空气除菌
时间：2026-07-19 11:55:43
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，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。
一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。
研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容
各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力、生长速度、产物性质、发酵周期、基质成分及pH值的差异，对空气无菌程度的要求也不同。
如酵母培养过程，其培养基以糖源为主，能利用无机氮，要求的pH值较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不高
一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1~2次染菌。
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，从而能控制发酵污染至极小机会。生产上使用的空气量大，要求处理的空气设备简单，远行可靠，操作方便，现就各种除菌方法简述如下
最常用的是用紫外光线Å波长的紫外线具有极强烈的杀菌效力，它的主要作用是使微生物的DNA分子产生的胸腺嘧啶的二聚体，导致细胞死亡。
无菌室常用的紫外灯功率为30W，安装在操作台上方一米左右高处，每次照射15-30min既可。
紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置于紫外光直接照射下，而且在一定范围内作用强度与距离平方成反比。
此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在无菌室操作时应关闭紫外灯
杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。
利用空气压缩时产生的热进行灭菌对于无菌要求不高的发酵来说则是一个经济合理的方法。
实际应用中需考虑培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置的管道的灭菌以及管道长度等。
介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。
常用的过滤介质有棉花；活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。
由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有0.5~2μm，而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径几倍到几十倍，因此过滤机理比较复杂。
从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法。
随着工业的发展，过滤介质逐渐由天然材料棉花过渡到玻璃纤维、超细玻璃纤维和石棉板、烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料)、微孔超滤膜等。而且过滤器的形式也在不断发生变化，出现了一些新的形式和新的结构，把发酵工业中的染菌控制在极小的范围
空气过滤除菌流程是生产对无菌空气要求具备的参数(如无菌程度、空气压力、温度等)，并结合吸气环境的空气条件和所用空气除菌设备的特性，根据空气的性质而制订的
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进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。如无菌室、超净工作台等用作层流技术的无菌空气就是采用这种简单流程。
一般的深层通风发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定高的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程
供给发酵用的无菌空气，需要克服介质阻力、发酵液静压力和管道阻力，故一般使用空压机。
从大气中吸入的空气常带有灰尘、沙土、细菌等；在压缩过程中，又会污染润滑油或管道中的铁锈等杂质。
空气经压缩，一部分动能转换成热能，出口空气的温度在120~160°C之间，起到一定的杀菌作用，但在空气进入发酵罐前，必须先行冷却；
冷却出来的油、水，又必须及时排出，严防带入空气过滤器中，否则会使过滤介质(如棉花等)受潮，失去除菌性能。
空气在进入空气过滤器前，要先经除尘、除油、除水，再经空气过滤器除菌，制备净化空气送入发酵罐，供菌体生长与代谢的需要。
(1)首先将进入空压机的空气粗滤，滤去灰尘、沙土等固体颗粒。这样还有利于空压机的正常运转，提高空压机的寿命。
(2)将经压缩后的热空气冷却，并将析出的油、水尽可能地除掉。常采用油水分离器与去雾器相结合的装置
(3)为防止往复压缩机产生脉动，和一般的空气供给一样，流程中需设置一个或数个贮气罐。
(4)空气过滤器一般采用二台总过滤器(交叉使用)和每个发酵罐单独配备分过滤器相结合的方法，以达到无菌的要求
