棉花活性炭空气过滤器设计

      生物加工工程很多情况都涉及需氧微生物的纯培养，无论是生长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。这些氧气通常有空气提供，但是空气中夹带有大量的各类微生物，这些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，甚至是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》（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温度和湿度也有严格的要求。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。

一.设计任务及要求

      设计棉花-活性炭空气过滤器，要求通风量达到50m3/min.

二.空气除菌和灭菌方法

      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中含菌量较少，而温暖潮湿的南方空气中含菌量较多，人口稠密的城市比人口较少的农村含菌量多。虽然各地空气中所悬浮的微生物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103~104个/m3为依据来进行计算。

生物加工过程中由于所用的菌种生产能力强弱、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存在差异，对所用的空气质量有不同的要求。一般说来，生物加工过程中应用的“无菌空气”，是指通过除菌处理是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，可以以染菌率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一次染菌。

      常用空气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。

（1）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时杀菌力最强，他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以及对流不强的情况下有限空间内空气的灭菌，对已在大规模空气条件下的灭菌尚有不少问题亟待解决。

（2）热灭菌法 空气干热杀菌是依靠加热后是微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死，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地、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，则需要消耗大量的能源和增设大量的换热设备，从技术经济上看来不是很合理。

（3）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静电场是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，产生的引力等于或小于气流队为例的拖带力或威力布朗运动的动量时，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很低。

（4）介质过滤除菌 是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：一类是介质间空隙大于微生物直径，故必须有机合成纤维、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。

三.介质过滤除菌机理

      一般只有过滤介质的孔隙小于颗粒直径，才能起到过滤的作用，而在空气介质过滤除菌过程中而在空气介质过滤除菌过程中过滤介质的孔隙往往大于颗粒的直径，如悬浮在空气中的微生物颗粒大小在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μ=8%时，棉花纤维所形成的网格孔隙为20~50μm，可见后者比前者大很多，实际上，当气流通过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通过纤维前进，从而导致微粒对滤层纤维产生惯性冲击，物理沉降，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  过滤器中无数的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空隙通过，由于纤维纵横交错，迫使空气气流不断的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，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，通过纤维前进，而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变方向，直冲到纤维的表面，由于摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用，纤维能滞留微粒的宽度区间b与纤维直径d之比，称为单纤维的惯性捕集效率。

（2） 拦截滞留作用 气流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。纤维对微粒捕集作用又有回升，说明有另外机理在起作用，这就是拦截滞留作用机理。当微生物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组而改变流动方向，通过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区，滞留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粘附滞留，称为拦截滞留作用。拦截滞留作用对微粒的捕集效率与气流的雷诺数以及微粒和直径之比有关

（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，成为布朗运动，布朗运动扩散的范围很小，放在较大气流和较大空间内，它是不起作用的但在缓慢流动的气流中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捕捉的概率。

（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他的推力时，微粒就容易沉降。在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在起作用。一般它是拦截作用相配合的，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%以上带正电荷，15%带负电荷，其余为电中性，这些带电的微粒回收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，除菌效率随气体速度的增加而降低，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，除菌效率有下降，则是由于已被捕集的微粒有被湍动的气流夹带返回到空气中。下图表示了起流速的与单纤维除菌效率的关系。

活性炭过滤器" />

四.过滤介质

iwuchen过滤介质是过滤除菌的关键，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，空气流动量大，能耐干热。可将常用的过滤介质分为纤维状和颗粒状过滤介质，过滤纸类介质，微孔膜类介质三大类。在本次课程设计中将采用纤维状和颗粒状过滤介质。

这类过滤介质主要有棉花，活性炭，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未脱脂的新鲜产品，因为脱脂棉花易吸水而使体积变小，而储藏过久，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┧。使用时要分层均匀铺砌，最后要压紧，一般填充密度为130~150┧/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，遇油易结团，过滤效果不稳定，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，其尺寸为3mm*10mm *5mm，，实密度1140┧/m3。一般填充密度（500±30）┧/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5~9μm，实重度约为2600┧/m3，填充密度为130~280┧/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。玻璃纤维的缺点是更换介质造成碎末飞扬，粘在人的皮肤上，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黏合成一定填充率和形状的过滤垫后放入过滤器。下表为空气流速为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果。

