Биоинженерия лекция 7

Биоинженерия лекция 7

МОНТАЖНАЯ СХЕМА ФЕРМЕНТАТОРА

монтажная схема – система трубопроводов, подходящих к ферментатору и отходящих от него

все материальные потоки, входящие в ферментатор, располагаются на крышке

• подача питательной среды

• подача посевного материала

• подвод и отвод воздуха

• титрующие агенты

• подача пеногасителя

• штуцер для датчиков

• люк-лаз (через который в ферментатор залезают при осмотре или ремонте)

• смотровой люк (выполняется с подсветкой)

ЗАГРУЗКА ФЕРМЕНТАТОРА

• Стерильная питательная среда —через УНС, насосом, который

прокачивает среду через УНС (насос установлен после сместителя, он прокачивает среду через унс)

• Посевной материал из посевного аппарата (или инокулятора) — только

передавливанием стерильным сжатым воздухом за счет разности давлений (Рпос. ап. < Р ферм. )

• Максимальный загрузочный объем ферментатора - 0,8 (для анаэробных культур, может быть, до 0,9, т.к. при культивировании анаэробных культур в биореакторе не осуществляется перемешивание)

• Загрузочный объем инокуляторов и посевных аппаратов - 0,5...0,6 (куда нельзя подавать пеногасителей)

ВЫГРУЗКА ФЕРМЕНТАТОРА

выгрузка ферментатора после окончания процесса культивирования

После окончания ферментации культуральную жидкость на стадии выделения и очистки можно передавать насосом

те тут не требуется строгая асептичность, поэтому культуральную жидкость после окончания культивирования подают:

• Через нижний спуск насосом

• Через нижний спуск сжатым воздухом

• Через трубу передавливания

очень важный момент во время проведения культивирования является отбор проб

ОТБОР ПРОБ

отбор проб проводится из биореактора регулярно (если в промышленности, то ферментация длится 2-5 суток, то через каждые 8 часов из ферментатора отбирается проба, чтобы провести различные биохимические анализы КЖ)

отбор проб осуществляется через пробоотбор

дворники располагаются либо на крышечке, либо у больших ферментаторов в середине аппарата

нижний конец трубы пробоотборника, который находится внутри ферментатора располагается в зоне интенсивной работы мешалки, те необходимо отбирать среднюю пробу

вентиль в течение всего процесса культивирования находится под паром

если проба отбирается открытым способом

пробоотборник (трубочка) – под ним устанавливается воронка для удаления конденсата

лаборант, которые отбирают пробу приходят к ферментатору имея с собой сосуд для приема пробы (колба)

1-человек зажигает кольцевой факел, факел представляет собой металлическое кольцо на длинной ручке, кольцо это обматывается ватой, смоченной в спирте, поджигается и этот кольцевой факел помещается вокруг конца трубы пробоотборника

те отбор проб происходит в асептичной зоне

далее перекрывается вентиль 5 на линии подачи пара и открывается вентиль 6 на трубе пробоотборника

первые порции КЖ это остатки от предыдущего отбора, первые порции сливают для удаления конденсата или выливают

к окончанию трубы подставляют стерильную колбу, стерильная колба открывается в зоне горящего факела, происходит сбор пробы, далее закрываются вентиль 6 и открывается вентиль 5 - вентиль подачи пара, затем гасится кольцевой факел

таким образом отбирают пробу открытым способом

1- воронка для удаления конденсата

2 - сосуд для приема пробы

3 - кольцевой факел

4 — трубопровод для отбора проб

5 — линия подачи пара

6 —вентиль

7 - ферментатор

существует специальное устройство – закрытым способом

Предварительно простерилизованную в автоклаве колбу (сосуд для взятия пробы) 1 для пробы через прокладку 6 герметично присоединяют к промежуточной камере 13. При этом вентиль 5 на линии соединения закрыт, а вентиль 4 (у колбы) открыт. Затем при закрытом вентиле 10(тк пар не должен попасть в ферментатор) и открытом вентиле 9 внутренние полости трубопровода 7, камеры 13, вентиля 15, конденсатосборника 16, вентиля 17 и поверхности корпуса вентиля 5, контактирующие с внутренней полостью камеры 13, стерилизуют острым паром, поступающим по трубопроводу 8 (пропаривается вся система). Сначала подачу пара производят при закрытом вентиле 17, затем попеременно закрывают и открывают вентили 15 и 17 и удаляют образующийся конденсат из сборника конденсата 16 в трубопровод 18. После выдерживания подачу пара прекращают, закрывая вентиль 9, и удаляют оставшийся пар в трубопровод 18 «грязного» конденсата, контролируя по манометру 14 снижение давления в камере до атмосферного. При отборе пробы первую порцию жидкости, застоявшуюся в трубе передавливания 11, удаляют в сборник 16, а затем открывают вентиль 5 и заполняют сосуд 1 свежей порцией жидкости.

