高效一體式折疊膜過濾器的研發(fā)與應(yīng)用

邢書芳 胡春光 郭 健 賈福成

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

“過濾”是指流體（氣體和液體）中的微小固體顆?；驓馊苣z粒子與流體之間的分離，用于實(shí)現(xiàn)這種分離的裝置就是過濾裝置，過濾裝置必須安裝過濾膜，只有當(dāng)過濾膜具備較高的過濾效率，才能使流體變得純凈或無菌?！皟艋币彩且环N分離，但一般的凈化裝置，例如旋風(fēng)分離器、渦旋管分離器、氣液分離器等沒有過濾膜，依靠科學(xué)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只能分離較大的粒子，一般凈化精度都在1μm以上。在生物制藥等發(fā)酵行業(yè)中，空氣過濾與凈化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無菌空氣系統(tǒng)的制備中。

折疊膜空氣過濾器，可替代傳統(tǒng)的以棉花、活性炭為介質(zhì)的空氣過濾器，在節(jié)能、環(huán)保、降耗等方面顯示出了巨大的優(yōu)越性。在近30年時(shí)間里，我院研發(fā)了多種無菌空氣系統(tǒng)裝備，這些裝備應(yīng)用到發(fā)酵行業(yè)后，得到了用戶的一致好評(píng)和認(rèn)可。含一體式折疊膜過濾器等5個(gè)國(guó)家專利產(chǎn)品的新型節(jié)能無菌空氣過濾系統(tǒng)流程如圖1所示。

1 無菌空氣過濾器結(jié)構(gòu)分析

發(fā)酵行業(yè)使用的無菌空氣過濾器經(jīng)歷了一個(gè)由低效、高耗能向高效、低耗能轉(zhuǎn)變的過程。當(dāng)總空過濾器、分過濾器的過濾介質(zhì)均為棉花、活性炭時(shí)，稱為棉炭+棉炭過濾器；當(dāng)總空過濾器、分過濾器的過濾介質(zhì)為棉花、活性炭和玻璃纖維時(shí)，稱為棉炭+層疊板式過濾器；當(dāng)總空過濾器、分過濾器的過濾介質(zhì)為玻璃纖維、金屬?gòu)?fù)合膜時(shí)，稱為玻璃纖維+金屬膜過濾器；當(dāng)總空過濾器、分過濾器的過濾介質(zhì)為玻璃纖維、聚四氟乙烯膜時(shí)，稱為折疊膜+高分子膜過濾器。

1.1 棉炭過濾器結(jié)構(gòu)

我國(guó)的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代，從那時(shí)起至80年代中期，一直沿用以棉花、活性炭為主要介質(zhì)的無菌空氣過濾設(shè)備。

在棉炭過濾器殼體內(nèi)部，棉花和活性炭分層擺放，靠隔板和螺釘固定?？諝庥蓺んw底部進(jìn)入，經(jīng)過數(shù)層棉花、活性炭后從頂部排出。

圖2為棉炭過濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。棉炭過濾器分為兩種類型，即總空過濾器和分過濾器。根據(jù)流量大小，其外形尺寸也不同，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一樣的?？偪者^濾器為第一級(jí)過濾，主要攔截油霧、水霧和較大粒子。分過濾器是第二級(jí)過濾，通過兩級(jí)過濾的空氣，若還未能達(dá)到發(fā)酵料液需要的過濾精度，可再增加一級(jí)過濾，確保過濾空氣滿足發(fā)酵工藝需求。

棉炭過濾器的優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)中配置的設(shè)備較少，便于集中布置和管理；（2）棉花、活性炭這些介質(zhì)材料易得，價(jià)格相對(duì)較低，使用壽命較長(zhǎng)；（3）通過總、分兩級(jí)無菌過濾，容易配置及經(jīng)常更換分過濾器介質(zhì)，且在每批介質(zhì)進(jìn)罐前可對(duì)其進(jìn)行高溫蒸汽滅菌，能夠較為可靠地提供發(fā)酵過程所需的無菌空氣。鑒于上述這些優(yōu)點(diǎn)，使得棉炭過濾器在過去幾十年的時(shí)間內(nèi)，在中外發(fā)酵行業(yè)生產(chǎn)中一直占據(jù)著不可替代的統(tǒng)治地位。

但是，根據(jù)棉花、活性炭本身的特性，作為無菌空氣過濾器的過濾介質(zhì)，其存在一些無法克服的缺陷：（1）壓力損失大，兩級(jí)過濾總損失壓降為0.06～0.07 MPa；（2）容易染菌，造成大量蒸汽、原材料的浪費(fèi)；（3）更換介質(zhì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重。由于生物制藥等發(fā)酵產(chǎn)品是連續(xù)生產(chǎn)，年耗能量很大，因此使用棉炭過濾器會(huì)給企業(yè)帶來沉重負(fù)擔(dān)，發(fā)酵行業(yè)節(jié)能降耗的需求尤為突出，市場(chǎng)和用戶迫切需要更可靠、更高效的過濾介質(zhì)和過濾系統(tǒng)來滿足發(fā)酵行業(yè)的生產(chǎn)需求。

