1 Стерилизация технологического воздуха Лекция 9, 10 Стерилизация технологического воздуха Характеристика загрязнений воздушной среды пыль (5 до 100 мг/мЗ твердых частиц размером мкм). пыль (5 до 100 мг/мЗ твердых частиц размером мкм). микроорганизмы (до 2000 клеток в 1 мЗ) микроорганизмы (до 2000 клеток в 1 мЗ) Состав микроорганизмов: микрококки - диаметр 0,3–1,5 мк, чаще 0,5–1 мк, микрококки - диаметр 0,3–1,5 мк, чаще 0,5–1 мк, бациллы в поперечнике 0,3–1,2 мк, в длину 3–8 мк, бациллы в поперечнике 0,3–1,2 мк, в длину 3–8 мк, бактерии обычно имеют диаметр 0,5–0,8 мк, длину 1–2 мк, бактерии обычно имеют диаметр 0,5–0,8 мк, длину 1–2 мк, вибрионы имеют размер 0,5–1 мк, вибрионы имеют размер 0,5–1 мк, актиномицеты имеют споры диаметром 0,7–0,8 мк. актиномицеты имеют споры диаметром 0,7–0,8 мк. Деконтаминация - освобождение неживых объектов внешней среды от потенциально патогенных или вызывающих др. нежелательные процессы микроорганизмов. 2.3

2 Методы достижения стерильности воздуха удаление микробного аэрозоля из воздуха различными методами, используемыми в технологии газов; методы асептики, т.е. уничтожением микробов без удаления их тел (более сложный и менее экономичный путь из-за стойкости спор микробов к воздействию высокой температуры и ионизирующему излучению). Специфика очистки воздуха состоит в том, что требуется очищение воздуху от всех живых частиц размером 1 мк и менее приблизительно на 99, %. Для сравнения - седиментация, механическая фильтрация, инерционный и центробежный методы обеспечивают удаление лишь грубых частиц и обеспечивают очистку на 85-99%. 2.3

3 Типовая технологическая схема очистки и стерилизации воздуха в биотехнологии 2.3

4 Эффективность работы фильтров характеризуется коэффициентом проскока Эффективность работы фильтров характеризуется коэффициентом проскока где Кп - коэффициент проскока; Мо - количество микроорганизмов, поступающих на фильтр; М - количество микроорганизмов, прошедших через фильтр. На величину осаждения микробов в фильтрах оказывает влияние размер микробных частиц размер микробных частиц диаметр волокна, диаметр волокна, скорость газа. скорость газа. Эффективность работы фильтров для стерилизации воздуха определяется следующими факторами: эффективностью и механической прочностью фильтрующего материала, эффективностью и механической прочностью фильтрующего материала, герметичностью его крепления в корпусе фильтра, герметичностью его крепления в корпусе фильтра, удобством и быстротой перезарядки. удобством и быстротой перезарядки. 2.3

5 Характеристики фильтровальных материалов Рисунок 10.3 Классификация фильтрующих материалов для стерилизации технологического воздуха 2.3

6 Фильтрующий материал ФП (фильтры Петрянова) Изготовляются из перхлорвинила (ФПП-15 и ФПП-25, средний диаметр волокон соответственно 1,5 мк и 2,5 мк). Гидрофобен (применяется при влажности воздуха до 99 %), стоек к кислотам и щелочам, но не стоек к органическим растворителям и маслам, не выдерживает температуру выше 60°. ацетилцеллюлозы (ФПА-15). Материал ФПА стоек к кислотам, щелочам, маслам и органическим растворителям, термостоек до 150°, но гидрофилен ( применяться при влажности воздуха до 80%). полистирола (ФПС-15). Материал ФПС обладает свойствами аналогичными ФПП, предельная температура его применения 80°, однако он обладает меньшей прочностью, чем ФПП, и выпускается промышленностью в ограниченном количестве. в последние годы разработаны ФП, стойкие к высоким температурам. ФПАР (полиакрилатные) и ФПФС (полифторстироловые) выдерживают температуру до °С. 2.3

7 для тонкой очистки воздуха используют жесткие пористые перегородки из пластмасс и металлокерамики. Преимущества:стабильность структуры, устойчивость к повышенным температурам, простота конструктивного оформления, легкость обслуживания фильтров. Существенный недостаток - высокий перепад давления. мембранные фильтры в виде пористых пластинок (ситовой эффект). Мембранам не требуются высокие перепады давления, но для их надежной работы необходимо точное выполнение условий стерилизации. 2.3

