Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

стерильности (например 0,01) среда должна выдерживаться при

температуре стерилизации строго определенное время, чтобы "по-

пуляция" спор снизилась от исходного значения No до N/No

(например, до 10"

Тепловую стерилизацию сред (по способу ее проведения) под-

разделяют на периодическую и непрерывную. При периоди-

ческом способе стерилизации процессы: нагрев, выдержка и

охлаждение среды (рис. 98) протекают последовательно во време-

концеитрат

среды

вода

стерильная

^реда

в фермен-

татор

Рис.

98.

Установка непрерывной стерилизации питательной

среды:

—приемник

концентрата питательной среды, 2 — фильтр для отделения комков среды, 3 —

насос, 4 — паровой инжектор, 5 — выдерживатель трубчатого типа, свернутый в

виде плоской спирали, 6 — теплообменник.

ни в одном аппарате. Это может быть ферментатор, посевной

аппарат или специальный стерилизатор. Весь объем среды нагре-

вают в аппарате

до

заранее выбранной температуры, выдерживают

при этой температуре строго определенное время и охлаждают

водой, подаваемой в рубашку аппарата или змеевик. Метод отли-

чается простотой и надежностью, однако имеет и свои недостатки.

В частности, ухудшается качество питательной среды из-за дли-

тельного воздействия высокой температуры, при этом происходит

карамелизация Сахаров (образование ангидридов Сахаров), де-

струкция витаминов; излишне длительный нагрев приводит не

только к разрушению питательных веществ, но и к образованию

в среде потенциальных ингибиторов процесса ферментации, таких

как аминосахара. Второй недостаток связан с тем, что требуется

повышенный расход пара за короткий период нагрева. Третий

недостаток обусловлен невозможностью регенерировать тепло.

Последний, четвертый, недостаток касается трудности автомати-

зации процесса периодической стерилизации по сравнению с

непрерывным.

315

При непрерывном способе стерилизации каждый

элементарный процесс — нагрев, выдержка, охлаждение (рис. 99)

осуществляется в специально предназначенных для этого аппара-

тах: нагревателе, выдерживателе, теплообменнике, которые со-

концентрат

вода

Рис.

99. Установка непрерывной стерилизации питательной среды с рекупера-

цией тепла: 1 — приемник концентрата среды, 2 — фильтр, 3 — насос, 4 —

пластинчатый теплообменник-рекуператор, 5

—

теплообменник-доохладитель, 6 —

паровой эжектор, 7

—

выдерживатель трубчатого типа, разделенный на две секции.

ставляют систему аппаратов для непрерывной стерилизации —

установку непрерывной стерилизации (УНС). Непрерывная стери-

лизация имеет следующие преимущества по сравнению с перио-

дической:

1) при непрерывном методе стерилизации каждый элементар-

ный объем среды (бесконечно малый объем, содержащий одну

спору) находится при высокой температуре короткое время;

2) благодаря более высоким температурам стерилизации и

короткой экспозиции деструкция компонентов питательной среды

минимальна;

3) процесс стерилизации всего объема питательной среды

растянут во времени, этим обеспечивается более равномерная

загрузка котельной;

4) процесс легко контролируем и управляем;

5) возможна частичная регенерация тепла.

Непрерывное нагревание среды может быть осуществлено без

прямого контакта с теплоносителем в трубчатом, пластинчатом или

спиральном теплообменнике. Но чаще всего среда нагревается до

нужной температуры в течение нескольких секунд прямым инжек-

316

тированием пара в паровых контактных нагревателях. Наиболее

распространены те конструкции теплового инжектора, в который

подают вихревым насосом нестерильную питательную среду и пар

под давлением —

0,3—0,6

МПа. Производительность нагревателей

10, 15, 20, 25, 50 м

/ч стерильной среды. Подбирают нагреватель

в зависимости от объема стерилизуемой среды так, чтобы время

операции стерилизации всего объема среды составляло 40—120

минут. После этого среду подают в выдерживатель — проточный

аппарат непрерывного действия, работающий по принципу вытес-

нения вновь поступающими объемами среды предыдущих. За

время прохождения через выдерживатель элементарного объема

питательной среды содержащаяся в этом объеме спора погибает.