первые порции собирают в сборник конденсата 16, затем вентиль 15 закрывают, открывают вентиль 5 и собирают пробу

ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТАТОРА

в ферментаторе в течение всего процесса культивирования должны поддерживаться асептические условия, кроме продуцента никто не должен находиться, никакие посторонние микроорганизмы

• Поддержание асептических условия в течение всего процесса культивирования:

• Предварительная стерилизация пустого ферментатора и прилегающих коммуникаций (МСА)

• Сварные швы и Фланцевые соединения проверяют на герметичность (способ: когда наружную поверхность ферментатора покрывают тонкой мыльной пленкой, подают в ферментатор воздух, создают небольшое избыточное давление, и в тех местах, где есть какая-то не герметичность, микротрещины, там начинают появляться мыльные пузыри) – для больших аппаратов не подходит

более разумный прибор течеискатель – реагирует на наличие в окружающей среде в воздухе галогена и издает звуковой сигнал, поэтому в ферментатор с воздухом вводят небольшое количество галогенов и создают избыточное давление внутри ферментатора, если воздух из ферментатора через какие-то микро трещинки выходит, то течеискатель дает сигнал о наличии галогена (неудобство – прибор оказался очень чувствительным и реагирует даже на очень малую концентрацию)

• Избыточное давление в ферментаторе в течение всего процесса - от 0,3 до 0,5 атм (создают для поддержания асептичных условий)

общее давление составляет 1,3-1,5 атм – это нужно, чтоб не было подсоса воздуха извне

ИЗОЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТАТОРА

Все ферментаторы поверх рубашки имеют изоляцию(это необходимо для стерилизации аппарата или ПС)

• Толщина изоляционного слоя - 5...10 см

• Материал изоляции -— кирпич, текстолит, жидко-керамические материалы (например, на кремнийорганической основе)

СТЕРИЛИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И КОММУНИКАЦИИ

• Ферментаторы стерилизуют пустыми перед каждой операцией

ферментации. Могут стерилизовать ферментатор, наполненный

водой (не всегда-если ферментация была до этого нестерильной).

• Жесткий режим стерилизации, время выдержки - 1-2 часа (приводит к большим расходом пара — это дорого)

Вся система трубопроводов, подходящих к ферментатору и отходящих от него — это монтажная схема (МСА), или «обвязка» МСА стерилизуется вместе с ферментатором.

С точки зрения стерилизуемости в МСА выделяют типичные узлы:

ОТКРЫТЫЕ ТРУБНЫЕ ОКОНЧАНИЯ

• Открытые трубные окончания связаны непосредственно с атмосферой:

1 - узел ввода посевного материала из колб

2- линия отработанного воздуха (если непрерывно подаем сжатый воздух, то отработанный воздух должен отводиться)

З- линия отбора проб (если он открытым способом)

1,2,3 - вентили на открытых трубных окончаниях

4,5,6 — вентили на линиях подачи пара

открытые трубные окончания связаны с атмосферой, имеют небольшую длину, вентили отсекают полость ферментатора от полости трубопровода (1-2-3), эти трубные окончания имеют уклон в сторону открытого конца труба, стерилизуются при ферментации

вентили 1-2-3 открыты при ферментации и в них подается пар из ферментатора

возникает проблема: невозможно создать избыточное давление в трубных окончаниях, следовательно не достигается температура стерилизации (все зависит от диаметра трубы)

во время процесса ферментации к этим трудным окончаниям подается пар, и они в течение всего процесса культивирования находятся под паром

во время проведения ферментации вентили 1-2-3 закрыты, но при этом вентиль 2 приоткрыт (тк отработанный воздух выходит из ферментации+ для поддержки избыточного давления)

вентили 4-5-6 в течение всего процесса культивирования к открытым трубным окончаниям подается пар

рассмотрим узел ввода посевного материала из колб, открыто трудное окончание

когда идет подращивание посевного материала, в аппарат загружается вегетативным посевным материалом из колб (те выращенном в лаборатории) не нарушая асептичности

открыть люк и вылить посевной материал нельзя!

