3.2. Устаткування та апаратура для стерилізації поживних середовищ
Допоміжне устаткування. Місткістне устаткування. При виробництві біологічно активних речовин необхідно здійснювати численні допоміжні операції в рамках проведення допоміжних робіт. Приготування поживного середовища супроводжується експлуатацией різних типів місткосткісного устаткування і зараз актуально звернути увагу на цей вид устаткування. Це тим більше актуально у зв’язку з тим, що коректний вибір устаткування як елемент проектування, дозволяє впливати на ефективність технології.
До допоміжних видів устаткування відносяться: резервуари і збірники для зберігання рідких продуктів, реактори-змішувачі для змішування компонентів поживних середовищ, мірники рідких середовищ, збірники-приймачі для прийому і короткочасного зберігання рідких продуктів (культуральної рідини, ультраконцентратів, пермеатів), насоси для подачі рідких розчинів, дозатори, живильники сипких і рідких середовищ, машини для механічного миття устаткування, повітродувки, компресори і ін.
Тип допоміжного устаткування, матеріал для його виготовлення, одинична місткість, кількість штуцерів, люків, огрівальних або охолоджуючих сорочок, перемішуючих пристроїв і т.д. залежать від конкретного призначення апарату, технологічних і інших вимог виробництва.
Ємкісне устаткування До міст кісного устаткування, вживаного на біотехнологічних підприємствах для зберігання рідких середовищ та компонентів середовищ, відносяться резервуари і місткісні апарати.
Для тривалого зберігання рідких продуктів на складах загальнозаводського зберігання частіше застосовують резервуари горизонтального типу, чим вертикального. Бурякову мелясу, кукурудзяний екстракт, метанол, етанол, ацетон і іншу сировину, необхідну для отримання продуктів мікробіологічного синтезу, зберігають в резервуарах великої одиничної місткості — від 100 до 10 000 м3.
Для підтримки однорідності сировини резервуари забезпечені переливними трубами, розташованими на різних рівнях, і системою гомогенізації. Для адекватного представлення апаратів на апаратурній схемі потрібно пам’ятати, що резервуари забезпечені штуцерами: для завантаження сировини і подачі стислого повітря, манометра, запобіжного клапана, воздушника, покажчика рівня, спуску залишку продукту, трубою передавлювання і люками. Оскільки резервуари знаходяться на відкритому просторі загальнозаводських складів, вони як правило, обладнані підігрівачами змієвикового типу, всередину яких подається пара для розігрівання продукту в холодну пору року.
Видача рідких середовищ може здійснюватися самопливом, а також передавлюванням стислим повітрям або інертним газом при тиску від 0,3 до 1,6 МПа. На біотехнологічних підприємствах застосовуються резервуари об’ємом 1, 2, 3, 5, 10, 50, 100, 250/500, 2000 до 3000 м3.
Для тимчасового зберігання рідкої сировини, розчинів солей, компонентів поживних середовищ, екстрактів культуральних рідин, фугатов, ультраконцентратов, пермеатов, інших проміжних продуктів виробництва, а також для здійснення деяких технологічних процесів застосовуються сталеві зварні міскісні апарати – збірники з сорочками або без них і без механічних перемішуючих пристроїв.
Суттєвою відмінністю збірників від реакторів і є відсутність мішалки у збірників. Збірники, як правило знаходяться у виробничих приміщеннях.
Основними характеристиками апаратів місткостей є їх геометрична та робоча місткість, робочий тиск і матеріал, з якого апарат виготовлений. Місткісні апарати можуть бути суцільнозварними або із з’ємними кришками; вони можуть мати сорочки або інші внутрішні елементи для теплообміну, люки для завантаження і вивантаження, а також штуцера нетехнологічного призначення для встановлення приладів контролю і регулювання параметрів процесу. Місткісні апарати бувають вертикального або горизонтального типу. Вертикальні місткості, як правило, мають відношення висоти до діаметру, рівне 5.
Умовне позначення апаратів включає літери і цифри. Літерні позначення відповідають шифру типу корпусу апарата. Перші букви позначають: Г — горизонтальний, В — вертикальний, друга і третя букви позначають тип днища; Е — еліптичне, До — конічне, П — плоске (друга буква в позначенні вертикальних апаратів визначає нижнє днище, а третя — верхнє). Цифри після букв позначають наявність або відсутність роз’єму: 1 — суцільнозварною (без роз’єму); 2 — роз’ємний. Наступні цифри указують на наявність внутрішніх устроїв і обігріву: 1 — без сорочки і без внутрішніх устроїв; 2 — з трубним пучком; 3 — з сорочкою; 4 — із змійовиком; 6 — з зануреним насосом. Цифри, що стоять після другого тире, позначають номінальний об’єм апарату (м3), а останнє число — робочий тиск (МПа). Наприклад, позначення ГЕЕ1-2-50-Об відповідає горизонтальному апарату з еліптичними днищами, суцільнозварному, з трубним пучком, номінальним об’ємом 50 м3, робочим тиском в апараті 0,6 МПа.
