Конструкция воздушных фильтров

В настоящее время широко используются фильтры для очистки воздуха следующих конструкций.

Фильтры предварительной очистки воздуха. Данные фильтры устанавливаются на всасывающей линии

Перед компрессором или трубовоздуходувкой. При инерционном способе осаждения воздух очищается от частиц размером более 5 мкм при скорости фильтрации 1,5 - 3,0 м/с. Чтобы сухие частицы не выносились из фильтров, его фильтрующие слои подлежат промасливанию. Фильтры данного класса на­зываются масляными или висциновыми. Фильтры периодического дей­ствия подразделяются на кассетные регенерируемые, масляные и филь­тры сухого типа. Фильтры непрерывного типа подразделяются на са­моочищающиеся масляные и с непрерывной регенерацией в ванне с маслом, рулонные и волокнистые.

Фильтры тонкой очистки (головной). Головной фильтр пред­назначен для улавливания основной массы загрязнений, попавших в систему после прохождения воздуха через фильтр предварительной очистки, компрессора или турбовоздуходувки.

Классификация фильтров тонкой очистки приведена на рис. 1

Рис. 1. Классификация фильтров тонкой очистки

В отечественной промышленности для стерилизации технологи­ческого воздуха до 80-х годов применялись в основном глубинные фильтры, представляющие собой емкость с двумя укрепленными внутри перфорированными решетками, между которыми находятся волокнистые фильтрующие материалы (рис. 2).

Первыми отечественными фильтрами с готовым фильтрующим элементом были фильтры с использованием материала ФП (ткань Петрянова). В этих фильтрах применялись фильтрующие элементы производительностью 60 - 1000 м3/ч. Фильтрующие элементы пред­ставлены в виде гофрированных цилиндрических патронов, в кото­рых между складками фильтрующего материала помещались гофри­рованные пластины. Материал по периметру элемента закреплялся в верхней и нижней частях ци­линдра стяжками. Недостатка­ми фильтра были: невозмож­ность стерилизовать фильтр ос­трым паром в технологической линии; наличие в элементе от­дельных деталей, усложняю­щих его проверку и герметиза­цию; отсутствие механической прочности самого фильтрую­щего полотна. Достоинством фильтрующего материала ФП в фильтрующих элементах явля­ется высокая эффективность (более 99,999 %) по частицам диаметром 0,3 мкм при небольшом сопротивлении потоку воздуха (0,1 МПа при скорости    фильтрации 0,05 м/с).

Рис. 2. Глубинный фильтр для стерилизации воздуха:

1 – прижимные опоры; 2 – корпус; 3 – опорные решетки; 4 – рубашка фильтра; 5 – штуцер для продувки.

Технические характеристики фильтров тонкой очистки типа ФТО приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Характеристика фильтров типа ФТО

Разработано несколько конструкций фильтров с использованием материалов типа БСТВ. Фильтр кассетного типа, в котором материал разделен на слои, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Кассетный фильтр для стерилизации воздуха:

1 – шпилька; 2 – корпус; 3 – флаконы; 4 –     фильтрующие пластины; 5 – прокладки.

Фильтры тонкой очистки воздуха (индивидуальный). Суще­ствует большое разнообразие конструкций фильтров тонкой очист­ки, которые, в основном, представляют собой аппарат цилиндри­ческого типа с вводом воздуха через верхний штуцер. Для его более равномерного распределения по поверхности фильтрующего материала к корпусу приваривает­ся решетка. Вывод воздуха осуществляется через нижний штуцер. Для биореакторов не­большой емкости до 10 м3 ши­роко используются конические фильтры.

Работа этих фильтров долж­на быть особенно надежной, т.к. это последняя стадия очистки перед поступлением воздуха в биореактор.

Перспективным фильтрую­щим материалом является так­же пористый материал, изготов­ленный из порошка фтороплас­та (методом спекания).

Для обеспечения необходи­мой эффективности фтороплас­товых материалов в виде плас­тин их толщина должна быть равна 4 мм. Они обладают вы­сокой пористостью и высокой удельной производительностью - 60 м3/ч для малых .элементов и 250 м3/ч - для больших. Конст­рукции фильтров с применением фторопластовых фильтрующих ма­териалов в зависимости от их формы могут быть в виде дисков или втулок. Для дисков или пластин рекомендуется конструкция фильт­ров, аналогичная конструкции фильтра Eikoh. Срок службы фильт­рующих элементов из фторопласта достигает 12 мес.

