Zalo QR
Zalo QR
Không khí được sử dụng để duy trì sự hoạt động sống của vi sinh vật trong quá trình tổng hợp sinh học sinh khối, axit amin, enzim, các chất kháng sinh, các chất bảo vệ thực vật và các sản phẩm khác của tổng hợp vi sinh trong các điều kiện hiếu khí. Khi sản xuất các nấm men gia súc và làm sạch nước thải bằng phương pháp sinh học người ta thường ứng dụng không khí mà không cần làm sạch sơ bộ và tiệt trùng, trong sản xuất các sản phẩm khác không khí phải được làm sạch bụi và các vi sinh vật lạ.
Không khí là một hỗn hợp khí, ở điều kiện bình thường chiếm 78,08% nitơ; 20,9% oxy; 0,94% khí trơ và 0,03% cacbonic. Ngoài ra trong không khí còn chứa hơi nước và các phần tử phân tán nhỏ. Lượng các phần tử này ở nông thôn và các thành phố phi công nghiệp thường không vượt quá 0,15 mg/m3. Trên khu vực của các nhà máy có thải bụi nhiều thì lượng phân tán các phần tử nhỏ có thể vượt quá 3 mg/m3. Hơn 30% khối lượng của các phần tử này có kích thước 1 ÷ 2 μm và gần 50% - nhỏ hơn 0,5 μm. Đa số các phần tử có kích thước dao động trong giới hạn 0,5 ÷ 1,0 μm.
Trong không khí có chứa đến 109 các phần tử lơ lửng, trong đó vi sinh vật có số lượng 0,8⋅103 ÷ 104/1m3. Trong sinh vật nói chung có vi khuẩn và các bào tử của chúng, actinomixet và nấm men không sinh bào tử, virut... Vi khuẩn có đường kính 0,5 ÷ 2,1 μm và chiều dài đến 26 μm là loại có kích thước lớn nhất, loại trừ virut.
Trung bình lượng vi khuẩn và bụi của chúng khoảng 1000 ÷ 1500/1m3 không khí. Nhiệt độ và độ ẩm của không khí, lượng bụi và vi sinh vật trong đó biến động và phụ thuộc vào thời gian trong năm, điều kiện khí hậu, vị trí địa lý của xí nghiệp, chiều cao lấy mẫu không khí và các yếu tố khác.
Tiệt trùng không khí có thể tiến hành bằng đun nóng, chiếu tia tử ngoại, siêu âm, phóng điện quần sáng, gia công bằng các chất độc, lọc qua các vật liệu dạng sợi, dạng hạt và xốp.
Trong công nghiệp, khi nuôi cấy vi sinh vật bằng phương pháp cấy chìm thường người ta sử dụng một số sơ đồ các quá trình tiệt trùng không khí.
Trên hình 1.1 giới thiệu một trong số những sơ đồ có thể cho phép các nhà máy sử dụng. Máy nén hay máy nén kiểu tuabin hút không khí qua ống gom có chiều cao 6 ÷ 20 m. Để máy nén hoạt động tốt hơn có thể dùng quạt đẩy vào ống gom.
Để tăng thời gian làm việc của máy nén và bộ lọc đầu, không khí được làm sạch phần lớn các hạt dạng bụi bằng bộ lọc dầu mỡ hay bộ lọc khô. Phần không khí được làm nóng khi nén sau khi làm nguội đến nhiệt độ 35 ÷ 400C trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 cho vào bộ tách ẩm 4. Các nhà máy ở những vùng có nhiệt độ không khí cao cùng với bộ trao đổi nhiệt không khí còn cho phép sử dụng thêm bộ trao đổi nhiệt nước. Không khí đã được làm lạnh hoà lẫn với không khí tự nhiên và hỗn hợp có nhiệt độ 70 ÷ 90 cho qua bình chứa 5 và bộ lọc đầu 7. Ở nhiệt độ này không xảy ra hiện tượng ngưng tụ hơi nước trong bộ lọc.
Bộ lọc ướt sẽ hạn chế quá trình giữ vi sinh vật lại, còn ẩm có khả năng làm phát triển hệ vi sinh vật trong bộ lọc. Khi cần thiết không khí được đun nóng đến nhiệt độ 65 ÷ 700C trong bộ trao đổi nhiệt 6. Các hạt có đường kính 1 ÷ 1,5 μm sẽ được giữ lại hơn 98% trong bộ lọc đầu.
Sau lọc đầu lượng các hạt có kích thước 0,5 μm còn lại nhỏ hơn 2⋅106 và lượng các tế bào vi sinh - dưới 10 trong 1 m3 không khí. Sau khi làm sạch hoàn toàn vi sinh vật trong bộ phận lọc riêng biệt 8, không khí có nhiệt độ 45 ÷ 700C được đưa vào thiết bị lên men sản xuất.
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ tiệt trùng không khí:
1- Bộ lọc; 2- Máy nén; 3- Bộ trao đổi nhiệt để làm lạnh không khí;
4- Bộ tách ẩm; 5-Bình chứa; 6- Bộ trao đổi nhiệt; 7- Bộ lọc đầu;
8- Bộ lọc 2- riêng biệt; 9- Bộ lọc để làm sạch hơi nước khỏi các tạp chất rắn
Dùng hơi để tiệt trùng bộ lọc riêng biệt. Dùng bộ lọc 9 để làm sạch hơi khỏi các tạp chất rắn.
Khi nuôi cấy vi sinh vật bằng phương pháp bề mặt, công nghệ chuẩn bị không khí có khác một ít so với công nghệ đã khảo sát. Ví dụ như sau khi lọc tinh mới nạp không khí tiệt trùng vào hệ.
