1、无菌空气技术,无菌空气技术,第一节 空气中的微生物和除菌方法 第二节 空气的过滤除菌原理和过滤介质 第三节 空气过滤除菌的工艺技术 第四节 常用空气过滤器介绍及检测,第一节 空气中的微生物和除菌方法,空气中的微生物种类及分布 空气除菌的方法和要求,一、空气中的微生物种类及分布,空气中常见的微生物种类有多种芽孢杆菌、变形杆菌、产气杆菌、酵母菌和病毒等。 空气中微生物数量与环境有关，地区、季节、气候等都会影响。 一般设计时以含量为103104个m3进行计算。,二、空气除菌的方法和要求,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
2、空气称为“无菌空气”。标准一般是99.99%， 空气灭菌的方法,空气灭菌的方法,热灭菌法 辐射灭菌法 静电除菌法 介质过滤除菌法,1、热灭菌法,空气热灭菌不需要通过蒸汽或者加热载体加热，直接通过空气压缩之后的温度提升即可完成灭菌过程。,小型空气压缩机,2、辐射灭菌法,各种射线级超声波等理论上都能破坏微生物细胞结构，从而起到杀菌作用。 辐射灭菌仅用于表面灭菌和有限空间灭菌。 应用最广泛的是紫外线灭菌，常与甲醛蒸汽一起结合进行灭菌。,3、静电除菌法,近年来一些工厂已使用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾和尘埃，同时也除去了空气中的微生物。 利用静电引力来吸附带电的粒子达到除尘灭菌的效果。,1-钢丝（
3、电晕电极）；2-钢管（沉淀电极）；3-高压绝缘瓷瓶； 4-钢板；5-空气入口；6-封头；7-钢板；8-法兰；9-空气出口。,4、介质过滤除菌法,让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中含有的微生物，从而获得无菌空气。 原理：将介质填充到过滤器中，空气流过借助于惯性碰撞、阻截、扩散、静电等作用将尘埃微生物留在介质中，达到除菌效果。 过滤器有很多种，根据过滤方式和过滤介质的不同可以进行区分。,无菌空气质量要求,发酵用无菌空气的质量标准 连续提供一定流量的压缩空气； 空气的压强（表压）0.2-0.35MPa； 进入过滤器之前，空气的相对湿度小于70； 进入发酵罐的空气温度可比培养温度稍高 压缩空气的洁净
4、度，取失败率为103。,第二节 空气的过滤除菌原理和 过滤介质,空气过滤除菌的原理 空气过滤除菌的介质 介质过滤的效率 影响过滤除菌效果的因素 提高过滤除菌效率的措施,一、空气过滤除菌的原理,介质过滤是以大空隙的介质过滤层除去较小颗粒，这显然不是面积过滤（即不是绝对过滤），而是一种滞留现象。这种滞留现象是由多种作用机制构成的，主要有惯性碰撞、阻截、布朗运动、重力沉降和静电吸引等。,1、惯性冲击滞留作用,当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定质量，在以一定速度运动时具有一定惯性，碰到纤维时，由于惯性作用
5、而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。,这种现象称作 惯性冲击滞留作用,惯性冲击滞留作用,纤维能滞留微粒的宽度区域b与纤维直径df之比，称为单纤维的惯性冲击捕获效率，可用1表示：,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。,1 =,b df,惯性冲击滞留作用,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而绕过纤维前进，即b = 0，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。,Vs 容器截面的空气速度； 介质填充密度,惯性
6、碰撞的临界速度受填充密度的影响,2、拦截滞留作用,当气流速度在临界速度以下，颗粒不再由于惯性碰撞而滞留。但是，颗粒质量很小，在气流绕过纤维时，颗粒仍然随气流运动，在气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞流区内气流速度更慢，进入滞留区的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘附作用而被滞留。这就是阻截（拦截）滞留作用, 在介质过滤除菌中并非主要作用, 拦截滞留作用对微粒的捕获效率2与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比相关,拦截滞留作用, 雷诺准数是一个无因次数群，是流体流动状态各方面因素的综合体现，是许多化工过程计算的必需参数。,3、布朗运动, 直径小于1m的微粒在很慢的气流中能产生