圖1 新型節(jié)能無菌空氣過濾系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

圖2 棉炭過濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 QJX型高效氣體凈化系統(tǒng)

QJX型高效氣體凈化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為金屬膜過濾器）的研制始于1985年，面對(duì)發(fā)酵行業(yè)對(duì)新型空氣過濾系統(tǒng)的迫切需求，我院技術(shù)人員將軍工分離膜技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于民用產(chǎn)品，成功研發(fā)了過濾精度達(dá)0.01μm的金屬膜過濾器，打破了棉炭過濾器在發(fā)酵行業(yè)一統(tǒng)天下的局面。

金屬薄膜是用于核工業(yè)的一種特種膜，金屬膜過濾器利用表面和深層過濾機(jī)理，流體形式為渦旋剪切十字流。金屬膜表面容易清洗，深層過濾具有較大的容塵量，而渦旋剪切十字流形式可以連續(xù)排塵，從而保證了金屬膜過濾器的超長(zhǎng)使用壽命可達(dá)到5年以上。其顯著特點(diǎn)為：（1）系統(tǒng)可靠性強(qiáng)；（2）過濾機(jī)理先進(jìn)；（3）系統(tǒng)性價(jià)比高。采用納米技術(shù)制作的金屬膜過濾精度可以達(dá)到0.01μm。

金屬膜過濾器主要包括預(yù)過濾器、主過濾器、止逆裝置。系統(tǒng)采用預(yù)、主過濾器垂直連接的形式，預(yù)過濾器濾芯為圓筒式，氣體外進(jìn)內(nèi)出，單支流量大，安裝更換方便。膜管采用陣列式排列，氣流方向?yàn)閮?nèi)進(jìn)外出。膜管與管板采用冷焊技術(shù)連接，整機(jī)無接點(diǎn)，消毒溫度可達(dá)180℃，多次消毒不會(huì)引起系統(tǒng)性能下降。止逆裝置是主過濾器的保護(hù)裝置，裝置浮子設(shè)計(jì)為雙浮子結(jié)構(gòu)，既可有效預(yù)防反壓、料液倒流對(duì)主過濾器的損壞，又可保護(hù)發(fā)酵罐，并有利于突遇停電、停氣或其他事故過程中的發(fā)酵罐保壓。金屬膜過濾器及金屬膜管如圖3所示。

從20世紀(jì)80年代后期開始，金屬膜過濾器在華北制藥廠、江西東風(fēng)制藥廠、山東魯抗集團(tuán)、南陽(yáng)普康藥業(yè)公司等近百家發(fā)酵企業(yè)得到成功應(yīng)用，發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵單位/平均收率、單罐產(chǎn)量、染菌率等指標(biāo)有了較大的提高和改善，均取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 金屬膜過濾器及金屬膜管

表1 無菌空氣過濾器改進(jìn)前后的相關(guān)指標(biāo)對(duì)照表

僅以華北制藥廠108發(fā)酵車間為例，全面使用金屬膜過濾器后收效明顯：（1）種子罐染菌率下降30%以上，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)142.8萬元/年。（2）百噸發(fā)酵罐的染菌率下降50%以上，僅此一項(xiàng)，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)98萬元。由于空氣質(zhì)量提高，單位產(chǎn)品成本大幅度降低，年創(chuàng)收達(dá)457萬元。（3）徹底替代了棉炭過濾器，每年節(jié)約棉花、活性炭資金17.3萬元。（4）年節(jié)約消毒蒸汽1 000 t以上，價(jià)值2萬元。合計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益717.1萬元。

國(guó)內(nèi)潔霉素重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)通過使用金屬膜過濾器，替代了落后的棉炭過濾器，使空氣質(zhì)量得到根本改善，收益明顯。無菌空氣過濾器改進(jìn)前后的相關(guān)指標(biāo)對(duì)照如表1所示。

隨著過濾技術(shù)的不斷進(jìn)步以及用戶對(duì)過濾產(chǎn)品認(rèn)知的提高，金屬膜過濾器的不足之處也逐漸顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)備價(jià)格高，幾乎是相同流量折疊膜過濾器的2～3倍；（2）單臺(tái)體積較大，維修更換復(fù)雜，需專業(yè)人員維修更換；（3）檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一臺(tái)金屬膜過濾器的膜管檢測(cè)更換需要6～8 h左右，而折疊膜過濾器僅需1 h（以60 m3/min過濾器為例）；（4）成本升高，利潤(rùn)降低，金屬膜管的主要原材料為鎳，每噸由幾萬元已漲至幾十萬元，成本壓力巨大。