8 Способы стерилизации фильтрующих материалов: Паром (мембраны - только насыщенным водяным паром, от перегретого пара в мембранах появляются трещины, и они выходят из строя). После стерилизации паром сушат в потоке сухого воздуха 2-3 ч; Раствором антисептика (например, 30% раствор формальдегида). После стерилизации насадку продувают воздухом для удаления следов формальдегида. Фильтрующий материал в индивидуальных фильтрах меняют через 1-2 месяца, в общих - через 6-8 мес. 2.3

9 Рекомендации по выбору режимов работы фильтров Мелкую микрофлору (d=0,3 мк) можно осаждать на тонких волокнах при скоростях до 0,3-0,5 м/сек. Мелкую микрофлору (d=0,3 мк) можно осаждать на тонких волокнах при скоростях до 0,3-0,5 м/сек. Крупную микрофлору (d=3 мк) можно удалять на волокнах всех размеров в широком диапазоне скоростей, принятых в расчете: 0,01÷2 м/с для ФПП и 0,1÷2,5 м/с для стеклянных волокон. Крупную микрофлору (d=3 мк) можно удалять на волокнах всех размеров в широком диапазоне скоростей, принятых в расчете: 0,01÷2 м/с для ФПП и 0,1÷2,5 м/с для стеклянных волокон. Для осаждения средней микрофлоры (d=1 мк) допустимо применять все размеры волокон. Для промышленных фильтров с насадкой из тонких волокон целесообразна скорость 1 м/с, для средних волокон, наиболее целесообразны скорости 1,5-2,5 м/с. Для осаждения средней микрофлоры (d=1 мк) допустимо применять все размеры волокон. Для промышленных фильтров с насадкой из тонких волокон целесообразна скорость 1 м/с, для средних волокон, наиболее целесообразны скорости 1,5-2,5 м/с. 2.3

10 Причины неудовлетворительной работы фильтра плохое качество волокна; плохое качество волокна; плохая укладка волокна в фильтре (неперпендикулярность волокон потоку газа), плохая укладка волокна в фильтре (неперпендикулярность волокон потоку газа), неправильный выбор скорости воздуха, неправильный выбор скорости воздуха, недостаточность высоты насадки; недостаточность высоты насадки; нарушение структуры насадки при эксплуатации (каналы в насадке и увлажнение насадки водой). нарушение структуры насадки при эксплуатации (каналы в насадке и увлажнение насадки водой). 2.3

11 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРИЛЬНОГО СЖАТОГО ВОЗДУХА 2,5-3 ат °С °С Степень очистки 98% Степень очистки 99, % 2.3

12 Глубинные фильтры грубой очистки (ФГО) Достоинства: большая пылеемкость; большая пылеемкость; простота; простота; малая стоимость. малая стоимость.Недостатки: невоспроизводимость укладки фильтрующего материала; невоспроизводимость укладки фильтрующего материала; уплотнение фильтрующего материала в процессе эксплуатации, уплотнение фильтрующего материала в процессе эксплуатации, каналообразование, каналообразование, неопределенную эффективность, неопределенную эффективность, контакт работников, обслуживающих фильтр, с минеральным волокном. контакт работников, обслуживающих фильтр, с минеральным волокном. 2.3

13 Патронные и кассетные фильтры тонкой очистки (ФТО) 2.3

14 Сохранение стерильности оборудования Монтажной схемой аппарата (МСА) называется совокупность трубопроводов, по которым осуществляется подвод к ферментатору или отведение от него материальных потоков. Для создания асептических условий проведения ферментации необходимо в каждой точке МСА обеспечить гарантированную стерильность. Монтажной схемой аппарата (МСА) называется совокупность трубопроводов, по которым осуществляется подвод к ферментатору или отведение от него материальных потоков. Для создания асептических условий проведения ферментации необходимо в каждой точке МСА обеспечить гарантированную стерильность. 2.4

15 Проблемы стерилизация оборудования «воздушный барьер» - конденсация пара у стенки с образованием пленки, под которой образуется слой воздуха (резкое снижение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке); «воздушный барьер» - конденсация пара у стенки с образованием пленки, под которой образуется слой воздуха (резкое снижение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке); скопление воздуха в элементах обвязки ферментатора (увеличение времени выдержки в 2 раза (ферментатор стерилизуют 1 час при °С ) скопление воздуха в элементах обвязки ферментатора (увеличение времени выдержки в 2 раза (ферментатор стерилизуют 1 час при °С ) 2.4

16 Способы решения проблем ликвидация «слабых точек» ликвидация «слабых точек» 1. С точки зрения стерилизуемости в монтажной схеме аппарата выделяют типовые узлы: - открытые трубные окончания, - термические затворы. 2.4

