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Die Erfindung betrifft Filter zum Reinigen und Sterilisieren atmosphärischer
Luft für die Belüftung der Nährmedien von Mikroorganismenkulturen.
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Zur Durchführung aerober Fermentationen im großen Maßstab wird bei
vielen Verfahren unter Verwendung von Tieftanks gearbeitet. Das Wachstum der untergetauchten
Mikroorganismen wird durch Hindurchleiten von steriler Luft durch die Nährmedien
aufrechterhalten bzw. beschleunigt. Die durch das Einleiten des Luftstromes hervorgerufene
Durchwirbelung erhöht die Übertragung von Sauerstoff und Nährstoffen auf die Organismen
und führt die Entfernung der Zellabfallprodukte herbei.
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Bei der Reinigung von Luft für solche Fermentationen ist es erforderlich,
daß eine Sterilisation erzielt wird. Bei einigen Fermentationen kann zwar eine Beständigkeit
gegenüber Verunreinigungen vorliegen, und zwar entweder während der ganzen oder
während einzelner Phasen des Fermentationszyklus, was auf den pH-Wert oder die Gegenwart
bestimmter Substanzen - wie von Antibiotika - zurückzuführen ist. In denjenigen
Fällen jedoch, wo die gleiche Luftquelle für eine Vielzahl von Fermentationen verwendet
werden soll, ist es zur Gewährleistung einer angemessenen Verfahrensregelung unbedingt
erforderlich, sterile Luft zu verwenden. Obgleich eine Wirksamkeit von 100°/o ein
kaum erreichbares Konstruktionsziel ist, muß man versuchen, an eine solche Wirksamkeit
heranzukommen, wenn das Luftsterilisationssystem als völlig zufriedenstellend angesehen
werden soll.
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Schon die Gegenwart eines einzigen verunreinigenden Mikroorganismus
in einem Behälter kann einen Verlust an Produkt bzw. dessen Zerstörung bewirken,
weil die Wachstumsgeschwindigkeiten der Verunreinigungen groß sind.
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Zur Herstellung steriler Luft und zur Luftreinigung sind zahlreiche
Verfahren in Betracht gezogen worden bzw. werden in der Technik angewendet. Es lassen
sich im wesentlichen zwei Methoden unterscheiden: solche, die eine Zerstörung der
Mikroorganismen hervorrufen, wie durch Hitze, Bestrahlung oder Desinfektion, und
solche, bei denen eine Abtrennung der Mikroorganismen, z. B. durch gewöhnliche Filtration,
elektrostatische Filtration, Ultraschallabscheidung, Waschen und thermische Abscheidung,
durchgeführt wird.
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Obwohl die Hitzesterilisation in der Technik angewendet worden ist,
gestaltet sie sich infolge der hohen Temperaturen und der erforderlichen großen
Wärmeaustauscher kostspielig und ist im Vergleich zu anderen zur Verfügung stehenden
Mitteln unpraktisch.
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Die Bedienungs- und Wartungskosten sind in ähnlicher Weise vergleichsweise
hoch, da Brennstoffe und Kühlwasser notwendig sind und die Brennöfen und die Wärmeaustauscher
eine Wartung erfordern.
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In ähnlicher Weise ist die Sterilisation mit Hilfe von durch Kompression
erzeugter Wärme im Betrieb unpraktisch, da die Kompression eine unwirksame und kostspielige
Methode zur Wärmeerzeugung darstellt.
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Obgleich sowohl energiereiche elektromagnetische Wellen als auch
Korpuskularstrahlen die Fähigkeit zur Abtötung von Mikroorganismen besitzen, stellte
das ultraviolette Licht bisher die einzige Strahlungsquelle dar, die verbreitet
verwendet wurde und wirtschaftlich war. Die Verwendung von UV-Licht zur Sterilisation
von Fermentierungsluft ist jedoch unpraktisch, da ungewöhnlich große Apparatureinheiten
erforderlich
sind und einige Mikroorganismen, wie bestimmte sporenbildende Bakterien und Schimmelarten,
gegenüber ultraviolettem Licht beständig sind.