1.3 分體式折疊膜過濾器結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代，英國(guó)多明尼克·漢德（Domnick Hunter，DH）公司首先推出了全新概念的膜折疊濾芯，這是空氣膜過濾技術(shù)的重大突破，使得無菌空氣凈化技術(shù)上升到了一個(gè)新高度。

美國(guó)戈?duì)柟荆℅ore）利用機(jī)械壓延技術(shù)得到了孔徑分布窄、空隙率高的聚四氟乙烯微孔膜，進(jìn)一步提高了聚四氟乙烯膜的加工制造水平。其制造方法：經(jīng)擠出、壓延得到厚度為250μm左右的基帶，再在22～320℃下進(jìn)行熱定型處理，得到由億萬條連續(xù)不斷的互連纖絲非同心交叉排列而成的微孔，孔徑小于0.2μm，孔隙率最大可達(dá)80%。

由于過濾技術(shù)控制在國(guó)外過濾器廠家手中，無菌空氣濾芯造價(jià)不菲，每支20"高效濾芯（聚四氟乙烯膜）售價(jià)達(dá)到8 000元左右。現(xiàn)在常規(guī)使用售價(jià)幾千元的折疊膜過濾器，在當(dāng)時(shí)需要十萬元，昂貴的價(jià)格，加上技術(shù)上的壟斷，使得過濾膜新技術(shù)、新產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)無法大面積推廣。直到2000年左右，國(guó)內(nèi)高分子膜過濾技術(shù)的研制實(shí)現(xiàn)了重大突破，膜過濾技術(shù)開始在發(fā)酵行業(yè)大面積使用。

相比金屬膜過濾器，分體式折疊膜過濾器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）產(chǎn)品價(jià)格低，幾乎是相同流量金屬膜過濾器的1/3～1/2；（2）濾芯通氣量大，更換便捷，不需要專業(yè)的維修人員更換；（3）濾芯檢測(cè)更換方便，以60 m3/min折疊膜過濾器為例，其濾芯檢測(cè)更換的時(shí)間是金屬膜過濾器的6～8倍，節(jié)省了大量時(shí)間；（4）降低維護(hù)成本，用戶可以自行更換濾芯，降低供方的費(fèi)用支出。

分體式折疊膜過濾器采用中效、高效過濾器分體結(jié)構(gòu)，兩者之間通過不銹鋼閥門連接。中效、高效過濾器結(jié)構(gòu)基本相同，進(jìn)出口管道在同一水平線上。中效、高效濾芯介質(zhì)均為高分子材料。其中，中效濾芯介質(zhì)為超細(xì)玻璃纖維材料，濾芯內(nèi)外支撐為聚丙烯材料，濾芯接口采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的CODE7、雙-226硅橡膠圈。中效濾芯一般不需消毒，空氣溫度控制在＜70℃（若消毒也可配置耐高溫濾芯），可以去除＞0.3μm的顆粒，濾芯支數(shù)依據(jù)空氣流量確定。高效濾芯采用聚四氟乙烯膜和逐級(jí)加密的微孔過濾材料，濾芯內(nèi)外支撐全部采用不銹鋼材料，濾芯接口采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的CODE7、雙-226硅橡膠圈，消毒溫度＜150℃，除菌效率達(dá)到99.999 9%，過濾精度可以達(dá)到0.01μm，濾芯支數(shù)依據(jù)空氣流量確定。分體式折疊膜過濾器結(jié)構(gòu)及其在發(fā)酵車間的使用如圖4所示。

圖4 分體式折疊膜過濾器結(jié)構(gòu)及其在發(fā)酵車間的使用

目前，發(fā)酵行業(yè)使用的分體式折疊膜過濾器作為主流產(chǎn)品占整個(gè)過濾器市場(chǎng)的90%以上，其弊端日益顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）占用空間較大，是同流量金屬膜過濾器的兩倍多；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，采用分體式結(jié)構(gòu)，不能整體消毒；（3）產(chǎn)品投入成本高，由于不能整體消毒，需在中、高效過濾器之間增加閥門；（4）系統(tǒng)不具備在線檢測(cè)空氣系統(tǒng)是否染菌的功能。

分體式折疊膜過濾器存在的缺陷，使得發(fā)酵行業(yè)的廣大用戶再次期盼出現(xiàn)更加符合用戶需求的空氣過濾新產(chǎn)品。

1.4 一體式折疊膜過濾器結(jié)構(gòu)

為滿足用戶和過濾器市場(chǎng)的需求，我們開發(fā)設(shè)計(jì)出了一體式折疊膜過濾器（以下簡(jiǎn)稱為一體式過濾器）。它集金屬膜過濾器和分體式折疊膜過濾器的優(yōu)點(diǎn)于一身，由分體式結(jié)構(gòu)升級(jí)為一體式，設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)合理，與分體式折疊膜過濾器相比，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。

