коллоквиум 2
.pdf
1.Изобразите общий вид ферментатора, укажите его основные конструктивные особенности.
Конструктивные особенности ферментатора
•Отражательные перегородки
•Система аэрации
•Системы перемешивания
2.Из какого материала изготавливают ферментаторы и почему? Какова толщина стенки ферментатора?
Для изготовления ферментаторов, которые используются на бт производствах, чтобы избежать коррозии ферментаторы изготовлены из нержавеющей стали, но это очень дорого, поэтому ферментаторы изготавливают из двухслойной стали для понижения стоимости Наружний слойуглеродистая сталь Ст3 9-13мм
Внутренний слой- хромо-никелевая нержавеющая сталь («пищевая») 3-4мм Лабораторные ферментаторыборосиликатное стекло Толщина стенки до 12-17 мм
3. Какие функции в ферментаторе выполняют отражательные перегородки?
Требования к их установке.
При перемешивании в ферментаторе жидкость движется по кругу, поэтому снижается эффективность перемешивания. Отражательные перегородки превращают круговое движение КЖ в турбулентное, что приводит к увеличению эффективности. Отражательная перегородка представляет собой металлическую перегородку. Их количество обычно 4-6.
Перегородки устанавливаются на расстоянии 5-10мм от стенки ферментатора под углом 90 градусом, для вязких КЖ под 45 градусов к стенке аппарата
Ширина отражательной перегородки – (0,1-0,12)Dферм
4.Какие перемешивающие устройства могут использоваться в ферментаторах и почему?
Вферментаторах с комбинированным подводом энергии перемешивание осуществляется механическим способом (с помощью мешалки).
Мешалки размещены на валу, который расположен по центру биореактора. Вал мешалки вводится в основном через крышку ферментатора, но существуют и конструкции с нижним приводом.
По типу создаваемого мешалкой потока жидкости различают мешалки, создающие
•Тангенциальное течение
•Осевое течение
•Радиальное течение
Лопастные мешалки применяются для перемешивания культуральных жидкостей с низкой вязкостью при низких расходах воздуха в аппаратах небольшой вместимости (тангенциальное течение, не очень эффективны, потому что жидкость движется по концентрическим окружностям, параллельно плоскости вращения мешалки)
Пропеллерные мешалки дополнительно поднимают пузырьки воздуха из барботёра, обычно устанавливают дополнительно к основной мешалке, под барботёром (осевое течение, параллельно валу мешалки)
Турбинные мешалки считаются самыми эффективными, потому что благодаря радиальному движению создают трехмерное перемешивание КЖ (в ферментаторе 6- лопастные мешалки)
5.Какие требования предъявляются к перемешивающим устройствам в ферментаторе?
Должны быть высокоскоростные и с небольшим диаметром, но диаметр мешалки должен составлять от 0,3-0,4 диаметра ферментатора (чем больше подача воздуха, тем большее соотношение диаметра мешалки к диаметру ферментатора)
В больших ферментаторах устанавливают многоярусные мешалки Окружная скорость вращения мешалки должна быть такой чтобы ее линейная скорость не
превышала 6- 8 метров в секунду (у м/о), если скорость будет больше, то может произойти разрушение клеток продуцента
если расстояние между ярусами будет меньше, то потоки от соседних ярусов будут перекрываться и мешалка будет работать как одноярусная, а при этом мощность на перемешивание будет тратиться как на многоярусными
если расстояние между ярусами будет больше, чем полтора два диаметра мешалки, то между циркуляционными потоками соседних ярусов, а могут возникнуть достойной зоны, где жидкость не перемешивается или перемешивается недостаточно
6. Барботеры – конструктивные особенности, требования к барботерам.
Барботеры – устройства, через которые осуществляется подача воздуха в ферментатор. Конструкции:
•Открытая труба (используется в небольших аппаратах V≤ 0,5 м3)
•Кольцевой – перфорированная труба, свернутая в кольцо (А)
•Квадратный – 4 перфорированные трубки, соединенные в виде квадрата (Б)
•Лучевой – перфорированные трубки («лучи»), навинченные на центральное перфорированное кольцо (В) (используется в больших ферментаторах, если интенсивность перемешивания не высокая)
Требования:
1)Барботеры располагают под нижним ярусом мешалки, на уровне начала кривизны днища
2)Диаметр барботера должен быть примерно равен диаметру мешалки
3)Диаметр отверстий на барботере – 3-4 мм
4)Количество отверстий должно быть таким, чтобы суммарная поверхность их площади сечения была на 25% больше площади сечения трубы, по которой подается воздух
5)Отверстия располагаются на нижней части трубы барботера (чтобы не забивались клетками, мицелием)
7.Особенности перемешивания при культивировании клеток растений и
животных.
Необходимо более мягкое перемешивание, поэтому используется мешалка (импеллер) с наклонными лопастями, которая позволяет снизить раневой стресс у клеток. Скорость вращения мешалки значительно меньше – 40-60 об/мин. Перемешивание должно быть гомогенным.
Пневматическое перемешивание или гидравлическое перемешивание может решить проблемы, связанные с раневым стрессом клеток
8.Наружные теплообменные устройства ферментаторов. Как повысить эффективность охлаждения при использовании наружных теплообменных устройств?
