Типовые аппаратурно-технологические схемы

Типовая технологическая схема производства биопрепаратов. Типовая технологическая схема очистки и стерилизации воздуха в биотехнологии. Компромирование.

Технологический процесс производства продуктов биотехнологического синтеза может быть представлен в виде последовательно реализуемых стадий подготовки и переработки исходного сырья в целевой продукт, имеющий коммерческое значение.

В самом виде его можно представить блок-схемой. На самом деле каждый блок в схеме включает в себя несколько технологических стадий. Каждая из стадий предусматривает проведение вспомогательных работ (ВР). Помимо стадий технологического процесса (ТП) производственный технологический регламент включает в себя стадии переработки отходов (ПО - в основном или в сопутствующем производстве), обезвреживание жидких отходов (ОЖО) или твёрдых отходов (ОТО), очистку газовоздушных выбросов (ОГВВ) и промышленных стоков. Последние, как правило, на крупных предприятиях обезвреживают на собственных очистных сооружениях - станциях микробиологической очистки сточных вод.

В относительно простых случаях, например, при получении препаратов на основе суммы всех веществ культуральной жидкости, исчезает блок стадий очистки целевого продукта.

Компромирование , предварительная очистка и стерилизация воздуха.

Важным технологическим процессом в биологических производствах является очистка от механических примесей и стерилизация воздуха, используемого для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддерживания избыточного давления в стерильных емкостях.

Основным требованием к техническим системам очистки и стерилизации воздуха является очистка его от микрофлоры и других примесей. Кроме обеспечения этого требования, рассматриваемые системы должны обеспечивать получение воздуха с определенными термодинамическими характеристиками (температура, влажность, давление), от которых, в конечном счете, зависит эффективность работы систем в целом.

При выращивании микроорганизмов, клеток животных и вирусов в глубинных условиях требуется подача стерильного воздуха или других газов в биореактор на аэрацию культуральной жидкости. Воздух и др.газы подаваемые в биореактор, не только снабжают растущую культуру кислородом, азотом и др., но и отводят продукты газообмена и физиологическое тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе биосинтеза, способствуют гомогенизацию суспензии, увеличивают скорость процессов массо- и теплообмена.

Расчетные критерии газовых фильтров должны прежде всего соблюдаться для производственных биореакторов с большим расходом газа на аэрацию, а не для лабораторных установок, где не нужен значительный запас надежности.

Получать стерильный воздух приходится как для аэробных, так и для анаэоных производств, причём для первых это требует очень значительных затрат.

В анаэробных производствах стерильный воздух используют в основном для создания давления в аппаратах с целью предотвращения обсемененности простерилизованных растворов питательных сред, пеногасителя и, если это требуется, на стадиях получения целевого продукта (полуфабрикатов).

О масштабах получения стерильного воздуха для аэробных ферментаций можно составить мнение исходя из норм его расхода на 1 м3 аэрируемой среды.

Для разных биотехнологических производств норма расхода воздуха варьируется в интервале 0,6-2,5 м3 на 1 м3 ферментационной среды в 1 мин. Легко рассчитать количество необходимого воздуха, если время биосинтеза целевого продукта составляет от 1 до 12-ти суток, причём геометрический объём стандартных ферментёров в крупнотоннажном производстве составляет от 16 до 450 и даже до 1000 м3.при степени их заполнения не менее, чем наполовину, а число таких аппаратов на одном заводе может быть от нескольких штук до нескольких десятков. Ситуация ещё более усложняется, если кислорода в составе воздуха (21%) недостаточно для скорости роста клеток производственного штамма. В этом случае (например, для биосинтеза продуцента кормового белка из природного газа) предприятие должно иметь собственную газоразделительную станцию для получения обогащённого кислородом воздуха.

Существуют разные подходы к производству стерильного воздуха, но и сегодня в крупнотоннажном производстве во всем мире используется метод, сочетающий термическую стерилизацию с адсорбцией контаминантов и отделением их фильтрованием через волокнистые материалы. Однако удалению контаминантов должны предшествовать стадии предварительной очистки воздуха от атмосферной пыли и масла, если используют поршневые нагнетатели. Для них разработаны и реализованы на практике различные варианты схем очистки воздуха. Чтобы сократить количество удаляемой пыли, забор воздуха осуществляют над поверхностью земли на высоте 15-40 м. Пылевидные (взвешенные) частицы улавливают на линии всасывания воздуха при соприкосновении потока с поверхностью, смоченной вязкой жидкостью, обычно висциновым маслом (смесь 60% цилиндрового и 40% солярового масел), веретенным или трансформаторным маслом. Далее очищенный от пыли воздух подвергают компремированию. Для его сжатия микробиологическая промышленность использует поршневые нагнетатели или турбокомпрессоры. При проектировании важно принять правильное решение относительно выбора типа машины для создания давления в системе.

Преимуществом поршневых компрессоров является меньший расход электроэнергии, поскольку потребляемая мощность устанавливается в зависимости от противодавления системы. Отсюда относительно высокий коэффициент полезного действия таких компрессоров (0,80-0,83). Они сравнительно просты в эксплуатации. Однако их отличает повышенная материалоёмкость агрегата, для их установки требуются большие производственные площади, а наличие обильной смазки в цилиндрах значительно усложняет дальнейшую систему очистки сжатого воздуха, поступающего на ферментацию.