（1）整體結(jié)構(gòu)：與同等流量分體式折疊膜過濾器相比，其占據(jù)的空間可節(jié)?。?/2；

（2）發(fā)酵工藝：中、高效過濾器可以同時(shí)消毒，消毒溫度＜150℃；

（3）產(chǎn)品成本：對(duì)比分體式折疊膜過濾器，節(jié)省了閥門和殼體，價(jià)格降低1/3；

圖5 一體式過濾器結(jié)構(gòu)及其在發(fā)酵車間的使用

（4）預(yù)防染菌：可在線檢測(cè)空氣過濾精度，有效預(yù)防染菌事故的發(fā)生。

一體式過濾器采用了中效、高效過濾器垂直連接的結(jié)構(gòu)。中效過濾器由折疊圓筒式或耐高溫塑封折疊濾芯組成，高效過濾器由聚四氟乙烯膜濾芯組成。

在中效過濾器和高效過濾器之間設(shè)置有連接底座，在中效過濾器的一側(cè)設(shè)置有進(jìn)氣管，在中效過濾器的另一側(cè)設(shè)置有上排氣閥，在中效過濾器內(nèi)設(shè)置有中效濾芯，中效濾芯的下端與連接底座固定。中效濾芯的一側(cè)設(shè)置有擋風(fēng)板，在中效過濾器和高效過濾器內(nèi)側(cè)均設(shè)置有除水效果明顯的導(dǎo)流疏水板裝置。在高效過濾器的一側(cè)設(shè)置有中排氣閥，另一側(cè)設(shè)置有排氣管，在高效過濾器內(nèi)設(shè)置有高效濾芯，高效濾芯的上端與固定壓板連接，固定壓板和固定管板之間由支撐桿連接。在排氣管上設(shè)置有檢測(cè)閥門，在高效過濾器的底部設(shè)置有下排氣閥。一體式過濾器結(jié)構(gòu)及其在發(fā)酵車間的使用如圖5所示。

中效濾芯有兩種形式：（1）濾芯采用經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)，為大通量、低阻力折疊圓筒式結(jié)構(gòu)，頂部密封，筒壁由耐高溫的片狀超細(xì)玻纖高分子材料折疊而成，筒壁內(nèi)表面由多孔不銹鋼板支撐，筒壁外表面由不銹鋼絲網(wǎng)支撐，用戶可以非常簡(jiǎn)便地自行更換。中效濾芯通過螺栓與連接底座固定。中效濾芯的支數(shù)根據(jù)空氣流量確定，一般在1～3支左右。（2）濾芯采用耐高溫塑封折疊濾芯，過濾介質(zhì)為超細(xì)玻纖高分子材料，內(nèi)外支撐均采用聚丙烯材料（內(nèi)支撐也可采用不銹鋼材料），濾芯接口采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的CODE7、雙-226硅橡膠圈，中效濾芯的支數(shù)根據(jù)空氣流量確定。第二種形式的濾芯相比第一種形式的濾芯更換較為麻煩，用戶實(shí)際采用的較少。

高效濾芯采用了聚四氟乙烯膜和逐級(jí)加密的多孔材料保護(hù)濾層結(jié)構(gòu)。其內(nèi)外支撐全部采用不銹鋼材料，插接管頭采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，配以高溫硅橡膠雙密封圈，消毒溫度＜150℃，除菌效率達(dá)到99.999 9%，過濾精度可以達(dá)到0.01μm。高效濾芯與固定管板密封固定，濾芯的支數(shù)需根據(jù)空氣流量確定。

一體式過濾器的中效濾芯和高效濾芯外形如圖6所示。

圖6 一體式過濾器的中效濾芯和高效濾芯外形

分體式過濾器逐步推廣使用后，部分廠家放棄了金屬膜過濾器轉(zhuǎn)用折疊膜過濾器，并提出中肯的建議，希望在保留原金屬膜過濾器工藝管道和閥門不變的情況下進(jìn)行改造。我們采納了用戶的建議，進(jìn)行了全面的研發(fā)。通過分析過濾器結(jié)構(gòu)，結(jié)合金屬膜過濾器特點(diǎn)及折疊膜過濾器優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)如果原封不動(dòng)地將金屬膜過濾器改造成分體式過濾器，勢(shì)必造成原管道和閥門的變動(dòng)，這個(gè)方案肯定不可行。經(jīng)過多次深入車間與用戶溝通，最終確定了較成熟的金屬膜過濾器改造折疊膜過濾器方案（以下簡(jiǎn)稱為“金改折”方案）。就是在原有金屬膜過濾器殼體不變、原有工藝管道和閥門進(jìn)出口不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)為兩級(jí)式折疊膜過濾器結(jié)構(gòu)。這樣既保留了一批使用金屬膜過濾器的用戶，又將兩級(jí)式過濾器設(shè)計(jì)為一個(gè)新的過濾產(chǎn)品，即新型一體式過濾器，其改進(jìn)效果得到了用戶的肯定。