•Гладкая рубашкаиспользуется в небольших аппаратах вместимостью 5 м^ 3
Не используется в ферментаторах большого объема по следующим причинам:
1.С увеличением объема ферментатора уменьшается удельная поверхность теплообмена (т.е. уменьшается поверхность теплообмена на единицу объема фермра, и для больших этой поверхности не хватает, чтобы отвести тепло)
2.Скорость движения воды мала, из-за этого невелик коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к охлаждающей воде
3.Гладкая рубашка обладает большой тепловой инерцией, что затрудняет регулирование температуры культивирования
•Рубашка со спиральной перегородкой-увеличивается скорость течения воды в рубашке, спиральная перегородка разделяет рубашку на ячейки, вода движется горизонтально, эффективность теплоотдачи повышается
•Пленочный режим охлажденияесли в гладкой рубашке скорость течения воды очень маленькая, воду подают сверху через специальный коллектор
•Секционнные рубашкиразность температур воды на входе и выходе меньше, чем в гладкой рубашке. Секции могут подключаться последовательно и параллельно. Секционная рубашка, может быть, со спиральными перегородками
•Наварные змеевики-могут быть в виде труб, полутруб и углового проката, эффективнее, чем гладкая рубашка
Самой эффективной наружней рубашкой является секционная рубашка, в ней могут быть установлены спиральные перегородки, которые повышают эффективность, а если подключение идёт параллельно, то будет максимальная эффективность
9. Что такое секционная рубашка? В каких случаях она используется? Изобразите последовательное и параллельное подключение секций.
Секционные рубашки-наружное теплообменное устройство, используют для повышения эффективности.
В секционных рубашках разность температур воды на входе и выходе меньше, чем в гладкой рубашке. Секции могут подключаться последовательно и параллельно (каждая секция подключена отдельно, вода входит в каждую секцию индивидуально и выходит из
неё, оно более эффективно). Секционная рубашка, может быть, со спиральными перегородками
10.Какие внутренние теплообменные устройства могут быть в ферментаторах? Изобразите их и опишите.
Внутренние теплообменные устройства выполняются в виде змеевиков.
1)Горизонтальная цилиндрическая спираль – диаметр витка немного меньше диаметра ферментатора. Использовались вместо гладкой рубашки, но они гасят турбулентное движение жидкости у стенок ферментатора и ухудшают гидродинамические условия в аппарате, поэтому их использование нецелесообразно.
2)Вертикальные змеевики – эффективный теплообмен. Выполняются в виде секций у стенок ферментатора. В них к.ж. обтекает трубы поперечным направлением, что увеличивает коэффициент теплоотдачи. Обычно их в ферментаторе 4. Располагаются у стенок, так что одновременно выполняют функцию отражательных перегородок.
3)Пучок параллельных труб – скорость течения воды в трубах небольшая, коэффициент теплоотдачи от КЖ к воде невысокий.
4)Вертикальные витки – ввод и вывод воды осуществляется сверху. Вода последовательно проходит все трубы (витки).
Внутренние змеевики обеспечивают необходимую скорость отвода тепла. Недостатки внутренних теплообменных устройств:
•Загромождают внутренний объем ферментатора
•Увеличивают вероятность контаминации КЖ
11.Какие теплообменные устройства – внутренние или наружные – предпочтительнее использовать в ферментаторах и почему?
Предпочтительнее использовать наружные, поскольку внутренние загромождают внутренний объём ферментатора, появляются трудности при внутреннем ремонте и мойке, также повышается вероятность попадания посторенней микрофлоры, что приведёт
к контаминации Иногда могут использоваться комбинированное охлаждение (наружняя рубашка+внутренний змеевик)
12.В чем заключаются преимущества и недостатки одноразовых биореакторов при их использовании в биотехнологических процессах?
Материалы: высокосортный термопластичный поликарбонат, полистирол, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, этилацетат.
Примеры:
•биореактор с мешалкой (Сарториус)
•волновой биореактор (Сарториус) - перемешивание основано на качающихся движениях
•Биореакторы (Дженерал электрик)
•орбитальные биореакторы
Достоинства:
•уменьшаются затраты на стерилизацию, очистку, трудозатраты на обслуживание,
•уменьшается риск перекрёстной контаминации
•увеличивается гибкость и эффективность производства.
Недостатки:
•Материал относительно непрочный => нельзя изготавливать большого объема
•Выделение веществ, входящих в состав пластиков в КЖ
•Утилизация: отходы загрязнены биоматериалом => их утилизировать могут только специальные организации с лицензией; пластики долго разлагаются
Относительно дорогие
13.Как производится засев инокуляторов из колб? Изобразить и описать последовательность действий.
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 немного 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
14.Как осуществляется передача посевного материала из посевного аппарата в ферментатор? Изобразить и описать.
Осуществляется передавливанием стерильным сжатым воздухом за счёт разности давлений
15. Как осуществляется выгрузка культуральной жидкости из ферментатора? Изобразить и описать.
