第六章 空气除菌的工艺及设备 在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生 物生长和代谢必不可少的条件。但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随 着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物 质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降， 甚至彻底失败。因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。空气 净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。实际 生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化 除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。本章将讨论合理选择除菌方 法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。 第一节 空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求 一、无菌空气的概念 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”。 二、空气中微生物的分布 通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢 子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所 以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。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。因此，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。 各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而 异，一般设计时以含量为 103~104 个／m3 进行计算。 三、发酵对空气无菌程度的要求 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 求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。而氨基酸与抗生素发酵因周期长短不同， 对无菌空气的要求也不同。总的来说，影响因素是比较复杂的，需要根据具体情 况而订出具体的工艺要求。一般按染菌机率为 10-3。来计算，即 1000 次发酵周
第六章 空气除菌的工艺及设备 在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生 物生长和代谢必不可少的条件。但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随 着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物 质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降， 甚至彻底失败。因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。空气 净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。实际 生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化 除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。本章将讨论合理选择除菌方 法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。 第一节 空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求 一、无菌空气的概念 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”。 二、空气中微生物的分布 通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢 子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所 以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。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。因此，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。 各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而 异，一般设计时以含量为 103~104 个／m3 进行计算。 三、发酵对空气无菌程度的要求 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 求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。而氨基酸与抗生素发酵因周期长短不同， 对无菌空气的要求也不同。总的来说，影响因素是比较复杂的，需要根据具体情 况而订出具体的工艺要求。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。 虽然一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的孢子或芽孢，繁殖 时需要较长的调整期。但是在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮 大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境后，只要很短的调整期，即 可进入对数生长期而大量繁殖。一般细菌繁殖一代仅需 20~30min，如果进入一 个细菌，则繁殖 15h 后，可达 109 个。如此大量的杂菌必使发酵受到严重干扰或 失败，所以计算是以进入 1、2 个杂菌即失败作为依据的。 四、空气含菌量的测定 空气是许多气态物质的混合物，主要成分是氮气和氧气，还有惰性气体及二 氧化碳和水蒸汽。除气体外，尚有悬浮在空气中的灰尘，而灰尘主要由构成地壳 的无机物质微粒、烟灰和植物花粉等组成。一般城市灰尘多于农村，夏天多于冬 天，特别是气候温和湿润地区，空气中的菌量较多。据统计，大城市每立方米空 气中的含菌数约为 3000~10000 个。要准确测定空气中的含菌量来决定过滤系统 或查定过滤空气的无菌程度是比较因难的。一般采用培养法和光学法测定其近似 值。前者在微生物学中已有介绍，后者系用粒子计数器通过微粒对光线的散射作 用来测量粒子的大小和含量。这种仪器可以测量空气中直径为 0．3~0.5μm 微粒 的各种浓度，比较准确，但它只是微粒观念，不能反映空气中活菌的数量。 第二节 空气除菌方法 大多数需氧发酵是通入空气进行的。在使用之前必须加以处理以除去其中的 有害成分。对空气的要求随发酵类型不同而导，厚层固体曲需要的空气量大，压 力不高，无菌度不严格，一般选用离心式通风并经适当的空调处理(温、湿)就可 以了。酵母培养消耗空气量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压力以克服发 酵罐的液柱阻力，所以一船采用罗茨鼓风机或高压离心式鼓风机通风。而对于密 闭式深层好气发酵则需要严格的无菌度，必须经过除菌措施，由于空气中含有水 分和油雾杂质，又必须经过冷却、脱水、脱油等步骤，因此，无菌空气的制备须 经过一个复杂的空气处理过程。同时，为了克服设备和管道的阻力并维持一定的 罐压，需采用空气压缩机。 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”。 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： 一、辐射灭菌