Современные разработки в области стерилизации технологичес­кого воздуха были направлены на использование в фильтрах металлокерамических материалов, т.е. жестких пористых перегородок из металла. Металлокерамические материалы изготавливают из калиб­рованных металлических порошков способами спекания, прессова­ния, прокаткой. Размер пор в изделиях варьирует в пределах 2 -1000 мкм. Для изготовления металлокерамических фильтрующих элементов используют бронзу, ни­кель, нержавеющую сталь, титан.

Схема механизма осаждения при фильтра­ции воздуха через металло- и металлокерамические фильтрующие элемен­ты представлена на рис. 4.

    Рис. 4. Схема осаждения микробных аэрозолей при фильтрации воздуха  через

металлокерамический элемент тонкой очистки:

1 – стенка  элемента; 2 – поток воздуха; 3 – сконцентрированная влага; 4 – микроорганизм.

Для изготовления ме­таллического элемента выбирают наиболее мел­козернистый порошок с таким расчетом, чтобы при достаточной протяженности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потока превысило 16000 с-1. Как показали испытания, этому условию соот­ветствуют элементы из титанового порошка, обеспечивающие тех­нический коэффициент проскока для частиц размером 0,3 мкм, рав­ный 5%.

Металлокерамические элементы, изготовленные из титана, так­же применяют для бактериальной очистки воздуха. Они состоят из пористой металлокерамической основы, фильтрующего волокнистого материала, покрывающего основу в два и более слоя, и трубчатой оболочки. В качестве фильтрующих элементов для тонкой очистки воздуха впервые применен гидростойкий материал, выдерживающий стерилизацию острым паром до 150°С в течение 40 - 50 ч. Материал гидрофобен, стоек к действию сильных кислот и щелочей, сильным окислителям, спиртам, предельным углеводородам, маслам и может использоваться для фильтрования воздуха и газов при температуре от -250 до +200 °С. Гидравлическое сопротивление материала при скорости воздуха 1 см/с составляет 14,7 Па.

Преимущества металлокерамических фильтрующих элементов для тонкой биологической очистки воздуха следующие: значительное число стерилизаций острым паром, простота регенерации и боль­шой срок работы (5-10 лет).

В отличие от волокнистых, нетканых и фторопластовых фильт­ров зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерили­зации, отличаются высокой механической прочностью, легко конт­ролируемы, дешевы и просты в изготовлении. Конструктивно они выполняются аналогично фильтрам с фторопластовыми элемента­ми.

Фирма «Раll» выпускает различные фильтры для фармацевтичес­кой промышленности. Фильтрующие патроны в фильтрах для сте­рилизации воздуха выпускаются под маркой Ultipore А.В. Единич­ные фильтрующие патроны для стерилизации воздуха имеют рабо­чую поверхность 0,5 - 2 м2. Уплотнение патрона с корпусом выпол­нено в виде двойных уплотнительных колец. Эффективность улав­ливания частиц фильтрами достигается использованием в фильтру­ющем патроне мембранных материалов с максимальным размером пор 0,45 мкм, который сохраняется фильтрующей волокнистой мем­браной даже во влажном состоянии благодаря специальной гидро­фобной обработке фильтрующего элемента. Корпус фильтров изго­тавливается из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность филь­тров хорошо отполирована. Корпусы фильтров оснащены соедине­нием типа «Трикловер» и байонетным затвором для удобства эксп­луатации фильтров.

Фирма «Раll» выпускает фильтры производительностью 45 - 850 м3/ч, что достигается наличием фильтрующих элементов в пределах 1 - 20 штук (площадь фильтрации одного элемента составляет 0,5 м2). Рабочие скорости фильтрации 0,15 - 0,2 м/с создают сопро­тивление фильтра 0,115 - 0,12 МПа. При увеличении скорости до 0,5 м/с сопротивление фильтров возрастает в 3 - 4 раза. Фильтрующие элементы марок АRРК5, АХЗК5 вместе с корпусом стерилизуются в линии острым паром одновременно со всей остальной аппаратурой в технологической линии.

Фильтры и фильтрующие элементы фирмы «Раll» были апроби­рованы на отечественных биопредприятиях. Фильтрующие элемен­ты успешно выдержали стерилизацию острым паром в линии без на­рушения фильтрующих свойств. Фильтрующие элементы Ultipore А.В. выдержали 50-разовую и более стерили­зацию паром. Срок службы фильтрующего элемента составляет один год.

В фильтрах для стерилизации воздуха фир­мы «Мillipore» используются фильтрующие элементы в виде гладких цилиндров разных размеров (рис. 5).