Trong các sơ đồ hiện tại và tương lai để thu nhận không khí tiệt trùng ở các nhà máy thuộc công nghiệp vi sinh có thể chia ra các loại máy móc và thiết bị cơ bản sau: các bộ lọc sơ bộ, lọc thô và lọc tinh không khí và hơi, các máy để nén không khí, các bộ trao đổi nhiệt, bình chứa, bộ gom nước và dầu. Ngoài ra còn được trang bị thêm các phụ tùng tương ứng, những dụng cụ đo - kiểm tra, cơ cấu tự động. Nếu trong quá trình sản xuất không cần một lượng lớn không khí thì có thể cho phép sử dụng bộ lọc khô hay hay bộ lọc dầu mỡ độc lập có dạng ô mạng, đặc tính kỹ thuật của chúng được trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật của bộ lọc dạng ô mạng
Như đã trình bày, tiệt trùng không khí là loại làm sạch có nhiều mức độ bằng phương pháp thổi qua các lớp vật liệu lọc. Vật liệu lọc có thể là đạng sợi, dạng xốp và dược xếp nhiều lớp. Các vật liệu rỗng được dùng để lọc thô và lọc tinh. Có thể chia ra làm bốn nhóm: vật liệu sợi và phi vải, cấu trúc vi mô giống như loại có nhiều lớp xen nhau thành mạng lưới; giấy và cactông có cấu trúc chặt hơn; vật liệu gốm nung và hạt mịn có những rãnh cong co thắt và giãn nở tuần hoàn theo chiều dày của vật liệu và các màng xốp có cơ cấu lọc theo nguyên tắc sàng với kích thước lỗ sàng phù hợp với kích thước các phần tử cần phải lọc. Ba nhóm đầu đặc trưng cho loại lọc không sàng, nhóm thứ tư có cơ cấu sàng.
Đối với nhóm 1 và 2 người ta đã thảo ra được các phương pháp tính toán bề dày của lớp lọc nhằm bảo đảm hệ số công nghệ cần thiết, còn đối với hai nhóm còn lại trị số này được xác định bằng thực nghiệm.
Tính hiệu quả của đa số vật liệu lọc được ứng dụng trong công nghệ vi sinh được trình bày ở bảng 1.2.
Nhóm vật liệu thứ nhất được sử dụng để làm sạch sơ bộ vi khuẩn trong các bộ lọc. Loại này thường hay gặp như các vật liệu bền hoá và các vật liệu sợi thuỷ tinh có đường kính sợi 7 ÷ 21 μm. Nhược điểm cơ bản của chúng là tính bền kém khi tiệt trùng bằng hơi quá nhiệt. Các vật liệu từ sợi bazan thô với đường kính trung bình của lỗ 26 μm có tính bền hơn nhưng chúng ít được phổ biến trong sản xuất. Các vật liệu phi vải từ những sợi xenluloza chống vi khuẩn không đòi hỏi phải tiệt trùng bằng hơi quá nhiệt, có thể ứng dụng để lọc tiệt trùng.
Nhược điểm chung của vật liệu sợi và phi vải là sự thay đổi kích thước và hình dạng của các rãnh lọc trong quá trình hoạt động đặc biệt khi có nước.
Các vật liệu hạt đã thiêu kết (sứ, thuỷ tinh, chất dẻo, sứ kim loại) có cấu trúc xác định, bền hoá , dễ dàng áp dụng cho bất kỳ phương pháp tiệt trùng nào.
Để làm sạch bụi (hạt lớn) trong không khí, người ta ứng dụng các bộ lọc dạng tổ ong chứa đầy các vật liệu lọc khác nhau và có các dạng sau: dạng tự làm sạch có mạng lưới kim loại uốn sóng, dạng cuộn có sợi thuỷ tinh siêu mịn; dạng tấm tái sinh; dạng mạng có xơ sợi thuỷ tinh đàn hồi.
Các bộ lọc dạng ô có mạng lưới kim loại tẩm dầu uốn sóng được sử dụng rộng rãi để làm sạch sơ bộ không khí có độ bụi không lớn hơn 5 mg/m3, hiệu suất đạt khoảng 45 ÷ 80%. Các ô mạng của bộ lọc chứa đầy 12 lưới uốn sóng đan nhau. Lỗ lưới giảm dần theo chiều chuyển động của không khí. Sự tái sinh của bộ lọc được thực hiện bằng phương pháp khí động học mà không cần phải bôi trơn.
Tiêu hao không khí hơn 100 m3/ph cho loại này, còn khi năng suất dưới 50 m3/ph thì ứng dụng bộ lọc ô chứa đầy polyuretan. Nhược điểm của bộ lọc có ô mạng chứa đầy 12 lưới uốn sóng đan nhau (cấu trúc Reka) là cần phải thường xuyên làm tái sinh.
Bảng 1.2. Đặc tính các vật liệu lọc để làm sạch không khí bằng phương pháp sinh học
|
Các vật liệu |
Đường kính lỗ |
Tỷ trọng kg/m3 |
Độ rỗng % |
Độ bền nhiệt |
Tốc độ lọc m/s |
Sức cản thủy lục Pa |
Hiệu suất % |
|
I. Lọc thô |
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Xơ thủy tinh |
|
|
|
|
|
|
|
|
a) Bông thủy tinh (chiều cao của lớp 1 cm)17 |
21 |
1 |
90 |
450 |
0.01 |
7 |
76.5 |
|
b) Các mặt cắt thủy tinh (chiều cao của lớp 10 cm) |
6 |
0.5 |
90 |
450 |
0.01 |
7 |
88.0 |
|
2. Sợi bazan dạng thô (chiều cao của lớp 10cm) |
26 |
01 |
90 |
650 |
0.01 |
40 |
60.0 |
|
II. Phi vải |
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Sợi tổng hợp |
|
|
|
|
|
|
|
|
a) Lavcan |
14 |
0.80 |
- |
130 |
0.01 |
100 |
56.0 |
|
b) Polyvinylclorua |
6:8 |
0.195 |
- |
120 |
0.01 |
100 |
71.8 |
|
2. Sợi visco chống vi khuẩn |
14:17 |
0.375 |
- |
80 |
0.01 |
80 |
42.0 |
|
a) Vật liệu lọc phi vải loại mềm |
|
|
|
|
|
|
|
|
