空气净化处理流程课程设计.docx

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空气净化处理流程课程设计

武夷学院

课程设计报告书

项目类别生物工程课程设计

题目空气净化处理流程

姓名学号

系、部茶学与生物系

专业班级2008生物技术及应用

指导教师

2010年月

1总论

1.1概述

现代工业发酵绝大多数是利用好氧性生物进行纯种培养，从而获得目的产物。

溶解氧是这些微生物生长和代谢比不可少的条件。

工业上通常以空气作为氮愿。

但空气中含有各种各样的微生物，它们一旦随着空气进入培养液，在适于的条件下，就会迅速大量繁殖，干扰甚至破坏预订发酵的正常进行，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。

因此，通风发酵需要的空气必须是清洁无菌，并有一定温度和压力的空气，这就要求对空气进行净化除菌和调节处理。

1.2生物工业生产对空气质量的要求

空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒。

北方干燥寒冷的空气含菌量较少，而南方潮湿温暖的空气含菌量较多，人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多，地平面又比高空的空气含菌量多。

空气中微生物数目的数量级可以认为是103～104个/m3。

通过对空气中微生物分布情况的研究，选择良好的取风位置和提高空气除菌系统的除菌效率，是确保发酵工业正常生产的重要条件。

生物工业生产对空气质量有以下要求：

（1）压缩空气的压强：

空气压缩机出口的空气压强0.2～0.35MPa

（2）空气流量（3）空气的温度：

进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出10℃（4）相对湿度：

进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在60％～70％。

（5）洁净度

发酵对无菌空气的要求是：

无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标。

发酵对无菌空气的无菌程度要求是：

只要在发酵过程中不因无菌空气染菌而造成损失即可。

一般按染菌概率为10－3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许一次染菌。

1.3空气净化除菌方法

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。

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。

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。

1.3.1热杀菌

热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。

如果采用加热空气，以达到杀菌目的，需要消耗大量的能源和增设许多换热设备。

但在工业上不经济。

1.3.2辐射杀菌

X射线、β射线、紫外线、超声波、γ射线等从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。

应用较广泛的是紫外线，它的波长在253.7～265μm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。

紫外线通常于无菌室和医院手术室等空气对流不大的环境下消毒杀菌。

杀菌效率低，杀菌时间长，一般要结合甲醛蒸气或苯酚喷雾等来保证无菌室的高度无菌。

1.3.3静电除菌

采用静电除尘法除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物等，去除率高，消耗能量小，空气压力损失小，设备也不大，但对设备维护和安全技术措施要求较高。

常用于洁净工作台、洁净工作室所需无菌空气的预处理，再配合高效过滤器使用。

静电除尘是利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。

悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒。

静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分成电离区和捕集区。

1.3.4过滤除菌法

过滤除菌是目前生物技术工业生产中使用的最常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而获得无菌空气。

常用过滤介质按孔隙大小可分成两大类:

一类是介质间孔隙大于微生物；另一类介质的孔隙小于细菌，称之为绝对过滤。

1.4介质过滤除菌机理

空气的过滤除菌原理与通常的过滤原理不一样。

空气中气体引力较少，且微粒很小，按面积过滤这样小的微粒不会因互相架桥堵塞而被阻拦的。

这不是真正的面积过滤，而是一种滞留现象。

微粒随空气流通过过滤层时，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而绕过纤维前进。

这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击滞留、重力沉降、拦截滞留、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面。

1.4.1惯性冲击滞留作用机理

惯性冲击滞留作用是空气过滤器除菌的重要作用。

在过滤器的滤层交错着无数的纤维，当带有微生物的空气通过滤层时，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运动速度才能通过滤层。

而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维表面，由于摩擦黏附，微粒就滞留在纤维表面上，称为惯性冲击滞留作用。

1.4.2拦截滞留作用机理

气流速度下降到临界速度以下时，微粒不能因惯性碰撞而滞留在纤维上，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不再下降，反而有所回升，这就说明另一种机理在起作用——即拦截滞留作用机理在起作用。

当微生物等微粒随低速气流慢慢靠近纤维时，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。

滞留区的气流速度更慢，进到滞留区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。

1.4.3布朗扩散作用机理

直径很小的微粒在流速很小的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。

布朗扩散的运动距离很短。

布朗扩散除菌作用在较大的气速或较大的纤维间隙中是不起作用的；在很小的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。

布朗扩散作用与微粒和纤维直径有关，并与流速成反比，在气流速度小时，它是介质过滤除菌的重要作用之一。

1.4.4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，微粒就沉降。

就单一的重力沉降作用而言，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很低时才起作用。

重力沉降作用一般与拦截作用配合，在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用可提高拦截的捕集效率。