期所用的无菌空气只允许 1~2 次染菌。 虽然一般悬浮在空气中的微生物，大多是能耐恶劣环境的孢子或芽孢，繁殖 时需要较长的调整期。但是在阴雨天气或环境污染比较严重时，空气中也会悬浮 大量的活力较强的微生物，它进入培养物的良好环境后，只要很短的调整期，即 可进入对数生长期而大量繁殖。一般细菌繁殖一代仅需 20~30min，如果进入一 个细菌，则繁殖 15h 后，可达 109 个。如此大量的杂菌必使发酵受到严重干扰或 失败，所以计算是以进入 1、2 个杂菌即失败作为依据的。 四、空气含菌量的测定 空气是许多气态物质的混合物，主要成分是氮气和氧气，还有惰性气体及二 氧化碳和水蒸汽。除气体外，尚有悬浮在空气中的灰尘，而灰尘主要由构成地壳 的无机物质微粒、烟灰和植物花粉等组成。一般城市灰尘多于农村，夏天多于冬 天，特别是气候温和湿润地区，空气中的菌量较多。据统计，大城市每立方米空 气中的含菌数约为 3000~10000 个。要准确测定空气中的含菌量来决定过滤系统 或查定过滤空气的无菌程度是比较因难的。一般采用培养法和光学法测定其近似 值。前者在微生物学中已有介绍，后者系用粒子计数器通过微粒对光线的散射作 用来测量粒子的大小和含量。这种仪器可以测量空气中直径为 0．3~0.5μm 微粒 的各种浓度，比较准确，但它只是微粒观念，不能反映空气中活菌的数量。 第二节 空气除菌方法 大多数需氧发酵是通入空气进行的。在使用之前必须加以处理以除去其中的 有害成分。对空气的要求随发酵类型不同而导，厚层固体曲需要的空气量大，压 力不高，无菌度不严格，一般选用离心式通风并经适当的空调处理(温、湿)就可 以了。酵母培养消耗空气量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压力以克服发 酵罐的液柱阻力，所以一船采用罗茨鼓风机或高压离心式鼓风机通风。而对于密 闭式深层好气发酵则需要严格的无菌度，必须经过除菌措施，由于空气中含有水 分和油雾杂质，又必须经过冷却、脱水、脱油等步骤，因此，无菌空气的制备须 经过一个复杂的空气处理过程。同时，为了克服设备和管道的阻力并维持一定的 罐压，需采用空气压缩机。 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”。 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： 一、辐射灭菌
α 射线、X 射线、β 射线、γ 射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏 蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。但应用较广泛的还是紫外线， 它在波长为 2265~3287A 时杀菌效力最强，通常用于无菌室和医院手术室。但杀 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。 二、加热灭菌 虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将它破坏。例如悬浮在 空气中的细菌芽孢在 218°C 下 24s 就被杀死。但是如果采用蒸汽或电热来加热大 量的空气，以达到灭菌目的，这样太不经济。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。 利用压缩热进行空气灭菌的流程见图 6-1(a)。空气进口温度为 21°C，出口温 度为 187~198°C，压力为 0.7MPa。压缩后的空气用管道或贮气罐保温一定时间 以增加空气的受热时间，促使有机体死亡。为防止空气在贮罐中走短路，最好在 罐内加装导筒。这种灭菌方法已成功地运用于丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产上。 图 7-1(b)是一个用于石油发酵的无菌空气系统，采用涡轮式空压机，空气进机前 利用压缩后的空气进行预热，以提高进气温度并相应提高排气温度，压缩后的空 气用保温罐维持一定时间。 采用加热灭菌法时，要根据具体情况适当增加一些辅助措施以确保安全。因 为空气的导热系数低，受热不很均匀，同时在压缩机与发酵罐间的管道难免有泄 漏，这些因素很难排除，因此通常在进发酵罐前装一台空气分过滤器。 图 6-1 利用空压机所产生的热来进行灭菌 三、静电除菌 近年来一些工厂巳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。对 Iμm 的微粒去除率达 99％，消耗能量小，每处理 1000m3 的空气每小时只耗电 0.4~0.8kW。空气的压力损失小，一般仅(3~15)×
α 射线、X 射线、β 射线、γ 射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏 蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。但应用较广泛的还是紫外线， 它在波长为 2265~3287A 时杀菌效力最强，通常用于无菌室和医院手术室。但杀 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。 二、加热灭菌 虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度足够高也能将它破坏。例如悬浮在 空气中的细菌芽孢在 218°C 下 24s 就被杀死。但是如果采用蒸汽或电热来加热大 量的空气，以达到灭菌目的，这样太不经济。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。 利用压缩热进行空气灭菌的流程见图 6-1(a)。空气进口温度为 21°C，出口温 度为 187~198°C，压力为 0.7MPa。压缩后的空气用管道或贮气罐保温一定时间 以增加空气的受热时间，促使有机体死亡。为防止空气在贮罐中走短路，最好在 罐内加装导筒。这种灭菌方法已成功地运用于丙酮丁醇、淀粉酶等发酵生产上。 图 7-1(b)是一个用于石油发酵的无菌空气系统，采用涡轮式空压机，空气进机前 利用压缩后的空气进行预热，以提高进气温度并相应提高排气温度，压缩后的空 气用保温罐维持一定时间。 采用加热灭菌法时，要根据具体情况适当增加一些辅助措施以确保安全。因 为空气的导热系数低，受热不很均匀，同时在压缩机与发酵罐间的管道难免有泄 漏，这些因素很难排除，因此通常在进发酵罐前装一台空气分过滤器。 图 6-1 利用空压机所产生的热来进行灭菌 三、静电除菌 近年来一些工厂巳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。对 Iμm 的微粒去除率达 99％，消耗能量小，每处理 1000m3 的空气每小时只耗电 0.4~0.8kW。空气的压力损失小，一般仅(3~15)×