“金改折”方案的具體改進(jìn)：受限于原工藝管道和閥門進(jìn)出口不能改變，一體式過濾器保留了原金屬膜過濾器殼體。中效過濾器的濾芯采用圓筒式和塑封折疊式結(jié)構(gòu)，高效過濾器內(nèi)部的金屬膜管全部改造成聚四氟乙烯膜高效濾芯。為有效排除液態(tài)水造成的染菌隱患，高效過濾器內(nèi)增設(shè)了消除液態(tài)水效果明顯的導(dǎo)流疏水板裝置。改造中必須要解決的兩個(gè)問題：（1）折疊濾芯的數(shù)量：同等流量下需要多少支折疊濾芯。（2）折疊濾芯的排列方式：高效過濾器的筒體是固定的，折疊濾芯能否在管板上排列開。

依據(jù)以下空氣流量計(jì)算公式，計(jì)算濾芯數(shù)量：

式中Q———管道空氣流量，m3/min；

q——單支濾芯流量，m3/min；

n——折疊濾芯支數(shù)。

已知系統(tǒng)空氣流量為60 m3/min，單支折疊濾芯的設(shè)計(jì)流量是多少呢？受筒體高度所限，選取10"折疊濾芯（新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可不受濾芯高度限制），通過實(shí)驗(yàn)可以得出10"折疊濾芯流量與壓降關(guān)系曲線（圖7），從圖中可以看到，在入口空氣壓力0.2 MPa、壓降0.008 MPa條件下，每支10"（250 mm）折疊濾芯可以提供300 Nm3/h的流量。匹配時(shí)一般選?。? m3/min的濾芯，可按3～4 m3/min的流量選取，以保證實(shí)際流量偏大，延緩濾芯使用壽命。入上殼體，撞擊到擋風(fēng)板上，使空氣均勻地通過中效濾芯，將＞0.3μm的塵埃顆粒攔截在中效濾芯的最外層。中效濾芯分為兩種形式，進(jìn)氣方式為外進(jìn)內(nèi)出。經(jīng)中效濾芯過濾后的空氣通過連接底座的中心孔進(jìn)入下殼體，空氣從高效濾芯的外部進(jìn)入濾芯，將＞0.01μm的塵埃顆粒攔截在高效濾芯的最外層，進(jìn)氣方式為外進(jìn)內(nèi)出，過濾后的空氣經(jīng)排氣管進(jìn)入發(fā)酵罐，保證發(fā)酵料液的安全生產(chǎn)。經(jīng)中、高效兩級(jí)過濾后，空氣過濾精度為0.01μm，滿足無菌空氣要求。

一體式過濾器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖7 10"折疊濾芯流量與壓降關(guān)系曲線

已知管道空氣流量60 m3/min，單支濾芯流量選取4 m3/min，代入空氣流量計(jì)算公式：Q=q·n，n=Q/q=60/4=15（支）?？諝夤艿涝?0 m3/min流量下，需匹配10"折疊濾芯15支。

已知60 m3/min的金屬膜過濾器筒體內(nèi)徑為450 mm，依據(jù)折疊濾芯實(shí)際排布情況，完全可以在過濾器管板上排列15支高效濾芯。

2 一體式過濾器工作過程和原理

一體式過濾器在工作狀態(tài)下，空氣從進(jìn)氣管進(jìn)

3 一體式過濾器的特點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)合理

一體式過濾器改進(jìn)了分體式過濾器的結(jié)構(gòu)（中、高效過濾器通過閥門相連接，中效過濾器不能消毒），將中、高效過濾器垂直相連。相同空氣流量情況下，一體式過濾器整體占地空間小，是分體式過濾器的1/2，濾芯安裝更換方便。

3.2 初始?jí)航档?，?jié)能效果好

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，一體式過濾器一方面減少了空氣流經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎的管道數(shù)量，另一方面采用了大流量、低阻力的折疊圓筒結(jié)構(gòu)的中效濾芯，減小了空氣阻力。兩方面共同起到降低空氣系統(tǒng)壓降的作用，使其初始?jí)航敌∮诜煮w式過濾器。

表2 一體式過濾器主要技術(shù)參數(shù)

3.3 整體消毒，可靠性高

分體式過濾器的中、高效過濾器之間由閥門連接，中效過濾器不能消毒，這樣就增加了發(fā)酵料液染菌的可能性。一體式過濾器有效克服了這種不足，中、高效過濾器可同時(shí)高溫消毒，消毒溫度＜150℃。

