（一）空气过滤介质
过滤介质是过滤除菌的关键，空气过滤介质不仅要求除菌效率高，还要求能耐高温、不易受油水沾污、阻力小、成本低、来源充足、经久耐用及便于更换操作。常用的过滤介质有棉花、活性炭、石棉滤板、有机和无机烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）等。早期用棉花或玻璃纤维结合活性炭作为过滤介质，存在介质耗量大，阻力大等缺点。近年来，研究者又开发了很多新的过滤介质，如超细玻璃纤维纸、微孔烧结材料和微孔薄膜等。
1. 棉花
棉花因品种和种植条件的不同有很大的差异，最好选用纤维细长且疏松的新鲜产品。棉花纤维直径一般为16～21μm，装填时要分层均匀，最后压紧，以填充密度达到150～200kg/m3、填充系数为8.5%～10%为好。如果压不紧或装填不均匀，会造成空气短路，甚至介质翻动而丧失过滤效果。
2. 玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成的，主要成分是二氧化硅、氧化铝和氧化硼等。通常使用的玻璃纤维直径一般为5～19μm，纤维直径越小越好，但纤维直径越小其强度越低，很容易断裂而造成堵塞，增大阻力。因此，填充系数不宜太大，一般采用6%～10%，填充密度为130～280kg/m3。玻璃纤维具有直径小，不易折断，阻力损失一般比棉花小，过滤效果好等优点；主要缺点是更换介质时造成碎末飞扬，容易使皮肤过敏。
3. 活性炭
活性炭比表面积大，吸附力较强，主要是通过表面吸附作用截留微生物。对油雾的吸附效果较好，可以作为总过滤器除去油雾、灰尘和铁锈等。用于空气过滤的活性炭一般为颗粒状。直径为3mm、长5～10mm的圆柱状活性炭，粒子间隙很大，对空气的阻力小，仅为棉花的1/12，但过滤效率比棉花要低很多。活性炭常与纤维状过滤介质联合使用，目前，一般将活性炭夹装在两层棉花中使用。
4. 超细玻璃纤维纸
超细玻璃纤维纸是利用质量较好的无碱玻璃，采用喷吹法制成的直径很小的纤维（直径1～1.5μm）。将该纤维制成0.25～1mm厚的纤维纸，它所形成的网格的孔隙为0.5～5μm，比棉花小10～15倍，故有较高的过滤效率。玻璃纤维纸的过滤效能如表5-3所示。
表5-3 玻璃纤维纸的过滤效能
5. 石棉滤板
采用20%蓝石棉和80%纸浆纤维混合打浆压制成。其优点是耐湿，受潮时不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长。但由于纤维直径比较粗，纤维间隙比较大，虽然滤板较厚（3～5mm），但过滤效率还是比较低，只适用于分过滤器。
6. 烧结材料
烧结材料种类很多，有烧结金属（蒙乃尔合金、青铜等）、烧结陶瓷、烧结塑料等。一般孔隙都在10～30μm，过滤效率较高。目前，烧结金属管作为分过滤器和总过滤器的过滤介质已取得初步效果，具有使用寿命长、可反复蒸汽灭菌、耐高热、气体阻力小、安装维修方便等优点。金属烧结管过滤器如图5-5所示。
7. 微孔膜
随着科学技术的发展，膜过滤器在发酵工业上应用越来越多。微孔膜类过滤介质的空隙小于0.5μm，有的甚至小于0.1μm，均为绝对过滤。常用的有纤维素酯微孔滤膜（孔径小于0.5μm）、硅酸硼纤维孔滤膜（孔径0.1μm）、聚四氟乙烯微孔滤膜（孔径0.2μm或0.5μm ）等。这类膜材料的滤芯，具有耐高温灭菌、耐气流冲击及过滤面积大等特点。滤芯过滤精度为0.01μm，效率为99.9999%。传统的棉花、活性炭、超细玻璃纤维、维尼纶、金属烧结过滤器由于无法保证绝对除菌，且系统阻力大，装拆不便，已逐渐被新一代的微孔滤膜介质所取代。
图5-5 金属烧结管过滤器
（二）深层介质过滤除菌机理
空气中微生物粒子直径一般为0.5～2μm，而过滤介质纤维之间的空隙一般为20～50μm。显然，以大空隙的介质过滤小颗粒微生物不是通常的绝对过滤，而是一种滞留作用。(www.xing528.com)
过滤器中的滤层交错着无数纤维，好像层层网格。以棉花纤维为例，当带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向还是垂直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。当气流为层流时，气体中的微粒随空气做平行运动，接近纤维表面的微粒（指在空气流宽度内的微粒）被纤维捕获，而大于气流宽度的气流中的微粒绕过纤维继续前进，带微粒空气围绕圆柱形纤维流动如图5-6所示。当过滤介质层中无数纤维交错形成的网格阻碍气流前进时，气流就会不断改变运动速度和方向，这些改变引起空气中微粒的惯性冲击、拦截、扩散、重力沉降和静电吸附等作用，大大增加了微粒被纤维捕获的概率，工作原理如图5-7所示，具体除菌机理如图5-8所示。
