第一节 空气除菌过程与设备
?一、空气除菌和灭菌方法
?二、空气过滤除菌流程
?三、空气预处理过程设备
?四、介质过滤除菌
一、空气除菌和灭菌方法
超声波、高能阴极射线,X射线,γ射线,β射线、紫外线理论上都能破
坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚，目前
应用较广泛的还是紫外线。
（二）热灭菌法
依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡（三）静电除菌
利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的，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运动的动量时，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。
（四）介质过滤除菌
目前生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法,一类是介质
间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌
的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结
材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，
含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除
菌，有时称之为绝对过滤。
（一）辐射杀菌
二、空气过滤除菌流程
（一）两级冷却、加热除菌流程（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程（三）高效前置过滤空气除菌流程（四）利用热空气加热冷空气的流程
特点是两次冷却、两次分离、适当加热。
空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，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,省去第二次冷却后的分离
设备和空气加热设备，流程比较简单 。
利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩
机,再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的
空气。
利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相
对湿度。
3
1
2
图4 - 3 两极冷却,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- 过滤器
4
5
6
7
8
93
1
2
4
5
6
图4 - 4 冷热空气直接混合式空气除菌流程
1 - 粗过滤器 2 - 压缩机 3 - 贮罐 4 - 冷却器
5-丝网分 离器 6-过 滤器
6
5 7
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 - 过滤器
图4 - 5 高效前置过滤空气除菌流程
1 4
2
3
1
2
3 4
5
7
8
9
6
图4-6 利用热空气加热冷空气的流程示意图
1-高 空采风 2-粗 过滤器 3- 压缩机 4-热 交换器 5- 冷却器
6,7- 析水器 8-空 气总过滤器 9-空 气分过滤器
三、空气预处理过程设备
（一）空气预处理的作用与原理
（二）空气预处理设备
（一）空气预处理的作用与原理
目的是两个：
1．提高压缩空气的洁净度，降低空气过
滤器的负荷；
2．去除压缩后空气中所带的油水，以合
适的空气湿度和温度进入空气过滤器。
原理：
高度每上升 10m，空气中微生物量下降一个数量级，
尽量提高吸入口的高度，以减少吸入空气的尘埃含量
和微生物含量。并在空气吸入口处设置粗过滤器 。
（二）空气预处理设备
1．粗过滤器2．空气压缩机3．空气贮罐4．气液分离器5．空气冷却器
振动机构
含尘气流
图4 - 7 机械振动袋式除尘器
滤袋
净气
1
2
1-滤 网 2- 加油斗 3- 油镜 4- 油层
图4-8 油 浴洗涤装置
空气出口
空气出口
空气出口
图4-9 水雾除尘装置
空气入口
过滤网
高压水入口
2
21
1
1
2
1 11 Z
ZZ
p
pRT
k
kh T
T
k
k
T
T
p
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
?
???
?
?
?
?
Kt—— 气体不同压力温度等熵指数；
R—— 气体常数；
Z1,Z2—— 名义进气、排气状态下压缩系数；
T—— 气体温度；
p—— 气体压强；
下标 1和 2分别表示进气、排气状态。
空气入口
空气出口
图4 - 1 0 空气贮罐示意图
空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸汽及油分凝结下来,需用气液分离器
进行油水分离。
出灰口
排气
进气
图4-11 旋风分离器
B
S
A
S 1
D 1
H 1
D
D 2
H 2
H
A=
D
2
4
B=
D
2
D 1=
D
2H 1= D
8
s =
D
4
D 2
D
图4 - 1 2 一种类型旋风分离器的尺寸比例
2H 2= D
~~
h
空气出口
d 1
L
图4 - 1 3 丝网分离器示意图
空气进口
h