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Die Verwendung von Desinfektionsmitteln zur Sterilisation von Fermentierungsluft
war ebenfalls nicht erfolgreich, da nur eine unvollständige Sterilisation eintrat
und eine Übertragung von schädlichen Desinfektionsmitteln auf das Fermentationsmedium
stattfand.
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Aus der USA.-Patentschrift 1 960 260 sind Filter zum Abscheiden von
Fremdteilchen aus Luft bekannt, deren ununterbrochenes Filterbett aus porösem Material
eine sprunghafte Zunahme der Querschnittsfläche aufweist. Bei dieser und anderen
Vorrichtungen dienen als Behälter für das Filtermaterial je zwei im Durchmesser
entsprechend differenzierte Zylinder, die in Reihe derart miteinander verbunden
sind, daß in der Durchströmrichtung auf den engeren der weitere Durchmesser erfolgt.
Das Verhältnis von Einlaß- und Auslaßquerschnittsfläche liegt jedoch über 1: 2;
zudem dient bei der zitierten 1 A.-Patentschrift 1 960 260 als Filtermedium Stahlwolle,
die ständig mit Ö1 zu baden ist.
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Es ist ferner allgemein bekannt, zur Abscheidung feinster Schwebeteilchen
aus Luft Filterbettfüllungen aus Glaswatte zu benutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist nun ein Filter des Standes der Technik
zum Reinigen und Sterilisieren atmosphärischer Luft für die Belüftung der Nährmedien
von Mikroorganismenkulturen mit einem lose gefüllten zylindrischen Filterbett, das
in der Durchströmungsrichtung mindestens eine sprunghafte Erweiterung der Querschnittsfläche
aufweist, erfindungsgemäß dadurch zu verbessern, daß die sprunghafte Erweiterung
der Querschnittsfläche des Filterbettes von der Anströmseite zur Abströmseite in
einem Verhältnis von insgesamt 1:10 bis 1:150 liegt und die Füllung des Filterbettes
in an sich bekannter Weise aus Glasfaserwatte besteht, die auf ein gleichmäßiges
spezifisches Raumgewicht von 0,16 bis etwa 1,6 g/cm3 gestopft ist.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, daß sich mit einer derartigen
Filterausbildung eine vollständige Entfernung von Fremdteilchen aus atmosphärischer
Luft erreichen läßt und eine vollständige und damit wirksame Sterilisation der Luft
erzielbar ist, wobei die Nachteile der bekannten Sterilisationsverfahren überwunden
wurden. Das erfindungsgemäß ausgebildete Filter erfordert nur minimale Anschaffungs-
und Wartungskosten.
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Die Erfindung wird zunächst an Hand der Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Filters und erläutert
ct Prinzipien der Erfindung; F i g. 2 ist ein im Qt schnitt teilweise aufgebrochener
Aufriß einer Ausführungsform der Erfindung; F i g. 3 ist eine Aufsicht auf das Filter
aus F i g. 2.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Filter bewirkt eine vollständige
Sterilisation atmosphärischer Luft durch Entfernung sowohl der großen ab auch der
kleinen Teilchen durch eine abrupte Geschwindigkeitsabnahme zwischen seinen Einlaß-
und Auslaßöffnungen. In Fig. 1 wird dies schematisch erläutert.
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Unsterile atmosphärische Luft, die ç Zone 4 mit hoher Geschwindigkeit
durchstreicht, wird von »großen« Mikroorganismen (sowie etwaigen »kleineren« Mikroorganismen,
die an den anderen Teilchen haften können) nach dem Trägheitsmechanismus frei filtriert.
