第四章 空气供给工程 生物加工过程很多情况都涉及需氧微生物的纯培养，无论是生长还是合成代谢产物都需要消耗大量的氧气，以满足微生物的生长、繁殖以及代谢的需要。这些氧气通常由空气提供，但是空气中夹带有大量的各类杂微生物，这些杂微生物如果随空气一起进入培养系统，便会在合适的条件下大量繁殖，并与发酵生产中的生产菌竞争、抢夺营养物，产生各种副产物，从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行，使生物产品的得率降低，产量下降，甚至使培养过程彻底失败导致倒罐，造成严重的经济损失。因此，空气除菌是生物细胞培养过程中极其重要的一个环节。 用微生物细胞、动物细胞、植物细胞或酶进行生物反应来生产生物产品，或者保藏生物细胞和生物制品，均需要洁净的环境、合适的空气温度、湿度和空气压力。例如，利用生物工程技术生产药品时，要符合《药品生产和质量管理规范》（Good Manufacturing Practice，简称GMP）的要求。《规范》明确规定在药品生产过程中，厂房必须按生产工艺和产品的要求划分洁净级别，这时，需要对空气进行净化处理；用气流干燥操作加工产品，需要对空气的温度和湿度进行调节；进入固态发酵培养基或固态发酵室的空气，其温度和湿度有严格要求。因此，对空气进行净化和调节，使空气的温度、湿度和压力发生改变，符合工艺要求，已成为生物加工过程中的一个重要组成部分。 第一节 空气除菌过程与设备 一、空气除菌和灭菌方法 空气是主要由氮气和氧气、二氧化碳、惰性气体、水蒸汽以及悬浮在空气中的尘埃等组成的混合物。空气中经常可以检测到一些细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒。空气的含菌量随环境的不同而有很大的差异。一般干燥寒冷的北方空气含菌量较少，而温暖潮湿的南方含菌量较多，人口稠密的城市比人口较少的农村含菌量多，地平面又比高空的含菌量多。 表4-1 空气中常见杂菌的大小 菌种 细胞 孢子   宽，μm 长，μm 宽，μm 长，μm  金黄色小球菌 0.5~1.0 — — —  产气杆菌 1.0~1.5 1.0~2.5 — —  蜡样芽孢杆菌 1.3~2.0 8.1~25.8 — —  普通变形杆菌 0.5~1.0 1.0~3.0 — —  地衣芽孢杆菌 0.5~0.7 1.8~3.3 — —  枯草芽孢杆菌 0.5~1.1 1.6~4.8 0.5~1.0 0.9~1.8  巨大芽孢杆菌 0.9~2.1 2.0~10.0 0.6~1.2 0.9~1.7  霉状分枝杆菌 0.6~1.6 1.6~13.6 0.8~1.2 0.8~1.8  空气中的微生物是依附在尘埃上的，空气中的尘埃数与细菌数的关系如下式：  （4-1） 式中 ——空气中的微生物数量，个/m3； ——空气中的尘埃颗粒数量，个/m3。 各地空气所悬浮的微生物的种类以及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时可以以含量为103~104个/m3为依据进行计算。 要准确测定空气中的含菌量来决定过滤设备或检测经过过滤的空气的含菌量（或无菌程度）是比较困难的，一般采用培养法或光学法测定其近似值。 生物加工过程中，由于所用菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短、分泌物质的性质、培养基的营养成分和pH的差异等，对所用的空气质量有不同的要求。如面包酵母培养和醋酸发酵生产，前者因为酵母的比生长速率快，利用营养物质的速率较高，酵母细胞浓度会占绝对优势地位，从而抑制其它杂菌的生长；后者因为醋酸的生成导致发酵液的pH降低，对杂菌有一定的抵抗能力，对空气的无菌程度要求较低。而氨基酸、抗生素的发酵由于发酵周期长，对空气无菌程度的要求就要高得多。一般说来，生物加工过程中应用的“无菌空气”，是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一个水平，从而使污染的可能性降至极小。根据生物产品的不同，可以按染菌概率10-3~10-6来表示无菌程度，10-3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气只允许1次染菌。 空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。其中辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀灭空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。生物加工过程所需的无菌空气要求甚高，用量大，故要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。现将各种除菌方法简单介绍如下： （一）辐射杀菌 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。紫外线波长为253.7~265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。辐射灭菌目前仅用于一些表面的以及对流不强情况下有限空间内空气的灭菌，对于在大规模空气条件下的灭菌尚有不少问题亟待解决。 （二）热灭菌法 空气干热杀菌是依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡，与培养基灭菌利用蛋白质（酶）的凝固破坏而致菌体死亡在机理上大不相同。热灭菌法虽然是有效的、可靠的杀菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌的目的，则需要消耗大量能源和增设大量的换热设备，从技术经济上来看不是很合理。 鉴于空气在进入培养系统之前，一般需用空压机以提高压力，所以空气热灭菌时所需温度的提高，可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。一般来说，要杀死空气中的杂菌，在不同温度下所需的时间如表4-2。 表4-2 空气温度与微生物热死灭的时间 温度 200℃ 250℃ 300℃ 350℃  时间 15.1 s 5.1 s 2.1 s 1.05 s  由研究得出，如果空气经压缩后温度能升至200℃以上，那么便可实现干热杀菌，实际上这一条件通常很容易做到。根据多变压缩公式  （4-2） 一般取多变指数m=1.25，那么当压缩比P2/P1=6时，由上式可知在60~70℃的进气温度下，经压缩机压缩后的空气温度将升至200℃以上，从而进行干热灭菌。因此，空气热灭菌的流程设计，如图4-1所示，通常是将空气先预热至60~70℃进入压缩机压缩，并在200℃以上的温度下维持一段时间，以杀死杂菌。有时为了延长空气的高温时间，防止空气在贮罐中走短路，最好在贮罐内加导筒，在进入培养系统前应加装分过滤器以保证安全。  （三）静电除菌 静电除尘法具有能耗小、压力损失小等优点已被广泛采用，可以用于除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去了空气中的微生物。 静电除尘是利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多数带有不同的电荷，没有电荷的微粒进入高压静电场时则会被电离成带电微粒，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。 静电除尘装置如图4-2，可以根据对菌体微粒的作用分为电离区和捕集区。空气通过电离区后，它所带的细菌微粒被电离而带正电荷。捕集区由一系列交替排列的高压电极板与接地电极板组成，它们间隔很窄，且平行于气流方向。在高压电极板上加上5kV的直流电压，极板间形成一均匀电场，当气流与被电离的微粒流过时，带正电荷的微粒受静电场库仑力的作用，产生一个向负极的合速度向极板移动，最后吸附在极板上。当捕集的微粒积聚到一定厚度时，则极板间的火花放电加剧，极板电压下降，微粒的吸附力减弱甚至随气流飞散，这时除菌效率很快下降。一般当电极板上尘厚1mm时，就应该用喷水管自动喷水清洗，洗净干燥后重新投入使用。由于静电除菌的除菌效率不是很高，往往需要与高效空气过滤器联合使用。到目前为止，静电除菌在生物过程无菌空气制备中并不多见。  （四）介质过滤除菌 过滤除菌法是使含菌空气通过过滤介质，以阻截空气流中所含微生物，从而取得无菌空气的方法，是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。常用的过滤介质按孔隙的大小可分为两大类：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。绝对过滤在生物加工过程中的应用逐渐增多，它可以除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部过滤除去。从经济性、可操作性、有效性等方面考虑，生物加工过程的无菌空气基本上采用介质过滤的方法进行。 二、空气过滤除菌流程 空气过滤除菌流程是按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除菌设备的特性，根据空气的性质而制定的。 要把空气过滤除菌，并输送到需要的地方，首先要提高空气的能量即增加空气的压力，以克服设备和管道的阻力。这就需要使用空气压缩机或鼓风机。而空气经压缩后，温度会升高，冷却后会释出水分，空气在压缩过程中又有可能夹带机器润滑油雾，这些都使无菌空气的制备流程复杂化。 对于风压要求低，输送距离短，无菌要求也不高的场合，如洁净工作室、洁净工作台等，以及具有自吸作用的发酵系统，如转子式自吸发酵罐等，只要数十到数百帕的空气压力就可以满足需要。在这种情况下，可以采用普通的离心式鼓风机增压，具有一定压力的空气通过一个大过滤面积的过滤器，以很低的流速进行过滤除菌，这样气流的阻力损失就很小。由于空气的压缩比很小，空气的温度升高不多，相对湿度变化不大，如果空气过滤效率比较高，经一、二级过滤后就能符合无菌空气的要求。