17 Элементы монтажной схемы аппарата: а – открытые трубные окончания, б – термический затвор, в – изменение точек подвода пара и отвода конденсата

18 2. При стерилизации паром аппаратов и трубопроводов необходимо удалять из них длительной продувкой воздух. Все нагреваемые поверхности должны быть покрыты теплоизоляцией. 3. В течение всей ферментации необходимо сохранять избыточное давление в аппарате по отношению к давлению в окружающей нестерильной среде, например, в рубашке или змеевиках с охлаждающей водой. 2.4

19 Способы решения проблем Герметизация Сварные швы в аппаратах и трубопроводах должны обеспечивать герметичность оборудования. Сварные швы в аппаратах и трубопроводах должны обеспечивать герметичность оборудования. Следует обходиться минимальным количеством штуцеров на корпусе аппарата, особенно ниже уровня жидкости. Следует обходиться минимальным количеством штуцеров на корпусе аппарата, особенно ниже уровня жидкости. Фланцевые соединения должны иметь хорошо обработанные и гладкие поверхности соприкосновения, в качестве прокладок следует применять преимущественно резину. Перспектива: переход на сварные соединения вместо фланцевых, на создание торцовых уплотнений для валов перемешиваемых устройств с контролируемой герметичностью. Фланцевые соединения должны иметь хорошо обработанные и гладкие поверхности соприкосновения, в качестве прокладок следует применять преимущественно резину. Перспектива: переход на сварные соединения вместо фланцевых, на создание торцовых уплотнений для валов перемешиваемых устройств с контролируемой герметичностью. На воздушных линиях надежны сильфонные вентили, не имеющие сальников. На материальных линиях используют мембранные вентили. На воздушных линиях надежны сильфонные вентили, не имеющие сальников. На материальных линиях используют мембранные вентили. 2.4

20 Производственные помещения минимум мест скопления пыли, минимум мест скопления пыли, контроль чистоты подаваемого воздуха (классы производственных помещений А, Б, С, Д, К), контроль чистоты подаваемого воздуха (классы производственных помещений А, Б, С, Д, К), избыточное давление в помещении (4 мм.рт.ст.); избыточное давление в помещении (4 мм.рт.ст.); регулирование температуры (23± 2ºС ) и влажности (30 – 40%). регулирование температуры (23± 2ºС ) и влажности (30 – 40%). «ЧИСТЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ» (ГОСТ Р ИСО ) 2.4

21 Чистота помещения обеспечивается: расположением помещения (в середине здания, без контакта с наружными стенами. Вход оборудуется воздушным шлюзом, в котором сдувается пыль с одежды и обуви персонала) расположением помещения (в середине здания, без контакта с наружными стенами. Вход оборудуется воздушным шлюзом, в котором сдувается пыль с одежды и обуви персонала) отделкой помещения (стены, пол, потолок должен быть гладкими, а сопряжения стен между собой и стен с полом выполняются с закруглением R = 300 мм. Стены покрывают полированным металлом (алюминий, нержавеющая сталь), эпоксидными эмалями. Пол покрывается поливинилхлоридной, эпоксидной или полиуретановой смолой или виниловым листовым материалом с включенными в него керамическими плитками). отделкой помещения (стены, пол, потолок должен быть гладкими, а сопряжения стен между собой и стен с полом выполняются с закруглением R = 300 мм. Стены покрывают полированным металлом (алюминий, нержавеющая сталь), эпоксидными эмалями. Пол покрывается поливинилхлоридной, эпоксидной или полиуретановой смолой или виниловым листовым материалом с включенными в него керамическими плитками). 2.4

22 Чистота помещения обеспечивается: Требованиями к персоналу: Требованиями к персоналу: Человек выделяет в течение 1 минуты не двигаясь тысяч частиц; не двигаясь тысяч частиц; Интенсивно работая - до 10 млн. Интенсивно работая - до 10 млн. Проблема технологический гигиены решается благодаря - личной гигиене сотрудников - применению технологической одежды. 2.4