7、一种不规则的直线运动，即布朗运动。, 使较小的颗粒凝聚为较大颗粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留； 气流速度大时，凝聚现象为惯性碰撞所取代,4、重力沉降作用, 再小的微粒也有重力； 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。 对于小颗粒而言，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获效率。,5、静电吸引作用, 许多微生物和孢子都带有电荷 具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷 当菌体所带电荷与介质电荷相反时，即发生静电吸附作用,二、空气过滤除菌的介质,常用的过滤介质：,4）超细玻
8、璃纤维丝 利用高质量的无碱玻璃采用喷制法制成的 1 1.5 m的细丝；,1）棉花 宜选用纤维细长、疏松的新棉花；,2) 活性炭 3mm ,长5 10 mm, 圆柱状，有较大的表面积，通过物理吸附作用而吸附微生物。；,3）玻璃纤维 819 m；,活性炭,玻璃纤维,二、空气过滤除菌的介质,5）纸类过滤介质 指玻璃纤维纸，属于深层过滤技术； 6）微孔滤膜类过滤介质 小于0.5 m，甚至小于0.1m，能将空气中的细菌真正滤去，也是绝对过滤。,三、介质过滤效率,滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比称为过滤效率，用表示 ，是衡量过滤设备过滤能力的指标。,= 1P,N1 过滤前空气中的微粒含量 （个）；N2
9、过滤后空气中微粒含量 （个）；N2/N1 过滤后过滤前空气中微粒数的比值，称为穿透率 P,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入此介质层的杂菌量成正比。即：,dN / dL = KN0,dN / dL 单位滤层所除去的微粒数（个/cm）； L 滤床厚度 （cm）； K 过滤常数或除菌常数 （cm1）,上式整理并积分，可得：,ln,Ns N0,= KL,对数穿透定律表示进入滤层的微粒数
10、与穿透滤层微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。,L =,1 K,ln,N0 Ns,N0 过滤前空气中的微粒含量 （个）； Ns 过滤后空气中微粒含量 （个）； K 过滤常数或除菌常数 （cm1）, 常数K值与气流速度、纤维直径、介质填充密度以及空气中颗粒大小等有关。K值可通过实验测得，也可通过计算求得。 若令Ns=0，则 L = ，事实上也不可能；一般取Ns = 0.001, 对数穿透定律表达式说明介质过滤不能长期获得100%的过滤效率，即经过滤的空气不是长期无菌，只是延长空气中带菌微粒在过滤器中滞留的时间。过滤介质使用时间长，滞留的带菌微粒就有可能穿过。所以过滤器必须定期灭菌。,四、影响过滤除
11、菌效果的因素,1）纤维直径,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。,2）介质填充厚度,3）介质填充密度,增加填充密度，可提高过滤效率,4）空气流速,在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高。,五、提高过滤除菌效率的措施,减少进口空气的含菌量； 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质； 设计合理的空气预处理设备，以达到除油、水和杂质的效果； 降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工作。,第三节 空气过滤除菌的工艺技术,对空气过滤除菌工艺流程的要求 空气