这样的除菌流程比较简单，关键在于离心式鼓风机的增压与空气过滤的阻力损失要配合好，以保证空气过滤后还有足够的压力推动空气在管道和无菌空间中流动。 要制备无菌程度高、压力高的无菌空气，就要采用空气压缩机来增压。由于空气压缩比大，空气的各种参数变化大，这就需要额外增加一系列附属设备。这种流程的制定应根据所在地的地理位置、气候环境和设备条件等作全面考虑。如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，以确保过滤器的最大除菌效率和使用寿命；在压缩机耗油严重的流程中要加强油雾的去除。另外，空气被压缩后温度升高，需将其迅速冷却，以减小压缩机的负荷，保证机器的正常运转。空气冷却将析出大量的冷凝水形成水雾，必须将其除去，否则带入过滤器将会严重影响过滤效果。一般要求压缩空气的相对湿度为ψ=50%~60%时通过过滤器为好。 要保持过滤器在比较高的效率下进行过滤，并维持一定的气流速度和不受油、水的污染，需要一系列的加热、冷却及分离和除杂设备来保证。空气过滤除菌有多种流程，下面是几个较为典型的设备流程。 （一）两级冷却、加热除菌流程 具体流程见图4-3，这是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。两次加热、两次分离油水的好处是能提高传热系数，节约冷却水，油水分离得比较完全。经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效率高的作用。通常，第一级冷却到30~35℃，第二级冷却到20~25℃。除水后，空气的相对湿度仍较高，须用丝网分离器后的加热器加热空气，使其相对湿度降低至50~60%，以保证过滤器的正常运行。 两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。一些对无菌程度要求比较高的微生物工程产品，均使用此流程。  （二）冷热空气直接混合式空气除菌流程 如图4-4。从流程图可以看出，压缩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，此时混合空气已达到温度为30~35℃，相对湿度为50~60%的要求，再进入过滤器过滤。该流程的特点是可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，利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等。该流程适用于中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区。由于外界空气随季节而变化，冷热空气的混合流程需要较高的操作技术。  （三）高效前置过滤空气除菌流程 图4-5为高效前置过滤除菌的流程示意图。它采用了高效率的前置过滤设备，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，这样就降低了主过滤器的负荷。经高效前置过滤后，空气的无菌程度已相当高，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。此流程的特点是采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。  （四）利用热空气加热冷空气的流程 图4-6为热空气加热冷空气的流程示意图。它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。此流程对热能的利用比较合理，热交换还可以兼做贮气罐，但由于气—气交换的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求。  由以上较为典型的无菌空气制备流程可以看出，无菌空气制备的整个过程包括两部分内容：一是对进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空气状态（温度、湿度），二是对空气进行过滤处理，以除去微生物颗粒，满足生物细胞培养需要。 三、空气预处理过程设备 （一）空气预处理的作用与原理 空气预处理的主要目的是两个：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。 空气中的微生物大多数依附于空气中的尘埃颗粒上。提高压缩前空气的洁净度的主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。 一般认为，高度每上升10m，空气中微生物量下降一个数量级，因此，空气吸入口一般都选在比较洁净处，并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。在工厂空气吸入口安装位置选择时，应选择在当地的上风口地点，并远离尘埃集中处。为保护空气压缩机，延长空气压缩机的使用寿命，常在空气吸入口处设置粗过滤器（或前置高效过滤器），以滤去空气中颗粒较大的尘埃，减少进入空气压缩机的灰尘和微生物含量及压缩机的磨损，并减轻主过滤器的负荷，提高除菌空气的质量。对于这种前置过滤器，要求过滤效率高，阻力小，否则会增加压缩机的吸入负荷和降低压缩机的排气量。通常采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置等。 为了克服输送过程中过滤介质等阻力，吸入的空气必须经空压机压缩，目前常用的空压机有涡轮式和往复式两种。空气经压缩后，温度会显著上升，压缩比愈高，温度也愈高。由于空气的压缩过程可看作是绝热过程，故压缩后的空气温度与被压缩后的压强的关系符合压缩多变公式。若将此高温压缩空气直接通入空气过滤器，会引起过滤介质的炭化或燃烧，而且还会增大培养装置的降温负荷，给培养温度的控制带来困难，同时高温空气还会增加培养液水分的蒸发，对微生物的生长和生物合成都是不利的，因此要将压缩空气降温。用于空气冷却的设备一般有列管式换热器和翘板式换热器两种。列管式换热器进行冷却时，其传热系数大约为60~120 J/（m2·s·K）。翘板式换热器则以强制流动的冷空气冷却，其总传热系数可达350 J/（m2·s·K）。 经冷却降温后的空气相对湿度增大，超过其饱和度时（或空气温度冷却至露点以下时），就会析出水来，使过滤介质受潮失效，因此压缩后的湿空气要除水，同时由于空气经压缩机后不可避免地会夹带润滑油，故除水的同时尚需进行除油。 （二）空气预处理设备 1．粗过滤器 安装在空气压缩机前的粗过滤器，其主要作用是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷。粗过滤器一般要求过滤效率高，阻力小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架上，并缝紧所有会造成短路的空隙。它的过滤效率和阻力损失主要视所选用的滤布结构情况和过滤面积而定。布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。最好采用毛质绒布效果最好，现多采用合成纤维滤布、无纺布。气流速度越大，则阻力越大，且过滤效率也低。气流速度一般为2~2.5m3/（m2·min），空气阻力大约为600~1200Pa。滤布要定期清洗，以减少阻力损失和提高过滤效率。  使用填料式粗过滤器（一般用油浸铁丝网、玻璃纤维或其他合成纤维等作填料），过滤效果稍比布袋过滤好，阻力损失也小，但结构复杂，占地面积也较大，内部填料经常洗换才能保持一定的过滤作用，操作比较麻烦。 油浴洗涤装置如图4-8所示。空气进入装置后通过油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而除去。这种装置的洗涤除菌效果好，阻力也不很大但耗油量较多。  水雾除尘装置结构如图4-9所示，空气从设备底部进口管吸入，经装置上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物颗粒黏附沉降，从装置底部排出，而带有水雾的洁净空气，经上部过滤网过滤后进入压缩机。洗涤室内空气流速不能太大，一般在1~2m/s范围内，否则带出水雾太多，会影响压缩机，降低排气量。 2．空气压缩机 由于供应生物加工过程用的空气在生产过程中要克服各种阻力，因此要求提供的空气有0.2~0.3MPa的压力，具有这种压力的空气属低压压缩空气。目前离心式空气压缩机和往复式空气压缩机的使用都较为广泛，但前者有逐步替代后者的趋势。 离心式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形成机壳，使部分动能转变为静压后输出。离心式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀、运转平稳、易损部件少、维护方便、获得的空气不带油雾等特点，是非常理想的生物加工过程供气设备。适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.25~0.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。例如，两段涡轮空气压缩机每段中可有多级翼轮，段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。 往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定，产生空气的脉动。如果使用一般的油润滑空气压缩机，则汽缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中带入油雾，导致传热系数降低，给空气冷却带来困难，如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维空隙，增大空气压力损失。它黏附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而破坏过滤效果。因此，在选择空气压缩机时，最好采用无油润滑空气压缩机。