空氣過濾除菌的原理
空氣過濾所用的過濾介質(zhì)，其間隙一般大于細(xì)胞顆粒，空氣中的微生物菌體是依靠氣流通過濾層時(shí)，基于濾層纖維的層層阻礙，迫使空氣在流動(dòng)過程中出現(xiàn)無數(shù)次改變氣流速度大小和方向的繞行運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致微生物微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗運(yùn)動(dòng)、重力及靜電引力等運(yùn)動(dòng)，從而把微生物微粒截留、捕集在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)了過濾的目的。
1.布朗擴(kuò)散截留作用
直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的直線運(yùn)動(dòng)稱為布朗擴(kuò)散。布朗擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)距離很短，在較大的氣流、較大的纖維間隙中是不起作用的，但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中布朗擴(kuò)散作用大大增加微粒與纖維的接觸滯留機(jī)會(huì)。假設(shè)微粒擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的距離為x，則離纖維小于或等于算的氣流微粒都會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散運(yùn)動(dòng)而與纖維接觸，截留在纖維上。由于布朗擴(kuò)散截留作用的存在，大大增加了纖維的截留效率。
2.攔截截留作用
在一定條件下，空氣速度是影響截留效率的重要參數(shù)，改變氣流的流速是改變微粒的運(yùn)動(dòng)慣性力。通過降低氣流速度，可以使慣性截留作用接近于零，此時(shí)的氣流流速稱為臨界氣流速度。氣流速度在臨界速度以下，微粒不能因慣性截留于纖維上，截留效率顯著下降，但實(shí)踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對(duì)微粒的截留效率又回升，說明有另一種機(jī)理在起作用，這就是攔截截留作用。
因?yàn)槲⑸镂⒘Ｖ睆胶苄?，質(zhì)量很輕，它隨氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻改變流動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)，并在纖維的周邊形成一層邊界滯留區(qū)。滯留區(qū)的氣流流速更慢，進(jìn)到滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接麓纖維而被黏附截留。攔截截留的截留效率與氣流的雷諾數(shù)和微粒同纖維的直徑比有關(guān)。
3.慣性撞擊截留作用
過濾器中的濾層交織著無數(shù)的纖維，并形成層層網(wǎng)格，隨著纖維直徑的減小和填充密度的增大，所形成的網(wǎng)格也就越細(xì)致、緊密，網(wǎng)格的層數(shù)也就越多，纖維間的間隙也就越小。當(dāng)含有微生物顆粒的空氣通過濾層時(shí)纖維縱橫交錯(cuò)，層層疊疊，迫使空氣流不斷地改變它的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小。鑒于微生物顆粒的慣性大小，因而當(dāng)空氣流遇阻而繞道前進(jìn)時(shí)，微生物顆粒未能及時(shí)改變它的運(yùn)動(dòng)方向，其結(jié)果便將撞擊纖維并被截留于纖維的表面。
慣性撞擊截留作用的大小取決于顆粒的動(dòng)能和纖維的阻力，其中尤以氣流的速度顯得更為重要。慣性力與氣流流速成正比，當(dāng)空氣流速過低時(shí)慣性撞擊截留作用很小，甚至接近于零；當(dāng)空氣的流速增大時(shí)，慣性撞擊截留作用起主導(dǎo)作用。
4.重力沉降作用
重力沉降起到一個(gè)穩(wěn)定的分離作用，當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)微粒就沉降。就單一的重力沉降情況來看，大顆粒比小顆粒作用顯著，對(duì)于小顆粒只有氣流速度很慢才起作用。一般它是配合攔截截留作用而顯著出來的，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)微粒的沉降作用提高了攔截截留的效宰。
5.靜電吸引作用
當(dāng)具有一定速度的氣流通過介質(zhì)濾層時(shí)，由于摩擦?xí)a(chǎn)生誘導(dǎo)電荷。當(dāng)菌體所帶的電荷與介質(zhì)所帶的電荷相反時(shí)，就會(huì)發(fā)生靜電吸引作用。帶電的微粒會(huì)受帶異性電荷的物體吸引而沉降，此外，表面吸附也屬于這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過濾效能是表面吸附的作用。
利用過濾除菌時(shí)，不同除菌方法其除菌的機(jī)理不同。在過濾除菌過程中，很難分辨上述各種機(jī)理所作貢獻(xiàn)的大小。一般認(rèn)為慣性撞擊截留、攔截截留和布朗運(yùn)動(dòng)截留的作用較大，重力和靜電引力的作用較小。
本文參考《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》一書。
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