无菌空气制备的一般工艺流程优化

无菌空气制备是一个复杂的空气处理过程，除必须经过除菌措施外，由于空气中含有水分和油雾杂质，还必须经过冷却、脱水、脱油等步骤。

（一）空气净化的工艺要求

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、二次过滤除菌即可，如无菌室、超净工作台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；而一般深层通风发酵，空气除要求必要的无菌程度外，还要具有一定的压力来克服设备和管道的阻力并维持一定的罐压，这就需要采用空气压缩机。

（二）无菌空气制备的典型工艺流程

一般空气除菌采取如图5-10所示的两级冷却、分离、加热除菌工艺流程。

这是比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，尤其适用潮湿地区，能充分分离油和水，使空气达到低的相对湿度后进入过滤器，以提高过滤效率。该工艺流程的特点：两次冷却、两次分离、适当加热。其优点：能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离完全。

图5-10 两级冷却、分离、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

该工艺流程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℃），经冷却至适当温度（20～25℃）除去油和水后，再加热至30～35℃，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无菌空气。

无菌空气的制备包括空气预处理和空气过滤两部分。空气预处理的主要目的有两个：一是提高压缩空气质量（洁净度）；二是去除压缩空气中所带的油和水。

1. 空气预处理

（1）空气采集和压缩 提高压缩前空气的质量主要措施是提高空气吸气口的高度和加强吸入空气的预过滤。

提高空气吸气口的高度可以减少吸入空气的微生物含量。空气中的微生物数量因地区、气候而不同，因此，吸气口的高度也必须因地制宜，一般以离地面5～10m为好。采风的主要设备为吸风塔，吸风塔应建在工厂的上风口，远离烟囱。

吸入的空气在进入压缩机前先通过粗过滤器过滤，可以减少进入空气压缩机的灰尘和微生物，减少往复式空气压缩机活塞和气缸的磨损，减轻介质过滤除菌的负荷。

主要采用的设备是粗过滤器，又称前置过滤器。常用的粗过滤器有布袋过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。具体如图5-11、图5-12及图5-13所示。

图5-11 机械振动袋式除尘器

图5-12 油浴洗涤装置

1—滤网 2—加油斗 3—油镜 4—油层

空气压缩机的作用是提供动力，以克服后续各设备的阻力。目前，国内常用的空气压缩机有往复式、离心式和螺杆式空气压缩机。目前往复式和离心式空气压缩机的使用较为广泛，其相关性能对比见表5-4所示。

往复式空气压缩机是靠活塞在气缸内的往复运动而实现空气的吸入和压缩。活塞运动使气缸内的容积发生周期性变化。活塞往复一次，密闭容器内的气体经过膨胀（A→B）、吸气（B→C）、压缩（C→D）、排气（D→A）这四个过程，完成一个工作循环（图5-14）。因而，压缩后的气体不是连续的，而是脉冲式的，使出口空气压力不够稳定，会产生空气的脉动。往复式压缩机气缸内要加入润滑活塞的润滑油，易使空气带有油雾。其优点是结构简单，使用寿命长，并且容易实现大容量和高压输出；缺点是振动大，噪音大，且因气流有脉冲，需设置贮气罐以作缓冲。目前国内中小型发酵工厂采用往复式空气压缩机较多。

图5-13 水雾除尘装置

表5-4 各种型式发酵用空气压缩机相关性能对比

图5-14 往复式压缩机工作示意图

离心式空气压缩机又叫涡轮式离心机，一般由电机带动涡轮，靠涡轮高速旋转产生的空穴吸入空气并获得较高的离心力，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。离心式空气压缩机排气量大，供气均匀，寿命长，排气不受润滑油污染，适合大中型发酵企业采用。

螺杆式空气压缩机是利用高速旋转的螺杆在气缸里瞬时组成空腔并因螺杆的运动把腔内空气压缩后输出。此类压缩机是整机安装，占地面积小，压缩空气中不含油雾且排气平稳。近年来，在一些新建发酵工厂采用较多。

空气贮罐不但可以消除空气压缩机的脉动，还可以通过保温提高灭菌效率、沉淀油滴和水滴，这对于往复式空气压缩机特别重要。如果选用螺杆式或涡轮式空气压缩机，空气贮罐可省去。其结构如图5-15所示。