b) Vật liệu lọc phi vải có thể tích lớn |
16.9 |
1.025 |
94 |
120 |
0.01 |
130 |
35.8 |
|
III. Vật liệu - sứ kim loại dạng rỗng |
16.9 |
0.515 |
97 |
120 |
0.01 |
100 |
42.8 |
|
a) Thép chống gỉ |
9:10 |
- |
30:45 |
700 |
0.01 |
30000 |
90.0 |
|
b) Titan |
12:16 |
- |
40:50 |
500 |
0.01 |
30000 |
9:95 |
|
Lọc tinh |
|
|
|
|
|
|
|
|
I. Dạng sợi |
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Sợi thuỷ tinh |
|
|
|
|
|
|
|
|
a) Sợi thuỷ tinh siêu mỏng |
1 |
0.560 |
95 |
600 |
0.01 |
1400 |
99.92 |
|
b) Sợi thuỷ tinh siêu mỏng tẩm formaldehyt |
0.7 |
0.350 |
95 |
600 |
0.01 |
2400 |
99.99 |
|
2. Sợi bazan |
|
0.350 |
95 |
600 |
0.01 |
2400 |
99.99 |
|
a) Sợi bazan dạng siêu mỏng (chiều cao lớp 2,1 cm) |
1 |
0.560 |
95 |
600 |
0.01 |
1400 |
99.92 |
|
b) Sợi bazan siêu mịn |
0.7 |
0.350 |
95 |
600 |
0.01 |
2400 |
99.99 |
|
3. Sợi tổng hợp |
|
|
|
|
|
|
|
|
a) Bộ lọc bằng chất trùng hợp |
1.4 |
0.025 |
97 |
60 |
0.035 |
700 |
99.44 |
|
b) Bộ lọc bằng chất trùng hợp có bổ sung chất sát trùng |
|
|
|
|
|
|
|
|
II. Cactông |
1.4 |
0.028 |
97 |
60 |
0.035 |
780 |
98.10 |
|
1. Cactông bazan (700g/m2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Hỗn hợp sợi trên cơ sở sợi thuỷ tinh siêu mỏng tẩm formaldehyt bổ sung 10% xenluloza |
- |
- |
- |
- |
0.1 |
1500 |
99.996 |
|
III. Giấy khoáng vật |
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Giấy bazan (2 lớp) |
25 |
0.3 |
87 |
150 |
0.01 |
800 |
99.93 |
|
2. Hỗn hợp sợi trên cơ sở sợi thuỷ tinh siêu mỏng tẩm formaldehyt bổ sung 25% xenluloza |
- |
- |
- |
- |
0.1 |
1400 |
99.999 |
|
3. Giấy sát trùng làm từ sợi xenlulozơ |
30 |
0.025 |
80 |
150 |
0.01 |
500 |
87.24 |
|
4. Sợi tổng hợp, sợi làm từ rượu polyvinyl |
20 |
0.130 |
78.5 |
120 |
0.01 |
1000 |
78.90 |
|
IV. Các vật liệu xốp bằng chất dẻo chứa flo (teflon) |
- |
0.1 |
50 |
51 |
0.01 |
50 |
25.00 |
|
V. Màng xốp |
25 |
4.37 |
50 |
260 |
0.01 |
3300 |
99.999 |
|
Các màng xenluloza axetat |
0.5 |
- |
- |
- |
0.01 |
26400 |
99.85 |
Tuy nhiên khi năng suất riêng 4000 m3/(m2/h) thì các bộ lọc sẽ hoạt động có hiệu quả cao. Với tải trọng trên, sức cản của quá trình lọc đạt 49 Pa. Khi bộ lọc hoạt động lâu dài, bụi sẽ tích luỹ trên bề mặt lọc làm tăng sức cản đến 78,5 Pa.
Thời gian làm việc của các bộ lọc tẩm dầu phụ thuộc vào mức độ nhiễm bẩn của không khí và năng suất riêng của bộ lọc. Khi năng suất riêng 4000 m3/(m2.h) và hàm lượng bụi ban đầu trong không khí 5,0 mg/m3 thì thời gian làm việc của bộ lọc là 70 h, khi 0,5 mg/m3 - 80 h.
Để tách bụi và khôi phục các tính chất lọc, các bộ lọc bị bẩn phải rửa bằng natri cacbonat nóng hay trong dung dịch 10% natri hydroxyt và sau khi sấy cần nhúng các bộ lọc vào dầu.
Trong những năm gần đây, các bộ lọc tẩm dầu và các bộ lọc cuộn tự động thường được sử dụng rộng rãi.
Bộ lọc dạng ô mạng thống nhất hoá tác động tuần hoàn có các dạng ô mạng chứa xơ thuỷ tinh đàn hồi và ô mạng có polyuretan bọt xốp. Chúng được dùng để làm sạch bụi khỏi không khí bằng phương pháp khô khi độ bụi của không khí nhỏ hơn 5 ÷10 mg/m3.
Bộ lọc dạng có xơ thuỷ tinh không tái sinh được và khi đạt được một khối lượng bụi tới hạn thì thay lớp lọc mới. Sự tái sinh của các ô mạng lọc có polyuretan được thực hiện bằng phương pháp rửa trong nước lạnh khi bụi dạng khô hay trong nước ấm khi bụi ở dạng nhớt. Các bộ lọc cuộn tự động hoàn hảo hơn để làm sạch sơ bộ không khí trước khi cho vào các máy nén.
Bộ lọc để làm sạch không khí có độ bụi dưới 10 mg/m3. Làm sạch bụi trong không khí được thực hiện trong quá trình không khí qua hai mạng lưới chuyển động liên tục có tẩm dầu. Tốc độ của mạng lưới đầu là 16, mạng thứ hai -7 cm/phút.
Để cho bộ lọc hoạt động bình thường, không khí cần qua tiết diện của các tấm lọc với tốc độ nhỏ hơn 3 m/s. Các lưới được căng ra giữa các trục truyền động và trục kéo. Thông qua bộ truyền trục vít 2 cấp và bộ truyền bánh răng làm cho các trục của máy chuyển động quay. Bụi bám trên lưới được tách ra khi các mạng lưới chuyển động qua bể chứa dầu. Bộ lọc dầu tự làm sạch được sản xuất theo năng suất từ 20, 40, 60, 80 và 120 ngàn m3/h. Các phần tử lọc của các bộ lọc này bao gồm các bản định hình có nhiều rãnh với kích thước 3,5 mm.
Thời gian hoạt động của bộ lọc tẩm dầu có năng suất 4000 m3/(m2.h) phụ thuộc vào hàm lượng bụi ban đầu trong không khí khoảng từ 800 h đến 70 h khi hàm lượng bụi ban đầu tương ứng từ 0,5 ÷ 5 mg/m3. Hệ số làm sạch không khí 80 ÷ 90%.