玻璃纤维的过滤效果

由此可看出玻璃纤维的过滤效果随纤维直径减小、填充密度和滤层厚度增大而提高。

五.空气过滤设备的计算设计原理

      由以上这些微观除菌机理反映出来的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，是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L的对数关系。N0、N分别为进出滤层的微生物浓度；K或K’为过滤常数或阻塞因子（m-1），表示过滤床组织微生物穿透的能力，取决于过滤介质的性质和操作，如纤维的种类、直径、填充率、空气流速即空气中微粒的直径等，一般由实验获得。

      热灭菌过程中为使得杂菌减少到零，需要无限长的时间。同样在过滤理论中，为除去空气中的所有微生物，需要无限多的滤层。因此，在设计过滤器是必须确定一个可接受的染菌概率，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，设计活性炭过滤器必须对这两个因素全面权衡，已选择适当的操作条件。气体在滤层中流动的压力降可以按下式计算

c，阻力系数，是雷诺数的函数，通过实验得到对于棉花介质c=100/Re，对于玻璃纤维介质c=52/Re；

L，过滤层厚度；

A，空气密度；

P，介质填充率；

v，空气在介质中的实际流速，vs为空罐气体流速；

m，实验指数，棉花介质中m=1.45，19μm玻璃纤维m=1.35，8μm玻璃纤维m=1.55；

df，纤维直径，以上公式与数据出自参考文献[1]

六.工艺计算

已知工艺要求通风量为50m3/min，另假设空气中含菌量大约为5000个/m3，可接受的倒罐率为0.1%（1000次发酵周期漏进一个杂菌），工作温度为30℃，发酵周期为100h，空罐气体流速设定为vs=0.1m/s，气体储罐内压强为P0=400kPa

（1）计算棉花滤层厚度L

每批发酵通风过滤前含菌总数为

N0=5000×50×60×100=1.5×109

过滤之后每批含菌数N1=10-3

当棉花纤维直径df=16μm，纤维填充率为8%，实验室测得过滤常数K’与空气流速之间的关系如下（实验数据来自参考文献[1]）：

由于空罐气体流速vs设定为0.1m/s，所以K’=13.5m-1

（2）计算过滤器直径D

发酵罐气体压强P0=101kPa，

储罐内气体压强P1=400kPa

通气量V0=50m3/min=0.83m3/s

c，阻力系数，是雷诺数的函数，通过实验得到c=100/Re；

L，过滤层厚度；

A，空气密度；

v，空气在介质中的实际流速；

P，介质填充率；

m，实验指数，棉花介质中m=1.45

df，纤维直径

七.设备选型

      纤维状或者颗粒介质过滤器通常是立式圆管形，内部填充过滤介质，空气由上而下通过过滤介质，已达到除菌目的。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。一般棉花至于上、下层，活性炭在中间，也可以全部采用纤维状介质。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。

      安装介质是要求紧密均匀压紧要一致。压紧装置有多种形式，可以再周边固定螺栓压紧，也可以用中央螺栓压紧，还可以利用顶盖的密封螺栓压紧，其中顶盖压紧比较简便，所以本设计中采用此种压紧方式。

      棉花滤层厚度为0.90m，一般在棉花滤层中间加入一层活性炭，约为棉花厚度的1/2，用以减小过滤过程中的压降，所以上层棉花厚度：活性炭层厚度：下层棉花厚度=1：1：1=0.45m：0.45m：0.45m。活性炭选用2mm粒径的椰壳颗粒状活性炭，椰壳活性炭具有足够的机械强度，防止产生过多碎渣堵塞下层棉花滤层。同时椰壳活性炭成本较低，再生性好。

      空气从圆筒下部切线方向进入，从上部排除，出口不宜安装在罐顶，以免检修时拆装管道困难。进气与出气管道采用φ219×8mm钢管，所以滤筒高度H>0.45+0.45+0.45+0.219×2=1.78m，根据需要滤筒实际高度取为2.00m，顶封头与底封头均采用碟形封头。滤层直径至少为1.64m，所以采用公称直径DN=1700mm的DHB型碟形封头（碟形封头公称直径等于内径），名义厚度δn=8mm。过滤器滤筒使用8mm钢板卷焊拼接而成。封头与滤筒以法兰器件连接并密封。

      过滤器上方安装安全阀、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）的蒸汽，维持45min，然后用压缩空气吹干备用。