л4 Непрерывная стерилизация

Непрерывная стерилизация

Стерилизация питательных сред непрерывным способом проводится на установке непрерывной стерилизации, которая включает в себя нагреватель, выдерживатель и теплообменник для охлаждения стерильной среды

1 – НАГРЕВАТЕЛЬ

2 – ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ

3 – ТЕПЛООБМЕННИК-ОХЛАДИТЕЛЬ

Существуют унс разной производительности: 5,10, 15, 20, 25, 50,100, 300 м3/час

Их обозначают по производительности УНС-5, УНС-10 и т.д.

Нагреватели в УНС

Нагрев ПС в УНС может осуществляться острым или глухим паром. Нагреватель предназначен для непрерывного и быстрого нагрева среды до температуры стерилизации. Время нагрева как правило не превышает нескольких секунд. В качестве нагревателя УНС могут использоваться различные аппараты.

Нагрев глухим паром осуществляется в теплообменниках: пластинчатом или «труба в трубе»

Нагрев глухим паром используется, если нежелательно разбавление ПС конденсатом, в тех случаях когда питательная среда готовится не на водопроводной, а на очищенной воде для получения последующих лекарственных форм для перентерального введения

В зависимости от способа нагрева различаются температурные кривые этого процесса:

А – нагрев в пластинчатом теплообменнике

В – нагрев в теплообменнике «труба в трубе»

С – нагрев острым паром

Поскольку у теплообменника «труба в трубе» коэффициент теплопередачи меньше чем у пластинчатого, то время нагрева в нём несколько больше. Обычно время нагрева не превышает 30-40 секунд.

Нагреватели с использованием острого пара

• Нагревательная колонка – первая разработанная конструкция нагревателя (в настоящее время не используется)

• Струйный инжектор (рис. 1)

I – поток холодной нестерильной ПС

II – пар

III – горячая нестерильная ПС

1 – сопло;

2 – камера смешения;

3 – диффузор

Здесь поток холодной нестерильной питательной среды, нагнетаемый насосом проходит в узкое сопло и попадает в камеру смешения, туда же в камеру смешения направляется в пар с давлением 0,3-0,5 Мпа. В камере смешения происходит очень быстрое смешивание потока нестерилной питательной среды и пара, среда нагревается до температуры стерилизации. Далее она проходит через диффузор и уходит в выдерживатель

• Вихревой нагреватель (рис. 2) Пар и питательная среда подаются в вихревой нагреватель тангенциально навстречу друг другу, проиходит смешение, потом закручивание этих потоков и постепенно нагретая нестерильная питательная среда поднимается и направляется в выдерживатель

Выдерживатели в УНС

Выдерживатели называют стерилизаторами, так как именно в них происходит отмирание микроорганизмов.

Поскольку стерилизация осуществляется непрерывным способом, то в выдерживатель из нагревателя постоянно поступает горячая нестерильная питательная среда и постоянно выходит стерильная среда.

Каждый элементарный объем среды находится в выдерживателе определенное время. Элементарным объёмом среды называют условно такой объём среды, в котором содержится 1 спора микроорганизма

Условие гарантированной стерильности питательной среды – время нахождения каждого элементарного объема среды в выдерживателе должно быть равно рассчитанному времени выдержки

Если какой-то элементарный объём жидкости пройдёт выдерживатель быстрее, то не будет выдержано необходимое время выдержки и этот объём окажется нестерильным. Если медленнее, то он будет передержан

Движение питательной среды в выдерживателе должно быть поршневым(чтобы каждый элементарный объём среды находился в выдерживателе одно и тоже время), то есть выдерживатель должен работать по принципу полного вытеснения. Время пребывания элементарного объёма среды в выдерживателе или равно времени заполнения выдерживателя и равно времени выдержки

𝜏зап = 𝜏выд - этот принцип лежит в основе расчета выдерживателей

В нашей промышленности используются выдерживатели емкостного и трубчатого типа

ЕМКОСТНЫЕ ВЫДЕРЖИВАТЕЛИ

Это цельносварной цилиндрический аппарат с очень хорошей теплоизоляцией. Иногда могут иметь рубашку для подачи пара

Используются для стерилизации больших объемов среды при низких и умеренных температурах стерилизации. В реальных емкостных выдерживателях не соблюдается правило поршневого движения и максимальная скорость центрального потока примерно в 5 раз выше средней скорости среды в выдерживателе, это может привести к проскоку нестерильных объёмов среды. Для гарантированной стерильности необходимо, чтобы скорости всех потоков были равными. Чтобы выровнять скорости потоков, необходимо «погасить» центральную струю.

