介質(zhì)

2、纖維狀或顆粒狀過(guò)濾介質(zhì)

包括棉花、玻璃纖維、活性碳等。

3、微孔過(guò)濾介質(zhì)

 

 

（一）、空氣凈化的工藝要求

空氣過(guò)濾除菌流程是生產(chǎn)對無(wú)菌空氣要求具備的參數(如無(wú)菌程度、空氣壓力、溫度等)，并結合吸氣環(huán)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(zhì)而制訂的。

對于一般要求的低壓無(wú)菌空氣，可直接采用一般鼓風(fēng)機增壓后進(jìn)入過(guò)濾器，經(jīng)一、二次過(guò)濾除菌而制得。如無(wú)菌室、超凈工作臺等用作層流技術(shù)的無(wú)菌空氣就是采用這種簡(jiǎn)單流程。自吸式發(fā)酵罐是由轉子的抽吸作用使空氣通過(guò)過(guò)濾器而除菌的。而一般的深層通風(fēng)發(fā)酵，除要求無(wú)菌空氣具有必要的無(wú)菌程度外，還要具有一定高的壓力，這就需要比較復雜的空氣除菌流程。

供給發(fā)酵用的無(wú)菌空氣，需要克服介質(zhì)阻力、發(fā)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(guò)程中，又會(huì )污染潤滑油或管道中的鐵銹等雜質(zhì)�？諝饨�(jīng)壓縮，一部分動(dòng)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(jìn)入發(fā)酵罐前，必須先行冷卻；而冷卻出來(lái)的油、水，又必須及時(shí)排出，嚴防帶入空氣過(guò)濾器中，否則會(huì )使過(guò)濾介質(zhì)(如棉花等)受潮，失去除菌性能�？諝庠谶M(jìn)入空氣過(guò)濾器前，要先經(jīng)除塵、除油、除水，再經(jīng)空氣過(guò)濾器除菌，制備凈化空氣送入發(fā)酵罐，供菌體生長(cháng)與代謝的需要。

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

(2)將經(jīng)壓縮后的熱空氣冷卻，并將析出的油、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)為防止往復壓縮機產(chǎn)生脈動(dòng)，和一般的空氣供給一樣，流程中需設置一個(gè)或數個(gè)貯氣罐。

(4)空氣過(guò)濾器一般采用二臺總過(guò)濾器(交叉使用)和每個(gè)發(fā)酵罐單獨配備分過(guò)濾器相結合的方法，以達到無(wú)菌。

 

（二）、過(guò)濾除菌的一般流程

空氣過(guò)濾除菌一般是把吸氣口吸入的空氣先進(jìn)行壓縮前過(guò)濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機。從空氣壓縮機出來(lái)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，最后通過(guò)總空氣過(guò)濾器和分過(guò)濾器(有的不用分過(guò)濾器)除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空氣。

 

五、發(fā)酵廢氣廢物的安全處理