空气除菌

来源：青岛海博《微生物工程》
    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。   一、发酵用无菌空气的质量标准 1、空气中的微生物 空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母，霉菌孢子和病毒。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，空气中微生物的含量一般为103～104个／米3。灰尘粒子的平均大小约0.6μm左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6～1μm ）。 ２、无菌空气的要求 发酵用的无菌空气要达到以下标准：①连续提供一定流量的压缩空气。发酵用无菌空气的设计和操作中常以通气比或VVM来计算空气的流量。VVM的意义是单位时间（min）单位体积（m3）培养基中通入标准状况下空气的体积（m3），一般为0.1～2.0。②空气的压强为0.2～0.4Mpa。过低的压强难于克服下游的阻力，过高的压力则是浪费。③进入过滤器之前，空气的相对湿度∮≤70%。这是防止空气过滤介质的受潮。④进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10～30℃。⑤压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为10-3为指标。也可以把100级作为无菌空气的洁净指标。100级指每立方米空气中，尘埃粒子数最大允许值≥0.5μm的为3500，≥5μm的为0；微生物最大允许数为5个浮游菌/m3，一个沉降菌/ m3。   二、空气除菌的方法和原理 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）、热灭菌法 空气在进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力，空气经压缩后温度能够升到200 ℃以上，保持一定时间后，便可实现干热杀菌。   （二）、辐射灭菌 辐射灭菌的原理是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。应用范围通常用于无菌室和医院手术室。缺点是杀菌效率较低，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。   （三）、静电除菌 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。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。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）、介质过滤除菌法 过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤除菌处理的空气可达到无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供好氧培养过程之用。该法是目前广泛应用来获得大量无菌空气的常规方法。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。   三、空气的过滤除菌原理及介质 （一）、空气过滤除菌原理 当气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电引力等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤的目的。   1、惯性捕集作用 在过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小，充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层。当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。惯性使它离开主导气流；走的是图中虚线的轨迹。气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。这种捕集由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。   惯性捕集是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，也就是取决于气流的流速。惯性力与气流流速成正比，当流速过低时，惯性捕集作用很小，甚至接近于零；当空气流速增至足够大时，惯性捕集则起主导作用。   2、拦截捕集作用 气流速度降低到惯性捕集作用接近于零时，此时的气流速度为临界速度。气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性滞留于纤维上，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又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截捕集作用。 微生物微粒直径很小，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，从而改变流动方向，绕过纤维前进，而在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞流区的微粒慢惕靠近和接触纤维而被粘附滞留，称为拦截捕集作用。   3、扩散捕集作用 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的运动，称为布朗扩散。扩散运动的距离很短，在较大的气流速度和较大热纤维间隙中是不起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而被捕集。   4、重力沉降 微粒虽小，但仍具有重力。当微粒重力超过空气作用于其上的浮力时，即发生一种沉降加速度。当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象。就单一重力沉降而言，大颗粒比小颗粒作用显著，一般50μm以上的颗粒沉降作用才显著。对于小颗粒只有气流速度很慢时才起作用。重力沉降作用一般是与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞留区内。微粒的沉降作用提高了拦截捕集作用。   5、静电吸附作用 干空气对非导体的物质作相对运动摩擦时，会产生静电现象，对于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大多带有不同的电荷。这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附作用。 上述机理中，有时很难分辨是哪一种单独起作用。总的来说，当气流速度较大时(约大于0.1m/s)，惯性捕集是主要的。而流速较小时，扩散作用占优势。前者的除菌效率随气流速度增加而增加，后者则相反。而在两者之间，在ηs极小值附近，可能是拦截作用占优势。以上几种作用机理在整个过程中，随着参数变化有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。   （二）空气过滤除菌的介质 1、纸类过滤介质 2、纤维状或颗粒状过滤介质 包括棉花、玻璃纤维、活性碳等。 3、微孔过滤介质   四、空气过滤除菌的流程   （一）、空气净化的工艺要求 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。自吸式发酵罐是由转子的抽吸作用使空气通过过滤器而除菌的。而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；而冷却出来的油、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。   （二）、过滤除菌的一般流程 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。   五、发酵废气废物的安全处理 发酵过程中，发酵罐不断排出废气，其中夹带部分发酵液和微生物。中小型试验发酵罐厂采用在排气口接装冷凝器回流部分发酵液，以避免发酵液体积的大幅下降。大型发酵罐的排气处理一般接到车间外经沉积液体后从烟囱排出。当发生染菌事故后，尤其发生噬菌体污染后，废气中夹带的微生物一旦排向大气将成为新的污染源，所以必须将发酵尾气进行处理。目前国内发酵行业普遍采用的方法是将排气途径经碱液处理后排向大气。发生噬菌体污染后，虽经碱液处理，吸风口空气中尚有噬菌体存在，这些噬菌体又难于经过滤除去。利用噬菌体对热的耐受力差的特点，在空气预处理流程中，将贮罐紧靠着空压机。此时的空气温度很高，空气贮罐停留一段时间可达到杀灭噬菌体的作用。