Вертикальні місткісні апарати можуть бути з двома еліптичними днищами, з еліптичним днищем і кришкою місткістю від 0,01 до 200 м3; вертикальні з еліптичним і плоскими днищами, а також з еліптичним днищем і плоскою кришкою місткістю від 0,01 до 32 м3; вертикального і горизонтального типу з двома плоскими днищами, а також з плоским днищем і кришкою місткістю від 0,01 до 100 м3; вертикальні з плоскими і сферичними днищами, а також з плоским днищем і сферичною кришкою місткістю від 1 до 32 м3; горизонтальні з двома конічними днищами з кутом при вершині 140° місткістю від 4 до 100 м3 і вертикальні з конічним днищем і еліптичною кришкою місткістю від 0,04 до 50 м3. Місткісні апарати вертикального типу працюють під тиском від 0,6 до 1,6 МПа, горизонтальні суцільнозварні апарати з конічним неотбортованним і верхнім плоским днищами — не більше 0,07 МПа.
Всі місткісні апарати, за винятком вертикальних з верхніми плоскими днищами можна експлуатувати з будь-якими робочими середовищами при щільності середовища 1600 кг/м3, щільності теплоносія (для апаратів з сорочкою) 1200 кг/м3; товщині теплоізоляції 60 мм і щільності теплоізоляції 400 кг/м3.
Вибір матеріалу апарату проводять з урахуванням його корозійної стійкості в робочому середовищі і впливу металу на біологічно активні речовини в процесі виробництва.
Місткісні апарати забезпечені наступними технологічними штуцерами: входу середовища, виходу середовища, переливу, труби передавлювання, входу і виходу теплоносія, входу і виходу повітря, а також штуцерами для приладів контролю — манометра, запобіжного клапана, покажчика рівня, термометра і ін.
Місткісні апарати, усередині яких розташовані трубний пучок і занурений насос забезпечені відповідними додатковими штуцерами. Вони розраховані для експлуатації при щільності робочих середовищ до 1600 кг/м3, щільність теплоносія 1200 кг/м3 і при надмірному тиску в апараті не більше 0,6 МПа.
Суцільнозварні апарати горизонтального типу з еліптичним днищем без внутрішнього трубного пучка розраховані для зберігання робочих середовищ щільністю 1600 кг/м3 при надмірному тиску в апараті 0,6; 1 і 1,6 МПа. Коефіцієнт заповнення об’єму апарату складає до 0,9 від номінального об’єму.
Горизонтальні суцільнозварні апарати з конічними неотбортованними днищами працюють при тиску до 0,07 Мпа. Вертикальні суцільнозварні апарати з нижнім конічним (90°) неотбортованним і верхнім плоским днищем призначені для прийому, зберігання і видачі рідких невибухонебезпечних, невзриво-пожежних і нетоксичних середовищ при атмосферному тиску і можуть бути використані як відстійники. Апарати можуть бути забезпечені пристроєм як для періодичного, так і постійного підігріву або охолоджування.
Мірники призначені для прийому, зберігання і видачі рідин і розраховані на максимальний робочий тиск до 0,6 МПа. Залежно від температурного режиму апарати можуть бути з сорочкою або без сорочки.
Корпус апаратів виготовляють з вуглецевої сталі Вмстз або корозієстійких сталей Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, ОХ22Н5Т, а також з двошарової сталі.
Збірники. Місткості без перемішуючих пристроїв — збірники встановлюють між апаратами різних технологічних стадій виробництва з метою підвищення коефіцієнта використання основного технологічного устаткування, забезпечення ритмічності його роботи, а також для сполучення безперервних і періодичних стадій. Устаткування місткості у вигляді збірок виконує роль ланки тимчасового запізнювання наприклад для накопичення культуральної рідини перед її подачею на упарювання.
Номінальна місткість судин і апаратів визначається їх внутрішнім об'ємом без урахування об'єму кришок, що відкриваються, штуцерів і люків. Наявність захисної футеровки, покриттів і внутрішніх устроїв при розрахунку внутрішнього об'єму не враховується.
Номінальна місткість збірники
Vн = Vж /ц
де Vж — об'єм завантажуваної в збірку рідини, м3; ц — коефіцієнт заповнення збірники (рівний 0,7 — 0,8).
