Глава 3. Оборудование для стерилизации питательных сред и теплообменные аппараты
Одним из главных условий в биосинтезе биологически активных веществ – обеспечение стерильности производства. В первую очередь это относится к стерильности компонентов питательной среды. Посторонние микроорганизмы, содержащиеся в питательной среде, должны быть разрушены или удалены. Процесс воздействия на питательную среду, при котором разрушаются или полностью удаляются микроорганизмы, называется стерилизацией.
В настоящее время в биотехнологической промышленности применяется достаточно эффективный метод стерилизации с применением влажного тепла. Устойчивость к теплу зависит от вида микроорганизмов. Споры плесневых грибов в 2-10 раз устойчивее по сравнению с неспороносной палочкой, вирусы и бактерии – в 2-5 раз, а споры бактерий - в 3000000 раз.
Выбор способа стерилизации и оборудования для этого процесса зависит от состава и свойств питательной среды, способа последующего культивирования микроорганизмов-продуцентов.
Классификация способов и оборудования для стерилизации твердых питательных сред
Стерилизация твердых питательных сред может осуществляться тепловым или холодным способом. Тепловая стерилизация осуществляется паром при атмосферном или избыточном давлении или при разрежении (под вакуумом); инфракрасными лучами; электронагревом; с помощью высокочастотного или сверхвысокочастотного нагрева.
Холодная стерилизация проводится с использованием ионизирующего излучения, окиси этилена, ультразвукового или радиоционного воздействия, фильтрации через стерилизующие фильтры.
По принципу действия стерилизация может проходить в периодическом или непрерывном режиме. Осуществляют процесс на аппаратах различных конструкций.
По конструкции стерилизаторы для твердых питательных сред делятся на горизонтальные одноступенчатые и двухступенчатые, вертикальные и совмещенные: одна ступень вертикальная, вторая – горизонтальная. Классификация стерилизаторов показана на рис. 3.1
Рис.3.1 – Классификация аппаратов для стерилизации твердых питательных средств
В качестве теплоносителя в большинстве стерилизаторов используют насыщенный водяной пар. Преимущества тепловой обработки паром: легкая транспортировка пара, способность проникать в труднодоступные узлы стерилизаторов, трубопроводов и арматуры, большая отдача тепла при конденсации, нетоксичность. Конденсат водяного пара не изменяет состава среды, а увлажняя её, способствует увеличению скорости гибели спор в 10-100 раз.
В газовых стерилизаторах используют окись этилена, которая циркулирует заданный период времени.
Жидкие среды также стерилизуют путем тепловой обработки водяным паром. Конструктивно стерилизаторы для жидких питательных сред имеют принципиальные отличия. Допускается стерилизация жидких сред непосредственно в ферментерах после их заполнения.
Стерилизация жидких растворов может быть осуществлена и путем удаления микроорганизмов при фильтрации через асбестоцеллюлозные мембранные фильтры.
Стерилизаторы горизонтального типа нашли широкое применение в микробиологической промышленности при стерилизации сыпучих сред.
Общий вид цилиндрического стерилизатора горизонтального типа показан на рис. 3.2.
Внутри цилиндра расположены два вала. На валах закреплены лопасти. Угол поворота лопастей можно регулировать. Это позволяет легко регулировать зазор между лопастями и стенками аппарата с учетом свойств обрабатываемой среды. Вращаются валы в разные стороны, что обеспечивает эффективное непрерывное перемешивание среды, снижает возможность её комкования, обеспечивает однородность среды разнокомпонентного состава.
Среду выдерживают необходимое время при заданной температуре стерилизации. В период выдержки периодически включают перемешивающие устройства. Выгрузку стерильной среды проводят через разгрузочный люк.
Стерилизатор имеет средства контроля и автоматического регулирования режимов стерилизации, многочисленные штуцера для подвода пара и отвода конденсата, подвода и отвода охлаждающей воды, установки манометра, предохранительного клапана.