Các bộ lọc tinh được phân loại theo sơ đồ trong hình 1.2
Hình 1.2
Thiết bị lọc sâu được ứng dụng rộng rãi để làm sạch không khí bằng phương pháp sinh học. Nó có áo hơi bao phủ bên ngoài bộ chứa (hình 1.3), các mạng đột lỗ bên trong. Vật liệu sợi được đặt giữa các mạng. Phụ thuộc vào áp suất khí nén và tốc độ của nó (0,1 ÷ 0,3 m/s) mật độ sắp xếp xơ thuỷ tinh khoảng 100 ÷ 500 kg/m3. Ngoài vật liệu bằng xơ thuỷ tinh còn ứng dụng vật liệu từ bazan siêu mịn, với lớp có chiều cao 6 cm khi mật độ gói 100 kg/m3, sau đó đóng kín bộ lọc và tiệt trùng bằng hơi. Hiệu suất làm sạch không khí 99,999%.
Ngoài ra còn ứng dụng những bộ lọc có kết cấu khác nhau: hộp (hìmh 1.4), mặt bích (hình 1.5) và bộ phận bên trong hình chữ nhật (hình 1.6).
Ưu điểm của bộ lọc có sợi bazan siêu mịn là có độ bền nhiệt cao và có các tính chất lọc tốt.
Nhược điểm là mật độ xếp của vật liệu lọc không thể khôi phục lại được, tạo rãnh, phải thay đổi vật liệu trong quá trình lọc.
|
Hình 1.3. Bộ lọc có mạng đột lỗ bên trong 1- Nắp áo hơi; 2- Nắp thiết bị; 3- Khớp nối để thải không khí; 4- Khớp nối để nạp hơi thứ; 5- Vỏ áo hơi; 6- Vỏ thiết bị; 7- Mạn
|
Hình 1.4. Bộ lọc dạng hộp để tiệt trùng không khí 1- Vít cấy; 2- Vỏ thiết bị; 3- Mặt bích; 4- Tấm lọc; 5- Gối tựa
|
Hình 1.5. Bộ lọc kiểu mặt bích để tiệt trùng không khí
1- Vật liệu lọc; 2- Mặt bích; 3- Chêm; 4- Vỏ; 5,7- Các đĩa đột lỗ; 6- Lớp đệm
Hình 1.6. Bộ lọc để tiệt trùng không khí có phần tử lọc dạng hình chữ nhật
1- Lưới thép không gỉ; 2- Khung kẹp; 3,8- Khớp nối để nạp và thải không khí;
4- Vỏ bộ lọc; 5- Khung đột lỗ; 6- Vít; 7- Vật liệu lọc
Bộ lọc phối hợp gồm thân trụ bằng thép có đáy hình bán cầu hay phẳng và nắp tháo được. Giữa các mạng lưới ở bên trong có vật liệu lọc.
Bộ lọc có áo hơi bên ngoài. Trong bộ lọc phối hợp đầu tiên có các lớp xơ thuỷ tinh còn bên trong có lớp xơ bông. Sức cản của xơ thuỷ tinh khi mật độ xếp 10 kg/m2, chiều cao của lớp 50 mm và tải trọng riêng của không khí 1500 m3/(h.m2) bằng 0,24 kPa, còn khi bề dày của lớp lọc 500 mm - 2,4 kPa.
Bông thuỷ tinh được sử dụng như là chất lọc sơ bộ. Khi đường kính của bộ lọc là 500 mm thì bông thuỷ tinh chứa trong đó là 500 g và 10.000 g bông; năng suất của bộ lọc 500 m3 không khí /h. Nếu đường kính bộ lọc 220 mm thì cần một lượng bông thuỷ tinh là 100 g và 2000 g bông, năng suất 100 m3 không khí/h. Cho nên trong một thiết bị có thể tồn tại hai mức làm sạch khác nhau.
Bộ lọc được tiệt trùng bằng hơi ở áp suất dư 0,4 MPa trong 2h. Sau khi tiệt trùng tiến hành sấy khô bộ lọc bằng không khí tiệt trùng.
Để loại trừ vi khuẩn trong không khí, người ta sử d ụng bộ l ọc bằng vải Petrianova. Vải Petrianova là loại vải mịn được bện một cách tự do ở dạng băng trên nền xốp từ các sợi peclovinyl (Φ-15 và Φ-25) xenluloza axetat (ΦĂ-15), polystirol (Φß15), polyftostirol (Φ) có chiều dày 1,5 và 2,5 μm.
Loại trừ các sợi ΦĂ, các vật liệu tổng hợp này có độ bền nhiệt giới hạn và đòi hỏi tiệt trùng bằng hơi gián tiếp hay bằng khí formaldehyt.
Vì độ bền cơ học của vật liệu không cao cho nên bộ lọc dùng vải Petrianova sẽ có hiệu quả hơn trong hệ lọc có không khí thổi qua với tốc độ chuyển động không lớn.
Để làm sạch vi khuẩn trong dòng không khí có tốc độ cao người ta đã thiết kế ra những kết cấu lọc có nhiều lớp.
Bộ lọc dùng vải Petrianova Φ-15 (hình 1.7) gồm xilanh bằng thép có nắp tháo được và đáy hình nón. Có 73 xilanh đột lỗ ở bên trong bộ lọc để hình thành nên mạng ống. Một số lớp vải bọc quanh các ống xilanh. Khi qua lớp vải Φ-15, vi sinh vật được loại khỏi không khí. Tiệt trùng bộ lọc bằng hơi với hợp chất formalin.
Hình 1.7. Bộ lọc bằng vải Petrianova
1- Nắp; 2- Vỏ thiết bị; 3- Ống lót; 4-Van để nạp hơi formalin;
5- Khớp nối để thải không khí; 6- Ống nối để nạp không khí
Đặc tính kỹ thuật của bộ lọc bằng vải petriarova:
Năng suất tính theo không khí, m3/h: 1000
Tốc độ không khí, m/s: bên trong bộ lọc: 0,016
khi vào và khi ra: 35,4
Bề mặt lọc, m2:
tổng: 17,5
của một xilanh: 0,24
Số xilanh lọc: 73
Trong công nghiệp vi sinh để phục vụ cho khâu lên men, người ta thường dùng những bộ lọc tinh (bảng 7.3).
Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật của các bộ lọc tinh
|
Loại bộ lọc |
Năng suất tính theo không khí, m3/h |
Diện tích bề mặt lọc, m2 |
Sức cản dòng không khí, Pa |
|
ΦT0-60 ΦT0-500 ΦT0-750 ΦT0-1000 |
60 500 750 1000 |
1 5 10 10 |
470 ÷ 600 800 400 800 |
Thuộc loại này gồm các bộ lọc có bộ phận uốn sóng, giữa các nếp uốn của vật liệu lọc có các bản gợn sóng. Cố định vật liệu ở phần trên và dưới xilanh. Lọc không khí xảy ra từ bên ngoài bộ phận lọc vào khoang bên trong của nó, từ đây không khí tiệt trùng theo đường ống dẫn vào nồi lên men. Nhược điểm của loại này là không có khả năng tiệt trùng bộ lọc bằng hơi trực tiếp trong dây chuyền công nghệ, phức tạp hoá việc kiểm tra và tạo độ kín, độ bền cơ học của băng lọc quá kém. Ưu điểm: hiệu suất của vật liệu lọc cao (lớn hơn 99,999%), đối với các phần tử hạt 0,3 μm có sức cản của dòng không khí nhỏ (0,1 MPa), tốc độ lọc 0,05 m/s.
Từ những số liệu đã nêu ở trên, ta thấy rằng hiệu suất lọc phụ thuộc vào các tính chất hoá lý của vật liệu lọc, vào độ bền, sức cản khí động, kích thước sợi, mật độ xếp, chiều dày lớp lọc, khả năng tái sinh, tốc độ dòng không khí và độ ẩm của nó.
Mức độ cần thiết để làm sạch không khí bằng phương pháp sinh học có thể đạt được nhờ sử dụng vật liệu lọc ở dạng bảng, đĩa hay ống teflon có bề dày 4 mm từ bột bằng phương pháp thiêu kết.
|
Hình 1.8. Bộ lọc để tiệt trùng không khí có đĩa teflon: 1- Vỏ bộ lọc; 2, 4- Các van để nạp và tháo không khí; 3- Tuyến nạp hơi; 5- Đĩa teflon; 6,7- Các van để thải nước ngưng |
Hình 1.9. Bộ lọc hai ống để tiệt trùng không khí: 1- Nắp bộ lọc; 2- Vỏ; 3- Phần tử lọc bằng teflon; 4- Nắp của phần tử lọc; 5- Cơ cấu lèn chặt |
Hình 1.8 mô tả bộ lọc dùng đĩa teflon, còn hình 1.9 là bộ lọc dùng các xilanh bằng teflon. Số lượng xilanh trong bộ lọc có thể nhiều đáng kể. Ưu điểm của teflon là bền nhiệt và bền cơ.
Các vật liệu nhận được bằng phương pháp luyện kim bột là vật liệu mới để lọc tiệt trùng. Khác với các vật liệu sợi và phi vải, các vật liệu dạng hạt đã thiêu kết có cấu trúc không đổi, trơ hoá, không gặp khó khăn khi tiến hành bất kỳ phương pháp tiệt trùng nào, độ bền cao, dễ dàng kiểm tra, rẻ tiền và đơn giản trong sản xuất.
Cấu trúc dạng hạt của các vật liệu kim loại gốm, thứ tự xếp các lớp của hạt khi sản xuất các phần tử lọc xốp bằng phương pháp luyện kim bột gây ra sự co thắt tuần hoàn và giãn nở của các rãnh thông. Các phần tử kim loại lọc được sử dụng để lọc thô và lọc tinh không khí . Người ta đã khởi thảo được các phần tử lọc bằng kim loại gốm có hiệu quả để loại những vi sinh vật với đường kính 0,3 μm. Sự liên quan chặt chẽ giữa hình dạng các rãnh với sự thay đổi tuần hoàn đường kính của tiết diện và tốc độ chuyển động của dòng không khí lọc ở trong các rãnh là những đặc điểm lọc khi sử dụng các phần tử lọc trên. Khi không khí chuyển động qua vật liệu lọc (hình 1.10) với tần số siêu âm hay gần bằng xuất hiện sự co - giãn liên tục, có nghĩa là xảy ra sự tự kích hoạt của các dao động siêu âm.
Trong pha giãn nở của dòng không khí khi tăng tiết diện của rãnh xảy ra ngưng tụ hơi nước và khí, làm xuất hiện hoặc là gộp lại thành xon khí giọt vi lượng, còn trong pha co nén khi giảm tiết diện rãnh xảy ra sự va chạm và tích tụ các xon khí, dẫn đến làm lắng chúng trên tường của phần tử lọc. Tần số dao đông siêu âm có biên độ dao động 1 ÷ 5 μm và lớn hơn đủ để làm xuất hiện các lực thắng sức căng của nước (hay dầu) , do đó những giọt chất lỏng xuất hiện bị bắn ra thành những tia với kích thước từ thiết bị lên men thước một vài micron. Điều đó làm chuyển động các tế bào vi khuẩn ở trong dòng không khí và cuối cùng làm lắng chúng trên tường phần tử lọc ở dạng xon khí.
Để sản xuất phần tử lọc, chọn bột hạt mịn nhất với tính toán sao cho số giãn nở và co thắt của dòng không khí cao hơn trị số 16000 s−1 khi độ dài của tường lọc phù hợp.
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng các phần tử từ bột titan có kích thứớc hạt 0,3 μm sẽ thoả mãn với điều kiện trên.
Hình 1.10. Sơ đồ lắng của xon khí vi sinh khi lọc không khí qua phần tử kim loại gồm:
1- Tường phần tử lọc; 2- Các tia không khí; 3- Ẩm kết tụ; 4- Tế bào vi sinh vật
Các phần tử kim loại làm bằng titan được sử dụng để loại vi khuẩn trong không khí. Chúng gồm có nền kim loại gốm xốp, vật liệu lọc dạng xơ bao phủ chất nền (thành hai hay nhiều lớp) và màng ống. Đối với các phần tử kim loại lọc dùng để lọc tinh không khí đầu tiên là ứng dụng vật liệu chịu thuỷ lực, duy trì được tiệt trùng bằng hơi trực tiếp đến 1500C trong vòng 40 ÷ 50 phút. Vật liệu kỵ nước, bền đối với sự tác động của axít, kiềm, các chất oxy hoá mạnh, các loại rượu, dầu có thể sử dụng để lọc không khí ở nhiệt độ từ - 250 đến + 2000C. Sức cản thuỷ lực của vật liệu với tốc độ của không khí 1 cm/s là 14,7 Pa.
