空气过滤除菌的原理

空气过滤所用的过滤介质,其间隙一般大于细胞颗粒,空气中的微生物菌体是依靠气流通过滤层时,基于滤层纤维的层层阻碍,迫使空气在流动过程中出现无数次改变气流速度大小和方向的绕行运动,从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗运动、重力及静电引力等运动,从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上,实现了过滤的目的。 1.布朗扩散截留作用 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短,在较大的气流、较大的纤维间隙中是不起作用的,但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用大大增加微粒与纤维的接触滞留机会。假设微粒扩散运动的距离为x,则离纤维小于或等于算的气流微粒都会因为扩散运动而与纤维接触,截留在纤维上。由于布朗扩散截留作用的存在,大大增加了纤维的截留效率。 2.拦截截留作用 在一定条件下,空气速度是影响截留效率的重要参数,改变气流的流速是改变微粒的运动惯性力。通过降低气流速度,可以使惯性截留作用接近于零,此时的气流流速称为临界气流速度。气流速度在临界速度以下,微粒不能因惯性截留于纤维上,截留效率显著下降,但实践证明,随着气流速度的继续下降,纤维对微粒的截留效率又回升,说明有另一种机理在起作用,这就是拦截截留作用。 因为微生物微粒直径很小,质量很轻,它随气流流动慢慢靠近纤维时,微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流动方向,绕过纤维前进,并在纤维的周边形成一层边界滞留区。滞留区的气流流速更慢,进到滞留区的微粒慢慢靠近和接麓纤维而被黏附截留。拦截截留的截留效率与气流的雷诺数和微粒同纤维的直径比有关。 3.惯性撞击截留作用 过滤器中的滤层交织着无数的纤维,并形成层层网格,随着纤维直径的减小和填充密度的增大,所形成的网格也就越细致、紧密,网格的层数也就越多,纤维间的间隙也就越小。当含有微生物颗粒的空气通过滤层时纤维纵横交错,层层叠叠,迫使空气流不断地改变它的运动方向和速度大小。鉴于微生物颗粒的惯性大小,因而当空气流遇阻而绕道前进时,微生物颗粒未能及时改变它的运动方向,其结果便将撞击纤维并被截留于纤维的表面。 惯性撞击截留作用的大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力,其中尤以气流的速度显得更为重要。惯性力与气流流速成正比,当空气流速过低时惯性撞击截留作用很小,甚至接近于零;当空气的流速增大时,惯性撞击截留作用起主导作用。 4.重力沉降作用 重力沉降起到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。就单一的重力沉降情况来看,大颗粒比小颗粒作用显著,对于小颗粒只有气流速度很慢才起作用。一般它是配合拦截截留作用而显著出来的,即在纤维的边界滞留区内微粒的沉降作用提高了拦截截留的效宰。 5.静电吸引作用 当具有一定速度的气流通过介质滤层时,由于摩擦会产生诱导电荷。当菌体所带的电荷与介质所带的电荷相反时,就会发生静电吸引作用。带电的微粒会受带异性电荷的物体吸引而沉降,此外,表面吸附也属于这个范畴,如活性炭的大部分过滤效能是表面吸附的作用。 利用过滤除菌时,不同除菌方法其除菌的机理不同。在过滤除菌过程中,很难分辨上述各种机理所作贡献的大小。一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大,重力和静电引力的作用较小。 本文参考《发酵工程原理与技术》一书。
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