Номінальну місткість (м3) циліндрових апаратів і судин, що виготовляються з металевих матеріалів і пластичних мас, слід вибирати з наступного ряду (ГОСТ 13372—78): 0,01; 0,016; 0,025; 0,040; 0,063; 0,100; 0,125; 0,160; 0,200; 0,250; 0,320; 0,400; 0,500; 0,630; 0,800; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 3,20; 4,00; 5,00; 6,30; 8,00; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0; 100; 125; 160; 200. У основі запропонованих стандартних характеристик місткостей закладено існування двох рядів преференцийных чисел R-10 (місткість більше 1) і R-5 (менше 1). Ряд R-10 визначається геометричною прогресією з коефіцієнтом 10 10 (об’єми, м3, 1,0, 1,25 1,6, 2,0, 2,5 і т. д.).
Ряд R-5 визначається геометричною прогресією з коефициентом 5 10 (об’єми, м3, 0,01, 0,16, 0,25, 0,04, 0,063, 0,1 і т. д).
Внутрішній об'єм корпусів не повинен відрізнятися від номінального більш ніж на 10 % у бік збільшення і на 5 % — у бік зменшення.
За внутрішнім обсягом апарату визначають діаметр і висоту, які також повинні відповідати стандарту (ГОСТ 9617 — 76); внутрішній діаметр судини або апарату, що виготовляється із сталевих листів або поковок, слід вибирати з ряду (мм): 400, (450), 500, (550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500), 1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2500, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, 5600, 6300, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000. Розміри, в дужках, допускається застосовувати лише для обігріваючих або охолоджуючих сорочок судин і апаратів.
Довжини обичайок корпусів судин і апаратів, зокрема проміжні розміри, що мають, вибирають з наступного ряду (мм): 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2500, 2800, 3200, 3600, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 100000, 11000 12000 13000, 14000, 15000, 16000, 17000, 18000, 19000, 20000, 21000, 22000, 23000, 24000, 25000, 26000, 27000, 28000, 29000, 30000.
Основні розміри корпусів циліндрових сталевих зварних судин і апаратів визначені в ГОСТ 9931-79. Випускаються апарати дев'яти типів, з яких шість вертикальних (позначення В) і три горизонтальних (позначення Г) з різними формами днища і кришок (Е – елиптичне; З – сферичне; П – плоске; До – конічне).
Вибір устаткування місткості проводять виходячи з добового потоку рідини, що переробляється, тривалості операції (для періодичного процесу) або швидкості процесу (для безперервного процесу). При виборі об'єму і числа апаратів слід враховувати їх габаритні розміри, виробничі площі, які має в своєму розпорядженні підприємство, можливість технологічного маневрування, наявність паралельних потоків.
Апарати з механічними перемішуючими пристроями – реактори застосовуються в біотехнології для проведення різних хімічних реакцій (наприклад, нейтралізація, підкислення), для інтенсифікації масо- і теплообміну, а також для отримання суспензій, емульсій і сумішей твердих речовин. Це змішувачі для приготування розчинів компонентів живильних середовищ, збірники культуральної рідини, місткості для змішування рідин із стабілізаторами або захисними засобами — реактори і т.д.
Безперервна стерилізація. Використовуючи лінії безперервної стерилізації можна переробити за відносно короткий час будь-яку кількість матеріалу без перегрівання і перетримування. Стандартні лінії мають деякі відмінності, але працюють за єдиним принципом.
Наприклад, в лінію може бути включена буферна ємність між реактором-змішувачем і нагрівачем.
Нагрівач може бути виконаний у вигляді колонки, в яку знизу подається рідина, а зверху через перфоровану трубку – гостра пара.
Вважається, що найбільш досконалим нагрівачем є колонка, в яку зверху тангенціально подається рідина, а в центр закрученого потоку подається пара.
Витримувач може бути виконаний у вигляді змійовика або, як показано на рисунку, у вигляді колонки, яку споряджають внутрішніми пристроями для вирівнювання внутрішніх потоків.
Як правило, лінію споряджають декількома колонками-витримувачами, що дає можливість змінювати час витримки. Відкачку залишків ЖС з колонок-витримувачів здійснюють як окремим насосом (як показано на схемі), так насосом, який встановлений на відкачку ЖС з реактора-змішувача 1. В деяких лініях відсутні ємність 5 для часткового охолодження стерильного ЖС, оскільки це ускладнює підтримку сталої температури і витрати гострої пари в процесі нагрівання, а втрата тиску іноді унеможливлює без додаткового насосу перетискання ПС у ферментер.
Кінцевими холодильниками служать нерозбірні теплообмінники типу “труба в трубі”, оскільки лише вони забезпечують зберігання стерильності ПС, але відоме застосування і спіральних теплообмінників у лініях стерилізації фірми “Альфа-Лаваль”, а також нерозбірних пластинчастих. Оскільки усі лінії працюють в безперервному стаціонарному режимі, то це полегшує їх автоматизацію.