空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120~160°C)，先冷却至适当温度(20~25°C)除去油和水，再加热至30~35°C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。一般，空气净化采取如下图所示的工艺流程
在上述工艺过程中，各种设备系围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。
由于空气中的微生物数量因地区、气候而不同；因此吸气口的高度也必须因地制宜，一般以离地面5~10m为好。
在吸气口处需要设置防止颗粒及杂物吸入的筛网(也可以装在粗过滤器上)，以免损坏空气压缩机。如果将粗过滤器提高到相当于吸气口的高度，则不需另设吸气口。
吸入的空气在进入压缩机前先通过粗过滤器过滤，可以减少进入空气压缩机的灰尘和微生物，减少往复式空气压缩机活塞和气缸的磨损，减轻介质过滤除菌的负荷。
空气中的微生物通常不单独游离存在，而依附在尘埃和雾滴上。因此，空气进入压缩机前应尽量除去尘埃和雾滴。
空气中的雾滴不仅带有微生物，还会使空气过滤器中的过滤介质受潮而降低除菌效率，以及使空气过滤器的阻力增加。
为此，必须设法使进入过滤器的空气保持相对湿度在50~60％左右。从空气压缩机出来的空气，温度为120°C(往复式压缩机)或150°C(涡轮式压缩机)，其相对湿度大大降低，如果在此高温下就进入空气过滤器过滤，可以减少压缩空气中夹带的水分，使过滤介质不致受潮。但是一般的过滤介质耐受不了这样高的温度。因此，压缩空气一般先通过冷却，降低温度，提高空气的相对湿度，使其达到饱和状态并处于露点以下，使其中的水分凝结为水滴或雾沫，从而将它们分离除去。
冷却去水后，再将压缩空气加热，降低其相对湿度，使其未除去的水分不致凝结出来，然后进行过滤
空气通过往复式压缩机的气缸后缩带来的油雾滴，同样会粘附微生物，降低过滤器的除菌效率及使过滤阻力增大，但通过冷却后可以和水一起分离除去。如果往复式压缩机采用半无油润滑或无油润滑，则可以大大降低压缩空气的油雾含量。
用30°C左右的水，把从压缩机出来的120°C或150°C的空气冷却到40~50°C左右
用9°C冷冻水或15~18°C地下水，把40~50°C的空气冷却到20~25°C。冷却后的空气，其相对湿度提高到100%，由于温度处于露点以下，其中的油、水即凝结为油滴和水滴
用以分离5μm以上的液滴。使用丝网除沫器需控制好空气的流速，并不断去掉凝结下来的油水。在空气压力为0.2Mpa（表压）的情况下，最佳的空气流速应为1~2m／s(空床速度)，在此操作条件下可以去掉较小的雾滴。
分离油、水以后的空气的相对湿度仍然为100％，当温度稍微下降时(例如冬天或过滤器阻力下降很大时)就会析出水来，使过滤介质受潮。因此，还必须使用加热器来提高空气温度，降低空气的相对湿度(要求在60％以下)，以免析出水来。
其内部同时采用直接拦截，惯性碰撞，布朗扩散及凝聚等机理，能有效地去除空气中的水、油雾、尘埃，内部不锈钢丝网可清洗，使用寿命长。
附属设备要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简设备投资、运转费用和动力消耗，简便操作。
在环境污染比较严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；
该流程是一个比较完善的空气除菌流程，它可以适应各种气候条件，能充分地分离空气中含有的水分和油分，使空气在低的相对湿度下进人过滤器，提高过滤除菌效率
②两圾冷却、适当加热、两次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油和水雾分离除去比较完全，保证干过滤。用地下水或冰水一级冷却到30-35度，二级冷却到20-25度。
③旋风分离器分离较大的雾滴(油、水)，丝网分离器分离较小的雾滴，两次分离油水完全、分离效果好，提高了传热系数，节约冷却用水。经第一级冷却后．大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，可以用旋风分离器分离。二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离，这类分离器可分离较小直径雾粒，分离效牢高。
④利用加热器把空气的相对湿度降到50％-60％，保证干过滤，过滤效率高。
此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌流程，它由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。
由于空气的温度低，经压缩后它的温度也不会升高很多，特别是空气的相对湿度低。空气中的绝对湿含量很小，虽然空气经压缩并冷却到培养要求的温度，但最后空气的相对湿度还能保持在60％以下，这就能保证过滤设备的过滤除菌效率，满足微生物培养对无菌空气的要求。
但是室外温度低到什么程度和空气的相对湿度低到多少才能采用这个流程，得通过空气中相对湿度的计算来确定。
１——高效前置过滤器２——压缩机３——贮罐４——冷却器 ５——丝网分离器６——加热器７——过滤器
②使用前置过滤器，无菌程度较高。空气先经中效、高效过滤后，利用压缩机的抽吸作用进人空气压缩机。经前置高效过滤器后，空气的无菌程度已达99．99％，再经冷却、分离和主过滤器过滤后，空气的无菌程度就更高，以保证安全。