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In dieser Zone findet ebenfalls das Sieben und das
direkte
Auffangen der »größeren« Mikroorganismen statt. Während des Durchstreichens der
Zone 4 entstehen auf den Mikroorganismen elektrostatische Ladungen, wobei die reibende
Berührung zwischen Luft, Glasfaserwatte und Mikroorganismen bei hoher Geschwindigkeit
verstärkt und damit die Aufladung hervorgerufen wird.
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Mit dem Eintritt in die Zone 5 verringert sich die Geschwindigkeit
der Luft. Das direkte Auffangen der »größeren« Mikroorganismen findet weiterhin
statt.
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Zusätzlich tritt hinter der Glasfaserwatte in dieser Zone eine Sammlung
durch Wirbelbildung auf.
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Darüber hinaus beginnt hier die elektrostatische Sammlung, die durch
die Aufladung in der Zone 4 gesteigert wird.
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Mit Eintritt in die Zone 6 nimmt die Geschwindigkeit wiederum ab,
was den Absetzmechanismen erlaubt, etwaige »größere« Mikroorganismen, die durch
die vorhergehenden Zonen hindurchgeschlüpft sind, zurückzuhalten. Die niedrige Geschwindigkeit
in der Zone 6 ermöj ht die Sammlung «kleiner« Mikroorganismen (d. h. von Viren,
Phagen usw.), die bisher noch nicht zurückgehalten worden sind, durch Diffusion
und elektrostatische Kräfte.
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Die zur erforderlichen Reinigung und Sterilisierung der atmosphärischen
Luft benötigte plötzliche Abnahme der Geschwindigkeit zwischen Einlaß- und Auslaßöffnungen
des Filters wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Verhältnis von Einlaß-
zu Auslaßquerschnittsfläche etwa 1:10 bis zu etwa 1: 150, vorzugsweise 1: 15 bis
1: 100, beträgt und die an sich bekannte Füllung des Filterbettes aus Glasfaserwatte
auf ein gleichmäßiges spezifisches Raumgewicht von 0,16 bis etwa 1,6 g/cm3 gestopft
ist. Die Gestalt eines solchen Filters kann unter Einhaltung der genannten Verhältnisse
verschieden sein. So kann das Filter z. B. eine stufenförmige Gestalt von zylindrischem
Querschnitt aufweisen. Die Stufen können übereinander - wie erläutert - oder nebeneinander
angeordnet sein bzw. hintereinander durch eine oder mehrere Leitungen verbunden
sein. Obgleich es bevorzugt wird, die verschiedenen Stufen des Filters in senkrechter
Lage anzuordnen, kann in einigen Fällen auch eine waagerechte Anordnung erfolgreich
verwendet werden.
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Zur Erläuterung wird in den F i g. 2 und 3 eine Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, die aus einem Filter mit einer stufenförmigen, zylindrischen
Gestalt in senkrechter Anordnung besteht. Die Luft wird durch eine Einlaßöffnung
1 in ein senkrecht stehendes Rohr 2 eingeführt, das mit einem Abblasventil 3 zur
Entfernung von Wasser versehen ist, das sich an der Einlaßöffnung oder im Filter
sndensiert. Das Filterbett des Filters besteht aus dn tbschnitten 4, 5 und 6 von
zylindrischem Querschnitt, wodurch die drei Stufen gebildet werden. Jede dieser
Stufen des Filterbettes ist mit dem Filtermedium 7, d. h. mit Glasfaserwatte - wie
»Fiberglasfaserwatte« - in dem angegebenen spozifischen Raumgewicht gestopft. Dieses
Material wird im Filter durch ein Sieb 8 am Anfang der ersten Stufe (4) und eine
durchlöcherte Platte 9 am oberen Ende der dritten Stufe (6) festgehalten. Das obere
Ende dei ; ritten Stufe ist mit einer Platte 10 und einem Ausl. rohrll versehen,
um das Filter einzufassen und eine Auslaßöffnung zu schaffen. Sämtliche Verbindungen
sind vorzugsweise hermetisch gegen eine mögliche Verunreinigung abgeschlossen.
