20. Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор.

Система производства сжатого, очищенного от микроорганизмов, воздуха, имеющего определенную температуру, является сложой технологической системой.

Она состоит из трех последовательно соединенных подсистем:очистки от пыли и сжатия; приведения воздуха к; термодинамическому состоянию, благоприятному по влажности и температуре для разделения аэрозоля; разделение аэрозоля в фильтрах грубой и тонкой очистки.

Первая подсистема. Атмосферный воздух забирают турбокомпрессором через заборную шахту высотой 20-30 м, где концентрация микроорганизмов стабилизирована. Прежде всего воздух попадает в предфильтры, где он освобождается от грубого аэрозоля - пыли. Првдфильтры не только предохраняют комлрессоры от затрязнения. но и существенно снижают количество контаминантов. которые могди бы попасть во 2-ю подсистему.

За рубежом в настоящее время в предфидьтрах применяют рулонные пористые материалы. В нашей стране успешно испыган пенополиуретан, который обеспыливается пьшесосом или теплой водой с мылом. Срок службы материала 1,5-2 года. Однако до сих пор на болыгшнстве заводов исполъзуют масляные фильтры (см. рис). После этого воздух сжимают в турбокомпрессоре до 0,35-0,5 Мпа. Давление сжатия воздуха в компрессоре определяют из расчета давления на преодоление сопротивления в системе воздухоподготовки, давления столба жидкости в ферментаторе и создания в нем давления 0,13-0,14 Мпа. Сжатие воздуха в компрессоре приводит к повышению его температуры до 120-250°С и увеличению влагосодержания в единице объема.

Вторая подсистема. В случае высокого содержания влаги в исходном атмосферном воздухе конденсируется еще большее количество влаги при его охлаждении. Выпадение влаги на фильтрах недопустимо, так как это прнводит к слипанию волокон и образованию каналов, и тогда эффекты, осаждения частиц на волокне не проявляются. Кроме того, на увлажненных волокнах фильтров возможно размножение осевших микроорганизмов, что приводит к дополнительному обсеменению воздуха.

Чтобы обеспечить выпадение влаги в каплеуловителе, воздух «переохлаждают» до температуры 25-40°С в теплообменном аппарате. Затем, для обеспечения надежной работы фильтров 2-й и 3-й ступеней, воздух нагревают до температуры 70-90°С. При таких температурах, исключается конденсация паров воды на волокнах фильтра. С этой нелью воздух после брызгоуловителя подогревают в теплообменнике, при этом допускается частичное подмешивание горячего воздуха после компрессора. Количество подмешиваемого воздуха определяется условиями относительной влажности, которая не должна быть больше 40%.

Третья подсистема состоит из двух фильтров второй и третьей ступеней очистки. Фильтр второй ступени, или головной фильтр обычно расположен на территории завода рядом с цехом. На головном фильтре очищают воздух для всех ферментаторов цеха. Из головного фильтра воздух по кодлектору подается в индивидуальные фильтры третьей ступени, установленные у каждого ферментатора, независимо от его вместимости.

Конструкция индивидуатьного фильтра зависит от типа используемого фильтрующего материала. Для ткани Петрянова применяют конструкцию, представленную на рис. В цилиндрический корпус монтируют прямоугольный пакет, собранный из П-образных алюмшшевых рамок, между которыми зажимается лента из ткани Петрянова.

Для фильтрующего материала, сложенного в виде матов, используют конструкцию, представденную на рис. Изображена конструкция, предназначенная для установки фторопластовых фильтрующих элементов.

При эксплуатации фильтров необходима их стерилизация.

Наиболее эффективным методом является нагревание влажным паром и выдержка в течение определенного времени при температуре 125-130°С, Применение более высокой температуры вызывает деструкцию герметизирующих прокладок в фильтрах. После стерилизации фильтрующий материал высушивают горячим воздухом.

В зарубежных системах очистки воздуха значительно повышена надежность работы за счет установки дополнительной ступени очистки и дублирования основного оборудования. Кроме того, для крупных ферментаторов применяют автономные системы очистки воздуха, что облегчает задачу поддерживания термодинамического режима, так как не требуется большой протяженности трубопроводов; наконец, в фильтрах используют стандартные фильтрующие элементы, изготовленные промышленным способом.

Очистка отработанного воздуха. В процессе ферментации в качестве отхода производства образуется большое количество отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу. Установлено, что такой воздух на заводах антибиотиков содержит от 2 до 4 мг/м³ вещеетв с неприятным запахом.