133.3Pa。但对设备维护和安全技术措施要求较高。 静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。悬浮于 空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电 场时都会被电离变成带电微粒。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小， 当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则 微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。 静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区。管式静电除尘 器如图 6-2 所示。 图 6-2 静电除尘器 1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀 电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板； 5-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法 兰；9-空气出口。 用静电除菌净化空气有如下优点： (1)阻力小，约 1.01325×104Pa； (2)染菌率低，平均低于 10~15％； (3)除水、除油的效果好； (4)耗电少。 缺点是设备庞大，需要采用高压电技术，且一次性投资较大；对发酵工业来 说，—其捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。 四、介质过滤 介质过滤是目前发酵工业上常使用的空气除菌方法。它采用定期灭菌的干燥
133.3Pa。但对设备维护和安全技术措施要求较高。 静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。悬浮于 空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电 场时都会被电离变成带电微粒。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小， 当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则 微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。 静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区。管式静电除尘 器如图 6-2 所示。 图 6-2 静电除尘器 1-钢丝（电晕电极）；2-钢管（沉淀 电极）；3-高压绝缘瓷瓶；4-钢板； 5-空气出口；6-封头；7-钢板；8-法 兰；9-空气出口。 用静电除菌净化空气有如下优点： (1)阻力小，约 1.01325×104Pa； (2)染菌率低，平均低于 10~15％； (3)除水、除油的效果好； (4)耗电少。 缺点是设备庞大，需要采用高压电技术，且一次性投资较大；对发酵工业来 说，—其捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施。 四、介质过滤 介质过滤是目前发酵工业上常使用的空气除菌方法。它采用定期灭菌的干燥
介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。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。 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。 第三节 过滤除菌的机理 目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸 过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻 璃纤维、维尼龙等。对不同的材料、不同规格、不同填充情况，都会得到不同的 过滤效果 空气溶胶的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，一方面是由于空气溶胶 中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子在 0．5~2μm 之 间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直径一般为 16~ 20μm，填充系数为 8％时，棉花纤维所形成的孔隙为 20~50μm；超细玻璃纤维滤板因纤维直径很小， 为 1~1．5μm，湿法抄制紧密度较大，所形成的网格孔隙为 0．5~5μm。微粒随 气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流无数次改变 运动速度和运动方向，绕过纤维前进。这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。 图 6-3 单纤维空气流程图 图 6-3 为一单纤维的流动模型。这是带颗粒的气流流过纤维截面的假想模型。 当气流为层流时，气体中的颗粒随气流作平行运动，接近纤维表面的颗粒(即气
介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。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。 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。 第三节 过滤除菌的机理 目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸 过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻 璃纤维、维尼龙等。对不同的材料、不同规格、不同填充情况，都会得到不同的 过滤效果 空气溶胶的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，一方面是由于空气溶胶 中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子在 0．5~2μm 之 间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直径一般为 16~ 20μm，填充系数为 8％时，棉花纤维所形成的孔隙为 20~50μm；超细玻璃纤维滤板因纤维直径很小， 为 1~1．5μm，湿法抄制紧密度较大，所形成的网格孔隙为 0．5~5μm。微粒随 气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流无数次改变 运动速度和运动方向，绕过纤维前进。这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲 击、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。 图 6-3 单纤维空气流程图 图 6-3 为一单纤维的流动模型。这是带颗粒的气流流过纤维截面的假想模型。 当气流为层流时，气体中的颗粒随气流作平行运动，接近纤维表面的颗粒(即气