Вибір лінії унс і технологічні розрахунки лінії

Вибір лінії УБС диктується об’ємом ПС, що підлягає стерилізації, і часом додаткових операцій на стадії ферментації.

Наприклад, якщо потрібно переробити 150 м³ ПС при часі додаткових операцій 15...20 годин, з яких лише третина часу може бути витрачена на завантаження стерильного ПС, тобто 5 - 6 годин, то продуктивність лінії повинна бути близько 150/5 = 50 м³/год. Отже, потрібно обрати лінію УНС-50. Якщо ж, наприклад, об’єм ЖС становить 10 м³, то використання цієї лінії приведе до того, що загальний час роботи лінії повинен бути 10/50 = 0,2 год = 12 хв. За цей час не встигне навіть встановитись стаціонарний режим роботи лінії. Зниження продуктивності лінії шляхом зменшення витрати ЖС від насосу 2 економічно недоцільне, оскільки продуктивність лінії потрібно зменшувати в 5...10 разів. В даному випадку доречно встановити лінію УНС-5, час роботи якої буде становити 10/5 = 2 години, що цілком прийнятно. При дуже великих об’ємах ЖС можна встановлювати декілька паралельно працюючих ліній з максимально можливою продуктивністю

Будівельні рішення при проектуванні відділення стерилізації поживних середовищ

Приміщення для зберігання сировини, допоміжних матеріалів, готової продукції і пакування матеріалів повинні бути достатньо просторі, правильно освітлені, обладнанні так, щоб забезпечити необхідний температурний режим, умови чистоти і сухості для розміщених матеріалів. Ці приміщення повинні мати необхідну кількість шаф і полиць. Зберігати сировину треба в сухих прохолодних приміщеннях, розміщених так, щоб подача сировини у виробничі цехи була зручною. Складські приміщення повинні мати спеціальні майданчики для розвантаження, навіси для захисту від атмосферних осадів.

Заводські складські приміщення облаштовуються резервуарами. Це місткості великого об’єму від 100 до 10 000 м³, що забезпечують централізоване зберігання рідких компонентів. Перевагою цього способу зберігання сировини є усереднення складу джерел поживних середовищ, що забезпечує отримання якісної готової продукції. Для зберігання сипких матеріалів використовують силоси висотою від 10 до 30 м. Переміщення різних матеріалів і сировини в межах підприємства здійснюється за допомогою пневмотранспорту.

Зовнішні транспортні зв’язки підприємства представлені стандартними транспортними мережами, а транспорт на площі промислового майданчика представлений трубопроводами, повітропроводами, системами пневмотранспорту, для здійснення перевезень між цехами використовується система електротранспорту.

3.3. Підготовка технологічного повітря

В тому випадку коли продуцент біологічно активної речовини є строгим аеробом ефективне забезпечення мікроорганізмів розчиненим киснем є необхідним елементом процесу біосинтезу. При цьому необхідною умовою вирощування глибинної культури продуцента ферментів є асептичність, тому повітря, що подається на аерацію, має бути стерильним.

Існує достатня кількість методів забезпечення стерильності повітря – обробка повітря хімічними, фізичними або іншими чинниками. Для біотехнологічних виробництв традиційними методами підготовки повітря є метод фільтрування через перегородки з різних матеріалів. Вибір методу стерилізації повітря в загальному вигляді є вибором фільтруючого матеріалу і способу його фіксації в корпусі фільтра.

Виходячи з теорії стерилізації повітря, для видалення контамінантів використовують волокнисті фільтруючі матеріали з різних мінеральних або органічних речовин, пористі перегородки з кераміки або полімерних матеріалів.

Атмосферне повітря завжди містить дрібні тверді або рідкі частинки, які несуть на собі різноманітні мікроорганізми. У містах середня концентрація мікрофлори досягає 10³ – 10⁴ клітин/м³ (кл/м³). В озеленених районах ця концентрація становить 10³ – 3^.10⁴ кл/м³. Саме там намагаються розташовувати підприємства тонкого мікробіологічного синтезу.

Основною вимогою, що ставиться до аеруючого повітря, є його стерильність. Ефективність роботи системи очищення повітря оцінюють коефіцієнтом проскоку К_п, %

К_п = 100

де Х, Х₀ – концентрація мікроорганізмів у повітрі відповідно після і до системи очищення повітря, кл/м³.