1.4.5静电吸附作用机理

干空气从非导体的物质表面流过时，由于摩擦作用，会使非导体的物质产生诱导电荷，特别是用树脂处理过的纤维更为显著。

悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷。

这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。

表面吸附也归属这个范畴。

当空气流过介质时，上述五种截留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。

2空气介质过滤除菌设备

2.1介质过滤除菌流程

2.1.1空气除菌流程的要求

空气除菌流程是按发酵生产对无菌空气的要求，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，根据空气的性质制定的。

对于空气压力要求低、输送距离短、无菌度要求也不高的场合，由于空气的压缩比小，压缩后空气的温度升高不大、相对湿度变化也不大、不会形成水雾和夹带机器润滑油雾，所以空气过滤效率较高，经一、二级过滤后就能符合要求。

除菌流程简单。

要制备无菌程度较高且具有较高压强的无菌空气，就要采用较高压的空气压缩机来增压。

由于空气压缩比大，空气被压缩后温度升高，压缩机的润滑油很容易进入压缩空气中形成油雾，这就需要冷却和除油。

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。

这种流程的制定还应根据所在地的地理、气候环境而考虑，如在空气压缩过滤前，对环境污染比较严重的地方，可改变吸风条件，以吸取相对洁净的空气；在温暖潮湿的南方，可加强除水设施。

总之，生物工业生产中所使用的空气除菌流程要根据生产的具体要求和各地的气候条件而制订，要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，满足工业生产的需要。

2.1.2空气除菌流程

1.粗过滤器2.空压机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

两级冷却、分离、加热除菌流程主要优点是可节约冷却用水，油和水雾分离除去比较完全，保证干过滤。

此流程尤其适用于潮湿的南方地区。

吸风塔的高度＞10m，吸风塔内的空气流速不能太快。

粗过滤器的作用是：

粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。

要求是：

粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小。

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。

空气压缩机根据全厂发酵工艺所需的空气流量、克服压缩空气输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强来选用空气压缩机型号。

提供生产用的空气有0.2～0.3Mpa压力（低压压缩空气）。

空气贮罐的作用是：

1.消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力；2.让高温的空气在贮罐里停留一定的时间，起到空气的部分杀菌作用。

3.利用重力沉降作用分离部分油雾。

大多数是将贮罐紧接着压缩机安装。

空气冷却器作用是使压缩空气除水减湿。

常用的类型有：

立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等。

气液分离器气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。

常用的有旋风式和填料式。

旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。

填料式分离器又称除雾器，是利用填料的惯性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。

空气加热器除水以后的压缩空气在进入总过滤器之前要把相对湿度降到60％～70％，通常的方法是采用换热器来加热压缩空气达到降湿的要求空气加热器一般采用列管式换热器，也有采用套管换热器。