С отработанным воздухом выбрасывается в атмосферу несколько десятков органических соединений: амины, альдегиды, жирные кислоты, кетоны, спирты, эфиры и т.д. Относительная влажность воздуха, выходяшего из ферментатора, приближается к 100%; кроме того он включает культуральную жидкость в виде мелких брызг; а со-держание клеток продуцента зависит от вида его, времени ферментации, и составляет от 1 х 10⁵ до 1 х 10⁵ клеток в 1 м³.

В настоящее время применяют несколько принципиально различающихся методов очистки отработанного воздуха. Метод каталитического дожигания относится к разряду энергоемких. Суть его состоит в том, что отработанный воздух прокачивают при температуре 320-350⁰С через комбинированный катализатор, состоящий из слоя пиролюзита и слоя палладиевого катадизатора, Степень обезвреживания воздуха 87-98,5%.

Менее энергоемким является метод жидкофазного окисления с применением в качестве окислителей перманганата калия или гипохлорита натрия. Отработанный воздух по мере прохождения скруббера орошается раствором натрия гипохлорита,20% раствором едкого натра, водой и выбрасывается в атмосферу. Орошающие растворы обращаются в замкнутом цикле. Смену отработанных растворов проводят в 1 раз в неделю. Эффективность очистки 90-95%. Недостатком метода является то, что при его реализации накапливаются в небольшом количестве сточные воды, которые нужно утилизировать. Такие установки успешно работают, например, в Италии в производстве пенициллина, цефатоспорина С и других антибиотиков.

Известен также метод с применением сетчатых фильтров (ФС); конструкция ФС разработана по ВНИИ проектно-конструкторском институте прикладной биохимии. Фильтр состоит из цилиндрического корпуса с крьппкой и днищем, внутри помещен фильтрующий элемент, изготовленный из металлических сеток трикотажного плетения с диаметром проволоки 0,28 мм из нержавеющей стали(рис. ).

Воздух, проходя через фильтр, освобождаегся от капелек культуральной жидкости с микроорганизмами. Эффективность очистки 99.6%. Для повышения эффективности очистки на ряде заводов осуществлена схема, состоящая из циклона и сетчатого фильтра «Ц-ФС». Эффективность зтой системы составляет 99,97%.

21.Критерии подбора ферментаторов. Характеристика и классификация биореакторов в зависимости от вида протекающих в них процессов и от конструкционных особенностей (способы потребления энергии, способы смешивания и ввода энергии и др.).

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физикохимических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор ферментер (рис.). Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта. Биореакторы изготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.

Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые от 1 до 10 л, многотоннажные более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия.

Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными филырами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо и теплообмена). В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физикохимические показатели культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование, рН, еН, р02, рС02 среды).

Тип биореактора, чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость, коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, тип перемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления, способ пеногашения, далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, в отдельности и во взаимосвязи, влияют напроцесс культивирования микроорганизмов и клеток.

Биореакторы подразделяют на три основные группы:

- реакторы с механическим перемешиванием;

- барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускают воздух;

- эрлифтные реакторы с внутренней или внешней циркуляцией; перемешивание и циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком воздуха, за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Биореакторы первого типа используют чаще всего, так катс они позволяют легко изменять технологические условия и эффективно доставлять к растущим клеткам воздух, определяющий характер развития микроорганизмов и их биосинтетическую активность. В таких реакторах воздух подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счет механического перемешивания обеспечивается их равномерное распределение. Для этой же цели используют мешалки одну или несколько. Мешалки, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде. Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа оборотов, физикохимических свойств среды.

При интенсивном перемешивании культуральной среды происходит ее вспенивание, поэтому рабочий объем биореактора не превышает 70% от общего объема. Свободное пространство над поверхностью раствора используется как буферное, где накапливается пена, и таким образом предотвращается потеря культуральной жидкости. В пенящейся жидкости условия аэрации лучше, чем в плотных растворах (при условии непрерывного перемешивания и циркуляции слоя пены, т.е. при исключении нахождения микроорганизмов вне культуральной жидкости). Вместе с тем вспенивание может привести к переувлажнению фильтров в отверстиях, через которые воздух выходит из биореактора, уменьшению потока воздуха и к попаданию в ферментер посторонних микроорганизмов.

Консгпруктивные особенности барботажных колонн и эрлифтных биореакторов дают этим типам ферментеров некоторые преимущества перед реакторами с механическим перемешиванием. Барботажные колонны более экономичны, так как перемешивание в них происходит восходящими потоками воздуха равномерно по всему объему. Отсутствие механической мешалки исключает один из путей проникновения в биореактор посторонних микроорганизмов. В барботажных биореакторах не возникает сильных гидродинамических возмущений (сдвигов слоев жидкости культуральной среды относительно друг друга).