Скорость периферийных потоков ниже, чем скорость центральной струи, на входе питательной среды в выдерживатель образуется затопленная струя, когда среда, которая уже находится в выдерживателе уже придавливает входящий поток из трубопровода и таким образом здесь осуществляется процесс перемешивания, что для выдерживателей недопустимо

Способы выравнивания скоростей потоков в емкостном выдерживателе

Диффузор-внешнее устройство, располагаемое на впускном штуцере. Для равномерного движения потока требуется, чтобы площадь сечения диффузора относилась к площади сечения самого емкостного выдерживателя больше чем на 0,3.

Полки-внутреннее устройство, располагаются по обеим сторонам выдерживателя, привариваются к внутренней поверхности стенки выдерживателя, таким образом, чтобы перекрывать направления центральной струи, что заставляет скорость центрального потока среды снижаться. Недостатком является то, что на помолчках откладывается осадок среды, особенно в углах, из-за этого емкостной выдерживатель недостаточно очищает, что может привести к контаминации

Экран-внутреннее устройство, в качестве экрана используется металлическая пластина, размещаемая над входным штуцером. Входящая центральная струя разбивается об экран таким образом эпюры скоростей выравниваются и движение среды приближается к поршневому

Внутреннее устройство аналогичного действия рис.4,5. В качестве экрана может служить само дно выдерживателя рис.6, питательная среда подаётся сверху по трубе, которая опущена практически до самого дна емкостного выдерживателя, далее ПС ударяясь о дно выдерживателя начинает постепенно подниматься примерно с одинаковой скоростью во всех частях потока и отводится также через верх

Проблема скоростей сужествует и на выходе ПС из выдерживателя

Вывод стерильной среды осуществляется через верхний штуцер. Чтобы около штуцера не образовывалась застойная зона на выходе среды из выдерживателя, для равномерного вывода устанавливают коллектор

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ЕМКОСТНОГО ВЫДЕРЖИВАТЕЛЯ

В основе расчета выдерживателя лежит принцип 𝝉выд = 𝝉зап

1) Выбираем температуру стерилизации

2) По таблице находим К

3) Определяем время выдержки -

-содержание микроорганизмов в среде без конденсата! (𝑁0 = 𝑐м.о ∙ 𝑉ср без конд)

𝑁 – вероятность выживания, принимаем 0,01 или 0,001

4) 𝜏выд = 𝜏зап = 𝑉раб/ 𝑉сек

𝑉раб - рабочий объем выдерживателя, м3

𝑉сек - объемная скорость среды, м3/сек

𝑉сек = 𝑉 ПС с конд /𝜏 опер.стер. ;

𝑉 ПС с конд - объем стерильной питательной среды (с конденсатом), м3

𝜏опер.стер. - время операции стерилизации, это время, за которое простерилизуется ВСЯ среда. Принимают, что 𝜏опер.стер. = 1 час для 10 м3 ; 3 часа – для 50 м3

5) Рабочий объем выдерживателя: 𝑉раб = 𝑉сек ∙ 𝜏выд

6) Геометрический объем выдерживателя: 𝑉геом = 𝑉раб/ 𝜑 ; 𝜑 – коэффициент заполнения выдерживателя, 𝜑 = 0,9

ТРУБЧАТЫЙ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ

Используются при высоких температурах стерилизации и небольшом количестве среды

Идеально, чтоб соблюдался поршневой режим. На практике поршневого режима движения среды в трубчатом выдерживателе достигнуть не удается.

В трубчатом выдерживателе необходимо обеспечить турбулентное движение жидкости, поскольку в нём средняя скорость среды наиболее приближена к максимальной п сравнению с ламинарным

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТРУБЧАТОГО ВЫДЕРЖИВАТЕЛЯ

Для расчет трубчатого выдерживателя необходимо определить его диаметр и длину – d и l.