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Das ganze Filter ruht auf drei Füßen 12, die mit der
dritten Stufe
(6) durch Anschweißen oder andere geeignete Maßnahmen verbunden sind.
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Die Länge des Filters kann beträchtlich variieren, und zwar in Abhängigkeit
von vielen Faktoren, wie der Querschnittsfläche, der Dichte des Mediums und der
Einlaßgeschwindigkeit. Es wurde jedoch gefunden, daß für die meisten Zwecke eine
Gesamtlänge von etwa 30 bis 120 cm angemessen ist.
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Beim Betrieb des Filters der F i g. 2 und 3 wird die Luft mit einer
linearen oder Querschnittsgeschwindigkeit von etwa 30 bis 450 cm je Sekunde eingeführt.
Die Vergrößerung der Querschnittsfläche des Filterbettes von Einlaß- zu Auslaßquerschnitt
in dem Verhältnis von 1 : 10 bis 1 : 150 bewirkt dann ein Geschwindigkeitsgefälle
entlang des Filters. Wird z. B. Luft mit einer linearen Geschwindigkeit von 300
cm je Sekunde in ein Filter mit einem Verhältnis von Einlaß- zu Auslaßquerschnittsfläche
von 1 : 100 eingeführt, beträgt die Geschwindigkeit im letzten Filterabschnitt etwa
3 cm je Sekunde, und es liegt ein Gefälle von 297 cm je Sekunde vor. Unter dem Ausdruck
lineare Geschwindigkeit oder Querschnittsgeschwindigkeit wird hier immer diejenige
Geschwindigkeit verstanden, die durch Dividieren des Luftstromes, ausgedrückt in
Kubikzentimeter je Sekunde - gemessen bei 21,10C und 1,033 kg/cm£ - durch die Querschnittsfläche
des leeren Filtergefäßes, ausgedrückt in Quadratzentimeter, erhalten wird. Weiterhin
stellen die Werte für das Geschwindigkeitsgefälle die Differenz zwischen den linearen
oder Querschnittsgeschwindigkeiten in den Endabschnitten des Filtergefäßes dar.
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Die Glasfaserwatte als Filtermedium zeichnet sich dadurch aus, daß
sie sowohl dauerhaft ist als auch eine positive Ladung annimmt, wenn sie sich in
treibender Berührung mit den Fremdteilchen der Luft befindet.
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Dieser Umstand erleichtert die elektrostatische Abscheidung, da die
meisten Mikroorganismen in der Luft negative Ladungen annehmen.
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Die Fasern der Glasfaserwatte können einen Durchmesser von etwa 5
bis 40 a haben, wobei ein Durchmesser von etwa 10 bis 30 p das Optimum für ein hochwirksames
Filter gemäß vorliegender Erfindung darstellt. Im allgemeinen ist die Wirksamkeit
des Filters um so größer, je dünner die Fasern sind. In dem Maße jedoch, wie die
Dicke der Fasern abnimmt, nimmt die Bruchgefahr zu. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft,
eine Borsilikatglasfaser zu verwenden, die sich als sehr bruchfest erwiesen hat
und bei der Wasserdampfsterilisation gegenüber der Zerstörung widerstandsfähig ist.
Bei solchen Fasern tritt auch weniger leicht eine Mattenbildung ein, wie sie im
allgemeinen durch einen übermäßigen Bruch hervorgerufen wird.
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Die Glasfaserwatte wird in dem Filter auf ein gleichmäßiges spezifisches
Raumgewicht von 0,16 bis etwa 1,6 g/cm3 gestopft. Obgleich mit einem Filter, das
auf ein spezifisches Raumgewicht von 0,16 bis 0,192 g/cm3 mit Glasfaserwatte gestopft
ist, ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, werden noch bessere Ergebnisse bei
Packdichten von 0,16 bis 0,8 bzw. 1,6 g/cm3 erhalten. Solche Dichten lassen sich
bequem erzielen, wenn man die Glasfasern auf kürzere Längen zerschneidet. Zum Beispiel
kann Glasfaser mit einem Durchmesser von etwa 30 p auf eine Länge von 2,54 cm geschnitten
und zu einer Dichte von etwa 0,64 g/cm3 gestopft werden, wobei ein Filter von überlegener
Wirksamkeit erhalten wird.
