第二节 空气过滤除菌设备及计算
一、介质过滤除菌流程 1.介质过滤除菌流程的要求
流程的选择根据当地气候条件，菌种的工艺要求确定
空压机 螺杆压缩机 有油和无油润滑 有油润滑油进入系统，强化除油
蜗轮压缩机
选择需考虑空气的湿度、温度、压力 主过滤器在空气湿度50~60%过滤效果最好 2.介质过滤流程 重点 ⑴两级冷却、分离、加热流程 如图 详细介绍
特点：
适合任何地区 油水分离彻底
⑵空气压缩冷却过滤流程 如图 详细介绍
由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。去掉两级冷却、分离、加热流程中的5.6.7.8，
适合空气温度6℃相对湿度80%或12℃，60% 采用蜗轮压缩机。 ⑶前置高效过滤器除菌流程
二、空气过滤除菌设备及设计计算 主过滤器
1.空气过滤除菌的对数穿透定律
过滤除菌效率：重点滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值。
??N1?N2N?1?2 N1N1N1原空气所含微粒数个/m3
N2过滤后空气微粒数个/m3
穿透率：重点过滤穿透滤层的空气所含微粒浓度与原空气微粒浓度的比值。 在研究空气过滤器的过滤规律，为简化研究 做如下4个假定：重点
①流经过滤介质的每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响。 ②空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走。 ③过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。
④空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的微粒数。 在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正
N2dNLdN?KN ???K?dL 比，即：?N1N0dLlnN2N??KL 2?e?KL N1N1或 lgN2N??K'L 2?e?K'L
N1N1N 滤层中空气的微粒浓度个/ m3 L 过滤介质层的厚度m
dN/dL 单位滤层除去的微粒数个/ m3 K、K’ 过滤常数
揭示了深层过滤除菌的对数穿透定律。表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比是过滤层厚度的函数。
过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径等。为了方便计算采用过滤效率为90%的滤层厚度作对比
N2?0.1N1lgN2?lg0.1??1??KL90 N1K'?L90对数穿透定律，是以四个假定为前提，对于滤层厚度较薄的过滤器是符合的，但对于滤层厚的过滤器产生偏差较大，且滤层厚后，微粒数递减不均匀，K值变化较大需要修正。
2.对数穿透定律的校正 自学 3.空气过滤压降的计算 可采用经验公式
2?v2am?p?cL?Pa?
?dfL 滤层厚度m ρ 空气密度，kg/m3 a 介质填充系数 df 纤维直径m v 空气在介质间隙中的流速m/s v=vs/(1-a) P384
m 实验指数,对不同的过滤介质 棉花1.45 19μm的纤维1.35 8μm纤维 1.55
C 阻力系数 是Re的函数 棉花介质 c≈100/Re 纤维作介质c≈52/Re 4.过滤器结构及计算 纤维介质深层过滤器 如图
孔板—铁丝网—麻布—棉花—麻布—活性炭—麻布—棉花—麻布—铁丝网—孔板 过滤器直径的计算
V??4D2v D?4V(m) ?v
V工作压力下处理空气量m3/s
v 空气的流速（空截面气速）m/s
一般取0.1~0.3m/s原则使过滤器在较高的气速下运行，效率和气速有关。 过滤器的计算举例 重点及难点
一发酵罐每分钟需要空气10m3，空气在过滤器中的线速度为0.15m/s，此时过滤常数为153.5m-1，空气的微生物浓度为200个/m3，发酵周期为100h，设计过滤器？(滤层厚度直径)
解：No=10×60×100×200=1.2×107（个） Nt=0.001个 滤层厚度： 1No11.2?107L?ln?ln?0.151(m)KNt153.50.001
4Q4?10过滤器直径 D???1.19m?v3.14?0.15?60
答:略
因故空气流速变为0.03m/s，此时K’=20.0m-1， 同一个发酵罐，风量变了，
此时的风量为0.785×1.192×0.03m3 每分钟进入过滤器的菌数 ：
N0= 0.785×1.192×0.03×60×200=400个 此操作条件下，每分钟从过滤出口的菌体数为
N?KL 2 ? e N 2 ?N1e?K'L?400e?20.0?0.151?19.5N1
达不到发酵对无菌空气的要求。在此操作条件下，要达到100h内从过滤器 穿透的微生物数为0.001，介质的滤层厚度为： 此操作条件下的滤层厚度为：
1400?60?100L'?ln?1.08(m)
20.00.001
远远大于0.151m，（没考虑风量是否达到要求）
设计时须考虑K值和空气流速 。让设备在设计的最佳条件下运转。