1. Выбираем температуру стерилизации

2. По таблице находим значение К

3. Рассчитываем время выдержки; - 𝑁0=Vпс без конд. ·см.о

В первую очередь надо рассчитать диаметр выдерживателя, так как правило для изготовления выдерживателя используются обычные стандартные трубы, то есть диаметр трубы изменить уже нельзя. Полученный диаметр среды сравниваем со стандартными диаметрами труб, выбираем наиболее близкий к рассчитанному нами диаметру стандартный диаметра трубы, и только затем мы с учётом принятого стандартного диаметра трубы рассчитываем длину выдерживателя

ОПТИМАЛЬНЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ

Соотношение между диаметром и длиной трубы сказывается на характере движения жидкости выдерживателя

При турбулентном движении жидкости в трубчатых выдерживателях наблюдаются выбросы отдельных струй жидкости в направлении, обратном направлению потока (продольное перемешивание).

Характеризуется коэффициентом продольного перемешивания DL, который входит в критерий Пекле:

𝑤ср - средняя скорость среды в выдерживателе, м/с

𝑙 – длина выдерживателя, м

Если DL =0, то Ре → ∞ - в этом случае выдерживатель работает в режиме полного вытеснения

Если DL →∞, то Pe = 0 – выдерживатель работает в режиме полного смешения. Равномерность пребывания в нем частиц нарушается.(главное правило нарушается)

Следовательно, идеальный случай для выдерживателя: DL =0, Ре → ∞ (т.е., чем больше критерий Ре, тем ближе движение к поршневому, тем эффективнее идет стерилизация)

Было получено уравнение, связывающее коэффициент выживания 𝑁/𝑁0 с критерием Пекле. Хэмфри получил номограмму, по которой можно определить значение 𝑁/𝑁0 в зависимости от безразмерной скорости гибели микроорганизмов при различных значениях критерия Ре.

Было показано, что из всех выдерживателей, имеющих разные диаметр и длину, при одном и том же коэффициенте выживания, экономически наивыгоднейший выдерживатель имеет величину Ре = 50. Такие выдерживатели называют ОПТИМАЛЬНЫМИ (с экономической точки зрения).

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОГО ТРУБЧАТОГО ВЫДЕРЖИВАТЕЛЯ

1) Определяем коэффициент выживания 𝑁/𝑁0 (без конденсата)

2) По величине 𝑁/𝑁0 определяем К·τср по номограмме при Ре=50

3) Определяем К по таблице при выбранной температуре стерилизации

Охладитель в УНС

А) Охлаждение в аппарате с рубашкой

Горячая стрильная питательная среда подаётся внутрь емкостного аппарата, охлаждающая вода подаётся в рубашку аппарата и по трубе передавливания постоянно отводится охлаждённая стерильная питательная среда

Б) Охлаждение в испарительной камере. Р1 < Р2. Охлаждение небольшое, примерно на 15 С.

Давление в ней Р1 меньше, чем давление потока горячей стерильной питательной среды, следовательно при попадании потока горячей стерильной питательной среды внутри камеры происходит вскипание среды и вторичный пар удаляется из камеры сверху соответственно происходит охлаждение ПС

В) Охлаждение в аппарате со змеевиком

В аппарат поступает охлаждающая вода и постоянно отвоитяся из него, а горячая стерильная ПС поступает в змеевик, таким образом происходит её охлаждение

Г) Охлаждение в теплообменнике.

Используются только ПЛАСТИНЧАТЫЙ теплообменник и ТРУБА В ТРУБЕ. Только эти теплообменники полностью герметичны, что исключает возможность контаминирования стерильной среды.

Пластинчатый теплообменник имеет больший коэффициент теплопередачи, более компактный, но в нём невозможно охлаждать вязкие питательные среды

Вязкие питательные среды охлаждаются в «труба в трубе», несмотря на их недостатки-маленький коэф теплопередачи, громоздкость, сложность очистки от накипи

Кожухотрубчатые теплообменники и спиральные не могут использоваться, поскольку они не обеспечивают надёжную герметичность

При стерилизации небольших объёмов ПС не используют теплообменниеи6 а среду сразу выходит из выдерживателя, попадает в ферментатор и там охлаждается водой, которую подают в рубашку ферментатора. Так же теплообменник не используют если среда очень густая