12、的预处理 空气过滤除菌工艺流程,一、对空气过滤除菌工艺流程的要求,需要空气压缩机提供具有足够能量的空气； 需要具有高效的过滤除菌能力的设备； 需要精简工艺流程，降低设备投资等； 工艺设计要选择好吸风条件、加强除水设备、降低负荷、提高空气无菌程度。,空气压缩机,小型空压机,大型空压机,排出压力： 一般 24 kg/cm2,工作的基本原理：,打气筒如何工作？,空压机的压缩过程是依靠汽缸内的活塞作往复运动而进行的（故称往复式）,其工作过程分3步：吸气压缩排气,空压机工作原理示意图,吸气阀,排气阀,活塞,汽缸,排气阀,吸气阀,单吸式,双吸式,空压机工作原理, 活塞来回一次，完成一次工作循环 （吸气 压
13、缩 排气）, 冲程：活塞每来或回一次的距离, 余隙：在实际压缩过程中，活塞并不压到汽缸的最底部；一般占汽缸总体积的38%。, 气缸冷却：水冷和风冷；水冷更常用,曲轴带动活塞工作,多级压缩,要得到压力较高的压缩空气，单靠一级压缩是不能完成的； 因气体被压缩会产生大量的热，气体温度上升，气体的压缩比（气体压缩后与压缩前的压力比）愈大，则气体的温度上升越高，当压力比达到一定数值时，气体的温度达到压缩机润滑油的闪点（200240），润滑油被烧成炭渣。 同时，气体温度越高，所消耗的动能也越大。 在多级压缩中，每级的压力比都较低，逐级提高压力比，而且在每级压缩后，有级间冷却器把前一级压缩的气体冷却到第一级
14、吸入时的温度，故消耗功率低。,二、空气的预处理,空气预处理的目的： 提高压缩前空气的洁净度和去除压缩后空气中所带的油和水。 1.提高压缩前空气的洁净度 （1）提高空气吸气口的位置 （2）在空气入口处设置粗过滤器 捕集较大的灰尘颗粒，并保护空压机。,高空取气管,为远离地面几十米的管子。 每升高10米，空气中杂菌降低一个数量级。因此从高空取气要比从低空取气有利得多。,粗过滤器,作用：主要是捕集较大的灰尘颗粒,要求：过滤效率高，阻力小 （阻力大则增加空压机的吸入负荷，降低压缩空气的排出量）,型式： 布袋式过滤器 、油浴洗涤过滤器 水雾除尘过滤器、填料式过滤器 旋风分离式过滤器,压缩空气的冷却,空气在
15、压缩后湿含量不变，在其未经冷却时，由于温度很高，所以相对湿度很小，但当其冷却时，相对湿度急剧增大。 这一点对空气除菌是不利的，因为压缩后的空气必须冷却，而冷却后的空气相对湿度将增加，很有可能达到饱和而有水滴析出，从而打湿空气过滤介质。,空气露点,空气露点：使水蒸气达到饱和时的温度。 测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。,夜间空气温度降低时，空气中的水分会有一部分析出，形成露水或霜。这说明在水蒸气含量不变的情况下，由于温度的降低，能够使空气中原来
16、未达饱和的水蒸气可变成饱和蒸气，多余的水分就会析出。测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低，表示空气中的水分含量越少。,压缩空气的冷却,过高温度的压缩空气如果直接进入空气过滤器，有可能引起过滤介质的炭化或燃烧；且增大了发酵罐的降温负荷；高温空气还会增加发酵液水分的蒸发，影响微生物的生长。 冷却器类型：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器,压缩空气除水和除油,使用气液分离器除去压缩后的湿空气。 气液分离器型式：旋风分离器和丝网分离器,旋风分离器,利用气流从切线方
17、向进入容器，在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。,丝网分离器,利用填料的惯性拦截,三、空气过滤除菌工艺流程,两级冷却、加热除菌流程 冷热空气直接混合式空气除菌流程 高效前置过滤空气除菌流程 利用热空气加热冷空气的流程 一次冷却和析水的空气过滤流程,两级冷却、加热除菌流程,1 -粗过滤器 2 -压缩机 3 -贮罐 4，6 -冷却器 5 -旋风分离器 7- 丝网分离器 8-加热器 9 -总过滤器,空气从采气口进入过滤系统前，先经过粗过滤器过滤，再进入空气压缩机，经压缩升温后的空气经过两次冷却后，再被加热和过滤。,冷热空气直接混合式空气除菌流程,经粗过滤和压缩后的空气，从储罐出