图5-15 空气贮罐示意图

（2）冷却去除油和水 压缩空气夹带的油滴、水滴会引起过滤介质结团变形，使空气过滤器的阻力增加而降低过滤除菌的效率。因此，压缩空气在进入空气总过滤器之前一定还要经过冷却、除水、除油，然后再加热的预处理过程。

一般中小型工厂采用两级空气冷却器，第一级冷却到30～35℃左右，第二级冷却到20～25℃。冷却后的空气，其相对湿度提高到100%，由于温度处于露点以下，其中的油、水即凝结为油滴和水滴。

空气冷却器后面安装有汽-液分离设备。一级空气冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度很大，故适宜用旋风分离器分离；第二冷却器使空气进一步冷却并析出一部分较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离。旋风分离器和丝网除沫（分离）器如图5-16和图5-17所示。

图5-16 旋风分离器

图5-17 丝网除沫器

旋风分离器是利用离心力的作用实现气体与液滴、颗粒物之间分离的设备，主要除去空气中较大的（20μm以上）的液滴（油、水）；丝网除沫（分离）器是利用惯性拦截作用分离空气中的水雾和油雾的设备，主要分离空气中较小的雾滴（1μm以上），去除率约为98%。丝网有金属丝网、塑料丝网等，可以卷成丝网圈或丝网垫。

（3）空气再加热 分离油、水以后的空气相对湿度仍然为100%，当温度稍微下降时就会析出水来，使过滤介质受潮。因此，还必须使用加热器来提高空气温度，降低空气的相对湿度（要求在60%以下），以保证过滤器的正常运行。加热器一般采用蒸汽加热，空气走管内，蒸汽走管间。

2. 空气过滤

目前发酵工业一般采用二级空气除菌：总过滤器粗过滤除尘除菌；进罐前采用分过滤器除菌。

（1）总过滤器 纤维过滤器是用棉花或玻璃纤维结合活性炭作为过滤介质的过滤器。如图5-18所示。过滤器为立式圆筒形，通常总高度中，上下棉花层厚度为总过滤层的1/4～1/3，中间活性炭层为1/2～1/3，在铺棉花层之前先在下孔板铺上一层30～40目的金属丝网和织物（如麻布）等。填充物的装填顺序如下：

图5-18 棉花（玻璃棉） -活性炭过滤器

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。

装填介质时要求紧密均匀，压紧一致。空气一般从下部圆筒切线方向通入，从上部圆筒切线方向排出，以减少阻力损失。过滤器上方应装有安全阀、压力表，罐底装有排污孔，以便经常检查空气冷却是否完全，过滤介质是否潮湿等。

随着材料工业的发展，这种过滤器的填料出现了玻璃纤维、聚丙烯纤维甚至不锈钢玻璃纤维，主要功能是除去较大的微粒。目前，还有用超细玻璃纤维纸制成滤纸类过滤器。滤纸类过滤器有旋风式和套管式两种，具体如图5-19所示。

图5-19 滤纸类过滤器(www.xing528.com)

（2）分过滤器 目前国内的发酵罐日趋大型化，如果染菌造成发酵罐倒罐，经济损失巨大，因此空气分过滤器大都采用微孔膜过滤器。常用的膜过滤器如图5-20所示，它是将各种材质的滤膜制成不同形式的滤芯，将滤芯装在不锈钢套筒内，折叠式滤芯。膜过滤器可以使用较长时间，滤膜堵塞，阻力达到0.13MPa时，就应该更换新的滤芯。

图5-20 膜过滤器工作结构示意图

（3）分过滤系统 空气经总过滤器过滤后，由总管进入分管，经过分过滤器流向各发酵罐，空气过滤系统流程如图5-21所示。

分过滤系统一般由预过滤器和精过滤器两部分组成。预过滤器一般选择适当精度的微孔膜过滤材料，滤除细小的微粒杂质，从而保护好精过滤器；精过滤器采用膜过滤器，其作用是完全滤除空气中可能含有的微生物体，确保进罐空气达到工艺无菌要求。

图5-21 微孔膜折叠式过滤芯的空气过滤系统示意图

1—涡旋管除锈器 2—总过滤器 3—预过滤器 4—微孔膜过滤器 5—蒸汽过滤器

（三）其他工艺流程

1. 冷热空气直接混合式空气除菌流程

如图5-22所示，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。该流程的特点是省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备，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。适用于中等湿含量地区，但不适合于空气含湿量高的地区。