过滤除菌是目前发酵工业生产中最常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气中所含的微生物，从而获得无菌空气。
常用的过滤介质按孔隙的大小可分成两大类：一类是介质间孔隙大于微生物，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌目的，称为深层过滤介质；
而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质时，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，称之为绝对过滤介质
前者有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料(烧结金屑、烧结陶瓷、烧结塑料)。
后者有微孔超滤膜等。绝对过滤在发酵工业生产上的应用逐渐增多，它可以除去0.2um左右的粒子，故可把细菌等微生物全部过滤除去 。还开发成功了可除去0.01um微粒的高效绝对过滤器
充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50微米，微粒大小为(0.5-2微米)。
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，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进；
这些改变引起微粒以对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
当气流为层流时，气体中的颗粒随气流做平行运动，靠近纤维时气流方向发生改变，而所夹带的微粒的运动轨迹如图所示。接近纤维表面的颗粒(处于纤维能滞留微粒的宽度区间b中的颗粒)被纤维捕获，而
如图所示：当空气通过纤维滤层时，仅能从纤维层的间隙通过，由于受到交错纤维所阻迫，空气要不断改变方向和运动速度才能通过滤层。当空气流向突然改变时，其中所含的细菌由于惯性的作用，仍然呈直线方向运动；与介质碰撞，由于摩擦粘附，于是细菌附着于介质表面，这称为惯性冲击滞留作用。
在一定条件下(即微生物微粒直径、纤维直径和空气温度等保持一定)，改变气流的流速就是改变微粒的惯性力。
当气流速度下降时，微粒的运动速度就随着下降，微粒的动量减小，其脱离主导气流滞留微粒的宽度b减小，则捕集效率η1下降
当空气速度下降到微粒的惯性力不足于使微粒脱离主导气流而与纤维产生碰撞，此时在气流的任一处，微粒也随气流改变运动方向绕过纤维前进，纤维的碰撞滞留效率等于零。这时的空气流速V0称为惯性碰撞的临界速度
截留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈大，惯性力大，截留效果也愈好。此外，惯性碰撞截面作用也与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好。惯性碰撞截面在介质除尘中起主要作用。
当气流速度下降到临界速度以下时，微粒就不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率不再下降，反而又有所回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截滞留作用机理
当气流在滞流状态下夹带微粒慢慢靠近介质时，主导气流流向受纤维所阻而改变流动方向，统过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区，区内的气流速度更慢。滞留区的微粒逐渐靠近和接触纤维而被粘附滞流，称为拦截滞留作用。
截留作用的捕集效率决定于微粒直径和纤维直径之比，又与空气流速成反比，当气流速度低时截留才起作用。
3．布朗扩散运动：直径小于1μ的微粒在运动中往往产生—种不规则的布朗运动，使微粒间相互凝集成较大的粒子，从而发生重力沉降或被介质截留。但是这种作用只有在气流速度较低时才较显著。
重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降。
就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，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，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。
干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。
悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性， 这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。
此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。
当空气流过介质表面时，上述五种机理——惯性撞击、截留、扩散、重力沉降和静电吸附同时都起作用
当气流速度很大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，此时，惯性撞击起主要作用；
当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时，扩散起主要作用；
如果空气流速巨大，除菌效率反而下降，则是由于已被捕集的微粒又返回到气流中