3.4 降低成本，性價(jià)比高

一體式過濾器節(jié)省了分體式過濾器的殼體，即中效過濾器的下殼體、高效過濾器的上殼體，節(jié)省了中、高效過濾器之間用于連接的不銹鋼閥門。以上兩項(xiàng)約占分體式過濾器價(jià)格的1/3左右，降低了一體式過濾器的成本。

3.5 根除隱患，防患未然

過濾器在消毒后或在空氣濕度較高的條件下，容易形成中效和高效過濾器的殼體內(nèi)有液態(tài)水。針對(duì)這種情況，在一體式過濾器內(nèi)腔巧妙設(shè)計(jì)了導(dǎo)流疏水板裝置。在空氣壓力的作用下，液態(tài)水沿著設(shè)計(jì)好的導(dǎo)流通道排出，從根本上杜絕了發(fā)酵料液染菌的可能性。

3.6 增加在線檢測(cè)功能，預(yù)防染菌事故

在高效過濾器排氣管上安裝了檢測(cè)閥門，可與檢測(cè)空氣精度的激光粒子計(jì)數(shù)器通過乳膠管連接。工作狀態(tài)下，依據(jù)一體式過濾器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，可判斷空氣精度是否滿足發(fā)酵工藝的要求。若數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)，可及時(shí)采取有效措施，如更換濾芯或排查可能引起料液染菌的其他隱患。

無菌空氣過濾器的相關(guān)性能對(duì)照如表3所示。

表3 無菌空氣過濾器的相關(guān)性能對(duì)照表

4 一體式過濾器相關(guān)事項(xiàng)說明

4.1 濾芯安裝操作

濾芯為折疊式結(jié)構(gòu)，通量大、阻力低，安裝更換方便。濾芯接口均采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的CODE7、雙-226硅橡膠圈。

（1）打開濾芯包裝后，應(yīng)認(rèn)真檢查濾芯外觀是否光滑、有無毀損，硅橡膠圈是否完好，檢查無誤后再進(jìn)行安裝。

（2）在折疊過濾器外殼帶有壓力的情況下，絕對(duì)不允許打開過濾器外殼。一定要在確認(rèn)隔離壓縮空氣并且將過濾器完全泄壓的前提下，才能打開過濾器的外殼。

（3）拆卸完被替換的濾芯后，用非腐蝕性清洗劑將過濾器殼體上的接頭插孔清洗干凈，在插孔充分干燥后方可安裝濾芯。

（4）將裝有濾芯的塑料袋（有雙膠圈的一端）打開，不要去掉塑料袋，只將兩個(gè)橡膠圈露出，對(duì)橡膠圈進(jìn)行適當(dāng)潤(rùn)滑，雙手卡緊濾芯的另一端，將濾芯端頭插入插孔底部，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鎖緊濾芯。注意不可握住濾芯的最上端進(jìn)行安裝操作，否則會(huì)導(dǎo)致濾芯的永久性損壞。

（5）全部濾芯安裝完畢后，將尾部的固定卡盤裝好，此時(shí)一定要注意不可過分?jǐn)Q緊鎖緊螺母，以防壓壞濾芯。

4.2 過濾器消毒注意事項(xiàng)

（1）使用的飽和蒸汽一定要經(jīng)過蒸汽過濾器過濾，將蒸汽中的雜質(zhì)和冷凝水經(jīng)閥門排放干凈后，視蒸汽達(dá)到似霧狀時(shí)，再打開進(jìn)入蒸汽過濾器的閥門，以防蒸汽濾芯過早損壞。

（2）使用飽和蒸汽進(jìn)行消毒時(shí)，建議蒸汽壓力控制在198～270 kPa，溫度控制在120～130℃，時(shí)間控制在30 min左右。

（3）蒸汽消毒時(shí)，各個(gè)閥門要全部打開，不留死角，消毒結(jié)束時(shí)，一定要緩慢通入壓縮空氣，通氣速度不能太快，防止通過氣流與過濾介質(zhì)摩擦引發(fā)安全事故。

（4）蒸汽消毒結(jié)束通入壓縮空氣時(shí)，要嚴(yán)格控制過濾器的壓降，仔細(xì)觀察過濾器管道前、后壓力表的變化，杜絕出現(xiàn)過濾器膜前壓力低于膜后壓力的現(xiàn)象，避免濾芯彎折。

（5）蒸汽消毒后，如果工藝允許，要全開過濾器的進(jìn)口閥門，通氣時(shí)間30 min，將過濾器完全吹干后才能投入運(yùn)行。如果過濾器在潮濕狀態(tài)投入運(yùn)行，有可能造成發(fā)酵料液染菌。

（6）蒸汽過濾器在使用完畢后，要關(guān)閉其進(jìn)出口截止閥門，一定要全開蒸汽過濾器底部的排污閥門，杜絕閥門泄漏，蒸汽冷凝水滲入發(fā)酵罐，造成不必要的損失。