Рис. 5. Фильтр тонкой очистки фирмы «Millipore»:

1 – штуцер для подачи пара; 2 – пружина; 3 – корпус фильтра;

4 – фильтрующий элемент; 5 – быстросъемный зажим.

 Поверхность фильтрации стандартного элемента длиной 77,5 см составляет 0,12 м2. В последнее время для изготовления мемб­ран фирма стала применять фторопласт - гид­рофобный материал с высокой теплостойко­стью и химической стойкостью. Гофрирован­ные элементы с развернутой повер­хностью, изготовленные из этого материала, более производительны. Эффективность фильтров этого класса и эффективность мембран­ных материалов определяется от­сутствием за фильтром частиц размером номинального диаметра пор фильтрующих мембран (0,45 или 0,22 мкм). Сопротивление фильтра при скорости фильтрации 0,05 - 0,1 м/с равно 0,115 - 0,120 МПа. Срок службы и надежность работы элемента в однопатронном филь­тре из-за непрочности мембраны меньше, чем у элементов фирмы «Раll» и «Еikoh». Фирма «Millipore» рекомендует стерилизацию филь­тра проводить острым паром при давлении 0,2 МПа, подавая пар в наружную и внутреннюю полости фильтра одновременно для пре­дотвращения деформации фильтрующего элемента. Пар подается в линию очищенным с помощью специального фильтра.

Опыт эксплуатации фильтров и фильтрующих элементов ведущих зарубежных фирм на отечественных предприятиях показал большую целесообразность, удобство и надежность в работе фильтров с филь­трующими материалами в виде готовых фильтрующих элементов с заданными параметрами фильтрации: эффективностью, сопротивле­ние потоку воздуха, сроком службы и т.д.

Анализ отечественных и зарубежных конструкций фильтров по­казал, что наиболее перспективными являются конструкции фильт­ров патронного и кассетного типа с фильтрующими элементами из плотных эффективных и паростойких фильтрующих материалов. Такие фильтры удобны в эксплуатации, обладают высокой эффек­тивностью, быстрой съемностью и надежностью в работе.

Проведенный анализ позволил модернизировать старые и разра­ботать новые конструкции фильтров с готовыми патронными и кас­сетными фильтрующими элементами с использованием новых эф­фективных отечественных фильтрующих материалов.

Для стерилизации фильтров рекомендуется использовать очищен­ный пар. Наиболее благоприятным способом пропускания пара яв­ляется его двухсторонняя подача в наружную и внутреннюю полос­ти фильтра.

       Промышленная система очистки и стерилизации воздуха.

Подготовка сжатого технологического воздуха, подаваемого в био­реакторы для биосинтеза и стерилизуемого методом фильтрации, состоит из нескольких ступеней. Успешная работа системы для каж­дой ступени подготовки воздуха определяется оптимальным выбо­ром оборудования, фильтрующих материалов, режимов их эксплуа­тации и методов контроля чистоты получаемого воздуха.

Схема промышленной   системы очистки стерилизации воздуха приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема очистки и стерилизации воздуха:

1 – пылевые фильтры; 2 – турбокомпрессор; 3 – поршневой компрессор; 4 – отделитель масла и воды; 5 – холодильник; 6 – ресивер; 7 – головной фильтр; 8 – индивидуальный фильтр; 9 – манометр.

Система очистки и стерилизации газов, в свою очередь, под­разделяется по технологическим признакам:

1.Подготовка и подача воздуха или смеси газов на аэрацию культуральной жидкости в биореакторы для аэробного культивирования;

2.Подготовка и подача газов (углекислый газ, азот или их смесь) для продувки культуральной жидкости от газов, ингибирующих рост микроорганизмов или дополнительная подача углекислого газа при лимитировании процесса жизнедеятельности (особенно для культуры клеток и вирусов);

3.Подготовка и подача сжатого воздуха и обеспечение вакуума для передачи суспензий микроорганизмов и стерильных жидкостей из одной емкости в другую или для дальнейшей обработки (центри­фуги, сепараторы, фильтры и т.д.);

4.Очистка воздуха и газов, выходящих из всех видов оборудования.

Технологическая схема очистки и стерилизации воздуха осуще­ствляется по следующим стадиям: предварительная (грубая) очист­ка от механических примесей, сжатие, охлаждение, отделение сконденсированных паров, влаги и масла (при поршневых компрес­сорах) и собственно стерилизация.

1-й этап - грубая очистка. На входе заборника воздуха или друго­го газа устанавливают, в зависимости от расхода, висциновый фильтр или фильтр Рекка, которые очищают газ от грубых примесей перед компрессором.