往复式空气压缩机有单缸和多缸之分，多缸中又有V形、W形、L形、H形对置式等汽缸排列形式。以出口压力分，往复式空气压缩机可分成高压（8~100MPa）、中压（1~8MPa）、低压（1MPa以下）三种。目前国内生产的低压往复式压缩机除小型（1m3/min）是单缸之外，大多数是双缸二级压缩的。所谓二级压缩是指空气先进入第一级（低压）汽缸经压缩和冷却后进入第二级（高压）汽缸进行压缩，然后排出。双缸二级压缩又以L形的设计最为普遍。低压二级压缩的额定出口压力为0.8MPa，但可在0.4~0.8MPa的范围内进行调节。空气压缩机所消耗的理论功率，通常用真实气体多变压缩功计算，即：  （4-3） 式中 ——气体不同压力温度等熵指数； ——气体常数； ——名义进气、排气状态下压缩系数； ——气体温度； ——气体压强； 下标1和2分别表示进气、排气状态。 实际功率消耗值为，效率一般为0.6~0.8，同时在配备电机时，一般还需增加5%~15%的安全系数。 3．空气贮罐 由空气压缩机特别是往复式空气压缩机出来的空气是脉动的，在过滤器前要安装一个空气贮罐来消除脉动维持罐压的稳定。贮气罐的作用使压力稳定外，还可以使部分液滴在罐内沉降。其结构如图4-10，体积可按下式计算：  （4-4） 式中 ——贮气罐的体积，m3； ——压缩空气流量，m3/min。 贮气罐圆筒部分的高径比通常为2~2.5。贮气罐上应装安全阀，底部应装排污口，空气在贮罐中的流向应自下而上比较好，如能在罐内放置铁丝网除雾器则更为理想。  4．气液分离器 空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸汽及油分凝结下来，使过滤介质受潮，从而使过滤器失效，因此尚需用气液分离器进行油水分离。所用设备一般有两类，一类是利用离心力进行沉降的旋风分离器，另一类是利用惯性进行拦截的介质过滤器。 旋风分离器是一种结构简单、阻力小、分离效果较高的气—固或气—液分离设备。如图4-11所示，旋风分离器器体上部为圆筒形，下部为圆锥形。含雾沫的气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，获得旋转运动，分离出雾沫后从圆筒顶的排气管排出。油水滴自锥底落入集液斗。  气体通过进气口的速度为10~25m/s，一般采用15~20m/s，所产生的离心力可以分离出小到5μm的颗粒及雾沫。排气口气流速度为4~8m/s，油水滴在旋风分离器中的径向速度与气流速度的平方成正比，但随回转半径的增加而减小，因此旋风分离器的进口管截面积一般比较小，分离器的管径也比较小。但进口空气的流速越大，筒径越小，空气的阻力也就越大。 旋风分离器各部分的尺寸都有一定比例，如图4-12为一种类型的尺寸比例，只要规定出其中一个主要尺寸（直径D或进气口宽度B），则其它各部分的尺寸亦随之确定。由于气体通过进气口的速度变动不大，故每个尺寸已规定好的旋风分离器，所处理的气体体积流量，亦即其生产能力，可变动的范围较窄。 填料过滤器是利用块状介质、颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离空气中的水滴或油滴的方法。目前采用的填料主要有焦炭、活性炭、瓷环、金属车屑、金属丝网、塑料丝网等。在各种填料过滤器中丝网分离器具有较高的分离效率，它对于直径大于5μm的颗粒的分离效果可达99%，大于10μm的更可高达99.5%，且能部分除去较细的颗粒，加上结构简单，阻力不大等，已被广泛应用于生产中，其缺点主要是在雾沫浓度很大的场合，会因雾沫堵塞空隙而增大阻力损失。其示意图见4-13所示。丝网的规格很多，主要的材料有不锈钢、镍、铝、铜、聚乙烯、聚丙烯、涤纶、锦纶等，丝的直径一般为0.25mm左右，也可为0.1mm×0.4mm的扁丝。一般均织成宽为100~150mm的网带，丝网孔直径为20~80目，生产上常用的是0.25×40目的不锈钢丝网。  丝网介质层高度最少为100mm，常用的是150mm，分离细雾时可用200~300mm。分离器圆筒直径按容器的空容器截面气速进行计算：  （4-5） 式中 ——丝网分离器的直径，m； ——通过分离器的空气体积流量，m3/s； ——空容器截面空气流速，m/s； 空容器截面空气流速约为丝网间隙中空气实际流速的75%。 =0.75 （4-6） 空气的实际流速，即最大空气流速可由下面的经验公式给出：  （4-7） 式中 ——空气最大流速，m/s； ——雾沫液体的密度，kg/m3； ——通过空气的密度，kg/m3； ——与空气中雾沫微粒的浓度，液体的表面张力，粘度，丝网的比表面积等有关的经验系数，一般取0.107，当压力变动较大时取0.08。 通过丝网过滤器的压力降一般只有几十毫米汞柱，具体地可由下面的经验公式进行计算：  （4-8） 其中 ——空气流过丝网过滤器的压降，Pa； ——摩擦系数，对金属可取14.2； ——丝网高度，m； ——丝网的空隙率，0.9~0.98； ——丝网的直径，m。 5．空气冷却器 常用的空气冷却用热交换器有立式列管式热交换器、喷淋式热交换器等。由于空气的给热系数很低，一般只有420KJ/（m2·h·℃），设计时应采用恰当的措施来提高它的给热系数，否则将需要很大的传热面积。 使用列管式换热器时，冷却水（或低温水、冷盐水）在管内流动，流速为0.5~3m/s；空气在壳内流动，流速为2~15 m/s。为增加冷却水的流速可采用多程（一般为2~4程）换热器；同时为增加空气在壳体内的湍动，换热器壳体内装有若干与管束垂直的圆缺型挡板或盘状挡板。若水质条件较好，如杂质少不易形成积垢时，为提高空气给热系数，可安排空气走管内，造成多程流动以提高空气流速。采用新型的板翘式热交换器以强制流动的冷空气作为冷却介质，传热系数最大可达1260 KJ/（m2·h·℃）。 在计算冷却器的热交换量时应注意，除了使压缩空气冷却外，在析出水分的情况下还应加入水分冷凝时所释出的汽化潜热。 四、介质过滤除菌 （一）介质过滤除菌机理 一般只有过滤介质的间隙小于颗粒直径，才能起到过滤作用。而在空气介质过滤除菌过程中过滤介质的间隙往往大于颗粒（微生物）直径。如悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5~2μm之间，而深层过滤常用的过滤介质如棉花的纤维直径一般为16~20μm，当填充系数为8%时，棉花纤维所形成网格的空隙为20~50μm，可见后者比前者大得多。实际上，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。各作用力的大小和关系分述如下： 1．惯性冲击滞留作用机理  过滤器中无数交织的纤维形成层层网格，且随着纤维直径的减小和填充密度的增大，网格也越来越紧密。当含有微生物的空气通过滤层时，气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，错综复杂，迫使空气流不断地改变运动方向和速度。现以一条纤维对气流的影响进行分析，图4-14所示为直径为df的纤维的断面，当微粒以一定的速度垂直纤维方向运动时，空气受阻即改变方向，绕过纤维前进。而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维的表面，由于摩擦黏附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。纤维能滞留微粒的宽度区间b与纤维直径df之比，称为单纤维的惯性冲击捕集效率。  （4-9） 纤维滞留微粒的宽度b的大小由微粒的运动惯性所决定。微粒的运动惯性越大，它受气流换向干扰越小，b值就越大。同时，实践证明，捕集效率是微粒惯性力的无因次准数的函数：  （4-10）  （4-11） 值越大，捕集效率也越大。式中的为克宁汉修正系数；为空气在纤维间的真实速度；及为微粒的密度及直径；为空气粘度；为纤维直径。 从惯性准数表达式可见，除微粒本身的特性、之外，气速和纤维直径均能影响捕集效率，其中尤以空气流速最为重要。这是因为在其它条件一定时，增加气速，微粒运动的惯性力也随之增大，触及纤维和被截留的机会也随之增加；反之，如果气速降低，微粒的运动速度也随之下降，惯性力减弱，微粒脱离气体的可能性就减小。当气速下降至某一值时，微粒的惯性力已不足以使微粒脱离气流而碰撞纤维，这时，流道内任何一处的微粒在接近纤维时，皆会随气流一起绕道前进，而不与纤维碰撞，因此=0。该时的气速称之为惯性碰撞的临界气速，也就是能用惯性撞击作用捕集微粒的最低气速。根据实验可知，当时，的值为零，所以可令为气速达临界气速的条件。由此可得  （4-12） 在微米时，，如果（帕·秒）（30时空气的粘度），（千克/米3）（微生物的密度与水接近），则 （米/秒） （4-13） 上式表明，与纤维直径有关，纤维直径越细，越小，对捕集微粒越有利。如果要借助惯性撞击作用捕集微粒，那么操作气速必须大于。 2．拦截滞留作用 气速下降到临界速度以下后，惯性撞击已经失去其捕集微粒的作用，捕集效率显著下降。但事实上，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升，说明有另外的机理在起作用，这就是拦截滞留作用机理。 当微生物等微粒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而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区内的气流速度更慢，进入其中的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。拦截滞留作用对微粒的捕集效率是，它与气流的雷诺准数以及与微粒和纤维直径之比有关，并可用下面的经验公式表示  （4-14） 式中 ；这里是气流在纤维间的真实速度，及分别为气流的密度和黏度。 这个公式虽未完全反映各参数变化过程纤维截留微粒的规律，但对气流速度等于或小于临界速度时计算所得的单纤维截留效率是比较接近实际的。 3．布朗扩散截留作用 直径很小的微粒在缓慢流动的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布朗扩散的范围一般很小（微米级），故在较大气速和较大的空间范围内，它是不起作用的；但在缓慢流动的气流和极小的纤维间隙间，布朗扩散作用大大增强了微粒与纤维的接触和被捕捉。