Các phần tử kim loại gốm dùng để lọc tinh không khí bằng phương pháp sinh học có những ưu điểm sau: trị số tiệt trùng bằng hơi trực tiếp lớn đáng kể, tái sinh đơn giản và thời gian hoạt động lâu (5 ÷10 năm).
Bảo vệ môi trường xung quanh là nhiệm vụ bức thiết hiện nay, cho nên cần phải đảm bảo làm sạch không khí thải ra từ các thiết bị lên men. Không khí thải ra từ các thiết bị lên men chứa một lượng đáng kể tế bào vi sinh vật. Khi nuôi cấy các chủng enzim ở giai đoạn phát triển, trong 1 m3 không khí chứa từ 3,4.106 đến 1.1010 tế bào. Những yêu cầu cơ bản của phần tử lọc: sức cản thuỷ lực ban đầu không lớn hơn 30 ÷ 40 kPa, giảm tốc độ lọc do tăng bề mặt lọc, khả năng tiệt trùng nhiệt liên tục, độ bền rỉ cao trong môi trường vi sinh, bền nhiệt và bền ẩm.
Trên cơ sở các phần tử kim loại gốm lọc, người ta đã khởi thảo ra những tổ hợp lọc tự động bằng hơi để lọc vi khuẩn trong không khí khi đưa vào và thải ra khỏi thiết bị lên men.
Những đặc điểm khác biệt của các tổ hợp lọc là độ tin cậy vi sinh được đảm bảo trong quá trình làm sạch và tự động hoá hoàn toàn hoạt động của chúng.
Việc ứng dụng trong công nghệp những tổ hợp lọc tự động bằng hơi nước cho phép làm giảm chi phí khai thác, làm giảm số công đoạn khử trùng đến tối thiểu, làm tăng tuổi thọ hoạt động của thiết bị và hiệu suất các chất hoạt hoá sinh học, làm giảm thời gian chuẩn bị của thiết bị lên men và số lượng công nhân thao tác cũng như giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường xung quanh khỏi nhiễm bẩn vi sinh .
Bộ lọc hợp quy cách có vỏ xilanh đứng (có thể có vỏ hơi), bên trong có các lõi ống lọc được xếp thành mạng ống. Mỗi lõi ống có đáy và mặt bích kim loại đặc. Khi cần thiết phải dừng gián đoạn hoạt động của bất kỳ lõi ống nào (kiểm tra, thử nghiệm, sửa chữa) thì đặt đĩa kín có kích thước tương ứng với kích thước mặt bích của ống lọc lên mạng ống.
Các tổ hợp lọc và tiệt trùng được ghép lại bằng các phần tử kim loại để tiện lợi cho việc tiệt trùng không khí trong các công nghiệp vi sinh, bào chế thuốc, thực phẩm, y học cũng như để bảo vệ môi trường khỏi bị nhiễm vi sinh vật và các hạt bụi phóng xạ.
Khi sử dụng các phần tử lọc kim loại gốm thường tiến hành làm sạch gián đoạn bằng phương pháp va đập không khí phản hồi. Để thực hiện điều đó trong hệ cần có bộ tích tụ. Khi cấp không khí bằng xung lượng từ bộ tích tụ có kèm theo sự cắt mạch các nhánh chính thì áp suất của dòng không khí cao hơn một ít so với áp suất làm việc nhưng hướng không khí thì ngược lại.
Tổ hợp lọc tự động bằng hơi (hình 1.11) gồm hai bộ lọc kết hợp song song nhau bằng đường thông khí có các phần tử lọc biến đổi; bộ lọc bằng hơi dùng để lọc hơi trực tiếp khi tiệt trùng tổ hợp; các van; áp kế vi sai; nhiệt kế; thiết bị điện và các lò nung điện kiểu ống. Bộ lọc có thể hoạt động bằng điều khiển tự động hay thủ công.
Bộ lọc gồm vỏ xilanh có kích thước 500×1200 mm, trong đó có 60 phần tử kim loai sứ với kích thước 40 × 35 × 500 mm, 2 lò nung điện công suất 2 kW.
Việc bố trí lò nung điện kiểu ống từ phía các phần tử kim loại xốp sẽ đảm bảo khử nhiễm vi sinh vật, vì các vi sinh vật bị không khí vô trùng thổi từ phía trên của mạng ống và từ các phần khác của bộ lọc trong dòng ngược chịu sự va đập. Việc cung cấp và dẫn không khí ra được thực hiện theo các đường ống dẫn với đường kính 150 mm có các van khoá và van bảo hiểm.
Đường thông gió phía trước máy phân nhánh thành hai ống mềm tiếp tuyến với góc giữa các trục của các ống mềm 0 ÷ 900. Sự va đập của hai dòng ở bên trong máy lọc làm tăng sự kết hợp các cột xon khí và chúng bám trên các vách lọc, khi đó các hạt cứng sẽ trượt xuống dưới theo vách lọc. Do sự tác động lẫn nhau của các dòng không khí vào làm giảm nồng độ của các chất bẩn phân tán mịn chứa vi sinh vật. Khi qua các lỗ hổng của các phần tử kim loại lọc có độ rỗng 30 ÷50% các hạt có kích thước lớn hơn 1 μm sẽ được tách khỏi không khí.
Chỉ một trong các bộ lọc hoạt động, còn bộ lọc thứ hai để dự trữ. Khi giảm áp suất lọc hơn 0,03 MPa van chính sẽ tắt tự động bộ lọc đang hoạt động và đổi dòng khí vào bộ lọc dự trữ. Bộ lọc ngừng hoạt động sẽ tích nhiệt và tiệt trùng nhờ lò nung điện hay bằng hơi trực tiếp ở nhiệt độ 130 ÷ 1500C trong vòng 40 phút, sau đó sức cản thuỷ lực của bộ lọc đạt được trị số ban đầu 4 kPa. Tiếp tục sức cản của bộ lọc tăng trung bình lên 200 Pa.