2-й этап - сжатие газа. В настоящее время в различных отрас­лях промышленности в основном используются поршневые комп­рессоры (например, марок ТК-350/5, ТК-300/840, ТКК-1/4 и ТЭ и др.).

Однако более рациональным является применение турбовоздухо­дувок (например, марки 920-33), что позволяет упростить и улучшить схему газоподготовки. При сжатии воздух нагревается от 100 до 200 °С, поэтому его необходимо охладить до температуры культивирова­ния.

Из-за высокого влагосодержания атмосферного воздуха при ох­лаждении выпадает 50 - 70 % исходной влаги, которая может увлаж­нить фильтрующий материал, поэтому воздух после компрессора ох­лаждают до 25 - 30 °С в охладителе 3, а после отделения влаги во влагоотделителе 4 нагревают в теплообменнике 5 до температуры культивирования в стерильной сушилке между головным и индиви­дуальным фильтрами или путем подачи пара в рубашку фильтров, если она предусмотрена.

3-й этап - первичная очистка и фильтрация газа. После подогревателя газ поступает в первую ступень очистки и фильтра­ции - головной фильтр.

4-й этап - тонкая очистка и фильтрация газа. После головного фильтра газ поступает в индивидуальный фильтр и далее в биореак­тор.

При использовании турбовоздуходувок схема фильтрации упрощается за счет исключения из нее холодильника и брызгомаслоотделителя.

Для обеспечения эффективности использования нагретого возду­ха, следует:

1.Часть воздуха после второй ступени компрессора охладить до температуры ниже точки росы и после влагоотделения в брызгоуловителе поднять его температуру путем смешения с горячим воздухом, отобранным после компрессора (перед воздухоохладителем) до заданного предела.

Предусмотреть для автоматического поддержания температуры на заданном уровне регулятор температуры в комплекте с пневматическим клапаном, установленным на линии подачи горячего сжа­того воздуха.

3. Учесть, что вариант подогрева воздуха путем его смешения с горячим воздухом можно применить на тех предприятиях, где рас­стояние от компрессора до головного фильтра не слишком велико (ориентировочно около 100 м). При условии же большей удаленности здания компрессорного цеха от головных фильтров следует произво­дить подогрев воздуха специальным паровым подогревателем, рас­положенным в непосредственной близости от головного фильтра.

4. Учесть, что в зимний период, когда влагосодержание воздуха незначительно, нет необходимости в применении дополнительного подогрева воздуха и система подогрева можно отключить. Режим ох­лаждения воздуха в воздухоохладителях следует отрегулировать та­ким образом, чтобы температура его перед индивидуальным фильт­ром составляла 45 - 50 °С.

Необходимо отметить, что только при соблюдении всех перечисленных выше условий может быть гарантирована эффективная ра­бота системы фильтрации воздуха.

 Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора.

Выходящий из биореактора воздух имеет значительную влажность и содержит микроорганизмы, поэтому система очистки обычно яв­ляется двухступенчатой - ступень удаления влаги и ступень очистки и стерилизации.

В зарубежной практике для очистки и стерилизации воздуха, вы­ходящего из биореактора, широко используют фильтрующие элемен­ты из микроволокон боросиликатного стекла, связанных эпоксирезиной. Фильтр-патрон из такого материала имеет высокую стери­лизующую способность (до 99,9999%) и хорошо улавливает части­цы размером более 0,6 мкм. Стерилизация таких фильтров осуще­ствляется текучим паром. Большое распространение получили филь­тры из пористой нержавеющей стали, никеля и бронзы. В начале эк­сплуатации их сопротивление не более 0,07 МПа, а в процессе фильтрования оно возрастает до 0,5 МПа.

Глубинное культивирование микроорганизмов проходит в биоре­акторах при давлении 0,02 - 0,06 МПа. Пористые материалы, как правило, имеют большое сопротивление, что иногда затрудняет их использование.

Следует избегать конденсации влаги на фильтре, в результате чего его сопротивление потоку воздуха может возрасти, а производитель­ность снизиться. Особое внимание следует уделить герметизации мест установки фильтров на воздуховодах.

Использование очищенного пара для стерилизации фильтров и со­кращение времени стерилизации позволили значительно увеличить сроки службы отечественных и зарубежных воздушных фильтров на основе новых фильтрующих материалов.

Для успешной и эффективной работы фильтров необходимо про­водить контроль на герметичность их сборки.

Страницы: 1, 2