设微粒扩散运动的最大距离为2x，则离纤维2x处气流中的微粒都可能会因扩散运动与纤维接触，滞留在纤维上，增加纤维的捕集效率。这种布朗扩散的截留效率，可按上述阻截作用的公式计算，但其中微粒的直径则应以扩散距离代入计算，得  （4-15） 式中可按下式计算  （4-16） 其中，，为微粒布朗运动的扩散系数；为波尔兹曼常数；为绝对温度。 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 干空气与非导体物质相对运动产生摩擦时，会产生诱导电荷，在纤维和树脂处理过的纤维表面，尤其是一些合成纤维中，这种现象更为明显。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子中20%以上带正荷，15%带负电荷，其余为电中性，这些带电的微粒会受带异性电荷物体的吸引而沉降。 当空气流过介质时，上述五种除菌机理同时起作用，不过气流速度不同，起主要作用的机理也就不同。当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加，此时惯性冲击起主要作用；当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，此时扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能是截留起主要作用。如果空气流速过大，除菌效率又下降，则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中。图4-15表示气流速度与单纤维除菌效率的关系。   （二）空气过滤设备的计算设计 以上讨论的是过滤除菌的机理，由这些微观除菌机理反映出来的宏观结果便是对数穿透定律。 当微粒随气流一起通过滤层时，由于惯性撞击、阻截及布朗扩散等截留作用的结果，使微粒在随气流一起通过滤层的过程中，不断地被捕捉，含量逐渐减少。这种微粒在滤层内的减少，表现出类似一级衰减规律的形式。即：  （4-17） 对上式积分得  （4-18）  或  （4-19） 上式称为空气过滤时的对数穿透定律，表示微生物的穿透能力与滤层厚度为对数关系。、分别为进出滤层的微生物浓度；或为过滤常数或阻塞因子（1/厘米）、（1/米），表示过滤床阻止微生物穿透的能力，取决于过滤介质的性质和操作如纤维的种类、直径、填充率、空气流速及空气中微粒的直径等等，一般由实验获得。 例如，当棉花纤维直径，纤维填充率为8%时，实验室测得与空气流速之间的关系如下： 空气流速v，m/s 0.05 0.10 0.50 1.00 2.00 3.00  K’，1/m 19.30 13.50 10.00 19.50 132.00 256.00  当采用，经糠醛树脂处理过的玻璃纤维，以枯草杆菌为实验时，测得值如下： 空气流速v ，m/s 0.03 0.15 0.30 0.92 1.52 3.15  K’ ，1/m 56.70 25.20 19.30 39.40 150.00 605.00   将与相应介质层厚度在半对数坐标上标绘，可得到一条曲线，如图所示4-17。若，即颗粒的90%被捕获截留，10%穿透，相应的介质层厚度用表示。由式4-19可得： 因此： 由于过滤器的过滤效率是用原有的微粒数与微粒减少数之比来表示的：  （4-20） 式中 ——过滤器的效率。 所以  （4-21） 值受过滤介质的性质和通过过滤器的空气线速度的影响。图4-18为和L90对空气线速度的典型的曲线图。从图中可见在适当增加空气线速度时，可以增加值，但进一步增加空气的线速度反而使下降。下表4-3总结了不同的空气线速度、不同的过滤介质对一定范围微生物的去除能力。增加空气线速度，可能是由于加强了阻滞作用而使值上升，这表明阻滞作用是除菌的主要机制。更高的空气线速度使值下降的原因，可能是由于过滤层受到扰乱，如通道的扩大和纤维的抖动，结果使先前所捕集的微生物颗粒重新释放入空气中。  表4-3 各种过滤介质的过滤性能 材料 流量，l/min   10×0.6 20×0.6 30×0.6 40×0.6 50×0.6 60×0.6 70×0.6 80×0.6   残存粒子数（dp≥0.3μm的粒子，个/500ml）  棉花 1.0 0.7 1.9 14.5 29.5 83.4 242.1 268.7  腈纶 4.4 6.2 13.5 21.8 66.6 106.3 202.2 320.4  涤纶 5.3 34.6 198.8 847.5 1961.3 2908.7 5738.0 4063.0  维尼纶 0.5 0.7 0.5 4.6 8.4 18.0 48.0 401.0  丙纶 6.5 10.7 21.7       玻璃棉 3.2 1.2 3.1 15.8 135.0 424.0    涤腈-无纺布 18.8 91.5 181.2 80.7 147.3 155.5 143.0 185.1   在热灭菌过程中为使杂菌减少到零，需要无限长的时间。同样在过滤理论中，为除去空气流中的所有微生物，需要无限多的滤层。因此，在设计过滤器时必须确定一个可接受的染菌机率，一般取为10-3~10-6。 压力降计算 设计过滤器，除考虑过滤效率之外，还必须考虑气流通过滤层时的压力降。但过滤效率和压力降这两个要求，往往矛盾，不能兼顾，高的过滤效率和低的压力降往往难以同时实现。因此，设计过滤器必须对这两个因素全面权衡，以选择适当的操作条件。 与流体在管道中的流动时的压力降公式相似，气体在滤层中流动时的压力降可按下式计算  （4-22） 式中 ——过滤层厚度，m； ——空气密度，kg/m3； ——介质填充率； ——空气在介质间隙中的实际流速（ m/s），可按计算； ——过滤器空罐气速，m/s； ——纤维直径，m； ——实验指数； 棉花介质：=1.45 19μm玻璃纤维：=1.35 8μm玻璃纤维：=1.55 ——阻力系数，是雷诺准数的函数，通过实验得到： 以棉花为过滤介质  以玻璃纤维为过滤介质  （三）过滤介质 过滤介质是是过滤除菌的关键，直接关系到介质的消耗量、过滤过程动力消耗、设备的结构、尺寸，更是关系到运转过程的稳定性。对过滤介质的总的要求是吸附性强、阻力小、空气流量大、能耐干热。可将常用的过滤介质分为纤维状或颗粒状过滤介质、过滤纸、微孔过滤膜三大类。 1．纤维状或颗粒状过滤介质 这类过滤介质主要有棉花、玻璃纤维、烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等。 （1）棉花 棉花是常用的过滤介质，最好选用纤维细长疏松的未脱脂新鲜产品，因为脱脂棉花易吸水而使体积变小，而贮藏过久，纤维会发脆甚至断裂，增大阻力。棉花的纤维直径一般为16~21μm，实重度1520 kg/m3。使用时要分层均匀铺砌，最后要压紧，一般填充密度为130~ 150 kg/m3，填充率为8.5%~10%。如果不压紧或是填装不均匀，会造成空气走短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果。其主要缺点是阻力大，遇油水易结团，过滤效率不稳定，拆装劳动强度大，不能再生。可用蒸汽灭菌，但不宜每批发酵都进行灭菌，因为棉花层经多次蒸汽加热后易板结，增大空气阻力，降低过滤效果。 （2）活性炭 活性炭有非常大的表面积，通过表面的吸附作用而吸附微生物。常用的活性炭是小圆柱体，其大小φ3×10×5mm，实重度1140 kg/m3。一般填充密度500±30 kg/m3，故填充率为44%。要求活性炭质地坚硬，不易压碎颗粒均匀。填装时要筛去粉末。活性炭常与纤维状过滤介质联合使用。 （3）玻璃纤维 通常使用的玻璃纤维，纤维直径为5~19μm，实重度约为2600kg/m3，填充密度为130~280kg/m3，填充率为5%~11%，其优点是纤维直径小，不易折断，阻力损失一般比棉花小，过滤效果好。玻璃纤维的主要缺点是更换介质时造成碎末飞扬，粘附人的皮肤，易出现过敏现象。为减少玻璃纤维的粉碎，可用酚醛树脂、呋喃树脂等合成纤维粘合成一定填充率和形状的过滤垫后放入过滤器。表4-4为空气流速为0.4m/s时，不同纤维直径、不同填装密度和厚度的玻璃纤维的过滤效率。 表4-4 玻璃纤维的过滤效率 纤维直径 填充密度 填充厚度 过滤效率 纤维直径 填充密度 填充厚度 过滤效率  20 72 5.08 22 18.5 224 10.16 99.3  18.5 224 5.08 97 18.5 224 15.24 99.7  由此可以看出玻璃纤维的过滤效率随纤维直径减小，填充密度和滤层厚度增大而提高。 （4）烧结金属 金属粉末与金属纤维经烧结而成的固体结构具有一定空隙率，由此开辟了金属在过滤领域的新应用。通常根据用户要求及用途选择烧结金属的金属粉末和纤维，一般选用的材料有青铜、不锈钢、镍质超合金和钛。多孔烧结金属形状稳定，甚至在高温下能保持其结构；耐高温，特殊高温合金可在1000℃以上操作；精确孔径的分布范围广，孔隙尺寸范围从3~40微米；可采用逆流过饱和蒸汽、化学溶剂进行清洗再生。其价格较高，而且耐酸性能往往由于材料种类而受到一定限制。 （5）多孔陶瓷 多孔陶瓷包括普通多孔素瓷和刚玉两种，前者的主要原料是耐火黏土，后者是石英粉，将它们分别与热固性树脂以及溶剂混合制成需要的形状，然后在1400℃的窑内煅烧而成。多孔陶瓷具有耐高温、抗火花性质，可在高达900℃的温度下操作，但通常将最高温度限制在450℃左右；能抵抗酸、碱的侵蚀。多孔陶瓷过滤元件在使用一段时间后，过滤效率会逐渐降低，这时可用逆流脉冲空气进行清洗再生，滤饼以碎片形式被去除。但是它容易在过滤过程中掉砂而影响空气质量，并且由于材质原因较笨重且脆性大、强度低、安装不方便。 （6）多孔塑料 烧结粉末聚合物可以制成具有孔径范围5~150微米的多孔过滤材料，该工艺适合于聚氯乙烯、聚丙烯、高、低和超高分子量聚乙烯等聚合物。多孔塑料本体属蜂窝形结构，纵横都具有连续的孔隙，毛细孔道弯曲，比表面积大，捕捉固体颗粒能力强，过滤精度高而稳定。对于同样的固体捕捉量，由于流体可三维流动，阻力增加较慢，压力损失上升速度较小。材料具有一定刚性，在内外压力作用下，不会产生明显变形，可用气体反吹法卸除过滤管表面的滤渣。化学性能较理想，对各种酸、碱、盐等溶液非常稳定，能耐醇、醛与脂烃等溶剂的侵蚀。在70℃以下，基本不与任何溶液起反应，但不能用于芳香烃氯化烃，因为这类溶剂能引起聚乙烯膨胀。可反复再生，再生方法可采用气体反吹、液体反吹及化学溶解等方法。尤其是气体反吹法，操作简单，再生效率高，使用寿命长，最长可达六年。 表4-5 常见多孔塑料性能 聚合物 工艺 UTS，100kg/cm2 孔径，μm 最高操作温度，℃ 抵抗化学腐蚀  高密度聚乙烯 （HDPE） 烧结 30 10~150 连续80 未受应力100 常规HDPE不能使用强氧化性酸  超高分子量 聚乙烯（UHMW-PE） 烧结 10 10~150 连续80 未受应力100 常规UHMW不能使用强氧化性酸  聚氯乙烯（PVC） 烧结 160 20~75 连续60 —  聚丙烯（PP） 烧结 30 10~120 连续120 常规PP不能使用强氧化性酸  聚氨基甲酸乙酯（PU） 可除去填料 2 10~25 120 常规UU不能使用强氧化性酸  聚氯乙烯（UU） 可除去填料 4 2~10 60 —  2．过滤纸类介质 这类过滤介质主要是玻璃纤维纸。纤维间的孔隙约为1~1.5μm，厚度约为0.25~0.4mm，实重度为2600kg/m3，虚重度为384kg/m3，填充率为14.8%，一般应用时需将3~6张滤纸叠在一起使用，属于深层过滤技术。这类过滤介质的过滤效率相当高，对于大于0.3μm的颗粒的去除率为99.99%以上，同时阻力也比较小，压力降较小；其缺点是强度不大，特别是受潮后强度更差。 表4-6 玻璃纤维纸的过滤效能 介质 流量，l/min   6.0 12.0 18.0 24.0 30.0 36.0 42.0 48.0 54.0 60.0   残存粒子数，个/500ml  红光滤纸三层 1.8 0.0 0.8 0.0 1.0 1.2 3.0 3.3 12.4 150.6  Ju滤纸三层 1.2 2.3 0.2 1.2 3.2 10.2 30.2 47.8 81.4 746.9  02滤纸三层 0.7 1.3 2.5 0.5 1.3 1.0 2.2 2.0 16.3 167.0  3．非织造布 机织滤布由于纤维定向排列，纱线本身过分紧密，加以经纬交叉结构，纱线间有较大孔隙，为了提高其过滤效率，一般要求织物组织紧密，但却使过滤阻力增大。非织造布尤其是滤布具有纤维细度低，结构蓬松，孔隙多而且孔隙尺寸小，抗折皱能力好的优点，可收到滤效高、滤阻小、使用寿命长的效果，同时由于纤维间的容量大，即使积留一定量过滤物质后仍能保持较低的滤阻，其过滤性能优良，滤效可达99.9%以上。 德国Sandler非织造厂于2002年推出了一种新过滤介质Minipleat／Sawascreen，它既可折叠，又十分坚硬，可用于紧凑式过滤器中，其材料为聚丙烯。100％PP材质的特性是抗潮湿、刚度好、弹性高、操作性能优异，可以在110℃～140℃温度范围使用。压力降为8～200Pa，可过滤0.3～0.5微米级颗粒。 聚丙烯熔喷非织造布是采用一定分子量、等规度和熔融指数（MI）的聚丙烯树脂生产出来的。首先是将聚丙烯树脂加到螺杆挤压机里使其熔融，并加热到形成纤维所需要的温度，经一特殊设计的喷头，聚合物由喷嘴的喷丝孔中挤压出来时，受到喷丝孔两侧与熔体喷出方向呈一定角度的高压热气流的喷吹。在这种强烈、高速（550ｍ/s）热气流（340-370℃）的作用下，熔体被拉伸，形成超细长丝，或被吹断成具有一定长度的微细短纤维，同时受到来自外侧冷却空气的冷却固化，在气流作用下凝聚在滚筒式纤维接收器上或循环式成网帘上形成熔喷纤网，纤网中纤维相互交络，靠喷丝后聚合物的余热及牵伸热空气使纤维热熔粘合，而固结在一起直接成为熔喷法聚丙烯非织造布。熔喷聚丙烯非织造布的工艺流程如下： 非织造布所用纤维的直径是影响过滤效果的一个重要因素。此外，根据过滤的颗粒与纤维之间的作用力形式可知，要想提高滤料的过滤效果，还需考虑的因素包括：（1）选择制成纤维的高聚物和被过滤的颗粒是否带有偶极。（2）纤维的比表面积能否起到增强过滤材料对被过滤粒子的吸附作用。（3）非织造布的结构以及孔隙能否使被过滤颗粒与纤维蓬松的孔隙广泛接触，扩大其电子活动中心，并具有良好渗透效果。 4．微孔膜类过滤介质 微孔膜类过滤介质的孔隙小于0.5μm，甚至小于0.1μm，能将空气中的细菌真正滤去，属于绝对过滤。绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便。常用的膜材料有混合纤维素脂微孔滤膜、醋酸纤维素微孔滤膜、硅酸硼纤维微孔滤膜、聚四氟乙烯微孔滤膜。中空纤维超滤膜是我国发展最早、应用最为广泛、国产化率最高的膜技术之一。它是以分子或粒子大小为基础的，以压力作为推动力的动态错流过滤技术。目前我国生产的中空纤维超滤膜的直径在0.5～2.0mm，膜孔径在0.01～0.001μm，超滤膜截留分子量范围基本上为100000至6000Dolton。它比细菌的分子量小百倍，可将细菌、菌尸、病毒、微小悬浮物、微生物、胶体、热源等100%地截留。 （四）空气介质过滤器的设备构造  1．纤维状或颗粒介质过滤器 纤维状或颗粒介质过滤器通常是立式圆筒形，内部填充过滤介质，空气由下而上通过过滤介质，以达到除菌的目的。其结构见图4-20。过滤器内有上下孔板，过滤介质置于上下孔板之间，被孔板压紧。介质主要为棉花、玻璃纤维、活性炭，也有用矿渣棉。一般棉花置于上、下层，活性炭在中间，也可全部用纤维状介质。填充物按下面的顺序安装： 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。 安装介质时要求紧密均匀，压紧要一致。压紧装置有多种形式，可以在周边固定螺栓压紧，也可以用中央螺栓压紧，也可以利用顶盖的密封螺栓压紧，其中顶盖压紧比较简便。在填充介质区间的过滤器圆筒外部通常装设夹套，其作用是在消毒时对过滤介质间接加热，但要十分小心控制，若温度过高，则容易使棉花局部焦化而丧失过滤效能，甚至有烧焦着火的危险。 通常空气从圆筒下部切线方向进入，从上部排出，出口不宜安装在罐顶，以免检修时拆装管道困难。 过滤器上方应装有安全阀、压力表，罐底装有排污孔。要经常检查空气冷却是否安全，过滤介质是否潮湿等情况。过滤器进行加热灭菌时，一般是自上而下通入0.2~0.4MPa（表压）的干燥蒸汽，维持45min，然后用压缩空气吹干备用。 其主要缺点是：体积大，操作困难，填装介质费时费力，介质填装的松紧程度不易掌握，空气压力降大，介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气。 2．过滤纸类过滤器  这种过滤器的型式有旋风式和套筒式，见图4-21。过滤介质为超细玻璃纤维纸，过滤层很薄，一般用3~6张滤纸叠在一起使用，属于深层过滤技术。纤维间的孔隙约为1~1.5μm，厚度约为0.25~0.4mm，实重度为2600kg/m3，虚重度为384kg/m3，填充率为14.8%，除菌效率相当高，对于大于0.3μm的颗粒的去除率为99.99%以上，阻力小，压力降小；但强度不大，特别是受潮后强度更差，为了增加强度，常用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂或含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理。安装时将滤纸夹在多孔法兰花板中间，花板上开小孔，开孔面积占40%，在滤纸上、下分别铺上铜丝网和细麻布，外面各有一个橡胶垫圈。空气在过滤器中的流速为0.2~1.5m/s。 要评价一种过滤器是否优越，最主要是看其过滤效率。而是和的函数，值（阻滞因子）越大，则越小；同时越小越好，因而把作为综合性能指标来评价。 （五）无菌空气制备新设备 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。  图4-22 Bio-x过滤器 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。其主要技术参数如表4-7。 表4-7 JPF型聚二氟乙烯膜折叠式过滤器的主要技术参数 滤膜材料 滤芯规格 过滤面积 过滤精度 工作温度 过滤效率 灭菌温度  聚二氯乙烯（PVDF）或聚四氯乙烯 10英寸、20英寸 （内径均为37mm） 0.65m2/英寸 0.01 80℃ 99.9999% 120℃，30min/次，160次  但是折叠式膜过滤器滤芯的耐压强度较低，正向一般≤0.2MPa，反向更低。耐压强度限制了滤芯的使用寿命和反冲清洗。而且，在悬浮物含量较高的使用场合，往往需要频繁地更换滤芯。安兴才等人在此基础上研制的新型叠片式膜过滤器弥补了折叠式滤器的不足。 叠片式过滤器或称分节式滤器，以不锈钢空心圆盘作骨架，将多片膜片堆叠安装成过滤器。如图4-23，空心圆盘有内开孔和外开孔两种。在过滤器中，这两种空心圆盘交替放置，膜片夹在空心圆盘之间，形成机械密封。在进行过滤时，液体或气体从空心圆盘外开孔进入滤芯透过膜，再经空心圆盘内开孔进入中心收集管。反冲清洗时，清洗液从中心收集管经空心圆盘内开孔进入过滤器，经滤膜后再经空心圆盘外开孔流出。  与折叠式滤器相比，叠片式过滤器的运行费用大大降低了，这是因为：（1）只更换膜片，省去了一次性消费的滤芯骨架；（2）耐高温高压，使膜的性能得到了充分的发挥；（3）卓越的反冲清洗功能，提高了膜片的使用寿命。因此，叠片式过滤器具有低阻力、密封可靠、耐高温、耐压强度高，且具有正反等效的特点。 5．过滤器的设计计算举例 试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器，空气压力为392kPa（绝对压力），进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3发酵周期为100h，要求倒罐率为0.1%，（即一千次发酵漏进一个杂菌，就是无菌程度为10-3个）。工作温度30℃。 解：选用直径的棉花纤维，填充系数，空气流速查表得过滤常数 。 （1）每批发酵通风过滤前含菌总数为： 个 过滤后含菌数为个 代入对数穿越定律  求得过滤层厚度：m （2）计算过滤器直径D 进口空气压强 Pa 过滤空气压强 Pa 通气量 m3/s 过滤器空气流量为： m3/s m （3）计算过滤压力损失： 滤层中空气流速为： m/s kg/m3 Pa·s  以棉花为过滤介质时：  由  便可求得过滤阻力损失： Pa 第二节 生物加工过程的空气调节 空气调节是指在一定的空间内对其空气温度、湿度、清洁度和空气流动速度进行调节，达到并保持满足人体舒适和工艺要求的过程。在现代技术发展的条件下，空气调节有时还需对空气的压力、成分、气味和噪声进行调节和控制。 生物工业生产基本上涉及纯培养，无论是用微生物细胞、动植物细胞或酶等作生物催化剂，也不管是生产食品原料或药物原料，均需要洁净的环境、适宜的空气温度和空气压强，这就需要在生物加工过程中进行空气调节。例如，发酵车间不仅对空气的洁净度有一定的要求，而且发酵罐壁和电机会向环境散发热量，故需强化通风；包装车间需要更洁净的空气（100级），温度25℃左右，且相对湿度低（40%~60%），以防止产品吸潮。而使用基因工程菌株的发酵生产，其发酵车间和产物分离提取车间均需要密闭且负压，以确保重组菌株不会泄露到大气环境中。通入固态发酵培养基或培养室的空气，其温度和湿度以及压力要符合固态发酵的工艺要求，特别是空气的相对湿度最好能达到90%以上。啤酒生产中的麦芽生产和啤酒发酵也需要对空气进行调节。用气流干燥生物工程产品时，需要对空气的温度和湿度等状态参数进行调节。 根据我国《药品生产和质量管理规范》（Good Manufacturing Practice，简称GMP）第14条规定：厂房必须按生产工艺和产品质量的要求划分洁净级别。这里的洁净级别是以一定体积空气中所含污染物质的大小和数量来确定的。污染物质会使药品受到不良影响，甚至改变性能。危害药品质量的污染物质除了与其他工业洁净厂房一样，主要是悬浮在空气中的微粒外，还有依附于微粒的微生物。因而药品生产的洁净级别均以微粒和微生物为控制对象。 洁净度的计算，一般是先测量1立方英尺（28.3升）中0.5μm或5μm粒径的颗粒数，然后与规定数比较，即可得出净化级别。 表4-8 洁净度等级对照表 洁净级别 尘粒个数 个/m3 活微生物个数 个/m3   ≥0.5μm ≥5μm   100级 ≤3500 0 ≤5   10000级 ≤350000 ≤2000 ≤10   100000级 ≤3500000 ≤20000 ≤500 　  空气的洁净度可用空气除菌方法实现，本节所涉及的空气调节主要是指对空气进行湿度、焓等状态参数的调节。 一、空气调节的方法 空气调节主要是改变空气的热焓量和湿含量等状态参数，为了实现不同的空气处理方案，需要使用不同的空气处理设备，其中最常用的是各种湿热交换设备。作为热、湿交换的介质有水、蒸汽、液体吸湿剂和制冷剂。根据各种热、湿交换设备的工作特点不同，可将它们分成两大类：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。例如，在喷水室中喷不同湿度的水，可以实现空气的加热、冷却、加湿和减湿等多种过程；利用蒸汽加湿器喷蒸汽，可以实现空气的加湿过程；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 1．水蒸汽分压 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。选取干空气的质量作为空气湿度的基准是因为在增湿或减湿过程中干空气质量不变（正如在吸收过程中混合气体中的惰性气体量不变一样），便于作物料衡算。  （4-23） 式中 ——空气中水汽分压，； ——水汽的相对分子质量， ——空气的相对分子质量， 将分子量的数值代入，得  （4-24） 3．空气的相对湿度 用水汽分压或绝对湿度来表示空气中水汽的含量，能表明湿空气中水汽的绝对量，但未能反映这样的湿空气继续接受水分的能力。对应于一定的空气温度t，有一个饱和水蒸气压，它就是在此t下，水汽在空气中的最大分压。为了表示距离饱和状态的程度，常用相对湿度来衡量。 相对湿度定义为空气中水汽分压与同温度下饱和水汽压之比  （4-25） 显然，愈小，则与的差距愈大，空气中湿含量与饱和状态相距也愈远；当=1时，空气已被水饱和。  （4-26） 空气饱和时的湿度  （4-27） 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。此时开始有水珠冷凝出来。在空调技术中，常利用冷却方法是空气温度降到露点温度以下，以便水蒸气从空气中析出凝结成水，从而达到干燥空气的目的。 5．湿球温度tw 如图4-24，将温度计的感温球包以湿纱布，纱布的一部分浸入水中以保持纱布足够湿润，这就成为湿球温度计。这种温度计在温度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。与此同时，在空气流中还放一支普通温度计，所测得的温度，相对于湿球温度而言称为空气的干球温度。  6．湿空气的焓 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。 湿空气的焓等于干空气的焓与其中所带水汽的焓之和。以干空气作为基准，并以0℃作为基准温度，则湿空气的焓为：  （4-28） 式中 ——湿空气的焓，kJ/kg干空气； ——干空气的质量热容，kJ/kg·K； ——水汽的焓，kJ/kg水汽。 而 （4-29） 代入式（4-28）得 （4-30） 或 （4-31） 式中 ——水汽的质量热容， kJ/kg·K； ，称为湿空气的质量热容或简称湿质量热容。 ，单位为kg/（kg·K）； ——水在0℃的汽化潜热。 kJ/kg。 将相应的数值代入得：  （4-32） 当空气与大量水接触时，其状态变化的路线与终点将依水的初温而改变。设空气的湿含量为H，热焓值为I，经调节后的湿含量变化值和热焓变化值分别为△H和△I，比值表示单位湿含量的变化所引起的热焓量变化。 每一空气状态的变化过程，由于在焓湿图上变化方向不尽相同，其相应的值也不尽相同，如图4-25，在图上可绘出代表不同状态改变的多条直线，它们各有不同的斜率。  由于空气的增湿和减湿牵涉到物质（水汽）和热量的同时传递，故过程的机理比较复杂。现将不同情况下空气和水进行热、质传递的相互关系讨论如下： 在图4-26中，以横坐标表示垂直于界面的距离，纵坐标表示温度或湿度，且令： ——水主体的温度； ——界面的温度； ——空气主体的温度，即空气的干球温度； ——空气主体的湿度； ——空气在界面温度下的饱和湿度。  图中以虚线箭头代表水汽在气相中的传递方向，实线箭头代表通过空气和水到界面的传热（分显热和潜热）方向。 最简单的情况是空气的绝热冷却过程。在湿含量差的作用下，空气不断增湿，也就是说在推动力的作用下，水分不断从两相界面传递到空气中去。与此同时也进行着传热过程。由于空气温度高于水温，借助对流给热，热量从空气传递到水，放出显热而空气自身的温度降低，水吸收了显热而升温。但此时，由于水分汽化后把潜热带到空气中，这部分热量的传递方向刚好与上述显热的传递方向相反。 减湿过程与增湿过程相反，空气的湿含量超过了界面处的空气湿含量，所以水分扩散的方向正好与增湿相反，空气的湿含量不断减少，空气中水分冷凝放出的潜热和空气降温的显热，通过对流传给水，变为水的显热，使水的温度升高。 （二）湿空气焓湿图介绍 表征湿空气状态的各主要参数，部分可以查图得到，也可以通过公式计算得出。在空气调节工程中，为了避免繁琐的公式计算，可以将一定大气压力P下的t、H、ψ、I、PW等湿空气的状态参数之间关系用线算图表示出来。线算图有多种形式，我国广泛采用的是以焓为纵坐标，以含湿量为横坐标的焓湿图，又称I-H图。I-H图上的每一个点代表了湿空气的一个状态，而每一条线则表示了湿空气的状态变化过程。因此，I-H图既能联系以上讲过的状态参数，又能表达空气的各种状态变化过程，利用它可以简化空气调节过程中大量的分析和计算工作，为设计和运行提供极大的方便。所以，I-H图是空调工程中十分重要的工具。焓湿图见附录。 1．等焓线和等含湿线 确定坐标比例尺之后，就可以在图上绘出一系列与纵坐标平行的等H线及与横坐标平行的等I线。T=0和H=0的干空气状态为坐标原点。 2．等温线 等温线是根据公式绘制的。 由上式可知，当温度为常数时，I和H为直线关系。所以等温线在I-H图上是一系列的直线。公式中1.01t为截距，2492+1.84t为斜率，当t值不同时每一条等温线的斜率是不相同的，显然，等温线为一组互不平行的直线，但由于1.84t远小于2492，温度t对斜率的影响不显著，所以各等温线之间又近似平行。 3．等相对湿度线 根据公式可以绘出等相对湿度线。在一定的大气压力P下，当相对湿度ψ为常数时，含湿量H就取决于ps，而ps又是温度t的单值函数，其值可以从水蒸气性质表中查出。因此，给定不同的温度t，可求得相应的H值，根据t、H值就可以在I-H图上找到若干点，连接各点即成等ψ线。等ψ线是一组发散形的曲线。Ψ=0%的等ψ线是纵坐标轴，ψ=100%的等ψ线是湿空气的饱和状态线，该曲线左上方为湿空气区，右下方为水蒸汽的过饱和区。 4．水蒸汽分压力线 公式可变换为。当大气压力一定时，上式为的函数形式，即水蒸汽分压力仅取决于含湿量，每给定一个值，就可以得到相应的值。因此，可在代用H轴的上方绘一条水平线，标上值所对应的值即为水蒸汽的分压力线。 5．热湿比线  为了说明空气由一个状态变为另一个状态的热湿变化过程，在I-H图上还标有热湿比线ε。在空气调节过程中，被处理的空气常常由一个状态变为另一个状态。在整个过程中，如果认为空气的热、湿变化是同时的、均匀发生的，那么，在I-H图上由状态A到状态B的直线连线就代表空气状态变化过程线，如图4-27所示。湿空气状态变化前后的焓差和含湿量之比，称为热湿比，用符号ε表示。  （4-33） 热湿比ε表示了空气状态变化的方向和特征。将上式分子分母同乘总空气量G，将得到：  （4-34） 可见，总空气量G在处理过程中所得到或失去的热量Q和湿量W的比值，与相应1kg空气的比值是完全一致的。 