для того чтобы внести посевной материал из колб в ферментатор имеется специальный штуцер, на конце которого находится посевной стакан (это металлический цилиндр небольшого объема), который стерилизуется одновременно с ферментатором, при этом цилиндрик закрывается съемной крышкой, и + обматывается материалом/пергаментом и обрабатывают сверху антисептик, затем закрывают стакан во время стерилизации

после стерилизации посевной стакан остается закрытым, открывают, когда начинают проводить засев

1)засев происходит в асептичной зоне кольцевого факела (посевной стакан внутри кольца)

2) открывается посевной стакан, снимается пергамент, открывается крышечка аккуратно, асептично из колбы переносится посевной материал в посевной стакан, вентиль 1 закрыт

3)посевной стакан закрывается крышечкой, перекрывается вентиль 4 – подачи пара открытому трубному окончанию

4)открывается вентиль 1, при этом немножко снижается избыточное давление в биореакторе, чтобы посевной материал спокойно попал внутрь биореактора

5)после передачи посевного материала в биореактор вентиль 1 закрывается, открывается вентиль 4, начинается подача пара к открытому трудному окончанию

6)гасится кольцевой факел

можно осуществлять передачу посевного материала с помощью специальных колб со специальной смонтированной крышкой с 2 отводами (по типу штуцеров с силиконовыми трубочками)

1 шланг присоединяется к штуцеру на крышке посевного аппарата или биореактора

второй конец шланга опущен на дно колбы с вегетативным посевным материалом

2 шланг подсоединяется к линии подачи стерильного сжатого воздуха и нагнетая создает избыточное давление

и вегетативный посевной материал передавливается в ферментаторе

с помощью перистальтического насоса можно осуществить передачу посевного материала сохраняя асептичность

ТЕРМИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ

устанавливают на трубопроводах, которые соединяют ферментатор с другими аппаратами, предполагается, что по трубапроводам во время процесса ферментации передают в ферментатор раствор, ПС, добавки ПС передаются в ферментатор

и для того, чтоб при передаче в ферментаторе не произошла контаминация устанавливают такие термические затворы

устанавливаются на трубопроводе

вентиль 1 и 2 (вентиль 1 расположен выше, вентиль 2 ниже)

между ними через вентиль 3 подается пар в верхнюю точку затвора и из вентиля 4 отводится конденсат

вентиль 4 устанавливается в нижней точке затвора

термический затвор имеет уклон в сторону нижней точки

стерилизация термических затворов проводится одновременно с ферментатором, при этом вентиль 2-3 открыты полностью, и пар в термический затвор подается через вентиль 3

вентиль 4 приоткрыт настолько, чтобы в термическом затворе создавалась избыточное давление при стерилизации

на режиме ферментации вентили 1-2 закрыты, вентиль 3 открыт, вентиль 4 приоткрыт, те подается пар, конденсируется и конденсат отводится

Проблемы при стерилизации термических затворов - «слабые» точки между вентилями на линии материального потока и линиями ввода пара и отвода конденсата.

примерно в этом месте точка возникает

Для решения этой проблемы нужно изменить место ввода пара и отвода конденсата.

были сконструированы специальные вентили – подача пара прямо в вентиль

Необходимо подавать пар прямо в вентиль и отводить конденсат непосредственно из вентиля.

Необходимы для распределения материального потока в несколько

ферментаторов

а вариант верхней разводки коммуникаций (коллектор с верхним расположением)

линия материального потока, вентили при подаче в ферментатор термический затор и при верхней разводке точка ввода пара в верхней части, точка отвода в нижней части

б - вариант нижней разводки коммуникаций (коллектор с нижним расположением)

термический затвор организован так, что точка ввода пара верхней части находится ближе к крышке ферментатора, чем к точке отвода конденсатора

Предпочтительнее нижнее расположение коллектора, так как в этом случае линия ввода

пара находится ближе к крышке ферментатора