Для асептичних процесів біосинтезу К_п повинен становити 10^-8...10^-11 %, для промислових систем – 10^-4...10^-6

Звичайні методи очищення, що ґрунтуються на дії відцентрових сил (циклони), інерції (віддільники), промивці (скрубери, пінні апарати), а також електрофільтри, не знайшли розповсюдження, оскільки дозволяють одержувати повітря з К_п = 3...5%. Ці методи застосовують лише для попереднього перед стерилізацією очищення атмосферного повітря.

Для стерилізації повітря з належними характеристиками використовують два методи: знищення мікрофлори за допомогою нагрівання або іонізуючого випромінювання, наприклад, за допомогою УФ-опромінювання, та вилучення її методом фільтрування. Перший метод є більш надійним та ефективним, але для промислових масштабів є неприйнятним, оскільки у виробничих умовах витрачають занадто великі об’єми повітря, щоб можна було б говорити про економічну доцільність таких рішень. В промислових умовах використовують в основному метод фільтрування крізь шари насипного, пористого або волокнистого матеріалу. Для попередньої стерилізації використовують глибинні (набивні) фільтри на основі волокнистих матеріалів. Для остаточної стерилізації перед входом у ферментер встановлюють індивідуальні фільтри з розгорнутою поверхнею або абсолютні, які діють як сита, патронного типу Абсолютні сита, створюють велику втрату тиску повітря й швидко забиваються, тому застосовують їх рідко.

Попри того, що волокна набивного фільтру розташовані між собою на відстанях на порядок більше діаметрів мікрочастинок, вони діють досить ефективно. При великих швидкостях частинки, проходячи шар волоконного фільтру, скоріше або пізніше зустрічають на своєму шляху волокно і затримуються ним (інерційний механізм осадження

При малих швидкостях затримка відбувається в основному за механізмами осадження, дії електростатичних сил, сил Ван-дер-Ваальса. Для кожного типу аерозолю та волокна існує деяка критична швидкість, при якій фільтр є неефективним. При таких швидкостях інерційний механізм вже не діє, а для інших швидкість є завеликою. Товщину шару волокна знаходять за формулою

n = _фН

де _ф – константа фільтрації, яку знаходять експериментально; Н – товщина шару волокна.

Існуючи методики розрахунків товщини шару волокна без використання експериментальної константи фільтрації для процесів стерилізації повітря дають малодостовірні результати, тому в даному підручнику не приводяться.

В якості фільтрувальних матеріалів використовують перхлорвінілове волокно з термостійкістю 60...70С (марки ФП, ФП-15-1,5), поліакрилонітрильне волокно з термостійкістю до 180С (ФПАН-10-3,0) або до 250С (ФПАР-15-1,5) скловолокна (СТВ) або базальтові волокна. Товщини волокон коливаються від 1,5 до 21 мкм. базальтові волокна випускають товщиною від 0,5 до 1 мкм. Всі волокна, крім перхлорвінілових, допускають стерилізацію гострою парою. Перхлорвінілові стерилізують токсичними газами (наприклад, оксидом етилену або газоподібним формаліном). Волокна укладають у вигляді готових пресованих шарів з щільністю упакування 0,043...0,19 від об’єму (переважно 0,1...0,15).

Набивні фільтри мають ряд недоліків:

а). Внаслідок відносно невеликої площі перерізу для перепуску великих об’ємів повітря доводиться збільшувати швидкість фільтрування (1...3 м/с), що веде до утворення каналів і до так званих краєвих ефектів, завдяки яким повітря без фільтрування проходить вздовж стінки апарата.

б). Попадання крапельної вологи веде теж до утворення каналів і проходженню повітря через них без фільтрування.

в). Набивні фільтри мають значний гідравлічний опір і важкі в експлуатації.

В дійсний час їх застосовують лише в якості першого ступеню стерилізаційного очищення. На рис. 6.14 та 6.15 наведені конструкції набивних фільтрів Гіпромедпрому та КБ ВНДІФСа

Рис. 6.14. Основні типи фільтрів тонкого очищення і стерилізаці, де а – набивний (глибинний); б – з розгорнутою поверхнею (рамковий); в - сітчастий (абсолютний) патронного типу.

Рис 6.15. Набивний фільтр конструкції Гіпромедпрому, де 1 – штуцер для входу повітря; 2 – штуцер для виходу повітря; 3 – штуцер для продування; 4, 5 – штуцери для пари та конденсату; 6 – патрон; 7 – пристрій для притискання.

В якості індивідуальних фільтрів широко застосовують рамочні або патронні фільтри з тканиною Петрянова на основі перхлорвінілового волокна. На рис.6.16 представлена конструкція фільтру ВНДІФСа з тканиною ФПП-15 патронного типу.