图5-6 带微粒空气围绕圆柱形纤维流动模型
1. 惯性冲击作用
微粒随气流以一定速度垂直向纤维方向运动时，因纤维的阻挡，空气流突然改变方向，而微粒由于惯性作用仍然沿直线向前运动，与纤维碰撞而被吸附于纤维的表面上，称为惯性冲击作用。当微粒质量较大或速度较大时，由于惯性冲击在纤维表面而沉积下来。
惯性冲击作用是空气过滤器除菌的重要作用，其大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，即取决于空气的流速。惯性力与空气流速成正比，当流速过低时，惯性捕集作用很小，甚至接近于零。空气流速降低到惯性捕集作用接近于零时，此时的气流速度称为临界气流速度。当空气流速增至足够大时，惯性捕集则起主导作用。
图5-7 利用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理
图5-8 单纤维介质过滤除菌时各种除菌机理示意图
ω g—气流速度 dp—微粒直径 df—纤维直径
2. 拦截滞留作用
气流速度在临界速度以下时，微粒不能因惯性冲击作用滞留于纤维上，捕集效率显著下降。随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是滞留拦截作用。
微生物微粒直径很小，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，从而改变流动方向，绕过纤维前进，而在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞流区的微粒慢慢靠近并接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。
3. 布朗扩散作用
直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的运动，称为布朗扩散。布朗扩散运动的距离很短。其除菌作用在较快的气流速度和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，扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而被捕集。布朗扩散作用与微粒大小和纤维直径有关，并与空气流速成反比。在气流速度很小的情况下，它能起到介质过滤除菌的重要作用。
4. 重力沉降作用
微粒虽小，但仍具有重力。当微粒重力超过其在空气中的浮力，并大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象。就单一重力沉降而言，大颗粒比小颗粒作用显著，一般50μm以上的颗粒沉降作用才显著；对于小颗粒只有气流速度很慢时才起作用。重力沉降作用在纤维的边界滞留区内与拦截滞留作用相配合而显示出来，从而提高了拦截滞留的效率。
5. 静电吸附作用
悬浮在空气中的微生物大多带有不同电荷或由于摩擦作用使非导体介质具有一定电荷。当微生物和其他微粒与介质电荷相反时，这些微粒就会通过静电吸附作用被介质截流捕获。此外，表面吸附也属这个范畴，当微粒通过一些比表面积大的活性介质时，由于范德华力的作用而被表面介质吸附，如活性炭的大部分过滤效能是表面吸附作用。
上述机理中，有时很难分辨是哪一种单独起作用。一般认为上述五种过滤除菌机理共同起作用，惯性冲击、拦截滞留和布朗扩散的作用较大，而重力沉降和静电吸附作用较小。当空气流速发生变化时，各种除菌机理所起的作用有很大的不同。过滤除菌效率与气流速度的关系如图5-9所示。当气流速度较小时，除菌效率随气流速度的增加而降低，布朗扩散起主要作用；当气流速度中等时，可能拦截滞留作用占优势；当气流速度较大（约大于0.1m/s）时，除菌效率随空气流速的增加而增加，惯性冲击起主要作用；如果气速过大，除菌效率又下降，可能是已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中的原因。
图5-9 过滤除菌效率（η）与气流速度（vs ）的关系
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