Hình 1.11. Tổ hợp tự động bằng hơi để làm sạch sơ bộ không khí:
1- Khu bảo dưỡng; 2- Giàn; 3- Bộ lọc thô; 4- Đường ống; 5- Bộ chứa; 6,8- Các van rôto; 7- Ống lọc; 9- Van bảo hiểm; 10- Ap kế vi sai; I- Cửa không khí vào bộ lọc; II- Cửa thoát không khí được làm sạch; III- Cửa vào của không khí từ bộ chứa đến hoàn nhiệt; IV- Cửa tháo cặn
Dùng máy nén khí để nạp không khí vào giai đoạn làm sạch tiếp theo sau khi làm sạch sơ bộ.
Không khí vô trùng cho vào bình chứa giữa các bộ lọc. Trên các đường ống nạp không khí vào bình chứa lắp các van khoá và van một chiều.
Có thể tiến hành tích nhiệt cho các phần tử lọc bằng dòng không khí ngược đã được tích luỹ trong bình chứa sau khi tiệt trùng nhờ các lò nung điện kiểu ống. Nhiệt độ tiệt trùng theo yêu cầu đặt ra và được kiểm tra một cách tự động.
Các phần tử lọc sẽ được làm sạch và sấy khô khi không khí từ bình chứa qua chúng ở áp suất 0,3 MPa. Nhiệt độ của không khí khi thổi sẽ giảm xuống từ 140 đến 400C.
Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp tự động để làm sạch thô không khí:
Năng suất, km3/h: 5000
Diện tích lọc, m2: 3,77
Số lượng các phần tử lọc trong tổ hợp, cái: 2 × 60
Tốc độ không khí qua tiết diện lọc, m/s: 0,4 ÷ 2
Ap suất làm việc của không khí, MPa: dưới 0,3
Nhiệt độ lọc, 0C: 50 ÷ 60
Độ ẩm của không khí, %: 60 ÷ 70
Hiệu quả làm sạch, %: 95 ÷ 96
Kích thước cơ bản, mm: 5650 × 3660 × 4025
Về nguyên tắc các bộ lọc tinh không khí không khác bộ lọc thô. Tổ hợp tự động đầu tiên để lọc vi khuẩn trong không khí (hình 1.12) gồm hai bộ lọc song song có các phần tử lọc mịn, bộ lọc bằng hơi để lọc hơi trực tiếp khi tiệt trùng tổ hợp.
Hình 1.12. Tổ hợp tự động để lọc tinh không khí bằng hơi:
1- Bộ lọc tinh; 2- Bộ lọc bằng hơi; 3- Giàn đỡ;
4- Khu vực thao tác; 5,6- Đường ống dẫn; 7- Khoá hình chêm; 8- Van hơ
Tổ hợp tiệt trùng làm việc như sau: không khí nén được đẩy vào bộ lọc qua các van rồi đến bình chứa, thiết bị lên men. Hạ áp cho phép trong giới hạn từ 19 đến 115 kPa. Khi các phần tử lọc bị nhét kín và khi tăng hạ áp đến 30 kPa xảy ra sự trùng khớp tự động các van ở vị trí hoạt động và mở các van của bộ dự trữ. Bộ lọc dự trữ ở trạng thái hoạt động, còn bộ lọc đầu được tích nhiệt nhờ không khí đã được làm sạch. Không khí nén từ bình chứa được đẩy vào thiết bị lên men trong thời gian tích nhiệt của bộ lọc. Sau khi hoàn nguyên các tính chất lọc của bộ lọc đã ngừng hoạt động, tín hiệu kết thúc quá trình tích nhiệt truyền đến van hộp xếp
Trước khi hoạt động cần tiệt trùng bộ lọc bằng hơi trực tiếp va sấy khô bằng dòng không khí ngược chiều. Hệ thống tự động điều chỉnh quá trình được tiến hành như sau: khi bộ lọc rỗ bẩn sẽ làm tăng hạ áp đến 91 kPa, bộ lọc sẽ ngưng hoạt động và được tích luỹ hơi.
Tái sinh các cơ cấu lọc bằng hơi và sấy khô bằng không khí sạch từ bình dự trữ.
Nhiệt độ tái sinh 0 ÷1000C được giảm liên tục đến 300C nhờ cảm biến chương trình.
Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp tự động để làm sạch vi khuẩn trong không khí:
Năng suất, m3/h: 5000
Bề mặt lọc, m2: 9,7
Số lượng phần tử trong tổ hợp, cái: 2 × 150
Tốc độ không khí qua tiết diện lọc, m/s: 0,1÷0,15
Ap suất làm việc của không khí, MPa: 0,35
Nhiệt độ lọc, 0C: 20 ÷ 50
Độ ẩm của không khí, %: 60 ÷ 70
Hiệu quả làm sạch, %: 99,99 ÷ 99,999
Kích thước cơ bản, mm: 4300 × 5500 × 4700
Tổ hợp lọc để làm sạch vi khuẩn trong không khí thải từ thiết bị lên men (hình 1.13) gồm hai bộ lọc vi khuẩn được kết hợp song song, bình chứa không khí sau mức làm lạnh thứ hai để tái sinh các phần tử lọc bằng dòng ngược chiều và bộ lọc bằng hơi. Để giảm độ ẩm của không khí vào sau tấm chặn giọt, cũng như để diệt từng phần vi khuẩn do sự tiếp xúc của chúng với bề mặt đun nóng, người ta lắp đặt 3 bộ nung điện kiểu ống TÝ-10 theo chu vi của bộ lọc.Trong mạng giữa các bộ nung đặt các bi thuỷ tinh để tiêu diệt vi khuẩn khi chúng qua các bi được đun nóng. Các phần tử lọc dạng xốp được bện lại và cho vào mạng ống.