图5-22 高效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

2. 高效前置过滤空气除菌流程

如图5-23所示，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。该流程的特点是采用了高效率的前置过滤设备，使空气经多次过滤，因而所得的空气无菌程度很高。

图5-23 高效前置过滤空气除菌流程

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

3. 利用热空气加热冷空气的流程

如图5-24所示，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。该流程的特点对热能的利用比较合理。

4. 新型空气过滤除菌工艺流程

由于粉末烧结金属过滤器、膜过滤器等的出现，空气净化工艺流程发生一些改变。如图5-25所示，采用2个过滤器（AⅠ和AⅡ）对大气中大量尘埃、细菌进行初级过滤，以提高空压机进气口的空气质量。BⅠ是以折叠式面积滤芯作为过滤介质的总过滤器，过滤面积大，压力损耗小，在过滤效率的可靠性和安全使用寿命等方面优于棉花活性炭总过滤器。经BⅡ处理后的净化空气基本达到无菌指标。C端为高精度终端过滤器，使压缩空气进一步净化，过滤效率（0.01μm）为99.9999%。

以上几个除菌流程都是根据目前使用的过滤介质的过滤性能，结合环境条件，从提高过滤效率和使用寿命的角度来设计的。

图5-24 利用热空气加热冷空气的流程

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

图5-25 新型空气过滤除菌工艺流程

AⅠ—袋式过滤器 AⅡ—折叠式过滤器 BⅠ—总过滤器 BⅡ—预过滤器 C—终端过滤器

（四）提高过滤除菌效率的措施

1. 过滤除菌效率

过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤器过滤能力的指标。实践证明，空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小、过滤介质种类和纤维直径、介质的填充密度和厚度及所通过的空气流速等因素有关。

介质纤维直径越小，过滤效率越高。介质填充厚度越高，填充密度越大，过滤效率越高。纤维介质铺设不均匀，空气会从铺设松动部分通过，形成短路而带菌。

2. 提高过滤除菌效率的主要措施

（1）保证进口空气清洁度，减少进口空气的含菌数。因此，要加强生产场地的卫生管理，减少生产环境空气中的含菌数；正确选择进风口，压缩空气站应设上风向；提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数；加强空气压缩前的预处理。

（2）设计安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质。无菌空气制备流程线路长，易出现二次污染，因此，在每个发酵罐前应单独配备分过滤器。

介质过滤不能长期获得100%的过滤效率，因此，介质过滤器要定期拆洗、杀菌，灭菌后的过滤介质一定要用空气吹干后再投入使用。

据测定，超细玻璃纤维纸的除菌效率最好，但易为油、水所沾污。在空气预处理较好的情况下，采用超细玻璃纤维纸作为总过滤器及分过滤器的过滤介质，染菌率很低，但在空气预处理较差的情况下，其除菌效率往往受影响。棉花和活性炭过滤器，因介质层厚、体积大、吸油水的容量大，受油、水影响要比超细玻璃纤维纸好一些，但是这种过滤器调换过滤介质时劳动条件差。

（3）针对不同地区，设计合理的空气预处理工艺流程，以达到除油、除水和除杂质的目的。

（4）降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工作。主要方法：使用无油润滑的空气压缩机；加强空气冷却和除油、除水；提高进入过滤器的空气温度，降低其相对湿度。

（5）稳定压缩空气的压力。采用合适容量的贮气罐，使压缩机出来的脉冲压缩空气流态转为稳态。

3. 常见问题及处理

（1）一直以来都有无菌空气带菌，可能是系统问题，应该重新论证、修改制备流程。

（2）介质过滤器出来的空气带菌，可能的原因：①过滤介质没有装填好；②过滤介质湿润；③过滤介质灭菌后使用时间过长而被微生物穿透。应及时清理或更换过滤介质。

（3）总过滤器排出的空气未染菌，进入发酵罐发现染菌。可能是分过滤器问题，应检查分过滤器，更换滤芯或其他介质；也可能是管道或死角发生污染，应对管道、死角进行清理、杀菌。

（4）过滤器前后两个压力表的压力差增大、气速小。这种情况说明过滤介质浸湿或已损坏，应拆开过滤器检查，吹干或更换。