18、来后分两部分，一部分进入冷却器，冷却到低温，经分离器分离油水之后与另一部分未处理的高压空气混合，再进入过滤器。,1-粗过虑器 2-压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-总过滤器,高效前置过滤空气除菌流程,采用高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经过中、高温过滤器后，再进入空压机，降低主过滤器的负荷。,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-总过滤器,注意事项,空气取气口伸向高空，背风取气。 空气进入空压机前，要先经过粗过滤器。否则空气中的尘埃颗粒就会直接进入到空压机的汽缸内，与汽缸发生摩擦造成汽缸磨损。汽缸就会产生缝隙而
19、漏气，从而影响空压机的工作效率。 空压机出来的压缩空气需要布置贮气罐。空压机出来的压缩空气是一个脉冲状态的气流，但是在介质过滤器的过滤要求是一个稳态流体。空气贮罐，可以把压缩机出来的脉冲压缩空气流态转为稳态。,压缩空气进入介质过滤器前要适当加热至空气露点温度以上。结露析出水分、油渍时压缩空气处于饱和状态，相对湿度100%，果直接进入过滤器，就会很容易湿润过滤介质，引起空气除菌不彻底。加热，使压缩空气的相对湿度下降到60%左右，才能进入过滤器。 介质过滤器要定期拆洗、杀菌。介质过滤不能长期获得100的过滤效率。灭菌后的过滤介质一定要用空气吹干后再投入使用。无菌空气在进入发酵罐前要经过分过滤器。无
20、菌空气制备流程线路较长，比较容易在管路中出现二次污染，为了避免二次污染带到发酵罐，在发酵罐前设置分过滤装置。,过滤器壁不要形成氧化层，氧化铁是多孔物质，带菌空气可从中穿过。过滤器壁外要有保温层，否则壁内易形成冷凝水，使介质受潮而失效，加剧器壁的氧化生锈。 注意气流速度和压力的变化，防止突然开大流量或降低压力，介质上边和下边的空气压差过大或气流冲力过大造成介质层的翻动移位或破坏。 控制好油水分离器液位，及时排放分离掉的油水，避免器内液位过高而引起气体带液，降低分离器的分离效率。 防止空气冷却器漏水，操作中控制冷却水压力不超过空气压力。,第四节 常用空气过滤器介绍及检测,过滤器介质目前我国的制药厂
21、发酵装置使用的空气过滤器的过滤介质以玻璃纤维滤纸、金属烧结膜、聚偏二氟乙烯等过滤器。大部分是国内制造, 也有小部分为进口。 过滤器分类疏水型的呼吸过滤器（呼吸器）和亲水型的产品过滤器（微孔膜过滤器）。疏水型的适合于气体的过滤，而亲水型的则更适宜液体的过滤。,完整性检测 完整性测试主要是测试滤膜的完整性，过滤的主要原理是通过滤膜来拦截比膜孔大的污染物，虽然过滤效果与滤膜的材质、类型以及所拦截污染物的性质等多因素有关，但滤膜的有效性是先保证其完整性。完整性测试可以分为两类： （1）破坏性试验，主要是微生物挑战测试； （2）非破坏性试验，主要是起泡点试验和扩散流测试。,破坏性和非破坏性测试两者的数据
22、必须有关联，进而得到用户的完整性测试的数据，这是法规的要求，也是测试应用的验证理由。完整性和漏点检测的区别 完整性测试一般针对除菌级滤器所做的回顾性检测（起泡点、扩散流等），检漏一般针对起隔离防护作用的非无菌要求的过滤器，是否有检测液体瞬间加压透过现象，比较简单，结论为漏没漏。,非破坏性完整性测 非破坏性完整性测试可以根据物理性质不同分为两类，基于毛细管原理的起泡点测试方法，Corrtest测试（水压法）以及Hydrocorr测试（挤水法）为一类；扩散流测试和压力保持测试属于基于Fick定律定义的气体通过液体扩散的原理测试。 完整性测试失败处理措施 企业在进行完整性测试时，一种是在过滤器使用前
23、的完整性测试，一种是在使用后的完整性测试。在做使用前的完整性测试时，如果测试失败，但测试值与标准值只有较小差距，这时可以再次湿润过滤器，使用两倍于初次湿润压（或者冲洗量，浸泡时间）或者在过滤器两边使用高压差的方法重新测试，,看过滤器是否通过测试，如果可以通过，则记录数值和程序；若不通过，则需要对过滤器的完整性进行重新评估。如果测试结果与标准值差距较大，在能够更换滤芯的情况下，可以更换新的滤芯重新测试；若不能更换，则提高测试条件重新测试评估。如果是在使用后进行完整性测试，这时测试结果与冲洗量和浸泡时间有很大关系，在失败后，可以用两倍的冲洗量或者浸泡时间进行再次测试，对测试结果进行评估，若与标准值有很大差距，可以用70/30异乙醇润湿，再次检测。 浸润与测试结果关系密切，因此，再次浸润时注意运用不同的操作条件来达到相关要求，例如，使用更长时间润湿，使用更高的压力润湿，更高的温度润湿或者用动态冲洗取代静态浸透的方法都是可取的。,完整性测试结果与环境、温度、操作条件有很大关系，在测试失败后需要依据相应的SOP做出合适的处理措施，以最高的效率保证过滤效果。,
