发酵工程第20节.ppt

第20章 空气除菌设备 在发酵产品的生产中，好氧微生物的培养占绝大多数。通常以空气作为氧源，自然空气中含有灰尘颗粒、水蒸气上附着有各种杂菌。空气的除菌是好氧发酵成败的一个重要环节。 除菌的方法很多，如过滤除菌、热灭菌、化学灭菌和辐射灭菌等。实上应用的除菌方法往往是几种方法的结合。 过滤除菌是发酵工业中经济实用的空气除菌方法，此方法是采用定期灭菌的介质来阻截空气中的微生物，以取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机和无机烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）等。 20.1 介质除菌的原理 微生物中，球菌的直径一般在0.5～2μm，杆菌一般长在l～5μm，宽在0.5～1μm，酵母则个体较大。 空气溶胶的过滤除菌原理与通常的液体过滤原理是不同的，液体过滤介质间的空隙应小于颗粒直径，空气过滤除菌介质间空隙往往远大于颗粒直径。 如棉花纤维直径一般为 16～20 μm、充填系数为8％时，所形成的网格空隙为 20～50μm。微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进。 这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用，而将微粒拦截。 20.1.1 惯性冲击滞留作用 带有颗粒的空气通过滤层时，仅能从纤维的间隙通过，由于纤维纵横交错，迫使空气要不断改换运动方向和运动速度方能通过滤层。空气中的微粒在运动中与气流具有一致的方向，当超过某一速度时，微粒具有了一定的惯性力。 如图20－l，当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻可改变运动方向，绕过纤维前进。而由于微粒的运动惯性较大，未能及时改变运动方向随气流前进，直冲到纤维表面，被滞留在纤维表面。这种现象称为惯性滞留作用。 纤维能滞留微粒韵宽度区域b与纤直径df之比，即为其有效分率，称为单纤维的惯性冲击捕获效率η1。 惯性冲击滞留作用 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。 实践证明，捕获效率是微粒惯性力的无因次准数φ的函数，而准数φ与纤维的直径、微粒的直径、微粒的运动速度的关系为： 惯性冲击滞留作用 空气流速是影响捕获效率的重要参数。在其它条件一定下，改变气流的流速可改变微粒的运动惯性力。当气流速度下降时，微粒的运动速度随着下降，动量减小，惯性力下降，微粒脱离主导气流的可能性也减少，相应纤维滞留微粒的宽度b减少，即捕获效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力不足以使微粒脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任一处，微粒也随气流改变方向绕过纤维前进，即b＝0时，惯性力无因次准数φ＝1/16,纤维的碰撞滞留效率等于0，这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。 图20-2表示的是不同直径的微粒对不同直径纤维的临界速度。 vc是空气在纤维网格间隙的真实速度，它与容器截面的空气速度VS的关系受填充密度a的影响： 20.1.2 拦截滞留作用 在微粒直径很小，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而改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区。滞留区的气流速度更慢，进入滞留区的微粒慢慢靠近纤维并接触纤维而被黏附滞留，此作用叫做拦截滞留作用。这种拦截滞留作用对微粒钓捕获效率η2 与气流的雷诺准数和微粒与纤维的直径比的关系为 式中：R—微粒和纤维的直径比(R＝dP/df)；dp—微粒直径（m）；df—纤维直径（m）；Re —气流的雷诺数。 20.1.5 静电吸引作用 干空气对非导体物质相对运动摩擦时，会产生诱导电荷，如纤维和树脂处理过的纤维，特别是合成纤维更易代电荷。空气中的微生物微粒常带有不同的电荷，如枯草杆菌的芽孢20％带正电荷，15％带负电荷，15％为中性。 在介质过滤中，这些带电荷的微生物可被具有相反电荷的纤维介质所吸引，另外也可能是纤维介质被流动的带电荷的粒子所感应，产生相反的电荷而将粒子吸引。 其它辅助作用 20.1.3布朗扩散作用 直径小于1μm的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称之为布朗扩散。其效果往往使较小的微粒凝集为较大的微粒，大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。随之或发生重力沉降或被介质所拦截。 20.1.4重力沉降作用 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会沉降。大颗粒比小颗粒的作用显著，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，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。 20.2 介质过滤效率和过滤器计算20.2.1 对数穿透定理 过滤效率η是指滤层所滤去的微粒数与原有微粒数之比： 它是衡量过滤设备过滤能力的指标。 式中N0—过滤前空气中的微粒含量