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Die folgenden Beispiele sollen die Vorteile des
erfindungsgemäß
ausgebildeten Filters in bezug auf Kapazität und Wirksamkeit unter äußerst ungünstigen
Bedingungen weiter erläutern.
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Beispiel 1 Ein mit F-1 bezeichnetes und in Übereinstimmung mit F
i g. 1 gebautes Filtergefäß besitzt eine abgestufte Gestalt mit drei Abschnitten:
einem Einlaßabschnitt 4 mit einem Durchmesser von 7,6 cm, einem mittleren Abschnitt
5 von 14,6 cm Durchmesser und einem Auslaßabschnitt 6 von 29,5 cm Durchmesser.
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Jeder Abschnitt ist 21,6 cm hoch. Dieses Gefäß ist mit 3,63 kg Glasfaserwatte
mit einem Faserdurchmesser von etwa 30 u gestopft. Das spezifische Raumgewicht der
Packung beträgt in jedem Abschnitt etwa 0,184g/cm3.
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Ein zweites Filtergefäß - bezeichnet mit F-2 -besteht aus einem Hohlzylinder
von 19,05 cm Durchmesser und 68 cm Höhe. Dieses Gefäß wird ebenfalls mit 3,63 kg
Glasfaserwatte auf ein spezifisches Raumgewicht von etwa 0,184 g/cm3 gestopft. Nach
dem Füllen werden F-1 und F-2 etwa 1 Stunde mit Wasserdampf von 4,93 atü sterilisiert.
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Für Versuchszwecke wird den Filtern die Luft mit Hilfe eines Kompressors
über eine gewöhnliche Rohrverzweigung zugeleitet. An einem Punkt zwischen Kompressor
und Rohrverzweigung wird in den Luftstrom ununterbrochen eine Kulturbrühe zerstäubt,
die einen Mikroorganismus, nämlich Serratia marcescens, enthält. Dieser Organismus,
der gewöhnlich in der Luft und im Boden vorkommt, wurde gewählt, weil er beim Wachstum
auf Agar rote Kolonien bildet, die sich leicht erkennen lassen. Die Brühe wird mit
einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in den Luftstrom eingeführt, so daß der Einlaßöffnung
jedes Filters 6 Milliarden Mikroorganismen je Stunde zugeführt werden.
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Die Luftgeschwindigkeit zu jedem Filter wird auf 5,66 m8 je Stunde
- gemessen bei 21,10C und 1,033 kg/cm2 - eingestellt, was einer linearen Geschwindigkeit
von 5,5 cm je Sekunde durch F-2 und Geschwindigkeiten von 34,5, 9,45 und 2,29 cm
je Sekunde durch den Einlaß-, Mittel- bzw. Auslaßabschnitt von F-1 entspricht.
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Die Luft wird ununterbrochen über einen Zeitraum von 77 Stunden durch
die beiden Filter geleitet. In Abständen wird ein steriles Filterpapier von etwa
7,6 cm Durchmesser am Auslaßende eines jeden Luftfilters befestigt, so daß über
einen Zeitraum von 30 Minuten sämtliche austretende Luft durch das Papier streicht.
Die Papiere werden dann entfernt und mit der dem Luftfilter zugewandten Seite 30
Minuten auf eine sterile Agarplatte gebracht. Die Agarplatten werden 48 Stunden
bei 28"C bebrütet und sodann untersucht.