上式中，和W是以kg为单位，若的单位为g，则上式变为另一种形式： ε= （4-35） 由平面坐标系的建立已知，纵坐标与横坐标之比表示直线的斜率。因此，在I-H图上，ε就是直线AB的斜率，因它代表了过程线AB的倾斜角度，故又称“角系数”。所以，对于起始状态不同的空气，只要斜率相同（即ε值相同），其变化过程线必定相互平行，又因斜率与起始位置无关，根据这一特征，就可以在I-H图上以任意点为中心作出一系列不同值的ε标尺线，如图4-28所示。实际应用时，只需将等值的ε标尺线平移到起始状态，就可以绘出该空气状态的变化过程线。  例1：已知大气压力P=101325Pa，空气初状态参数为℃，。空气的初状态为点A。当空气吸收的热量和kg/h的湿量后，焓值变为kJ/kg干空气，求终状态点B。 解：在大气压力为P=101325Pa的I-H图上，由℃，，确定空气的初状态点A。求得热湿比kJ/kg。 由此值，在I-H图的ε标尺上找到相应的kJ/kg线，然后过A点作该线的平行线，即为空气的状态变化过程线。此线与 kJ/kg干空气的等焓线交点B，就是空气终点状态点。如图4-28所示，由图查得℃，g/kg干空气。  根据两个独立的状态参数确定空气状态及其余参数 一般涉及的湿空气的状态参数共有t、d、ψ、I及tw五个。当大气压力P一定时，可以根据其中任意两个决定空气状态，再从I-H图上查得td、pw、ps等参数。如图4-30所示。 例2：已知大气压力P=101325Pa，空气的温度t=20℃，相对湿度ψ=60%，求露点温度td和湿球温度tw。 解：在P=101325Pa的I-H图上，根据t=20℃，ψ=60%决定空气状态点A。 因为当将不饱和空气冷却达到饱和时，所对应的温度即为露点温度。所以在I-H图上，将A状态空气沿等HA线冷却到与的饱和线相交，则交点C的温度即为A状态空气的露点温度td=12℃。如图4-31。 过A点引等焓线与线相交，则交点B的温度即为A状态空气的湿球温度，tw=15.2℃  （三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法 利用I-H图不仅能确定空气状态和状态参数，而且还能表示空气状态的变化过程。湿空气从一个状态变化到另一个状态的变化过程，可以用连接起止空气状态点的直线表示。 各种变化过程的方向和特征可用湿热比表示。现对典型的空气状态变化过程简述如下： 1．等湿（干式）加热过程 空气调节中常用表面式空气加热器来处理空气。当空气通过加热器时获得了热量，提高了温度，但含湿量并没有变化。因此，空气状态变化是等湿增焓升温过程，过程线为A→B。在状态变化过程中，故其热湿比ε为：  （4-36） 同理可推得等湿（干式）冷却过程的热湿比为-∞ 2．等焓减湿过程 用固体吸湿剂（例如硅胶）处理空气时，水蒸汽被吸附，空气的含湿量降低，空气失去潜热，而得到水蒸汽凝结时放出的汽化热是温度升高，但焓值基本未变，只是略微减少了凝结水带走的液体热，空气近似按等焓减湿升温过程变化，如图A→D所示，其ε值为：  （4-37） 3．等焓加湿过程 用喷水室喷循环水处理空气时，水吸收空气的热量而蒸发为水蒸汽，空气失掉显热，温度降低，水蒸汽到空气中使含湿量增加，潜热量也增加。由于空气失掉显热，得到潜热，因而空气焓值基本不变，所以此过程为等焓加湿过程。由于此过程与外界没有热量交换，故又称绝热加湿过程。此时，循环水温将稳定在空气的湿球温度上，如图A→E所示。由于状态变化前后空气焓值相等，因而ε值为：  （4-38） 4．等温加湿过程 如图中A→F过程。这也是一个典型的状态变化过程，是通过向空气喷蒸汽而实现的。空气中增加水蒸汽后，其焓和含湿量都将增加，焓的增加值为加入蒸汽的全热量，即  kg/kg干空气 （4-39） 式中 ——每kg干空气增加的含湿量，kg/kg干空气 ——水蒸汽的焓，其值由计算。 此过程的ε值为：  （4-40） 如果喷入蒸汽温度为100℃，则ε≌2690，该过程与等温线近似平行，故为等温加湿过程。 5．减湿冷却（或冷却干燥）过程 如果用表面冷却器处理空气，当冷却器的表面温度低于空气的露点温度时，空气中的水蒸汽将凝结为水，从而使空气减湿，空气的变化过程为减湿冷却过程或冷却干燥过程，此过程线如图A→G，因为空气焓值及含湿量均减少，故热湿比ε为： ＞0 （4-41） 如果用水温低于空气露点温度的水处理空气，也能实现此过程。 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 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，这时根据水温不同，可能仅有显热交换；也可能既有显热交换，又有湿交换（质交换），而与湿交换同时将发生潜热交换。 空气与水直接接触时，在贴近水表面的地方或水滴周围，由于水分子作不规则运动的结果，形成了一个温度等于水表面温度的饱和边界层，而且边界层内水蒸汽分子的浓度或水蒸汽分压取决于边界层的饱和空气温度。在边界层周围，水蒸汽分子仍作不规则运动，结果经常有一部分水分子进入边界层，同时也有一部分水蒸汽分子离开边界层回到水中。如果边界层温度高于周围空气温度，则由边界层向周围空气传热；反之，则由周围空气向边界层传热。如果边界层内的水蒸汽分子浓度大于周围空气的水蒸汽分子浓度（即边界层的水蒸汽分压力大于周围空气的水蒸汽分压力），则由边界层进入周围空气中的水蒸汽分子数多于由周围空气进入边界层的水蒸汽分子数，结果周围空气中的水蒸汽分子数将增加；反之，则将减少。我们通常遇到的“蒸发”与“凝结”现象，就是这种作用的结果。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。  由此可见，空气与水之间的显热交换，取决于边界层与周围空气之间的温度差。而湿交换及由它引起的潜热交换则取决于二者之间的水蒸汽分子浓度差或者取决与二者之间的水蒸汽压力差。 1．空气与水热交换 当空气在微小表面dF表面上接触时，显热交换量  （4-42） 式中 ——空气与水表面的显热交换系数，W/（m2·℃）； ——周围的空气温度，℃； ——边界层的空气温度，℃。 和湿交换同时发生的潜热交换量：  （4-43） 式中 ——水的汽化潜热，J/kg； ——空气与水表面之间按含湿量差计算的湿交换系数，kg/（m2·s）； ——周围空气的含湿量，kg/kg干空气； ——边界层空气的含湿量，kg/kg干空气。 所以总热交换为：  （4-44） 2．湿交换  （4-45） 式中 ——空气与水表面之间按水蒸汽分子浓度差计算的湿交换系数，m/s； ——周围空气中的水蒸汽分子浓度，kg/m3； ——边界层的水蒸汽分子浓度，kg/m3； 或者可写成：  （4-46） 式中 ——空气与水表面之间按水蒸汽分压力差计算的湿交换系数，kg/（N·s）； ——周围空气的水蒸汽分压力，Pa； ——边界层空气的水蒸汽分压力，Pa。 由于水蒸汽分压力差在比较小的温度范围内也可以用具有不同湿交换系数的含湿量差代替，所以湿交换量又可写成：  （4-47） 式中 ——空气与水表面之间按含湿量差计算的湿交换系数，kg/（m2·s）； ——周围空气的含湿量，kg/kg干空气； ——边界层空气的含湿量，kg/kg干空气。 在以上计算中，式中的dF是与空气直接接触的真实水表面积，所以如能按面积积分上式，是可以得到总热交换量和总湿交换量的。不过利用这个公式来进行换热量的计算相当困难。因为F有时很难确定。以空气调节中常用的喷水室为例，水的表面积将是尺寸不同的所有水滴表面积之和，其大小与喷嘴构造、喷嘴前水压等很多因素有关，它的准确测定几乎是不可能的。 尽管如此，利用上述公式来说明热、湿交换设备中发生的物理现象，对于分析问题还是有帮助的。因为公式不仅指明了影响热、湿交换的因素，而且根据这些因素的大小还可以判断经过热、湿交换以后空气状态将如何变化。 （二）空气与水直接接触时的状态变化过程 当空气流经水面或水滴时，就会把边界层中的饱和空气带走一部分，而补充以新的空气继续达到饱和，因而饱和空气层将不断与流过的那部分未饱和空气相混合，使整个空气状态发生变化。因此可以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。 根据空气的混合规律，在I-H图上，混合后的状态点应该位于连接空气初状态和该水温下饱和状态点的直线上。显然，达到饱和的空气愈多，空气的终状态点愈靠近饱和状态点。由此可见，如果和空气接触的水量无限大，接触时间又无限长，即在所谓的假想条件下，全部空气都能达到饱和状态，并具有水的温度，也就是说，空气的终状态点将位于的I-H图的饱和曲线上并且空气的终温将等于水温；与空气接触的水温不同，空气的状态变化过程也将不同。所以在上述假想条件下，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。  表4-9空气与水直接接触时各种过程的特点 过程线 水温特点 t或Qx d或Qq I或Qz 过程名称  A-1 ts＜td 减 减 减 减湿冷却  A-2 ts＝td 减 不变 减 等湿冷却  A-3 td＜ts＜tw 减 增 减 减焓加湿  A-4 ts＝tw 减 增 不变 等焓加湿  A-5 tw＜ts＜t 减 增 增 增焓加湿  A-6 ts＝t 不变 增 增 等温加湿  A-7 ts＞t 增 增 增 增温加湿  表中t为空气的干球温度；tw为湿球温度、td为露点温度、ts为水温。 （三）用喷水室处理空气 使水以雾状喷入不饱和的空气中，使其增湿。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。其主要优点是能够实现多种空气处理过程，具有一定的净化空气能力，耗费金属量少和容易加工。但是它也有对水质的卫生要求高、占地面积大、水系统复杂和水泵消耗电能较多能缺点。 如图4-34为应用较多的普通卧式单级喷水室的构造，它由许多部件组成。前挡水板的作用是为了挡住可能飞溅出来的水滴，并使进入喷水室的空气均匀。因此有时也称其为“均风板”。被处理的空气进入喷水室后，与喷嘴喷出的水滴相接触，进行热、湿交换，然后经后挡水板流出。后挡水板使夹在空气中的水滴分离出来，以减少空气带走的水量（过水量）。喷嘴安装在专门的排管上，通常设置一至三排喷嘴。