В турбокомпрессорах сжатие воздуха происходит под действием центробежных сил и наиболее экономичный режим достигается в случае, когда развиваемое давление соответствует противодавлению системы с производительностью, близкой к оптимальной. В этом случае коэффициентом полезного действия компрессора достигает максимальных значений (0,75-0,78). Если потребность в сжатом воздухе невысока, а развиваемое давление значительно отличается от противодавления системы, применение турбокомпрессоров приводит к значительному перерасходу электроэнергии. К недостаткам турбокомпрессоров следует отнести ряд сложностей возникающих в процессе их эксплуатации, - взрывоопасность, более высокая цена по сравнению с поршневыми компрессорами (нагнетателями).

Однако в крупнотоннажном асептическом биотехнологическом производстве, где требуется большое количество тщательно очищенного стерильного воздуха, целесообразно применять турбокомпрессоры. Это .показал анализ многолетней деятельности заводов по микробиологическому производству L-лизина, результаты которого можно cвести к следующим выводам:

• использование турбокомпрессоров позволяет создавать стабильное давление воздуха в сети, что исключает попадание в производственное оборудование посторонней микрофлоры; следствием этого является снижение доли бракованных операций, а значит, и подлежащих очистке сточных вод, что снижает нагрузку на очистные сооружения;

• признано оптимальным использовать для компремирования воздуха турбокомпрессоры, создающие на выходе избыточное давление 0,75 МПа.

Сжимаемый любым нагнетателем воздух неизбежно разогревается. В случае поршневого компрессора, развивающего давление до 0,30-0,35 МПа - при температурах до 80-120°С, а в турбокомпрессоре - до 200-220°С.

Очевидно, что при таких температурах часть посторонней микрофлоры будет погибать, причём при использовании турбокомпрессоров вероятность гибели клеток значительно выше. В этом и состоит эффект термического воздействия на воздух, подлежащий стерилизации. Естественно, что полной инактивации контаминантов (особенно споровых форм микроорганизмов и вирусов) не происходит. Последующие стадии очистки воздуха предполагают использование основных (головных) фильтров, а для крупного предприятия ещё и групповых фильтров для обслуживания отдельных линий производственных ферментёров и индивидуальных фильтров, устанавливаемых на каждом аппарате.

Перед подачей на основные фильтры воздух, выходящий с компрессоров очищается от масла (если используется поршневой компрессор в масловлагоотделителе и поступает в теплообменник, где охлаждается водой до температуры 95-100°С, и далее проходит через ресивер (ёмкость для выравнивания давления или снижения пульсации). Основные фильтры могут содержать внутри себя различные сорбирующие и фильтрующие материалы: гранулированный уголь, стекловата и другие. Наилучшим образом зарекомендовало себя базальтовое или стекловолокно (стекловата) с диаметром нитей 18 мкм в сочетании со стеклосрезами. С таким наполнителем фильтрующие элементы без заметного изменения своих свойств могут неоднократно быть простерилизованы острым паром за 20-30 мин при 125-126°С (0,15 МПа) или формалином с последующим удалением влага от продувки воздухом. Срок работы фильтрующего материала не менее 3-х месяцев.

Групповые фильтры отличаются от головных только меньшими размерами. Индивидуальные фильтры, установленные на каждом ферментёре. могут быть различной конструкции. Однако на практике широкое распространение получили патронные фильтры, заполненные фильтрующим полотном ФПП-15-6 (ткань Петрякова), и фильтры тонкой очистки марки ФТО-С и его модификация ФТО-Н. Патронные фильтры с полотном ФПП-15- 6 высокоэффективно очищают воздух от проскоков микроорганизмов имеют низкое сопротивление потоку воздуха (сопротивление ткани всего 1,5-1,7 мм вод. ст.), но полотне имеет низкую механическую прочность и разрушается при попадании влаги в виде пены или культуральной жидкости во внутренний объём фильтра. Несколько иная ситуация с фильтрами типа ФТО-С. Они выпускаются в расчёте на различную производительность по стерилизуемому воздуху: на 100, 500, 1000, 2000, 4000 м'/ч. Имеют сопротивление 10 кПа, могут не менее 100 раз стерилизоваться острым паром давления 0,3 МПа обеспечивают степень очистки на 99,9999% при температуре очищаемой воздуха 15-100°С. Рабочим элементом является блок кассет чечевицеобразной формы с фильтрующим материалом. Последний представляет собой базальтовый картон типа ФМТ с диаметром волокон 0,3-0,5 мкм.

Стерилизация воздуха, выходящего из реактора. 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 правила 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.

Литература:

Основная – 2 [100-116].

Дополнительная – 6 [191-201].

Контрольные вопросы:

1. Типовая технологическая схема очистки и стерилизации воздуха.

2. Какие фильтрующие материалы используют для стерилизации технологического воздуха?

3. Фильтры предварительной очистки воздуха.

4. Промышленная система очистки и стерилизации воздуха.

5. Какими методами стерилизуют воздух, поступающий в биореактор?

Лекция №4.