Уменьшение сдвиговых факторов важно по следующим причинам: клетки рекомбинантных микроорганизмов менее прочны, чем нетрансформированные; клетка отвечает на внешние воздействие уменьшением количества синтезируемых белков, в том числе рекомбинантных; под влиянием сдвиговых эффектов могут изменяться физические и химические свойства клеток, что затрудняет дальнейшую работу с ними (ухудшаются условия выделения, очистка рекомбинантных белков). В барботажных колоннах воздух подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора; по мере подъема мелкие пузьфьки воздуха объединяются, что влечет неравномерное его распределение. Кроме того, подача воздуха под высоким давлением приводит к сильному пенообразованию.

В эрлифтных биореакторах воздух подают в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, воздух увлекает за собой жидкость к верхней части канала, где расположен газожидкостный сепаратор (здесь частично выходит воздух). Более плотная деаэрированная жидкость опускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора и процесс повторяется. Таким образом, в эрлифтном биореакторе культуральная среда вместе с клетками непрерывно циркулирует в биореакторе.

Эрлифтные биореакторы выпускаются в двух конструктивных вариантах. В первом реактор представляет емкость с центральной трубой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реакторы с внутренней циркуляцией). У эрлифтного биореактора второго типа культуральная среда проходит через отдельные независимые каналы (реактор с внешней системой циркуляции).

Эрлифтные биореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в суспензиях микроорганизмов с большей плотностью или вязкостью. Перемешивание в эрлифтных ферментерах более интенсивно и вероятность слипания пузырьков минимальна.

22.Аппаратурное оснащение биотехнологических процессов. Особенности проведения процессов нестерильных и стерильных производств. Аэробные и анаэробные процессы.

По основной фазе, в которой протекает процесс ферментации, различаются:

1) поверхностная (твердофазная) ферментация (культивирование на агаровых средах, на зерне, производство сыра и колбас, биокомпостирование и др.);

2. глубинная (жидкофазная) ферментация, где биомасса микроорганизмов суспендирована в жидкой питательной среде, через которую при необходимости продувается воздух или другие газы;

3. газофазная ферментация, в которой процесс протекает на твердом носителе, где закрепляются микроорганизмы, но сами частицы носителя взвешены в потоке газа, насыщенном аэрозолем питательной среды. Надо сказать, что подобный способ ферментации используется довольно редко, в основном при очистке газов от вредных и одорирующих примесей,

По отношению к кислороду различают аэробную, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию — по аналогии с классификацией самих микроорганизмов.

Анаэробные процессы. Реакторы для анаэробных процессов не имеют приспособлений для аэрирования среды. Однако некоторые из этих процессов протекают с потреблением газообразных субстратов — водорода, метана, поэтому приходится применять барботер и другие приспособления для подачи газа в жидкость. Например, установка для бактериальной денитрификации воды (ее очистки от нитратов и нитритов), функционирующая в анаэробных условиях, включает приспособление для обеспечения водородом. Перемешивание среды в ходе анаэробных процессов осуществляется низкоскоростной механической мешалкой или созданием тока жидкости по циркуляционному контуру. В зависимости от того, насколько строго следует придерживаться анаэробных условий, применяют конструкционные детали, предохраняющие среду культивирования от контакта с кислородом.

Упрощение конструкции аппаратов при ведении процессов в анаэробных условиях, естественно, ведет к их удешевлению — фактор, побуждающий отказываться от аэробных процессов в пользу анаэробных, в частности, при очистке сточных вод. В то время как аэробное расщепление органических субстратов ведет к их полному «сжиганию» до СО₂ и Н₂О, в анаэробных условиях микроорганизмы образуют ценные низкомолекулярные продукты — спирты, ацетон, органические кислоты. Внимание биотехнологов к анаэробным процессам повышается в связи с дефицитом нефти и природного газа.

Поверхностное культивирование биообъектов в жидкой питательной среде вблизи раздела фаз газ — жидкость — распространенный метод, хотя и уступающий по эффективности синтеза целевого продукта глубинному методу культивирования. Однако метод остается в ходу применительно к процессам, сопровождающимся накоплением внеклеточных продуктов в культуральной среде или зависящих от контакта между организмом и воздушной средой. Такой контакт требуется для мицелиальных грибов при переходе к определенным стадиям развития. Экономический выигрыш связан с относительной простотой изготовления и эксплуатации биореакторов.