Техническая характеристика аппарата:
| Масса загружаемых сухих компонентов среды, кг Производительность, кг/сут Допустимое давление, МПа Частота вращения мешалок, с-1 Установленная мощность электродвигателя, кВт Габаритные размеры мм диаметр длина Масса аппарата, кг | 1600-2400 0,2 0,25 |
Двухступенчатый стерилизатор горизонтального типа работает в периодическом режиме. Стерилизатор состоит из двух горизонтальных ступеней и емкостного вертикального выдерживателя. Каждая из ступеней состоит из 3 секций горизонтальных труб соединенных последовательно. Общая длина каждой ступени составляет около 7 м. Общий вид стерилизатора показан на рис. 3.3
Каждая секция снабжена рубашкой. В верхней ступени в секции подается пар под давлением 0,5-0,6 МПа.
Внутри каждой ступени расположен вал с лопатками. В верхней ступени на валу дополнительно установлены тормозные лопатки. Это способствует хорошему перемешиванию и равномерному прогреву среды. Стерилизация проходит при непрерывном движении среды. Перемещается среда с помощью винтового шнека.
Из стерилизатора среда поступает в выдерживатель. Выдерживатель – герметичный вертикальный аппарат с коническим днищем и перемешивающим устройством. Стерилизованная среда находится в выдерживателе в течение 60-90 мин. Для поддержания температуры стерилизации выдерживатель имеет паровую рубашку.
Из выдерживателя среда поступает в нижнюю ступень. Здесь происходит охлаждение среды, доувлажнение и засев суспензией посевной культуры.
Стерилизатор оборудован средствами автоматического контроля и регулирования параметров процесса.
Техническая характеристика стерилизатора:
| Производительность, кг/ч Верхней ступени (стерилизатора) Нижней ступени (увлажнителя) Емкость выдерживателя, м3 Габаритные размеры мм | 225-250 7000 х 2000 х 3000 |
Недостатки стерилизаторов горизонтального типа:
- неполное использование объема аппарата;
- забивание средой разгрузочного люка, что снижает надежность стерилизации;
- неполная выгрузка среды из стерилизатора.
Стерилизация сред токами высокой частоты проводится на высокочастотном стерилизаторе непрерывного действия. Отличительной особенностью высокочастотного нагрева материалов является:
- быстрый нагрев материала за счет преобразования энергии токов высоких частот в тепловую;
- скорость нагрева определяется напряженностью электрического поля, электрофизическими свойствами материала и не зависит от его геометрической формы.
Устройство и принцип действия высокочастотного стерилизатора показан на рис.3.4. Высокочастотный стерилизатор непрерывного действия состоит из высокочастотного генератора, загрузочного бункера 1 с роторным дозатором, токоведущей шины 2, механизма перемещения пластин конденсатора 3, двух плоскопараллельных пластин 4, ленточного термоустойчивого транспортера 5, дозатора стерильной воды 6, дозатора посевной суспензии 7, двухсекционного шнека 8, привода шнека 9 и привода транспортной ленты 10. Ленточный транспортер расположен внутри герметизированной и экранированной камеры. Его лента с питательной средой перемешается между пластинами конденсатора. По всей длине ленты имеются заградительные бортики, которые предопределяют толщину слоя материала.
Питательная среда загружается в бункер и из него равномерным слоем (30 мм) поступает на ленту транспортера. В зоне высокочастотного поля, создаваемого плоскопараллельным конденсатором, нагревается до температуры стерилизации. При выходе из зоны нагрева среда охлаждается за счет естественной теплоотдачи до 40-45 0С. С ленточного транспортера стерильная среда ссыпается в приемный бункер шнекового транспортера. В шнековом транспортере среда доохлаждается, увлажняется стерильной водой и засевается посевными культурами.
При размере рабочего конденсатора 800 х 500 мм, на расстоянии 30-80 мм, при напряженности поля 300 В/см и частоте тока 13-40,6 МГц можно достичь температуры 140-180 0С. Полная стерилизация среды с влажностью 10-12 % достигается за 120-160 с.
Преимущества высокочастотной стерилизации:
- непрерывность процесса;
- скорость нагрева среды в 18-20 раз выше по сравнению с тепловой стерилизацией;
- простота автоматизации процесса стерилизации;
- улучшаются технологические свойства среды.
Техническая характеристика высокочастотного стерилизатора непрерывного действия:
| Производительность, кг/ч Мощность высокочастотного генератора, кВт Мощность электродвигателя ленточного транспортера, кВт Мощность электродвигателя шнекового транспортера, кВт | 1,1 1,1 |