介绍滤纸过滤器
金属过滤器 最新产品 过滤系统的组成 主要参数 膜过滤器
过滤器的消毒问题 操作要点
三、附属设备
1、粗过滤器 形式 2、空气贮罐 3、气液分离器 4、空气冷却器 四、空气过滤介质 过滤介质：
棉花、玻璃纤维、活性炭、玻璃纤维纸、烧结板材料、滤芯。 影响过滤效率的因素： 1介质纤维直径 2.滤层厚度
3.介质的填充密度 4.空气流速
提高过滤效率的措施 重点
1.合理的空气预处理设备，合理的净化流程，使油水分离良好。 2.合理的空气过滤器，选用过滤效率高的介质。 3.保证进口空气的清洁度
高空采风；改善环境条件，降低空气菌数 压缩气站设在厂区的上风头； 空气压缩前的预处理
4.降低进入过滤器空气相对湿度，在干燥条件运转；
使用无油润滑压缩机；加强油水分离；提高过滤器进口空气 的温度，降低相对湿度。
【思考题】
1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率 2.过滤除菌流程有那些?特点和实用范围
1.深层过滤除菌的作用机理，常用的过滤介质。 4.如何理解对数穿透定律，其四点假设？ 5.如何进行过滤器设计计算
【作业】
1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率
2.设计一适合南方环境的空气净化流程，并说明理由。 过滤除菌流程有那些?特点和适用范围 3.过滤除菌的要求 4.提高过滤效率的措施 5.过滤器计算
某发酵罐通风量为15m3/min，发酵周期100h，设计一台的棉花过滤器，(已知空气流速=0.1m/s，此时过滤常数K’=13.5/m) 进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，求到罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)。计算过滤器的滤层厚度和直径。
【参考书目】
《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年 《发酵工程设备》 中国轻工业出版社 《生物工艺学》 中国轻工业出版社 【教学效果追记】
本章内容中主要是过滤设备，主要深层过滤介质、过滤机理，常用的过滤流程，深层介质过滤器的设计计算，对数穿透定律也是重点，有一些概念需要掌握。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握这些内容。
复习提问 ：常用的空气除菌流程有哪些？
第四章 培养基的制备设备
【教学目的与要求】了解常用培养基制备的流程，掌握常用的灭菌的机理和采用流程。
【教学重点与难点】高温短时间灭菌的基础、常用的灭菌流程。 【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。 【教学时数】4学时
第一节 糖蜜原料的稀释与澄清
一、 间歇式稀释设备： 为什么稀释，制糖的大致过程 常用体积5~20m3、径高比1:1.1 体积计算: V=Vs/η
二、糖蜜连续稀释器 如图 结构，安装 操作 常用水平式糖蜜稀释器 三、糖液的酸化澄清设备
酸化目的：加入硫酸，进行灭菌，使灰渣沉淀，达到发酵要求。 酸化桶体积和个数： V总=Qt/η（m3）
第二节淀粉质原料的蒸煮糖化设备
一、淀粉质原料蒸煮糖化的目的 重点
1、原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，使原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂，即破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。糊化，采用的方法是用蒸汽加热蒸煮。
2、借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，使酒精发酵能顺利进行。
二、蒸煮设备 流程图 介绍详细操作 1、蒸煮罐 径高比1：3~5 最后一个后熟器(汽液分离器)
当蒸煮罐和后熟器采用相同的体积时, 后熟器体积按下式计算:
V1t=V2(N－1)+V2φ V2=V1t/(N－1＋φ)
2、套管加热器：如图 有效加热段的停留时间为 15~25s、流速不超过0.1m/s 粉浆初70℃、加热蒸汽压力0.5Mpa、蒸汽喷射速度20~40m/s 加热蒸汽消耗量的计算：
W=G c（T2- T1 ）/（I-λ） W 蒸汽消耗量kJ/h
G 进入蒸煮锅或加热器的粉浆量kg/h c 粉浆比热kJ/kg.℃
T2 蒸煮温度 或杀菌温度 ℃
T1 进入蒸煮锅或加热器的粉浆温度℃ I 加热蒸汽的热焓 kJ /kg. λ 加热蒸汽冷凝水的热焓 kJ/kg.
λ=c’ T2 c’水的比热4.187 kJ/kg.℃
3、真空冷却器 结构图真空度530~600mmHg 70~80kPa
器内二次蒸汽上升速度≤1m/s，径高比1：1.5~2.0
醪液在管内下降速度1m/s 一般高于糖化锅10m 原因 重点 4.糖化设备
a连续糖化罐如图
几何尺寸 H=0.5~1.0D h=0.11~0.25D r=（D2+4h2）/8h 体积：V=V’t /60φ