Nạp không khí vào thiết bị loc, thùng dự trữ và thải không khí lọc, cặn theo các đường ống có đường kính 300 mm. Trên các đường ống lắp thêm các khoá và các van điều chỉnh bằng điện. Hơi trực tiếp nạp theo các đường ống 25 mm và có các van. Xả nước ngưng qua bộ tháo theo đường ống có đường kính 50 mm. Áp suất và nhiệt độ trong các bộ lọc được kiểm tra tự động.
Trước khi cấp không khí từ nồi lên men cần cho các lò nung điện hoạt động và tăng nhiệt độ không khí lên 10 ÷ 200C, sau đó mở các khoá và không khí từ nồi lên men vào bộ lọc, qua tấm chặn giọt, chụp nón, vào các phần tử lọc và sau đó không khí sạch được thải vào khí quyển.
Hình 1.13. Tổ hợp tự động để làm sạch vi khuẩn trong không khí thải
1- Mạng ống; 2- Bộ lọc vi khuẩn; 3- Phần tử lọc;
4- Lò nung điện dạng ống; 5- Mạng luới; 6- Bộ lọc hơi;
7- Tấm chặn giọt; 8- Khung của bộ lọc vi khuẩn;
9- Bộ thải nước ngưng kiểu phao; 10,11- Đường ống dẫn;
12- Thùng chứa dự trữ; 13- Khoá chêm; 14- Khung bộ lọc hơi
Trong khoảng thời gian đó thùng dự trữ chứa đầy không khí nén. Khi đạt giảm áp trong bộ lọc đang hoạt động ở 30 kPa thì cho bộ lọc thứ hai hoạt động. Sau khi mở hoàn toàn các khoá vào và ra của không khí từ bộ lọc thứ hai, cho bộ lọc 1 hoạt động và tiến hành tiệt trùng và tích nhiệt.
Các tổ hợp lọc bằng hơi để làm sạch vi khuẩn trong không khí thải ra từ các nồi lên men hoạt động trong các điều kiện đặc biệt quan trọng vì độ ẩm của nó gần 100%. Thường phóng ra các tia chất lỏng canh trường và khi có lượng ẩm bị chuyển dịch ở dạng giọt hay sương đạt đến 40 ÷ 60 g/m3 không khí.
Trong sản xuất hiện đại khi tiêu hao không khí gần 5000 m3/h thì lượng ẩm bị cuốn đi trong một giờ có thể đạt đến 200 ÷ 300 kg. Sự phóng ra các tia chất lỏng canh trường va đập vào các phần tử lọc có thể dẫn đến sự bịt kín tức thời các lỗ lọc và xuất hiện va đập phản hồi. Khi đó hệ vi sinh vật bị phá huỷ trên các vách ở phía trong máy lọc kể từ mức bề mặt chất lỏng canh trường được biến đổi theo dạng sóng, có thể xâm nhập vào nồi lên men và làm nhiễm bẩn chất lỏng. Hàm lượng vi sinh vật cho phép trong không khí thải cần phải bằng nồng độ tự nhiên của các tế bào trong không khí.
Để ngăn ngừa sự dính bám của các tia chất lỏng vào các phần tử lọc thường người ta sử dụng những kết cấu khác nhau: gá đặt các rãnh để thực hiện các chuyển động rối của dòng không khí, phễu phản xạ ...Nhược điểm của các kết cấu nêu trên là chỉ có một phần tiết diện không đáng kể của dòng không khí được tiếp xúc với bề mặt tách ẩm.
Bộ lọc có những phần tử lọc xốp mịn, chúng được đính chặt trong mạng ống và có bộ phận tách ẩm. Màng ngăn xốp từ mạng lưới hay từ đĩa kim loại sứ được lắp nghiêng ở phía trên, cho nên màng ngăn chỉ tiếp xúc với vách trong của máy ở phần dưới, còn theo chu vi còn lại giữa vách ngăn và vỏ có khe hở. Khi đó đường kính ngoài của đĩa xốp lớn hơn đường kính trong của gờ vòng. Màng xốp và gờ vòng làm thành những phần tử kết cấu để gom các giọt nước. Không khí thải từ nồi lên men qua các rãnh của màng ngăn và qua các khe hở.
Trong những trường hợp cuốn hút cơ học hay phóng ra các tia chất lỏng canh trường thì ẩm sẽ không rơi vào các phần tử lọc mà được giữ chủ yếu trong vách ngăn xốp, phủ một phần các lỗ làm giảm tiết diện chung của các rãnh. Thực tế thì tất cả các dòng không khí đi qua các lỗ tấm ngăn, chỉ có một phần rất nhỏ chưa được giải phóng ra khỏi các giọt toé. Cho nên các phần tử lọc xốp ngăn ngừa được sự phủ kín các lỗ do ẩm ngưng tụ.
Do sự tác động của các lực ống mao quản, vách ngăn xốp có các tính chất lọc khơi ngòi cho nên chất lỏng rơi vào nó sẽ dẫn đến vách trong của bộ lọc và chảy theo vách xuống đáy. Việc bao phủ một phần hay hoàn toàn các lỗ khi thấm ướt màng ngăn xốp sẽ không làm tăng áp suất cho phép và sự va đập phản hồi vì xảy ra sự phân bố dòng không khí, phần lớn chuyển về hướng có tốc độ cao qua khe hở. Lắp gần khe hở bộ cảm biến tốc độ. Nó truyền tín hiệu về mức độ làm ẩm tới hạn của màng ngăn để tắt tự động bộ lọc, mở bộ lọc dự trữ và tái sinh màng xốp.
Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp tự động để làm sạch vi khuẩn trong không khí thải:
Năng suất, m3/h: 5000
Bề mặt lọc, m2: 10,4
Số lượng các phần tử lọc trong tổ hợp, cái: 2 × 150
Tốc độ không khí qua tiết diện lọc, m/s: 0,15
Ap suất làm việc của không khí, MPa: 0,35
Nhiệt độ lọc, 0C: 20 ÷ 50
Độ ẩm của không khí, %: 70 ÷ 100
Hiệu quả làm sạch, %: 99,0 ÷ 99,5
Kích thước cơ bản, mm: 4300 × 5500 × 4700
>> Xem lại: Thiết bị tiệt trùng các môi trường dinh dưỡng
>> Xem tiếp: Thiết bị vắt, trích ly, tinh chế các sản phẩm thu nhận từ phương pháp tổng hợp vi sinh
Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team./.