Следовательно принцип работы выдерживателя может быть запи-

сан в следующем виде: т выдержки = т отмирания термостойких

спор = х заполнения. По конструктивным особенностям выдер-

живатели подразделяют на два типа — емкостные и трубчатые.

Чтобы приблизить течение жидкости в емкостном выдерживателе

к поршневому, снизить скорость потока по центральной оси и

уменьшить застойные зоны у корпуса, необходимо предусматри-

вать специальные устройства для ввода среды, обеспечивающие

равномерное распределение потока, и

для вывода среды, где надо равномерно

—

собрать поток со всего сечения.

Наиболее простым по конструкции и

надежным является емкостной выдержи-

ватель, вместимостью не менее 2 м

подачей среды сверху по трубе, опущен-

ной до днища аппарата; днище при этом

играет роль отбойника, разбивающего

струю жидкости, а сбор стерильной сре-

ды осуществляется через перфорирован-

ное кольцо, расположенное в верхней

части выдерживателя (рис. 100). Но в

процессе работы емкостного выдержива-

теля ВОЗМОЖНО возникновение пульса- ри

що.

Выдерживатель с

ций, вызывающих выбросы нестериль- перфорированным кольцом в

ных объемов спелы верхней

части:

1 —

труба вво-

ных ооъемов среды.

№ несгерильной средЫ1 2

—

Практически идеальный поршневой кольцевой коллектор вывода

поток осуществить невозможно. При ла- стерильной среды, 3

—

шту-

_ цер слива конденсата после

минарном и турбулентном потоке сред- стилизации системы, 4 -

няя скорость жидкости является функ-

корпус

аппарата.

317

L 2

\г

цией распределения скоростей отдельных объемов жидкости по

сечению потока. Средняя скорость ламинарного потока вязкой

жидкости в трубе составляет 50% максимальной скорости по оси

трубы, а турбулентного —

82%.

Степень отклонения от поршневого

течения может быть выражена безразмерным критерием Пекле

(Ре):

_ Wcpl ... .

Ре = —ff~, где Wcp — средняя скорость потока, 1 - длина

трубы,

— коэффициент продольного перемешивания. Для иде-

ального течения в поршневом режиме критерий Ре равен беско-

нечности, а при полном смешении — нулю.

Расчетными данными показано, что из различных по длине и

диаметру трубчатых выдерживателей, дающих один и тот же

уровень стерильности, экономически наивыгоднейшим является

тот, который характеризуется потоком с критерием Ре =

50.

Такие

трубчатые выдерживатели получили название оптимальных.

Трубчатые выдерживатели большого диаметра и длины разде-

ляют на секции и укрепляют вертикально как колонные аппараты.

Выдерживатели с диаметром трубы 150—200 мм сворачивают в

виде объемной или плоской спирали и устанавливают над нагре-

вателем. Все выдерживатели должны быть покрыты слоем изоля-

ции для предотвращения теплопотерь.

При высокой температуре среда находится в выдерживателе

строго определенное расчетное

время,

а затем ее необходимо очень

быстро охладить до температуры ферментации, иначе в среде

пойдут деструктивные процессы. Теплообменник, в котором воз-

можен подобный процесс, должен обладать не только высокими

теплообменными характеристиками, но и конструктивным совер-

шенством, обеспечивающим поддержание среды в стерильном

виде, следовательно, он должен быть герметичен.

Наиболее широкое распространение в нашей стране получили

теплообменники типа "труба в трубе", тогда как за рубежом

применяют более эффективные пластинчатые и спиральные теп-

лообменники. Использование пластинчатых теплообменников ог-

раничивается невозможностью их применения для охлаждения

вязких сред, содержащих твердую фазу.

В настоящее время наиболее часто используют УНС, схема

которой представлена на рис. 98. Но в такой схеме не реализуется

одно из преимуществ непрерывного способа стерилизации —

возможность рекуперации тепла.

До 70% тепла можно вернуть, если дополнительно установить

318

теплообменник —рекуператор, в котором стерильная среда, про-

шедшая через выдерживатель и имеющая температуру 130—140°С,

нагревает нестерильную питательную среду до 115—125°С, а затем

доохлаждается в теплообменнике-доохладителе до температуры

ферментации (см. рис. 99). При этом сокращается расход пара на

нагрев нестерильной среды до температуры стерилизации и расход

воды на охлаждение стерильной среды.