（7）使用過熱蒸汽對(duì)過濾器進(jìn)行消毒時(shí)，務(wù)必要對(duì)過熱蒸汽進(jìn)行減壓、降溫處理，達(dá)到發(fā)酵行業(yè)對(duì)蒸汽的壓力、溫度要求后才能使用。

（8）在保證正常生產(chǎn)的前提下，要盡量減少對(duì)過濾器消毒的次數(shù)，延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。由于發(fā)酵企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品、工況等不同，提供過濾設(shè)備的單位一般不會(huì)提供消毒周期，企業(yè)應(yīng)根據(jù)發(fā)酵料液的生長(zhǎng)情況，摸索出切實(shí)可行的消毒周期，達(dá)到既降低生產(chǎn)成本，又保證安全生產(chǎn)的目的。

5 一體式過濾器的在線檢測(cè)與激光粒子計(jì)數(shù)器

5.1 一體式過濾器的在線檢測(cè)

無菌空氣過濾是發(fā)酵過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，菌的培養(yǎng)、生長(zhǎng)以及發(fā)酵液的攪拌等都涉及到無菌空氣。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為空氣是發(fā)酵過程中染菌的第一污染源。

在實(shí)際工作中，料液染菌是由多種原因造成的，多數(shù)發(fā)酵罐大面積染菌，若發(fā)生在早期，可能是種子帶菌或是連消設(shè)備問題引起；如果染菌發(fā)生在中、后期而且染的是同一種菌，很可能是空氣過濾器除菌不凈、空氣帶菌或是補(bǔ)料系統(tǒng)帶菌造成的。此外，閥門泄漏、消毒不徹底、員工操作失誤等都有造成料液染菌的可能。

如何判斷無菌空氣是否是造成料液染菌的原因，還需要有相對(duì)比較科學(xué)的檢測(cè)方法。折疊膜過濾器的檢測(cè)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)生產(chǎn)廠家按照自己的方法進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)無菌折疊膜過濾器過濾精度時(shí)，有一種供參考的檢測(cè)方法，即采用粒徑精度為0.3μm的激光粒子計(jì)數(shù)器，對(duì)一體式過濾器和濾芯質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，如圖8所示。對(duì)激光粒子計(jì)數(shù)器的校驗(yàn)則采用0.1μm或更高級(jí)精度的檢測(cè)儀器。

激光粒子計(jì)數(shù)器與一體式過濾器排氣管上的檢測(cè)閥通過乳膠管線連接，進(jìn)行在線檢測(cè)，可較準(zhǔn)確地判斷高效過濾器出口的空氣精度是否達(dá)標(biāo)。如果檢測(cè)不合格，可及時(shí)采取有效措施，如檢測(cè)每一支高效濾芯，更換不合格濾芯或逐一排查能引起染菌的其他隱患。激光粒子計(jì)數(shù)器也可對(duì)單支濾芯進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)需配置相關(guān)專用工具。

圖8 一體式過濾器和濾芯質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)

例如，河南某大型發(fā)酵企業(yè)的百噸發(fā)酵罐，在發(fā)酵過程中，從取樣中發(fā)現(xiàn)了料液染菌情況。若在發(fā)酵周期的初始階段，能及時(shí)找出染菌原因，那么對(duì)發(fā)酵罐的單產(chǎn)影響不是很大。若是染菌發(fā)生在發(fā)酵周期的中、后期，則會(huì)給生產(chǎn)帶來較大損失，甚至要將發(fā)酵料液全部倒掉。技術(shù)人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，在車間人員的積極配合下，通過激光粒子計(jì)數(shù)器對(duì)空氣進(jìn)行在線檢測(cè)，分析出空氣的確存在問題后，及時(shí)采取了有效措施，將備份的過濾器及時(shí)補(bǔ)位恢復(fù)生產(chǎn)，將替換出來的過濾器中的濾芯逐一檢查，查找出了有問題的濾芯，將事故帶來的損失降到最低。究其原因，原來是由于員工操作失誤，濾芯消毒溫度過高，造成少數(shù)濾芯失效。

5.2 激光粒子計(jì)數(shù)器在線檢測(cè)的注意事項(xiàng)

（1）檢測(cè)前，乳膠管和過濾器檢測(cè)閥需用酒精沖洗干凈，確認(rèn)吹干后才能投入使用。

（2）檢測(cè)前，打開過濾器檢測(cè)閥門，排出的氣體中無水和其他雜質(zhì)，確認(rèn)空氣干燥后再進(jìn)行檢測(cè)。否則，不能進(jìn)行檢測(cè)。

（3）檢測(cè)前，儀器內(nèi)浮子應(yīng)顯示在正確的位置，需校核粒子計(jì)數(shù)器的空氣內(nèi)循環(huán)粒徑0.3μm的顆粒個(gè)數(shù)顯示為0。檢測(cè)時(shí)，其采樣空氣流量為2.83L/min，以保證檢測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確性。