'
金属丝网
排污口
D
d 2
有立式列管式热交换器、喷淋式热交换器等。
四、介质过滤除菌
（一）介质过滤除菌机理（二）过滤介质（三）空气介质过滤器的设备构造
（四）无菌空气制备新设备
当气流通过滤层时由于滤层纤维网格的层层阻碍，迫使气流
无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，从而导致微粒
对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸
附等作用而把微生物滞留在纤维表面。
1．惯性冲击滞留作用机理
2．拦截滞留作用
3．布朗扩散截留作用
4．重力沉降作用机理
5．静电吸附作用机理
1．纤维状或颗粒状过滤介质
（ 1）棉花
（ 2）活性炭
（ 3）玻璃纤维
（ 4）烧结金属
（ 5）多孔陶瓷
（ 6）多孔塑料
上花板
纤维介质
活性炭颗粒
纤维介质
下花板
进口
出口
图4 -20 棉 花（玻璃棉）-活 性炭过滤器示意图
1．聚乙烯醇（ PVA）过滤器
将聚乙烯醇（ PVA）乙酰化并以耐热树脂（如硅氧树脂）涂敷，制成片式过
滤器。有圆板型和圆筒型两种。 PVA过滤器的电镜摄影呈现致密的纤维结构，
而不是单片式的微孔网络。 PVA过滤器能够经受蒸汽反复灭菌。如果发酵生
产中所要求的 K值在 103~104范围，则有效孔径 de=20~30μm的 PVA过滤器，
只需要 0.2~0.3cm厚的一层就能满足空气除菌的需要。
聚乙烯醇（ PVA）过滤器的特点是除菌效率达 99.9999%以上，压力降在
0.015MPa以下，使用可达一年以上，杀菌及干燥时间极短，更换方便，占
地面积小。
2,Bio-x过滤器
英国 Domnick Hunter公司用直径为 0.5μm玻璃纤维制成 1mm厚的滤材，
卷成三卷，再以较粗的坚韧的玻璃无纺布做内外衬，再在内、外以不
锈钢网固定，作成滤筒状。如图 4-22。它能滤除 0.01μm颗粒（噬菌体
大小为 0.02μm），以油雾法（油雾直径为 1.3~0.01μm，平均 0.3μm）
测定，过滤效率为 99.9999%。填充率为 6%，空气流量大，压力降小，
结构简单，体积小，安装方便。缺点是强度不大，易损而失效，受潮
也失效。
3．高流量过滤器
这是 Domnick Hunter公司开发的聚四氟乙烯（ PTFE）材料为滤芯的以 High
Flow Bio-x和 High Flow Tetpor II为代表的高流量过滤器，它结合了深层过滤
技术和新的膜折叠技术。其过滤机理和过滤效率均同 Bio-x过滤器，但所用
材料 PTEE是一种坚韧的疏水性材质，可以做成折叠滤芯，增加了过滤面积，
使空气流量为 Bio-x的 3倍，延长了使用寿命，进一步缩小了体积。这种过滤
器的空隙率达 94%，大于普通的膜过滤器（ PTFE 为 75%, PVDF为 66%）。
4．其它膜过滤器
核工业净化过滤工程中心研制成功的 JPF型聚二氟乙烯膜折叠式过滤器，通过
微孔滤膜绝对过滤，过滤精度极高，滤膜采用折叠形式，通气量大，压力降
小，介质材耐高温，疏水性强，使用寿命长。
第二节 生物加工过程的空气调节
?一、空气调节的方法
?二、湿空气焓 — 湿图
?三、水与空气直接接触进行空气调节
?四、表面换热器空气调节
?五、向空气喷蒸汽进行空气调节
一、空气调节的方法
分成两大类：直接接触式和表面式。
直接接触式热、湿交换的设备特点是空气进行热、湿交换的介质
和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中去。
表面式热湿交换设备的特点是与空气进行热湿交换的介质不和空气
直接接触，热、湿交换是通过处理设备的金属表面来进行的。
二、湿空气焓 — 湿图
（一）湿空气的几个主要状态参数
（二）湿空气焓湿图介绍
（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法
（一）湿空气的几个主要状态参数
1．水蒸汽分压Ｐ w
空气中水蒸汽分压愈大，水汽含量就愈高。根据分压定律，与干空气
分压之比 /=为摩尔水汽与摩尔干空气之比，其中为湿空气的总压。
2．空气的湿含量 H
单位质量干空气中所含水汽的质量，称为空气的湿含量或绝对湿度，
简称湿度，其单位为 kg/kg，用符号 H表示。
3．空气的相对湿度
为了表示距离饱和状态的程度，常用相对湿度来衡量。
4．露点温度 td
空气在湿含量 H不变的情况下冷却，达到饱和状态
时的温度称为露点温度 td。
5．湿球温度 tw
在温度 t、为湿度为 H的不饱和空气流中，在
绝热条件下达到平衡所显示的温度，称为空
气的湿球温度。
6．湿空气的焓Ｉ
空气的增湿或减湿过程是与空气与水两相间传质
与传热同时进行的过程，不仅有湿量的转移，也
有热量的传递，因此有必要知道空气的另一个性
质 —— 焓。
（二）湿空气焓湿图介绍
图4-25 空气状态变化过程方向
I
0
H
3
4
5
6
2
7
1
1 6 I 6 < I 1 冷却、恒湿
H 6 =H 1
H 7 <H 1
1 7 I 7 < I 1 冷却、减湿
1 4 I 4 = I 1 等焓、增湿
H 4 >H 1
H 5 > H 1
1 5 I 5 < I 1 冷却、增湿
1 3 I 3 > I 1 加热、增湿
H 3 =H 1
H 2 =H 1
1 2 I 2 > I 1 加热、恒湿
1．等焓线和等含湿线
2．等温线
3．等相对湿度线
4．水蒸汽分压力线
5．热湿比线
（三）空气状态变化过程及状态变化过
程的表示方法
1．等湿（干式）加热过程
??????????? 0 AB
AB
AB II
HH
II
H
I?