Все аппараты УНС выполняют из нержавеющей стали, а наи-

более надежной арматурой является сильфонная нержавеющая.

Перед началом операции стерилизации всю систему УНС стери-

лизуют водяным паром, после чего стерилизуют концентрат пита-

тельной среды. Для удаления остатков среды из системы и для

разбавления концентрата через УНС пропускают воду. Перед

отключением УНС ее вновь стерилизуют.

Сыпучие среды, используемые в настоящее время для получе-

ния ферментов поверхностным методом и кормовых добавок,

стерилизуют паром, инфракрасными лучами, а также используют

другие губительные факторы. Компонентами таких сред являются

отруби, биошрот, свекловичный жом, древесные опилки, солома.

Компоненты предварительно тщательно измельчают и смешивают

в оптимальных соотношениях.

В промышленности наиболее широко применяют обработку

сред глухим и острым паром, которую условно можно назвать

стерилизацией. В действительности деструкция спор происходит

только на поверхности твердых комков среды. Споры, находящи-

еся в глубине комка, могут выжить. Уровень стерильности таких

сред относительно невысок, но достаточен для проведения фер-

ментации на твердой сыпучей среде.

7.2.2. Подготовка стерильного сжатого воздуха и очистка

отработанного воздуха. Одной из важных задач биотехнологии

является получение большого количества стерильного воздуха. В

наибольших масштабах стерильный воздух применяется в процес-

сах ферментации для аэрации. Его также используют для венти-

ляции участков цехов так называемой стерильной зоны, где в

асептических условиях проводят, например, последние стадии

очистки готового продукта. В атмосферном воздухе, наряду с

инертными газами, азотом, кислородом, диоксидом углерода, со-

держатся пары воды и мелкодисперсные

частицы.

Более

30%

массы

частицы имеют размер 1—2 мкм и около 50% — меньше 0,5 мкм.

В состав дисперсных частиц, наряду с частицами пыли, копоти,

входят клетки и споры микроорганизмов как в свободном, так и в

319

сорбированном на пылевых частицах виде. Результаты анализа

технологического воздуха на содержание микробов-контаминан-

тов представлены в таблице 36.

Таблица 36. Типы микробов и частота их обнаружения в технологическом

воздухе

Микробы

Актиномицеты

Кокки

Палочки

Плесневые грибы

Споры бацилл

Размеры клеток микробов,

мкм

0,8 - 1,2 (диаметр клеток)

0,47 - 1,7

0,77 - 0,98 х 2,0 - 5,8

0,8 - 12,0 (диаметр нитей)

0,55-

1,2x2,3-7,1

Частота

обнаружения, %

4,5

33,5

22,5

8,1

18,7

Температура и влажность наружного воздуха, количество в нем

пылинок и микроорганизмов непостоянны и зависят от времени

года (микроорганизмов летом в 10 раз больше, чем зимой), погод-

ных условий — наибольшее количество пыли и, соответственно,

микроорганизмов приходится на сухую ветреную погоду, геогра-

фического расположения предприятия, высоты забора воздуха и

т. д. Особенно много микробов у поверхности земли, с высотой

концентрация их убывает и становится постоянной на уровне

около 30 м над землей.

7.2.2.1.

Способы очистки воздуха. Очистку воздуха можно

осуществить принципиально разными методами, основанными

либо на уничтожении микроорганизмов, либо на удалении их.

Одним из самых эффективных способов стерилизации воздуха

является облучение ультрафиолетовыми лучами. Этот метод ис-

пользуется для обеззараживания воздуха в боксах.

Отечественным и зарубежным опытом показано, что техноло-

гически и экономически оправданным в промышленности является

способ очистки воздуха с помощью волокнистых, и пористых

материалов. Таким путем удается получить воздух со степенью

чистоты 99,9999%. Взвешенные в воздухе частицы задерживаются

волокнистым материалом благодаря инерционному и диффузион-

ному механизмам осаждения. В общих чертах механизм инерци-

онного осаждения основан на том, что когда воздушный поток

начинает обтекать нить волокна на своем пути, взвешенные в этом

потоке частицы движутся по инерции, отклоняются от потока

воздуха и осаждаются на волокне. Эффект инерционного осажде-

ния высок на сравнительно грубых волокнах для относительно

крупных частиц и высоких скоростей воздуха. Малые частицы

320

способны к броуновскому движению. Движущиеся вблизи волокна

частицы диффундируют в случайных направлениях и могут задер-

живаться на поверхности волокон. Этот эффект осаждения увели-

чивается с уменьшением диаметра волокна фильтрующего мате-

риала, диаметра частицы и скорости воздуха.