（4）進(jìn)行記錄前，程顯檔（或觀察檔）顯示不同粒徑數(shù)為3～4個(gè)周期左右，數(shù)據(jù)顯示趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行記錄較為準(zhǔn)確。

（5）在空氣正常流動(dòng)的情況下，觀察浮子在比較穩(wěn)定的狀態(tài)下，再對(duì)過濾器進(jìn)行檢測(cè)，否則檢測(cè)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

（6）檢測(cè)過程中，若粒徑0.3μm的顆粒個(gè)數(shù)顯示出現(xiàn)0，或間斷出現(xiàn)或連續(xù)出現(xiàn)均可視為合格。若時(shí)間允許，可多測(cè)幾個(gè)周期，數(shù)值準(zhǔn)確度會(huì)更高。

（7）檢測(cè)粒徑的數(shù)據(jù)，可選擇程顯檔，按6個(gè)粒徑通道為一個(gè)周期顯示，即每個(gè)粒徑通道顯示粒子數(shù)時(shí)間為10 s，6個(gè)粒徑通道顯示粒子數(shù)時(shí)間為1 min。或選擇觀察檔，按時(shí)刻隨時(shí)顯示指定通道中的粒子數(shù)。兩種檢測(cè)方法選一即可，根據(jù)不同需要，也可交叉選用。

（8）在過濾器檢測(cè)過程中，可記錄不同周期、不同粒徑的相關(guān)數(shù)值，便于對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行比對(duì)分析。

以赤峰某制藥廠使用折疊膜過濾器一年后為例，通過粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)過濾后的空氣精度，以判斷是否滿足發(fā)酵空氣要求，表4～表6為空氣粒子數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)告。

表4～表6的三組數(shù)據(jù)完全符合發(fā)酵空氣精度要求。需要指出的是，在過濾器檢測(cè)過程中，若出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間0.3μm粒子數(shù)顯示沒有趨于呈倍數(shù)遞減或不能出現(xiàn)0時(shí)，應(yīng)首先檢查過濾器外的相連部分是否干凈、是否有泄漏點(diǎn)。如果用酒精對(duì)乳膠管及檢測(cè)閥門內(nèi)腔再次清洗并吹干還無效果，再對(duì)過濾器濾芯逐支進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于檢測(cè)出有問題的濾芯，要及時(shí)進(jìn)行更換，保證發(fā)酵生產(chǎn)正常進(jìn)行。

表4 101罐空氣粒子數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)告

表5 202罐空氣粒子數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)告

表6 305罐空氣粒子數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)告

6 一體式過濾器的應(yīng)用與展望

青島某科技有限公司在葡萄糖酸鈉項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，均采用了高效節(jié)能的一體式過濾器、氣液分離器、逃液捕集器等過濾產(chǎn)品。在山東、通遼共4個(gè)葡萄糖酸鈉項(xiàng)目中，采用了我院生產(chǎn)的高效節(jié)能的一體式過濾器，與分體式過濾器相比，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，領(lǐng)先全國(guó)過濾器行業(yè)同類產(chǎn)品。

內(nèi)蒙古赤峰某制藥公司兩個(gè)發(fā)酵車間使用了數(shù)十臺(tái)10 m3/min、20 m3/min、70 m3/min等的一體式過濾器，一直保持著良好的生產(chǎn)記錄。在發(fā)酵項(xiàng)目擴(kuò)建中，再次使用了新型節(jié)能的一體式過濾器，已經(jīng)成功投入使用5年多。

山東濰坊某科技公司使用了多臺(tái)10 m3/min、20 m3/min、100 m3/min高效節(jié)能的一體式過濾器、逃液捕集器等相關(guān)過濾產(chǎn)品，現(xiàn)已使用了4年多時(shí)間，設(shè)備一直在良好的狀態(tài)下運(yùn)行，為消除料液染菌隱患、穩(wěn)定生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)，給企業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來看，發(fā)酵行業(yè)已有數(shù)十家企業(yè)成功使用了高效節(jié)能的一體式過濾器，使用數(shù)量達(dá)數(shù)百臺(tái)（套），得到了用戶的一致好評(píng)和認(rèn)可，市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊，一定會(huì)為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著廣大用戶對(duì)這個(gè)產(chǎn)品的深入了解，一體式過濾器必將占領(lǐng)更廣闊的市場(chǎng)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)過濾器產(chǎn)品的進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展。

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[2]吳梅桂，陳釗.發(fā)酵無菌空氣制備系統(tǒng)升級(jí)換代[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2005，26（5）：16-18.

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[4]邢書芳，郭健，胡春光.組合式折疊膜過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與特點(diǎn)[J].機(jī)電信息，2017（5）：13-19.