Фільтр уявляє собою сталевий циліндр з від’ємною кришкою і конічним дном. Усередині апарата встановлюють 73 циліндричних перфорованих трубок, обгорнутих тканиною Петрянова. Загальна площа фільтрування – 17,5 м². Після проходження крізь тканину повітря стерилізується. Продуктивність цього фільтра 1000 м³/год

До системи очищення повітря входять різні апарати (обладнання):

• фільтр для очищення повітря від пилу та інших механічних домішок (фільтр для вилучення механічних часток);

• система стабілізації термодінамічних показників повітря (кондиціонери);

• головний повітряний фільтр (груповий фільтр) для очищення всього повітря, що поступає із повітродувки;

• індивідуальний повітряний фільтр перед кожним ферментером і посівним апаратом.

Вибір фільтру попередньої очистки повітря орієнтований на ефективне видалення крупних фракцій контамінантів з повітря, які можуть пошкодити компресійне обладнання. Фільтр попередньої очистки повітря встановлюють перед повітродувкою, щоб у неї не потрапляли пил та механічні забруднення повітря. Перевага віддається фільтрам простої конструкції, які можна регенерувати.

Після цього повітря потрапляє в головний повітряний фільтр, який використовують для підготовки повітря групи ферментерів. Фільтруючим матеріалом багатошарова конструкція яка складається з шару активованого вугілля висотою 700 – 900мм, над та під яким укладають шар скляної вати (100 – 150мм) для усунення можливості провалу та уносу частинок вугілля. Діаметр волокна скловати дорівнює 21 мікрометру.

Суттєве значення при виборі технології очистки повітря має стабілізація термодинамічних показників, так як вологість повітря має суттєвий вплив на ефективність очистки.

Головний повітряний фільтр встановлюється поблизу повітродувки, при роботі якої повітря внаслідок адіабатичного стискання нагрівається до 120–180С і вище. Якщо повітря, що поступає у ферментер має температуру вищу за 60С, його необхідно охолодити, для чого встановлюються кондиціонери, що охолоджуються водою. Для стабілізації потоку повітря і попередження його пульсацій потрібно мати ланцюг часової затримки цю роль може виконувати місткість – ресивер.

Для остаточного очищення повітря перед кожним ферментером встановлюється індивідуальний повітряний фільтр. Фільтруючим матеріалом може бути тонка скляна вата, волокна якої мають діаметр не більше 1 – 2мкм широко використовують базальтове тонке та супертонке волокно (БСТВ). Діаметр волокна дорівнює 0,7-1,0мкм.

Конструкція цього фільтра є дещо складною, оскільки для завантаження та розвантаження необхідно виймати із фільтра фільтруюче завантаження. Часто її укладають недостатньо точно, що не забезпечує необхідної щільності, і тому повітря частково проникає безпосередньо із кільцевого простору вгору на вихід, обминаючи фільтруючий шар.

Широке розповсюдження мають фільтри в яких фільтруючі елементи виготовлені з тканини Петрянова (ацетилцелюлози).

У зв’язку з тим, що при виробництві ферментних препаратів напір повітря із повітродувки не перевищує 5–6 м вод.ст., бажано знизити втрати напору в повітряних фільтрах. Цього можна досягти, використовуючи як фільтруючий матеріал тканину Петрянова. Переваги цієї тканини перед іншими фільтруючими матеріалами в тому, що спостерігається малий опір рухові повітря і висока ефективність стерилізація повітря.

До недоліків відносяться недостатня механічна міцність і швидке псування при змочуванні. Тому необхідно приймати заходи для захисту тканини від змочування конденсатом пари в процесі стерилізації ферментеру.

Вибір конструкції (типу) фільтра обумовлює вибір методу стерилізації. Фільтри в яких використовуються мінеральні волокна, керамічні або металокерамічні перегородки стерилізують гострою парою. Для фільтрів з полімерних волокон загальновизнаним є метод стерилізації хімічними речовинами-аерозолем формаліна.

Існує цілий набір методів стерилізації повітря, але всі вони повинні гарантувати ефективність вилучення контамінантів Е=99,999999%. В біотехнологічній практиці застосовується типова багатоступенева система очистки, яка дозволяє послідовно вилучати механічні та мікробні контамінанти.

Нами пропонується використати стандартну очистку, яка складається з блоків:

• Попереднє очищення повітря;

• Стабілізація термодинамічних параметрів повітря;

• Стерилізація повітря у головних фільтрах;

• Стерилізація повітря в індивідуальних фільтрах