23 Чистота помещения обеспечивается: уборка помещений. При тщательной и регулярной уборке содержание микроорганизмов снижается на 40 – 60%. уборка помещений. При тщательной и регулярной уборке содержание микроорганизмов снижается на 40 – 60%. Дезинфекция – обеззараживание объектов окружающей среды: уничтожение патогенных микроорганизмов с помощью химических веществ, обладающих антимикробным свойством. Дезинфекция – обеззараживание объектов окружающей среды: уничтожение патогенных микроорганизмов с помощью химических веществ, обладающих антимикробным свойством. К дезинфицирующим средствам относятся: хлорная известь (0,1 – 10 % растворы); хлорная известь (0,1 – 10 % растворы); 0,5 – 5 % растворы хлорамина; 0,5 – 5 % растворы хлорамина; 3 – 5 % растворы фенола (карболовой кислоты); 3 – 5 % растворы фенола (карболовой кислоты); 2 – 6 % растворы перекиси; 2 – 6 % растворы перекиси; сульфанол или «Прогресс» с моющим средством. сульфанол или «Прогресс» с моющим средством. 2.4

24 Чистота помещения обеспечивается: Очистка воздуха в помещениях: (системы вентиляции с ламинарным потоком). Очистка воздуха в помещениях: (системы вентиляции с ламинарным потоком). Ламинарный воздушный поток (вертикальный (ВЛП) или горизонтальный (ГВП) ) определяется как поток, в котором вся масса воздуха в ограниченном объеме движется с одинаковой скоростью вдоль параллельных линий потока. Средняя скорость ЛВП 27,5 м/мин (0,45 м/сек). Ламинарный воздушный поток (вертикальный (ВЛП) или горизонтальный (ГВП) ) определяется как поток, в котором вся масса воздуха в ограниченном объеме движется с одинаковой скоростью вдоль параллельных линий потока. Средняя скорость ЛВП 27,5 м/мин (0,45 м/сек). Для обеспечения требуемой чистоты воздуха применяются высокоэффективные фильтры типа НЕРА (Нigh Efficiency Particulate Air), в качестве фильтрующего материала – стекловолокно(эффективность очистки 95 – 99%). Для обеспечения требуемой чистоты воздуха применяются высокоэффективные фильтры типа НЕРА (Нigh Efficiency Particulate Air), в качестве фильтрующего материала – стекловолокно(эффективность очистки 95 – 99%). В отечественной промышленности для окончательной очистки применяются фильтры «ЛАИК» с материалом ФПП или ФПА. В отечественной промышленности для окончательной очистки применяются фильтры «ЛАИК» с материалом ФПП или ФПА. 2.4

25 Оценка эффективности стерилизации Для оценки эффективности используют следующие методы: физические (по температуре и давлению пара), физические (по температуре и давлению пара), химические (по температуре плавления или изменению цвета), химические (по температуре плавления или изменению цвета), микробиологические (с высевом на стандартные среды), микробиологические (с высевом на стандартные среды), биоиндикаторные (с использованием Bacillus stearothermophilus). биоиндикаторные (с использованием Bacillus stearothermophilus). 2.5

Расчет режима стерилизации Время стерилизации (мин.) – время выдержки при изотермических условиях Время стерилизации (мин.) – время выдержки при изотермических условиях К – удельная скорость гибели микроорганизмов, 1/мин N 0 – число микроорганизмов в стерилизуемом объекте N – конечное число микроорганизмов в стерилизуемом объекте ˅ - критерий стерилизации (40-100)

Расчет режима стерилизации К - в расчетах используется К Bacillius stearothermothillus шт.1518 в зависимости от температуры (табл. 10.2) 27 Т, Сº К, мин Т, Сº К, мин Т, Сº К, мин Т, Сº К, мин

Расчет режима стерилизации N 0 N 0 = 10 6 м.о/мл N 0 – рассчитывается по обсемененности компонентов ПС (табл. 10.1) или при отсутствии данных принимают N 0 = 10 6 м.о/мл N – принимают как вероятность выживания ÷10 -3 N – принимают как вероятность выживания (или ÷10 -3 )

Расчет емкостного выдерживателя Определить объем аппарата (V): Определить объем аппарата (V): Геометрический объем аппарата Геометрический объем аппарата V ПС – объем стерилизуемой питательной среды с конденсатом, м3; τ стерил. – время стерилизации всей среды, ч; φ - коэффициент заполнения выдерживателя, 0,

Расчет оптимального трубчатого выдерживателя Оптимальный трубчатый выдерживатель (наиболее выгодный с экономической точки зрения) работает при критерии Ре=

Расчет оптимального трубчатого выдерживателя Внутренний диаметр трубы выдерживателя, м ρ – плотность жидкости, кг/м3; μ – вязкость жидкости, Па.с; - по номограмме Длина выдерживателя, м

32 Приготовление посевного материала 2.6 Цех чистой культуры Отдел инокуляции

Темы следующей лекции: 33 Основные функции и системы ферментера Аэрация и перемешивание Теплообмен Пенообразование и пеногашение