Выгрузка может осуществляться через:
•нижний спуск насосом (1)
•нижний спуск сжатым воздухом (2)
•трубу передавливания (3)
16.Каким образом осуществляется подача в ферментатор стерильной жидкости в процессе ферментации?
17.Как поддерживают стерильные условия в процессе ферментации?
Осуществляют предварительную стерилизацию пустого ферментатора и прилегающих коммуникаций.
Перед ферментацией оборудование проверяют на герметичность сварных сшивок и фланцевых соединений.
Также избыточное давление в ферментаторе в течение всего процесса должно быть 0,3-0,5 атм.
18.Какие типовые узлы с точки зрения стерилизуемости выделяют в монтажной схеме аппарата (ферментатора)?
Открытые трубные окончания (узел ввода посевного материала, линия отработанного воздуха, линия отбора проб)– короткие отрезки труб, непосредственно сообщающиеся с атмосферой цеха с одной стороны и с другой – с аппаратом
Термические затворызатворы, которые препятствуют проникновению посторонней микрофлоры в аппарат. Устанавливают на трубопроводах, соединяющих ферментатор с другими аппаратами. Для создания термического затвора на участке трубопровода устанавливаются два вентиля, между которыми осуществляется подвод пара для стерилизации затвора и удаление отработанного конденсата.
19.Изобразите узел подачи в ферментатор стерильного сжатого воздуха. Каким образом такой узел стерилизуют?
Линия подачи сжатого воздуха, на ней установлены вентили 1 и 2, в которые через вентили 3 и 4 подается пар. На линии подачи стерильного сжатого воздуха имеется индивидуальный воздушный фильтр (третей ступени очистки воздуха, в нем происходит окончательная стерилизация подаваемого воздуха).
Фильтр для стерилизации воздуха стерилизуется 1 раз в 5 или 10 операций ферментации, если все они были стерильными. Если была нестерильная операция, то стерилизуется весь узел и сам фильтр.
Стерилизация проводится острым паром, который подают по линии подачи стерильного сжатого воздуха через вентиль 2 и 4. После стерилизации фильтр сушат тем же самым воздухом, который идет на аэрацию (для подсушивания подают в линию сжатый воздух, он проходит через вентиль 2, через инд. возд. фильтр, при этом вентиль 1 закрыт, чтобы избежать попадания конденсата в стерильный ферментатор, отработанный воздух выходит через вентиль 5).
3.1 – атмосферный воздух (т.е. связь с атмосферой, в процессе стерилизации вентиль 5 закрыт).
21. Что такое монтажная схема аппарата? Какие узлы входят в монтажную схему ферментатора?
Монтажная схема – система трубопроводов, подходящих к ферментатору и отходящих от него
Совокупность расположенных на биореакторе арматуры, КИП, коммуникаций, подключающих его к магистральным трубопроводам, представляет собой монтажную схему аппарата (МСА).
1)Открытые трубные окончания – короткие отрезки труб, непосредственно сообщающиеся с атмосферой цеха с одной стороны и с аппаратом – с другой.
Линия засева аппарата из колб
Линия отбора проб
Линия вывода отработанного воздуха
На открытых трубных окончаниях установлены вентили, которые отсекают полость ферментатора от полости трубопровода. Эти трубные окончания имеют уклон в сторону открытого конца трубы. При стерилизации возникают трудности, т.к. открытые трубные окончания не дают возможности создать избыточное давление, а значит, и достичь необходимой Тст.
Стерилизуют открытые трубные окончания одновременно с ферментатором при открытых вентилях.
2)Термические затворы устанавливают на трубопроводах, которые соединяют ферментатор с другими аппаратами. Для создания термического затвора устанавливаются 2 вентиля, между которыми осуществляется подвод пара для стерилизации затвора и удаление отработанного конденсата.
Стерилизация термических затворов одновременно с ферментатором, при этом вентили для прохода пара открыты. Вентиль отвода конденсат приоткрыт настолько, чтобы в термическом затворе создавалось избыточное давление
22. Назовите наиболее вероятные места появления «слабых» точек в процессе стерилизации пустого ферментатора, объясните причины их появления.
Наличие слабых точек зависит от размера ферментатора, чем меньше ферментатор, тем больше в нём слабых точек. На наличие слабых точек проверяют каждый аппарат индивидуально. Наиболее вероятные места возникновения «слабых» точек – штуцера, под крышкой, у днища. С точки зрения стерилизуемости наиболее уязвимые места в ферментаторе – штуцера.
Причины низкой температуры в штуцерах:
•Не вытесненный воздух, с которым пар образует паровоздушную смесь, имеющкю низкую теплопроводность
•Потери тепла через боковые стенки штуцера, так как на штуцерах нет изоляции
•Размеры штуцера (диаметр и длина) – чем меньше диаметр штуцера, тем ниже в нем температура. Чем больше длина штуцера, тем больше теплопотери через его стенки.
Если крышка ферментатора не имеет изоляции (съемная), то температура под крышкой может быть ниже температуры стерилизации на 15-20 0С У днища ферментатора в процессе стерилизации скапливается конденсат острого пара.
Разница между температурой конденсата и температурой стерилизации может достигать 20 0С