Качество фильтрующего материала характеризуется коэффи-

циентом осаждения (h):

-CN

h = —-^ , где Qv

— начальная концен-

~-No

трация микробов в воздухе до фильтра, может быть принята из

расчета максимального содержания 5000 клеток в

;

0,001

— конечная концентрация микробов в воздухе после фильтра,

выбранная, исходя из вероятности проскока одной клетки на 1000

операций. Фильтрующий материал тем лучше, чем выше коэффи-

циент осаждения.

Качество аэрозольных фильтров для очистки воздуха характе-

ризуется коэффициентом проскока (Кпр):

К -

Чем меньше К

р, тем качество фильтра выше.

7.2.2.2. Характеристика фильтрующих материалов, применяе-

мых в промышленности для стерилизации воздуха. Поскольку

отдельные механизмы осаждения имеют различную природу и

обычно один из них преобладает над другим, необходимо приме-

нять фильтрующий материал различной структуры для полноцен-

ной очистки воздуха. Так называемые головные фильтры заполня-

ют более грубым волокном, на этих фильтрах удаляется около

98%

микробов-контаминантов, а следующую ступень — индивидуаль-

ные фильтры заправляют супертонким волокном или мембранами.

На этой последней ступени удаляют остальные

контаминантов.

Кроме высокой пылеемкости фильтрующие волокна должны

обладать еще одним свойством — работать при малых перепадах

давления так, чтобы их разность до и после фильтра были как

можно меньше.

В головных фильтрах для грубой очистки используют следую-

щие фильтрующие материалы:

а) грубое базальтовое волокно ВРВ (вертикальный раздув воз-

духом)

диаметром волокна

мкм и

мкм,

толщина слоя

1000

мм;

волокно обладает высокой паростоикостью, не теряет своих

свойств при нагревании до 1100°С, отличается механической проч-

ностью и высокой пылеемкостью;

11 т. 8524 321

б) высокообъемный нетканый фильтрующий материал

(ВНФМ), или ткань Каминской с диаметром волокна 16,9 мкм,

выпускают в виде слоев (матов) толщиной

20—23

мм;

особенностью

этого материала является то, что в прядильный раствор при его

изготовлении вводят антисептик гексахлорофен, поэтому фильтры,

заполненные такой тканью, не подвергают стерилизации;

в) стеклосрезы с диаметром волокна 6 мкм, толщиной слоя 600

мм,

термостойкость 300°С.

В индивидуальных фильтрах для тонкой очистки воздуха ис-

пользуют фильтры Петрянова (ФП) с тканью Петрянова, состоя-

щую из ультратонких полимерных волокон, сформированных в

виде ткани на.марлевой подложке. В настоящее время изготавли-

вают много видов ФП. Так ФПП из перхлорвинила и фторполиме-

ров обладают устойчивостью к кислотам и щелочам. ФПП из

полиакрилонитрила стойкие к органическим растворителям. Но

эти ФПП выдерживают температуру только до 60°С и поэтому их

стерилизуют формалином с последующей нейтрализацией амми-

аком. В последние годы разработаны ФП, стойкие к высоким

температурам. ФПАР (полиакрилатные) и ФПФС (полифторстиро-

ловые) выдерживают температуру до 250—270°С; их стерилизуют

острым паром.

Базальтовое суперволокно (БСТВ) диаметром

1,0—1,5

мкм вы-

пускают в виде матов толщиной 30—40 мм. Недостатком этих

волокон является небольшая механическая прочность. Этого недо-

статка лишены базальтовые бумаги и картон, разработанные Ук-

раинским НИИ бумаги. Базальтовые картон и бумаги имеют, кроме

того,

высокие коэффициенты осаждения, что позволяет уменьшить

габариты фильтров. В 1989 г. Украинский НИИ химического

машиностроения (НИИХИММАШ) и Пензенский филиал Всерос-

сийского НИИ антибиотиков (ВНИИА) разработали конструкции

фильтров с гофрированными элементами из базальтовой бумаги

ФГ-5 и ФГ-160 производительностью 5 и 160 м

/мин.

