空气除菌基础知识

消毒与灭菌：

控制有害微生物的主要措施：

（一）灭菌

灭菌：

采用理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施，称为灭菌。Sterilization就是失去繁殖力。

例如各种高温灭菌措施等。

灭菌实质上可分杀菌和溶菌两种，前者指菌体虽死，但形体尚存，后者则指菌体杀死后，其细胞发生溶化、消失的现象。

（二）消毒

从字义上来看，消毒就是消除毒害，这里的“毒害”就是指传染源或致病菌的意思。

消毒：是一种采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。

（三）防腐

防腐：就是利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止食品等发生霉腐的措施。

（1）低温

（2）缺氧

（3）干燥

（4）高渗

（5）高酸度

（6）防腐剂

（四）化疗

化疗：即化学治疗。它是利用具有高度选择毒力（即对病原菌具有高度毒力而对宿主无显著毒性）的化学物质来抑制宿主体内病原微生物的生长繁殖，借以达到治疗该传染病的一种措施。

用于化疗目的的化学物质称化学治疗剂。最重要的化学治疗剂如各种抗生素、磺胺类药物和中草药中的有效成分等。

空气的除菌：

一、空气除菌的原因

（一）空气中微生物的分布

空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。

北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较多，离地面越高，含菌量越少；一般每升高10m，空气中的含菌量就降低一个数量级；

城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为10 ³ ～10 ⁴ 个／m ³ 。

空气中的微生物种类:以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。

这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上。

灰尘粒子的平均大小约0.6 μ m 左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6～1 μ m ）

（二）空气除菌的原因

1. 空气中存在有大量的各种各样的微生物 （工业设计中常以微生物浓度10 ⁴ 个/m ³ 作为空气的污染指标。）

2. 空气中存在着润滑油、灰尘颗粒、水蒸汽等。（由于深层发酵所用空气需一定压力，空气经压缩机压缩后，将夹带大量的油滴和水雾。如它们进入过滤介质的纤维间，将阻塞通道，甚至使过滤介质结块，完全丧失其除菌作用，所以要除去这些物质。）

二、空气除菌的方法

（一）工业发酵对空气质量的要求

随发酵产品和菌种不同而异：

半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般无需复杂的空气净化处理。

密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除菌等处理（如氨基酸、抗生素等）。

同一工厂的不同生产区域（环节）有不同的空气无菌度的要求。

（二）发酵对空气无菌程度的要求

好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要作到绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。

无菌空气：通过除菌处理使空气中含菌量降到零或者极低从而使污染的可能性降至极小。

发酵对无菌空气的要求：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标。

发酵对无菌空气的无菌程度要求：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。

一般按染菌率计算，在工程设计中一般要求染菌率为10 ^-3 即1000次发酵无菌空气使用周期中只允许一次染菌。

一般空气无菌程度是用空气洁净度表示。

空气洁净度：洁净环境中空气含尘量多少的程度。

空气洁净度的高低是用空气洁净度级别来区分的。

空气洁净度级别是用操作时间内空气的计数含尘量表示。

（三）空气除菌的方法

空气除菌：就是除去或杀死空气中的微生物。

常用的方法：加热杀菌、辐射杀菌   、 静电除菌、过滤除菌。

1 、加热灭菌

原理：基于加热后微生物体内的蛋白（酶）热变性而得以实现。

热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力。

空气压缩后温度能达到200℃以上，保持一定时间后，便可实行干热杀菌。

热杀菌：

利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气有特别意义。

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。

2. 辐射灭菌法

原理：2537 ? 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。

应用：表面灭菌、无菌室灭菌。

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。

特点：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。

3. 静电除菌

静电除尘器可除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去微生物。

原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的。

对于一些直径小的微粒，所带电荷小，不能被吸附而沉降。

应用：洁净工作台。

静电除尘器装置图：

4. 介质过滤除菌

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。

特点：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。

三、介质过滤除菌

（一）介质过滤除菌的材料

1. 棉花：纤维细长，16～20μm，填充150～200kg/m ³ 。

2. 玻璃纤维：直径8～19μm，直径越小越好，但小易断。缺点：更换时碎末飞扬，过敏。

3. 活性炭：大表面，物理吸附，空气阻力小，常夹带在二层棉花中降低阻力，为整个过滤器的1/3～1/2。

4. 超细玻璃纤维纸:以拦截为主，直径1～1.5μm，有较高过滤效率。缺点为强度差，受温后纤维松散。只用于分过滤器。可加入木浆纤维或其他纤维或采用树脂并加疏松剂。