喷水方向根据与空气流动方向相同与否分为顺喷、逆喷和对喷。喷嘴喷出的水滴最后落入底池中。  目前喷水室的生产基本上已经工业化，作为空调箱的一个组成部分随产品一起出厂。制造喷水室的材料主要是钢板和玻璃钢。现场施工时也可利用钢筋混凝土和砖制造喷水室。 喷嘴是喷水室的主要构件之一，在我国空气调节过程中一般常用Y-1型离心喷嘴，其构造及喷水性能见图4-35。  （四）喷水室的热工计算 1．喷水室处理空气的实际过程 我们知道空气与水直接接触时，在假想的条件下，可能实现七种状态变化过程。所谓假想条件，一是指用以处理空气的水量无限大，所以水温始终不变，二是指空气与水接触时间非常充分，以致所有空气都能达到饱和，而且空气温度最终与水温一样。 但是在实际的喷水室里，喷水量总是有限的，空气与水的接触时间也不可能很长，所以空气状态和水温都是不断变化的，而且空气的终状态也很难达到饱和。 此外，在i-H图上，实际的空气状态变化过程并不是一条直线，而是曲线。同时该曲线的弯曲形状又和空气与水滴的相对运动方向有关系。如图4-36。  假设水滴与空气的运动方向相同（顺流），因为空气总是先与具有初温tS1的水相接触，而且有一小部分达到饱和，且温度等于tS1。这小部分空气与其余空气混合得到状态点1，此时水温升至t′s。然后具有1状态的空气与温度为t′s的水滴相接触，又有一小部分达到饱和，其温度等于ts′。这部分空气再与其余空气混合达到状态2，此时水温已升至ts′。如此继续下去，最后可得到一条表示空气状态变化过程的折线，点取得多时，便成了曲线。在逆流的情况下，按同样的分析方法，可以看到曲线将向另一方向弯曲。 可见，无论在顺流还是逆流的情况下，喷水室里的空气状态变化过程都不是直线，而是曲线，而且如果接触时间充分，在顺流时空气状态将等于水温，在逆流时，空气终状态将等于水初温。不过在实际的喷水室中，无论是逆喷还是顺喷，水滴与空气的运动方向都不是纯粹的逆流或顺流，而是比较复杂的交叉流动。所以空气的终状态将既不等于水终温也不等于水初温，对喷时也不等于水的平均温度。 尽管在实际的喷水室中，空气的状态变化过程并不是直线，但是因为在实际工作中，人们所关心的只是处理后的空气终状态，而不是状态变化的轨迹，所以还是用连接空气初、终状态点来表示空气状态的变化过程。 此外，由于空气与水接触时间不够充分，所以空气的终状态也往往达不到饱和。经验表明，对单级喷水室，空气的终相对湿度一般能达到95%，用双级喷水室处理空气时，空气的终相对湿度一般能达到100%。 2．喷水室的热交换效率系数和接触系数 为了说明喷水室里发生的实际过程与水量有限、但接触时间足够充分的理想过程的接近程度，在喷水室的热工计算中，是把实际过程与这种理想过程进行比较，而将比较结果用所谓热交换系数和接触系数表示，并用它们来评价喷水室的热工性能。 考虑如图4-37的冷却减湿过程中空气的状态变化与水温的变化。在空气与水接触时，如果热湿交换充分，则具有状态1的空气最终可变到状态3。但是由于实际过程中热湿交换不够充分，空气的最终态只能达到2。进入喷水室的水初温为tS1，因为水量有限，与空气接触之后水温将升高，在理想条件下，水终温也应达到3，实际上只能达到ts2。  喷水室的热交换系数（也叫第一热交换系数），是同时考虑空气与水的状态变化的。如果把空气的状态变化过程线沿等焓线投影到饱和曲线上，并近似地将这一段饱和曲线看成直线，则热交换效率系数可以表示为  （4-48） 式中 、——空气初终干球温度； 、——水的初终干球温度； 、——空气的初终湿球温度； 由此可见，当=，即空气的终温与水终温相同时，η1=1。与的差值愈大，说明热、湿交换愈不完善，η1愈小。 喷水室的接触系数η2（也叫第二热交换效率或通用热交换效率），是只考虑空气状态变化的，因此它可以表示为：  （4-49） 如果也把上图的I1与I3之间一段饱和曲线近似地看成直线，则有  （4-50） 由于与几何相似，因此：  （4-51） 所以  （4-52） 3．影响喷水室热交换效果的因素及系数的实验式 影响喷水室热交换效果的因素很多，如空气的质量流速、喷嘴类型与布置密度、空气与水的接触时间等等。归纳起来主要有以下三方面： （1）空气质量流速的影响 空气质量流速的计算式为：  kg/m2·s （4-53） 其中 ——空气流速，m/s； ——空气密度，kg/m3； ——通过喷水室的空气量，kg/h； ——喷水室的横断面积，m2 实验证明，增大可使喷水室的热交换效率系数和接触系数变大，并且在风量一定的情况下可缩小喷水室的断面尺寸，从而减少其占地面积。但过大会引起挡水板过水量及喷水室阻力的增加。所以，一般取=2.5~3.5 kg/（m2·s）。 （2）喷水系数的影响 喷水量的大小常以处理每公斤空气所用的水量，即喷水系数来表示。如果通过喷水室的风量为（kg/h），总喷水量为W（kg/h），则喷水系数为：  kg（水）/kg（空气） （4-54） 实践证明，在一定的范围内加大喷水系数可增大热交换系数和接触系数。此外，对不同的空气处理过程采用的喷水系数也不同。 （3）喷水室结构特性的影响 喷水室的结构特性主要是指喷水排数、喷嘴密度、排管间距、喷嘴型式、喷嘴孔径和喷水方向等，他们对喷水室的热交换效果均有影响。 对于上述这些因素，目前还不能用理论公式加以概述，只能用实验方法，为各种结构特性不同的喷水室，提出确定喷水室热交换效率系数和接触系数的实验公式。这些公式的形式是：   上两式中A、A′、m、m′、n、n′均为实验的系数和指数。 4．喷水室的热工计算方法 喷水室的热工计算任务，通常是对既定的空气处理过程，选择一个喷水室来达到下列要求： （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。 上述三个条件可以用下面三个方程式表示：  （4-55）  （4-56）  （4-57） 式中 ——水的定压比热 由于，所以上述第三个方程可写成：  （4-58） 由于联立求解上述三个方程式可以得到三个未知数，所以在实际工作中，又根据要求确定哪三个未知数而将喷水室的热工计算区别成两种类型。 表4-10 喷水室的计算类型 设计类型 已知条件 求解内容  设计性计算 空气量G 喷水室结构   空气的初终状态 ，（…） ，（…） 喷水量W 水的初、终温度、  校核性计算 空气量G 　空气的终参数 ，（…）   空气的初状态 ，（…） 水的终温   喷水室的结构 喷水量 水的初温　   5．喷水温度与喷水量的关系 根据三个方程式而求得的喷水室初温必然是一个定值。假设得到一个喷水室热工计算的结果是水的初温是8.5℃。这就是说，即使有9℃的地下水，也因其温度比要求的喷水初温高而不能使用。而为了获得8.5℃的冷冻水不得不设置价格较贵的制冷设备。这不免会产生这样一个问题；如果水初温偏高一些（不是比计算值偏高很多），但是将水量加大一些，是不是也可达到同样的处理效果呢？回答是肯定的。研究表明，在一定范围内适当地改变喷水温度并相应地改变喷水系数，确实可以达到同样的处理效果。在新的水温下，所需喷水系数的大小，可以利用热平衡关系式求得：  （4-59） 式中 ——被处理空气的露点温度； 、——第一次计算时的喷水初温和喷水系数； 、——新的水温和此温度下的喷水系数。 四、表面换热器空气调节 在空气调节中，除了用喷水室对空气进行热、湿处理外，还广泛使用表面式换热器处理空气。主要是用于所需的空气状态没有湿度的要求或要求低湿度情况。常用的表面式换热器包括空气加热器和表面冷却器两类。空气加热器是利用热水或蒸汽做热媒的，而表面冷却器则以冷水或制冷机做冷媒。通常又将后者称为水冷式或直接蒸发式表面冷却器。 在空调过程中一般采用肋片管制成的肋管式换热器。肋片管的形式有多种，有将金属带用绕片机紧紧地缠绕在管子上制成的皱褶式金属绕片管，有将肋片与管束串在一起的串片管，还有用轧片机在光滑的铜管或铝管外表面上直接轧出肋片，制成的轧片管等等。 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。当用空气加热处理空气时，实现的是等湿加热过程。当用表面冷却器处理空气时，如果冷却器表面温度虽低于空气的干球温度，但尚高于其露点温度，则空气被冷却时并不产生凝结水。因此，称这种过程为等湿冷却过程或干冷过程。如果冷却器的表面温度低于被冷却空气的露点温度，则空气不但温度降低，含湿量也将减少，这种过程被成为减湿冷却过程或湿冷过程。 1．等湿过程的传热系数 传热系数的表达式：  （4-60） 式中 ——外表面换热系数，W/（m2·℃）； ——内表面换热系数，W/（m2·℃）； ——肋片热阻，m2·℃/W； ——管壁厚度，m； ——管壁导热系数， W/（m2·℃）； ——肋化系数，； ——单位管长肋片管的外表面积，m2； ——单位管长肋片管的内表面积，m2。 由于外表面的换热系数与空气的迎面风速或质量流量有关，当以水为传热媒介时，内表面换热系数与管内水的流速有关，所以，对于传热介质为水的表面式换热器，当其结构特性一定时，传热系数主要决定与空气流速（或）和水的流速。因此在实际工作中，又常常通过测定，将他们整理成以下形式的公式：  W/（m2·℃） （4-61） 当以热水为热媒时：  W/（m2·℃） （4-62） 对于以空气为热媒的空气加热器，基本上可以不考虑蒸汽流速的影响，而将其传热系数的公式整理为：  W/（m2·℃） （4-63） 上述三式中： ——由实验得出的系数； ——由实验得出的指数； 2．减湿冷却过程的传热系数 传热系数的表达式：  （4-64） 式中 ——折湿系数（换热扩大系数），认为从表面冷却器上出现凝结水时，外表面的换热系数比干工况时增大了倍。 在实际工作中，也是通过测定，把传热系数整理成以下形式的公式：  （4-65） 式中 A、B、m、p、n——均由实验得出的系数和指数。 五、向空气喷蒸汽进行空气调节 将蒸汽直接与空气混合是比较简便的等温加湿方法。从图4-38可以看出，如果需要将Gkg/h状态1的空气，加湿到状态2，则需要的加湿量为： ，kg/h （4-66）  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。 空气调节中，广泛使用的蒸汽加湿设备有蒸汽喷管、干式蒸汽加湿器和电加湿器。