АППАРАТУРНАЯ СХЕМА СТЕРИЛИЗАЦИИ СРЕДЫ НЕПРЕРЫВНЫМ СПОСОБОМ

ПС готовится в смесителе, приготовленные концентрат ПС через сетку-фильтр, на которой происходит задержка комочков насосом подаётся на УНС, попадает в нагреватель, далее среда нагретая до температуры стерилизации проходит через выдерживатель, затем стерильная горячая ПС попадает в теплообменник охладитель, а далее ПС загружается в ферментатор

При стерилизации непрерывным способом ПС охлаждается до температуры на 3-4 градуса выше, чем температура ферментации, потому что пока весь объём ПС пройдёт через УНС и загрузится в ферментатор первые порции среды, которые были загружены раньше всех уже успеют остыть и их температура может стать ниже, чем температура ферментации соответственно среду потом придётся потом подогревать, а это удлиняет время цикла и может привести к расходу пара, которого можно избежать

Подача ПС из смесителя на УНС осуществляется только насосом, который стоит после смесителя, больше ни одного насоса в этой схеме нет, это недопустимо, как и дополнительные вентили, потому что может потеряться стерильность

Стерильные растворы и среды можно перекачивать только стерильным сжатым воздухом либо использовать специальную конструкцию насоса, где нет соприкосновения стерильной жидкости с внутренними рабочими поверхностями насоса

Нестерильная питательная среда из смесителя, проходя через фильтр насосом подаётся в теплообменник-рекуператор, там она нагревается за счёт тепла, которое отдаёт поток горячей стерильной питательной среды. Нагрев в теплообменнике рекуператоре происходит примерно до температуры которая на 15 градусов ниже температуры стерилизации, далее частично нагретая нестерильная питательная среда поступает в нагреватель, нагревается в нём до температуры стерилизации, проходит через выдерживатель и поступает в теплообменник рекуператор, там горячая стерильная ПС отдаёт часть тепла нестерильной холодной ПС и сама частично охлаждается, далее частично охлаждённая стерильная ПС поступает в теплообменник доохладитель и там уже охлаждается до необходимой температуры

Эта установка позволяет сэкономить до 70% энергоносителей, то есть пара и охлаждающей воды

Питательная среда подаётся в выдерживатель всегда снизу, только так может соблюдаться вытеснение потоков ПС сверху и соответственно соблюдаться поршневой или близкий к нему режим

ВЫБОР СПОСОБА СТЕРИЛИЗАЦИИ

В самом начале применяли только периодический способ стерилизации, но тогда объёмы ферментаторов были невелики, когда масштабы производства увеличились ферментаторы увеличились и появился непрерывный способ стерилизации

Критерием для оценки целесообразности того или иного способа стерилизации могут служить приведенные затраты.

Полностью приведенные затраты считать достаточно сложно, поэтому пользуются неполными приведенными затратами, которые учитывают:

- затраты, связанные с недополучением культуральной жидкости;

Ферментатор обязательно готовят к работе, стерилизует и тд-это всё простой, следовательно меньше проводят операций

- затраты, связанные с уменьшением образования целевого продукта из-за ухудшения качества ПС после стерилизации и с потерей целевого продукта в нестерильных ферментациях.

-Затраты, связанные с недополучением КЖ:

З1 = С ∙ Сед ∙ 𝑉раб ∙ (1 – 𝛼) ∙ 𝑛оп ∙ (𝜏1/𝜏0) , руб/год·апп

С – себестоимость КЖ(культуральной жидкости), руб/млрд. ЕД или руб/кг

Сед - концентрация целевого продукта в КЖ, млрд.ЕД/м3 или кг/м3

𝑉раб - рабочий объем ферментатора (объем жидкости в ферментаторе), м3

α – коэффициент, учитывающий экономию энергоносителей в недополученной операции

𝑛оп - число ферментаций в год, учитывая нестерильные, по каждому способу стерилизации.

𝜏1 - время простоя ферментатора, ч

𝜏0 - время ферментации, ч

-Затраты, связанные с недополучением целевого продукта:

З2 = С (Сед непрерыв − Сед период) ∙ 𝑉раб ∙ 𝑛оп , руб/год·апп

-Неполные приведенные затраты для периодической стерилизации:

Зн период = (З1 + З2) ∙ 𝑛ф , руб/год

-Неполные приведенные затраты для непрерывной стерилизации:

Зн непрерыв = З1 + З2 ∙ 𝑛ф + 𝛼 + Ен ∙ Кунс , руб/год учитывает затраты на УНС