В последние годы для тонкой очистки воздуха используют

жесткие пористые перегородки из пластмасс и металлокерамики.

Преимуществом этих материалов по сравнению с волокнистыми

является стабильность структуры, устойчивость к повышенным

температурам, простота конструктивного оформения, легкость

обслуживания фильтров. Существенный недостаток — высокий

перепад давления.

322

Наибольшее применение находят фильтрующие материалы из

фторопласта и металлокерамики в виде втулок ФЭП — фильтру-

ющий элемент патронного типа (таблица 37).

Т а б л и ц а 37. Характеристика фильтрующих элементов, применяемых в про-

мышленности

Фторопластовый

элемент

ФЭП-46

ФЭП-120

Размеры

мм

46x38x110

120x96x170

Площадь,

0,015

0,06

Производи-

тельность,

/ч

230

Срок службы,

мес.

10-11

ДЛЯ

стерилизации воздуха рекомендуют также мембраны с

диаметром пор 0,45 мкм.

•

Пористость мембран достигает 80%.

Удаление микроорганизмов с помощью мембраны основано на

ситовом эффекте.

основном фильтрующие мембраны поставляет

фирма "Миллипор" (США), в нашей стране (г. Владимир) налажен

выпуск мембраны "Владипор". Мембранам не требуются высокие

перепады давления, но для их надежной работы необходимо точное

выполнение условий стерилизации. Стерилизовать мембраны

можно только насыщенным водяным паром, от перегретого пара

в мембранах появляются трещины, и они выходят из строя.

Высокоэффективную фильтрацию воздуха

(и

жидкостей) обес-

печивают также фильтры, изготавливаемые фирмами Domnick

Hunter (Англия), DDS-De Danske Suckerfabriker (Дания) и др. (рис.

101а).

7.2.3.

Технологическая схема сжатия и очистки воздуха. Сис-

тема производства, сжатого, очищенного от микроорганизмов,

воздуха, имеющего определенную температуру, является сложной"

технологической системой (рис. 1016).

Она состоит их трех последовательно соединенных подсистем:

очистки- от пыли и сжатия; приведения воздуха к термодинамиче-

скому состоянию, благоприятному по влажности и температуре

для разделения аэрозоля; разделение аэрозоля в фильтрах грубой

и тонкой очистки.

Первая подсистема. Атмосферный воздух забирают турбоком-

прессором через заборную шахту высотой 20—30 м, где концент-

рация микроорганизмов стабилизирована. Прежде всего воздух

попадает в предфильтры, где он освобождается от грубого аэрозоля

— пыли. Предфильтры не только предохраняют компрессоры от

323

Рис. 101а, рис. 1016. Фильтр тонкой очистки воздуха в разрезе (а), схема очистки

воздуха в масляном циклофильтре (б): 1 - циклофильтр, 2 - ванна с маслом, 3 -

отбойный козырек, 4 - направляющий короб.

загрязнения, но и существенно снижают количество контаминан-

тов,

которые могли бы попасть во 2-ю подсистему.

За рубежом в настоящее время в предфильтрах применяют

рулонные пористые материалы. В нашей стране успешно испытан

пенополиуретан, который обеспыливается пылесосом или теплой

водой с мылом. Срок службы материала 1,5—2 года. Однако до сих

пор на большинстве заводов используют масляные фильтры (см.

рис.

1016). После этого воздух сжимают в турбокомпрессоре до

0,35—0,5

МПа. Давление сжатия воздуха в компрессоре определя-

ют из расчета давления на преодоление сопротивления в системе

воздухоподготовки, давления столба жидкости в ферментаторе и

создания в нем давления 0,13—0,14 МПа. Сжатие воздуха в комп-

рессоре приводит к повышению его температуры до 120^250°С и

увеличению влагосодержания в единице объема.

Вторая подсистема. В случае высокого содержания влаги в

исходном атмосферном воздухе конденсируется еще большее ко-

личество влаги при его охлаждении. Выпадение влаги на фильтрах

324