空气除菌的工艺及设备

介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。常用的过滤介质有棉花；活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只有0.5~2μm，而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径几倍到几十倍，因此过滤机理比较复杂。

随着工业的发展，过滤介质逐渐由天然材料棉花过渡到玻璃纤维、超细玻璃纤维和石棉板、烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料)、微孔超滤膜等。而且过滤器的形式也在不断发生变化，出现了一些新的形式和新的结构，把发酵工业中的染菌控制在极小的范围。

第三节 过滤除菌的机理

目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是深层过滤器和玻璃纤维过滤纸过滤器，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有用玻璃纤维、焦炭和超细玻璃纤维、维尼龙等。对不同的材料、不同规格、不同填充情况，都会得到不同的过滤效果

空气溶胶的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样，一方面是由于空气溶胶中气体引力较小，且微粒很小，常见悬浮于空气中的微生物粒子在0．5~2μm之间，深层过滤所用的过滤介质----棉花的纤维直径一般为16~ 20μm，填充系数为8％时，棉花纤维所形成的孔隙为20~50μm；超细玻璃纤维滤板因纤维直径很小，为1~1．5μm，湿法抄制紧密度较大，所形成的网格孔隙为0．5~5μm。微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，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、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。

图6-3 单纤维空气流程图

图6-3为一单纤维的流动模型。这是带颗粒的气流流过纤维截面的假想模型。当气流为层流时，气体中的颗粒随气流作平行运动，接近纤维表面的颗粒(即气

流宽度为b中的颗粒)；被纤维捕获，而大于b的气流中的颗粒绕过纤维继续前进。因为过滤层是无数层单纤维组成的，所以就增朗了捕获的机会。下面分述颗粒被捕获的作用机理以及它们的大小和关系。

一、惯性捕集作用

在过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像形成层层的网格，随着纤维直径减小，充填密度的增大，所形成的网格就越紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。由于纤维交错所阻迫，使空气要不断改变运动方向和速度才能通过滤层。图6-3中的df为纤维断面的直径，当微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因障碍物(介质)的出现，空气流线由直线变成曲线，即当气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。惯性使它离开主导气流；走的是图中虚线的轨迹。气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。这种捕集由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。

惯性捕集是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，也就是取决于气流的流速。惯性力与气流流速成正比，当流速过低时，惯性捕集作用很小，甚至接近于零；当空气流速增至足够大时，惯性捕集则起主导作用。

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

?1?bdf集效率ηl。

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φ的函数：

ηl=f（φ）

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：

??c?pd3pv018?df(1)式中c：层流滑动修正系数；v0：微粒（即空气）的流速，m/s；df：纤维直径，m；dp：微粒直径，m；?p：微粒密度，kg/m3；?：空气粘度，Pa?s 由上式可见，空气流速v0是影响捕集效率的重要参数。在一定条件下(微生物微粒直径、纤维直径、空气温度)，改变气流的流速就是改变微粒的运动惯性力；当气流速度下降时，微粒的运动速度随之下降，微粒的动量减少，惯性力减弱，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减小，即捕集效率下降。气流速度下降到微粒的惯性力不足以使其脱离主导气流对纤维产生碰撞，即在气流的任一处，微粒也随气流改变运动方向绕过纤维前进，即b＝o时，惯性力无因次准数φ＝1/16，纤维的碰撞滞留效率等于零，这时的气流速度称为惯性碰撞的临界速度vc。vc是空气在纤维网格间隙的真实速度，它与容器空截面时空气速度vs的关系受填充密度α的影响。

临界速度vc的值随纤维直径和微粒直径而变化。图6-4表示了几种不同直径的微粒对不同直径纤维的临界速度。

图6-4 空气的临界速度vc

二、拦截捕集作用

气流速度降低到惯性捕集作用接近于零时，此时的气流速度为临界速度。气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性滞留于纤维上，捕集效率显著下降。但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截捕集作用。

微生物微粒直径很小，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，从而改变流动方向，绕过纤维前进，而在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞流区的微粒慢惕靠近和接触纤维而被粘附滞留，称为拦截捕集作用。拦截捕集作用对微粒的捕集效

?2?11??2(1?R)ln(1?R)?(1?R)?2(2.00?lnRe)?1?R???dp式中R：微粒和纤维的直径比，R?；dfdp：微粒直径，m；df：纤维直径，m；Re：气流的雷诺准数。Re?dfv?(2)?率与气流的雷诺准数和微粒与纤维直径比的关系，可以总结成下面的经验公式：

此公式虽然不能完善地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得的单纤维截留效率还是比较接近实际的。

3，扩散捕集作用

直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的运动，称为布朗扩散。扩散运动的距离很短，在较大的气流速度和较大热纤维间隙中是不起作用的，但在狠慢的气流速度和较小的纤维间隙中，扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而被捕集。

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因扩散运动与纤维接触，滞留在纤维上，这就增加了纤维的捕集效率。扩散捕集效率的计算可用拦截捕集的经验公式计算，但其中微粒的直径应以扩散距距离代入计算，故得下式：