要控制进入发酵罐的空气温度最好不要超过微生物培养温度10℃。

3过滤介质的选择

过滤介质是过滤除菌的关键，它的好坏不但影响到介质的消耗量，过滤过程动力消耗、操作劳动强度、维护管理等，而且决定设备的结构、尺寸，还关系到运转过程的可靠性。

过滤对介质的要求是吸附性强，阻力小、空气流量大、能耐干热。

常用的过滤介质有棉花（未脱脂）、活性炭、玻璃纤维、超细玻璃纤维纸、化学纤维等。

3．1棉花

棉花是传统的过滤介质。

其质量随品种和种植条件不同有较大差别，最好选用纤维细长疏松的新鲜产品。

贮藏过久，纤维会发脆甚至断裂，增大了压强降；脱脂纤维会因易吸湿而降低过滤效果。

棉花纤维直径一般为16～21μm，装填时要分层均匀铺砌，最后要压紧，装填密度达到150～200kg／m3为好。

3.2玻璃纤维

作为散装充填过滤器的普通玻璃纤维，一般直径为8～19μm不等，而纤维直径越小越好，充填系数不宜太大，一般采用6％～10％。

它的阻力损失一般比棉花小。

玻璃纤维的强度未解决，更换过滤介质时会造成碎末飞扬，使皮肤发痒甚至出现过敏现象。

如果采用硅硼玻璃纤维，则可得较细直径（0.3～0.5μm）的高强度纤维。

3.3活性炭

活性炭有非常大的比表面积，主要通过表面物理吸附作用而吸附截留微生物。

一般采用直径3mm、长5～10mm的圆柱状活性炭。

其粒子间隙大，故对空气的阻力较小，仅为棉花的1/12，但它的过滤效率比棉花要低得多。

目前，工厂都是夹装在二层棉花中使用，以降低滤层阻力。

3.4超细玻璃纤维纸

超细玻璃纤维是利用质量较好的无碱玻璃，采用喷吹法制成的直径很小的纤维。

由于纤维特别细小，故不宜散装充填，而采用造纸的方法做成0.25～lmm厚的纤维纸，它所形成的网格的孔隙约为0.5～5μm，有较高的过滤效率。

超细玻璃纤维纸属于高速过滤介质。

在低速过滤时，它的过滤机理以拦截扩散作用机理为主。

当气流速度超过临界速度时，以惯性冲击机理为主。

目前国内使用超细纤维滤纸多数都是多层复合使用。

一般是用2～3层，最好不超过5层，通过超细纤维纸的气流速度一般取0.44～0.7m/s为宜。

3.5石棉滤板

石棉滤板是采用20％纤维小而直的蓝石棉和80％纸浆纤维混合打浆抄制而成。

纤维间隙比较大，过滤效率比较低，只适宜用于分过滤器。

其特点是湿强度较大，受潮时也不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长。

通过石棉滤板的气流速度一般取0.01～0.04m/s。

对于过滤0.5μm以上的颗粒，它的过滤效率可达99.6％以上。

4空气过滤器的设计

当棉花的纤维直径为16um，，填充系数为8%，k，与空气流速Vs之间的关系如下：

空气流速Vs/m/s

0.05

0.10

0.50

1.00

2.00

3.00

K/m-1

19.30

13.50

10.00

19.50

132.00

256.00

通过上述表格中，可以看出：

选用直径为16um的棉花纤维，填充系数为8%，

当空气的流速为Vs=0.1m/s，

则：

查得过滤K=13.5m-1

4.1过滤层厚度的计算

1每批发酵通风过滤前的含菌数：

N1=5000*10*60*100=3*108

2过滤后含菌个数：

N2=10-3

3对数穿透定律：

lnN2/N1=-KL

式中N2：

过滤后空气中的微粒数个，个/m3

N1：

过滤前空气中的微粒数，个/m3

K：

过滤介质层厚度，m

L：

过滤常数，1/m

则：

LnN2/N1=-KL

代入式得：

ln10-3/（3*108）=-13.5m-1*L

解得：

L=0.85m

4.2计算过滤器直径D

1进口空气的压强P1：

P1=100kpa

2过滤空气的压强P2：

P2=392kpa

3通气量：

V1=10m3/60

解得：

V1=0.167m3/s

4空气流量：

V2=P1*V1*T2/T1*P2

代入得：

V2=100000*0.167*（273+20）/（273+30）*392000

解得：

V2=0.044m3/s

5过滤器直径D：

D=（4*V2/πv）1/2

代入式得：

D=（4*0.044/3.14*0.1）1/2

解得：

D=0.75m

4.3计算过滤压力损失

=2CL*ρ*V*am/πdf

式中L：

过滤层的厚度，m；

ρ：

空气密度，kg/m3；

a：

介质填充率；

V：

空气在介质间隙中的实际速度，V=Vs/（1-α）；

Vs：

：

过滤器空罐气速，m/s；

df：

纤维直径，m；

m：

实验指数；

棉花介质m=1.45；

19um玻璃纤维m=1.35

8um玻璃纤维m=1.55

C：

阻力系数，是雷诺数的函数，通过实验得到

以棉花为过滤介质，C=100/Re；

以玻璃纤维为过滤介质C=52/Re；

1滤层中空气流速为V：

V=Vs/（1-α）；

代入得：

V=0.1/（1-0.08）；

解得：

V=0.109m/s；

2以棉花为过滤介质时：

P=ρ0*P2*T0/P1*T2；

代入式得：

P=1.293*4*273/（273+30）；

解得：

P=4.67kg/m3；

查表的u=18.6*10-6Pa*s；

Re=dfVρ/u

代入式得：

Re=16*10-6*0.109*4.67/18*10-6

解得：

Re=0.436

当以棉花为过滤介质：

则：

C=100/Re

代入式得：

C=100/0.436

C=229

以棉花为过滤介质时：

m=1.45

3过滤阻力损失

：

解：

=2CL*ρV*am/πd

代入式得：

=2*229*0.85*1.67*0.1092*0.081.45/3.14*16*10-6

解得：

=11032Pa

5设计体会

在这次完成课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

参考文献

1.化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化工出版社，1998；

2.物性数据的计算与图表（化工原理课程设计参考资料），王莲琴编，化工出版社，1992；

3.化工工艺设计手册，上、下册，国家医药管理局上海医药设计院编，化工出版社，1986；

4.生物工程设备，化学工业出版社，2006

5.化学工程手册，化学工业出版社，1986；

课程设计评定表

学生姓名

专业

2008生物技术及应用

班级

生物技术及应用

课程

生物工程设备

完成时间

2011年6月6日

设计项目

空气净化处理流程

指

导

教

师

评

语

评定

成绩

指导教师

签字

日期

教

研

室

意

见

茶学与生物教研室

年月日