2．等焓减湿过程
00 ?
?
?
?
??
ADAD
AD
HHHH
II?
3．等焓加湿过程
00 ?
?
?
?
??
HHH
II
AE
AE?
4．等温加湿过程
2 4 9 2 1, 8 4w wHiI itHH? ???? ? ? ? ???
5．减湿冷却（或冷却干燥）过程
H
I
HH
II
AG
AG
??
???
?
??
三、水与空气直接接触进行空气调节
（一）空气与水湿热交换原理
（二）空气与水直接接触时的状态变化过程
（三）用喷水室处理空气
（四）喷水室的热工计算
（一）空气与水湿热交换原理
当空气遇到敞开的水面或飞溅的水滴时，便与水表面发生热、
湿交换,在蒸发过程中，边界层中减少了的水蒸汽分子由水
面跃出的水蒸汽分子补充；在凝结过程中，边界层中过多的
水蒸汽分子将回到水面。
（a)敞开的水面 （b）飞溅的水滴
图4-32 空气与水的热湿交换
边界层
未饱和空气
(a)
水
未饱和空气
边界层
(b）
水滴
（二）空气与水直接接触时的状
态变化过程
将空气与水的湿热交换过程看作饱和的与未饱和的两种空气的混合过
程。随着水温不同，可以得到如图 4-33和表 4-9的七种典型的空气状
态变化曲线。
2
3
4
5
6
7
p p p
2 4 6
水蒸气分压力（ ）
a
p
6 A
4 w
2 d
图4- 33 空 气与水直接接触时的状态变化过程
A
φ =100 %
（三）用喷水室处理空气
喷水增湿的方法又有两大类，其一是使喷洒的水量全部汽化后即能
使空气达到要求的湿度。另一种方法是使大量的水喷洒于不饱和的
空气中，结果使部分喷水汽化后进入空气中，得到近乎饱和的湿空
气，并使空气降温。最常用的是用喷水室处理空气。
14
10
9 8 5
11
4
3
181 6
17
1
2
13
15 7
6
12
新风入口
11
4
12
1514
7
6
5
89
10
13
2
(a) (b)
图4 - 3 4 喷水室的构造
1 - 前挡水板 2 - 喷嘴与排管 3 - 后排水管 4 - 底池 5 - 冷水管 6 - 滤水器
7 - 循环水管 8 - 三通混合阀 9 - 水泵 1 0 - 供水管 1 1 - 补水管 1 2 - 浮球阀
1 3 - 溢水器 1 4 - 溢水管 1 5 - 泄水管 1 6 - 防水灯 1 7 - 检查门 1 8 - 外壳
回风
空气
（四）喷水室的热工计算
（ 1）空气质量流速的影响
f
G
v
3600
??
v—— 空气流速,m/s；
ρ—— 空气密度,kg/m3；
G—— 通过喷水室的空气量,kg/h；
f—— 喷水室的横断面积,m2
（ 2）喷水系数的影响
G
W??
（ 3）喷水室结构特性的影响
nmvA ??? )(1 ?
''2 '( ) mnAv? ? ??
4．喷水室的热工计算方法
（ 1）该喷水室能达到的 η1应等于空气处理过程需要的 η1；
（ 2）该喷水室能达到的 η2应等于空气处理过程需要的 η1；
（ 3）该喷水室喷出的水能放出（或吸收）的热量应等于空气得到（或失去）的热量。
22
1
11
( ) 1mn w
w
ttAv
tt? ? ?
?? ? ?
?
'' 22
2
11
'( ) 1mn s
s
ttAv
tt? ? ?
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2 1 1 2( ) ( )ssQ W c t t G I I? ? ? ?
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5．喷水温度与喷水量的关系
11
11
ds
ds
tt
tt
?
?
???
? ?
四、表面换热器空气调节
利用表面式换热器处理空气时能够实现等湿加热、等湿冷却
和减湿冷却三种过程。
1
11
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
nm
y BAV
K
?
1．等湿过程的传热系数2．减湿冷却过程的传热系数
1
11
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?? n
pm
y BAV
Ks
??
五、向空气喷蒸汽进行空气调节
图4-38 蒸汽加湿时空气状态的变化
t1
H 2H 1
21
等焓线
H 4'H 4H 3
4
4'
3
φ =100 %
如果将空气加湿到饱和状态点之后还要继续加入蒸汽，则多余的蒸汽
将凝结成水，放出来的汽化潜热又将使饱和空气的温度继续升高，即
空气状态将沿饱和线上升到状态点 4。点 4的具体位置可按热平衡的原
则或作图法得到。使用作图法时，先按加湿量大小在等温线的延长线
上找到点 4’，过点 4’的等焓线与饱和线的交点就是状态点 4。
The End