棉花是比较传统的过滤介质．工业规模和实验室均采用棉花作为过滤介质。棉花的质量随品种和种植条件不同有较大差别，最好选用纤维细长疏松的新鲜产品。贮藏过久，纤维会发脆甚至断裂，增大了压强降；脱脂纤维会因易吸湿而降低过滤效果。棉花纤维直径一般为16-21um，装填时要分层均匀铺砌，最后要压紧，装填密度达到150-200kg/m3为好。如果压不紧或是装填不均匀，会造成空气走短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果
作为散装充填过滤器的普通玻璃纤维，一般直径为8-19um不等。纤维直径越小越好。但纤维越小，其强度越低，很容易断碎而造成堵塞，增大阻力。玻璃纤维的充填系数不宜太大，一般采用6％—10％，它的阻力损失一般比棉花小。如果采用硅硼玻璃纤维，则可得直径较细(o，3—o．5um)的高强度纤维，一般将其制成2—3mm厚的滤材，装填过滤器后可除去0．01um的微粒，故可用于去除噬菌体和所有的微生物
活性炭有非常大的比表面积，主要通过表面吸附作用而吸附截留微生物。一般采用直径3mm、长5-10mm的圆柱状活性炭。其粒子间隙大，故对空气的阻力较小，仅为棉花的1／12，但它的过滤效率比棉花要低得多。目前，工厂都是将活性炭夹装在两层棉花中使用，以降低滤层阻力。活性炭的好坏决定于它的强度和比表面积。比表面积小，则吸附性能差，过滤效率低；强度不足，则易破碎，堵塞孔隙，增大气流阻力。它的用量为总过滤层的1／3-l／2。
超细玻璃纤维是利用质量较好的无碱玻璃，采用喷吹法制成的直径很小的纤维(直径为l-1.5um。由于纤维特别细小，故不宜散装充填，一般采用造纸的方法将超细玻璃纤维做成0.25-1mm的纤维纸，这种纤维纸的密度为380kg/m3(当厚度为0.25mm时，每1kg纸的表面积有20m2)，它所形成网格的孔隙为0.5-5um，故它有较高的过滤效率。当空气流速为0.02m/s时，一层0.25mm的超细纤维纸用油雾测试，对0．3um的微粒过滤效率为99．99％，通过后空气的压力损失为30pa左右
超细玻璃纤维纸属于高速过滤介质。在低速过滤时，它的过滤机理以拦截扩散作用机理为主。当气流速度超过临界速度时，以惯性冲击机理为主，气流速度越高，过滤效率越高。生产上操作的气流速度应避开效率最低的临界速度
超细玻璃纤维纸虽然有较高的过滤效率，但由于纤维细短，强度很差，容易受空气冲击而破坏，特别是受湿以后，这样细短的纤维间隙很小，水分在纤维间因毛细管表面张力作用使纤维松散，强度大大下降。为增加强度，可采用树脂处理纤维纸。
石棉滤板是采用20％纤维小而直的蓝石棉和80％纸浆纤维混合打浆抄制而成。由于纤维比较粗，直径大，纤维间隙也比较大，滤板较厚(3—5mm)。但过滤效率还是比较低，只适用于装填分过滤器。其特点是湿强度较大，受潮时也不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长
烧结材料过滤介质种类很多，有烧结金属(蒙乃尔合金、青铜等)、烧结陶瓷、烧结塑料等。制造时用这些材料的微粒粉末加压成型后，处于熔点温度下凝结固定，但只是粉末表面熔融粘结而保持粒子的空间和间隙，形成了微孔通道，具有微孔过滤的作用。某些可溶于有机溶剂的塑料，也可采用溶剂粘结法。这种过滤介质加工比较困难，滤板孔隙也不可能做得很小。孔径大小决定于烧结粉末的大小，太小则烧结温度和时间难以掌握，容易全部熔融而堵塞微孔。一般孔隙都在10-30um之间
随着科学技术的发展和发酵工艺条件的需要，许多新的过滤介质应运而生。这些新过滤介质的微孔直径只有o．1—o．22um，小于细菌直径，使得菌体粒子不能通过，该过滤称之为绝对过滤。
绝对过滤器也有两大类，一类是能除去全部微生物，如Mili Pore公司的0.22um的膜式过遗器，用可耐蒸汽灭菌的膜材PVDF(聚偏氟乙烯)和PTEE(配四氟乙烯)制成。这种过滤器可全部滤除细菌等微生物，但不能除去噬菌体。
另一类可除去小至o．01um的微粒，故可滤除全部噬菌体。如英国的DH公司研制的绝对空气过滤器，可100％过滤除去o．olum以上的微粒，且可耐121度反复加热杀菌，被公认是最保险、安全的空气除菌过滤器。
使用微孔膜等绝对过滤器必须安装空气预过滤器，以滤除铁锈、尘埃等微粒，延长主过滤器的使用寿命。对无菌程度要求高的发酵系统，需装设阻力小的绝对空气过滤器
纤维介质深层过滤器结构如图所示。通常是立式圆筒形，内部充填过滤介质，空气由下向上通过过滤介质。纤维介质主要有棉花、玻璃纤维、超细玻璃纤维等。
由于需要滤层厚，耗用棉花多，安装较困难，且阻力损失很大，故工厂常用活性碳作为中间层。通常总的高度中，上下棉花层厚度各为总过滤层的1／4-l／3，中间活性炭层占1／3—1／2。
平板式纤维纸过滤器由罐体、顶盖、滤层、夹板和缓冲层构成，空气从罐体中部切线方向进人，空气中的水雾沉于底部；由排污管排出；空气经缓冲层通过下孔板经薄层介质过滤后，从上孔板进入顶盖排气孔排出
平扳式过滤器过滤面积局限于圆筒的截面积，当过滤面积要求较大时，则设备直径很大。若将过滤介质卷装在孔管上，如图所示。这样单位体积的过滤面积比平板式大得多。但卷装滤纸时要防止空气从纸缝走短路
在一些要求过滤阻力很小面过滤效率比较高的场合，如洁净工作台、洁净工作室或自吸式发酵罐等，都需要低速过滤器以满足其低阻力损失的要求。超细玻璃纤维纸的过滤特性是气流速度越低，过滤效率越高，可改造成过滤面积很大的过滤器
介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。