5. 石棉滤板：蓝石棉20％加80％纸将混合打浆。温强度大，过滤效率低，耐蒸气反复杀菌。

6. 烧结材料过滤介质：聚乙烯醇过滤板。

7. 新型过滤介质：微孔滤膜。

（二）介质过滤除菌的原理

1 、概述

目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为1～2米，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有采用玻璃纤维、焦炭等。

对不同的材料，材料的不同规格，材料的填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。为了制取适合要求的无菌空气，就得深入研究深层过滤的各种关系。

2 、深层过滤原理

深层过滤所用的过滤介质——棉花的纤维直径一般为16～20μm。充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50μm，微粒大小为(0.5～2μm)。

过滤除菌原理:深层过滤所用介质的间隙，一般大于固体颗粒（微生物细胞），但空气中的菌体还能够除去的原因是：

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。

（1）布朗扩散截留作用

布朗扩散：直径很小的微粒在很慢的气流中产生的不规则的直线运转称为布朗扩散。

作用的条件：气流速度很慢、纤维间隙较小。

作用的结果：增加了微粒与纤维的接触滞留机会，被截留在纤维上。

（2）拦截截留作用

在惯性截留作用为零的气流速度以下（临界气流速度），当微生物等微粒随气流慢慢靠近纤维时，受纤维所阻改变气流方向，绕过纤维前进，在纤维周边形成一层边界滞留区。

滞留区的速度更慢。进入滞留区的微粒就容易被纤维黏附截留。

（3）惯性撞击截留作用

微粒随气流通过滤层时，滤层纤维纵横交错所形成的网格阻碍气流前进，使气流不断改变运动速度和运动方向。由于微生物颗粒的惯性大于空气，所以当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒由于不能及时的改变它的运动方向，结果就撞击纤维并被截留在纤维的表面。

（4）重力沉降作用

机理：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。（5）静电吸附作用

机理：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。这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。

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。

（三）影响介质过滤效率的因素

1 、介质纤维直径

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 、对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流量有关。

（四）提高过滤除菌效率的措施

鉴于目前所采用的过滤介质均需要干燥条件下才能进行除菌，因此需要围绕介质来提高除菌效率。

（1）设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。

（2）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。

（3）保证进口空气清洁度，如加强生产场地卫生管理，正确选择进风口，加强空气压缩前的预处理。

（4）降低进入空气过滤器的空气相对湿度，如使用无油润滑的空气压缩机，加强空气冷却和去油，提高进入过滤器的空气温度。

（五）过滤器失效

压缩空气进入过滤器后便引起活性炭颗粒之间相互顶撞与摩擦，久而成为粉末(灰化)，活性炭的体积也逐渐变小，于是过滤器内的空间逐渐增大，到达一定程度时，便会发生棉花成90°翻身现象。这样空气便会未经过滤而进入罐内，引起染菌。

棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近过滤器壁的棉花，因经受夹层蒸汽的烤干，受热更为剧烈，更容易变成粉末，而被空气带走，造成过滤层有缝隙，使过滤层疏松而漏风，甚至还因过高的压力和过长时间的烘烤而引起棉花活性炭着火的事故。

因此，要注意更换棉花。

四、空气介质过滤除菌设备

（一）采风塔

（二）粗过滤器

（三）空气压缩机

（四）空气贮罐

（五）空气冷却器

（六）气液分离器

（七）空气加热器

对空气除菌流程的要求：

要制备较高无菌程度，具有一定压力的无菌空气，它的流程设备有空气压缩机。

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。

流程的制订就根据所在的地理、气候环境和设备条件而考虑。

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；

在温暖潮湿的南方：要加强除水设施，以确保和发挥过滤器的最大除菌效率；

在压缩机耗油严重的设备流程中：则要加强消除油雾的污染等。

空气净化流程：

一般流程：

吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤。

进入空气压缩机（先升温至120～150℃）。

冷却（20～25 ℃），除去油、水，再加热至30～35℃。

最后通过总过滤器和分过滤器除菌，获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。

1 、空气压缩冷却过滤流程

2 、高空采风、两次冷却、两次分油水、 加热过滤除菌流程

两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。

3 、高效前置过滤空气除菌流程

主要是在空气进入压缩机之前，先采用高效率的前置过滤设备，进行过滤，使进入主过滤器的空气的无菌程度已经相当高，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，最终可获得无菌程度很高的空气。

特点：先采用高效率的前置过滤设备，进行过滤。

4 、冷热空气直接混合式空气除菌流程

特点 ：省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了。

方法：压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60%。

冷热空气直接混合式空气除菌流程：

冷热空气直接混合式：

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2021年6月10日。