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Bei den Kulturen, die aus der aus F-2 ausströmenden Luft erhalten
wurden, war die Gegenwart von S. marcescens innerhalb von 5 Stunden nach dem Beginn
des Versuchs festzustellen, und die Mikroorganismen brechen während der ganzen Versuchsdauer
weiter durch das Filter durch. Eine Kultur, die aus der Auslaßluft von F-2 nach
29stündigem Betrieb erhalten wurde, enthielt 1920 Kolonien des Mikroorganismus.
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In der aus F-1 ausströmenden Luft ließen sich dagegen zu keiner Zeit
während der 77 Stunden des Versuchs Organismen feststellen.
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Beispiel 2 Die Filter werden mit Wasserdampf sterilisiert, und das
Beispiel 1 wird unter praktisch den gleichen
Bedingungen in einem Versuch von 264
Stunden Dauer wiederholt. Die Mikroorganismen brechen wiederum innerhalb von 5 Stunden
durch F-2 durch, während die aus F-1 ausströmende Luft zu keiner -Zeit während des
Versuchs einen feststellbaren Organismus enthielt. Am Ende des Versuchs wird die
in den Filtergefäßen befindliche Glasfaserwatte entfernt und untersucht. In jedem
Fall war die dichte Packung der Glasfaserwatte an die Wandung erhalten geblieben,
und es ließen sich keine Anzeichen einer Kanalbildung in der Mitte feststellen.
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Beispiel 3 Ein kegelförmiges Filter von 66 cm Höhe, dessen Durchmesser
sich von 7,8 cm am Einlaßende auf 29,2 cm am Auslaßende erweitert, wird in Parallelschaltung
zu F-1 und F-2 mit der Einlaßrohrverzweigung verbunden. Dieses Gefäß - mit F-3 bezeichnet
-wird mit 3,63 kg Glasfaserwatte auf ein spezifisches Raumgewicht von etwa 0,184
g/cm8 gepackt. F-1 und F-2 sind ähnlich gepackt.
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Die Luft wird jedem sterilisierten Filter mit einer Geschwindigkeit
von 13,87 m3 je Stunde zugeführt, was im Falle von F-1 linearen Geschwindigkeiten
von 80,8, 23,05 bzw. 5,64 cm je Sekunde im Einlaß-, Mittel- bzw. Auslaßabschnitt;
im Fall von F-2 einer linearen Geschwindigkeit von 13,55 cm je Sekunde und im Fall
von F-3 Geschwindigkeiten von 80,8 bzw.
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5,76 cm je Sekunde am Einlaß- bzw. Auslaßpunkt entspricht.
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Die S. marcescens enthaltende Kulturbrühe wird in die Einlaßluft
ununterbrochen mit einer Geschwindigkeit zerstäubt, die 1,9 Billionen Mikroorganismen
je Filter und Stunde entspricht. Während der ganzen Zeit eines 127 Stunden dauernden
Versuchs wurden in der Auslaßluft von F-1 keine Mikroorganismen entdeckt, während
sie in der Auslaßluft von F-2 und F-3 innerhalb von 6 Stunden erscheinen.
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Beispiel 4 Ein in Übereinstimmung mit Fig. 1 gebautes Filtergefäß
weist einen Einlaßabschnitt 4 von 2,54 cm Durchmesser, einen Mittelabschnitt 5 von
7,62 cm Durchmesser und einen Auslaßabschnitt 6 von 25,4 cm Durchmesser auf, wobei
jeder Abschnitt eine Höhe von 25,4 cm besitzt. Das Gefäß wird mit auf eine Länge
von 2,54 cm geschnittener Glasfaserwatte auf ein spezifisches Raumgewicht von etwa
0,72 g/cm8 gestopft. Dem Filter wird Luft mit einer Querschnittsgeschwindigkeit
von etwa 305 cm je Sekunde im Einlaßabschnitt4 zugeführt und zeigte bei der Entfernung
von Mikroorganismen aus der Luft eine deutliche Überlegenheit gegenüber den üblichen
Filtern.