3.靜電除菌
近年來,一些工廠已使用靜電除塵器除去空氣中的水霧、油霧和塵埃,同時也除去了空氣中的微生物,對1μm的微粒去除率可達99%。
靜電除菌是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。懸浮於空氣中的微生物,其孢子大多帶有不同的電荷,沒有帶電荷的微粒進入高壓靜電場時會被電離變成帶電微粒而被吸附。但對於一些直徑很小的微粒,它所帶的電荷很小,當產生的引力等於或小於氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗擴散運動的動量時,則微粒就不能被吸附而沉降,所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。靜電除菌滅菌器示意圖。
靜電除塵器的能量消耗較小,每處理1000m3的空氣每小時隻耗電0.4~0.8kW,空氣壓力損失小,設備也不大,但對設備維護和安全技術措施要求較高。對發酵工業來說,其捕集率並不高,需要采取其他措施。
以上空氣除菌、滅菌方法中,加熱滅菌可以殺滅難以用過濾殺菌除去的噬菌體,但用蒸汽或電加熱費用昂貴,無法用於處理大量空氣。靜電除菌,由於除菌效率達不到無菌的要求,一般隻能作為初步除菌。至今,工業上的空氣除菌幾乎都是采用介質過濾除菌。
4.介質過濾
介質過濾除菌法是讓含有雜菌的空氣通過定期滅菌的幹燥介質以阻截空氣中所含的微生物,從而製得無菌空氣。常用的過濾介質有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機合成纖維、有機和無機燒結材料等。由於被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小,一般隻有0.5~2μm,而過濾介質的材料一般孔徑都大於微粒直徑的幾倍到幾十倍,因此過濾機製比較複雜。微粒隨氣流通過濾層時,濾層纖維所形成的網格阻礙了氣流的前進,使氣流無數次改變運動速度和運動方向,繞過纖維前進。這些改變引起微粒對濾層纖維產生慣性衝擊、阻攔、重力沉降、布朗擴散和靜電吸引等作用,將微粒攔截下來,下麵對這些攔截原理進行介紹。
(1)慣性衝擊截留作用過濾器中的濾層上交錯著無數的纖維,形成層層的網格,隨著充填密度的增大,所形成的網格越緊密,纖維間的間隙就越小。當帶有微生物的空氣通過濾層時,無論順纖維方向或是垂直於纖維方向流動,僅能從纖維的間隙通過。由於纖維縱橫交錯,迫使空氣要不斷改變運動方向和速度才能通過濾層。一條纖維對氣流的影響。圖中所示為直徑為df的纖維斷麵,當微粒隨氣流以一定速度垂直向纖維方向運動時,因障礙物(介質)的出現,空氣流線由直線變成曲線,即當氣流突然改變方向時,沿空氣流線運動的微粒由於慣性作用仍然繼續以直線前進。慣性使它離開主導氣流,走的是圖中虛線的軌跡。氣流寬度b以內的粒子,與介質碰撞而被捕集。這種捕集由於微粒直衝到纖維表麵,因摩擦黏附,微粒就滯留在纖維表麵上,這稱為慣性衝擊滯留作用。
慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用,其大小取決於顆粒的動能和纖維的阻力,也就是取決於氣流的流速。慣性力與氣流流速成正比,當流速過低時,慣性捕集作用很小,甚至接近於零;當空氣流速增至足夠大時,慣性捕集則起主導作用。
空氣流速v0是影響捕集效率的重要參數。在一定條件下(微生物微粒直徑、纖維直徑、空氣溫度),改變氣流的流速就是改變微粒的運動慣性力;當氣流速度下降時,微粒的運動速度隨之下降,微粒的動量減少,慣性力減弱,微粒脫離主導氣流的可能性也減少,相應纖維滯留微粒的寬度b減小,即捕集效率下降。氣流速度下降到微粒的慣性力不足以使其脫離主導氣流對纖維產生碰撞,即在氣流的任一處,微粒也隨氣流改變運動方向繞過纖維前進,即b=0時,慣性力無因次準數φ=1/16,纖維的碰撞滯留效率等於零,這時的氣流速度稱為慣性碰撞的臨界速度(vc)。vc是空氣在纖維網格間隙的真實速度,它與容器空截麵時空氣速度vs的關係受填充密度α的影響。
vc=vs1-α(7-12)
幾種不同直徑的微粒對不同直徑纖維的臨界速度。可以看出,臨界速度vc的值隨纖維直徑和微粒直徑而變化。
(2)攔截捕集作用氣流速度降低到慣性捕集作用接近於零時,此時的氣流速度為臨界速度。氣流速度在臨界速度以下時,微粒不能因慣性滯留於纖維上,捕集效率顯著下降。但實踐證明,隨著氣流速度的繼續下降,纖維對微粒的捕集效率又回升,說明有另一種機製在起作用,這就是攔截捕集作用。微生物微粒直徑很小,質量很輕,它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時,微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻,從而改變流動方向,繞過纖維前進,而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區。滯流區的氣流速度更慢,進到滯流區的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被黏附滯留,稱為攔截捕集作用。攔截捕集作用對微粒的捕集效率與氣流的雷諾準數和微粒與纖維直徑比的關係,可以總結成下麵的經驗公式: