Оборудование для стерилизации воздуха

В микробиологическом производстве воздух широко применяют для аэрации при культивировании микроорганизмов-продуцентов. Поэтому даже незначительное содержание посторонней микрофлоры в воздухе могут привести к инфицированию питательной среды и резкому снижению выхода целевого продукта. При многосуточном культивировании продуцента расход воздуха может достигать 50-80 тыс.м³.

Воздух промышленных городов содержит от 5 до 150 мг/м³ пыли. Если эти цифры пересчитать на количество твердых частиц размером 5-150 мкм, то количество частиц будет колебаться в пределах 10⁶-10⁸. На частицах оседают различного вида микроорганизмы. Кроме того, они свободно витают в воздухе, и количество их может достигать до 2000 в 1 м³. Состав микрофлоры очень разнообразен, естественно и размер микробных клеток различен:

Размер клетки микроорганизмов необходимо учитывать при организации эффективной очистки воздуха, используемого в технологическом цикле. Осуществляется очистка путем фильтрации. Клетки должны задерживаться на фильтрах, а стерильный воздух поступает в технологическую линию.

Отечественная и зарубежная промышленность используют различные типы фильтров. Они подразделяются на ситовые (осаждение частиц на фильтре), инерционные, диффузионные и электростатические. С уменьшением размера частиц эффективность инерционного осаждения снижается, а диффузионного несколько возрастает. Особенно трудно поддаются удалению частицы с размером до 0,3 мкм. Поэтому при проектировании фильтрующих систем эту величину принимают в качестве расчетного размера.

Очистку воздуха для технологических целей начинают с очистки его от пыли и других механических частиц размером более 150 мкм. Для фильтров предварительной очистки основными характеристиками являются:

- эффективность очистки (степень очистки);

- тонкость фильтрации (максимальный диаметр пропускаемых частиц);

- пылеёмкость (максимальная масса задерживаемой пыли на единицу поверхности фильтра);

- сопротивление продуваемому воздуху.

После предварительной очистки воздух поступает на биологическую очистку. Для биологических фильтров основными критериями являются:

- коэффициент проскока (это отношение концентрации загрязнителя воздуха на выходе из фильтрующего блока к исходной);

- гидравлическое сопротивление (перепад давления потока воздуха на входе и выходе фильтрующего элемента).

Расчетная эффективность стерилизации воздуха достигается за счет многоступенчатой очистки. Схема такой очистки показана на рис. 3.19.

В заборнике воздух освобождается от крупных предметов (листья деревьев, кузнечики, птицы и др.), затем в специальном фильтре очищается от механических примесей и только после этого поступает в компрессор. В компрессоре он сжимается до 0,3 МПа, нагревается и поступает в теплообменник для охлаждения и конденсации влаги, В качестве охлаждающего агента используют раствор этиленгликоля. Осушенный воздух поступает в ресивер. Из ресивера воздух направляется в кожухотрубный теплообменник для нагрева, после чего очищается на головном фильтре и только после этого поступает на микробиологическую очистку частично в фильтре грубой очистки и полностью очищается от микроорганизмов в фильтре тонкой очистки.

Выходящий из ферментера воздух также подвергается очистке. Он высушивается от влаги и очищается от микроорганизмов до допустимой концентрации.

Фильтрующие материалы могут быть волокнистыми, пористыми и насыпными. Наибольшую группу представляют пористые материалы. Их можно разбить на четыре группы:

- волокнистые и нетканые материалы. Их структура напоминает многослойные, частично перекрывающиеся сетки;

- бумаги и картоны с более плотной структурой;

- спеченные керамические и порошковые зернистые материалы. Для них характерно наличие извилистых каналов с периодическими сужениями и расширениями по всей толще материала;

- пористые мембраны-пленки с определенным размером пор. Эта группа материалов относится к ситовым методам фильтрации.

Материалы первой группы используют в фильтрах грубой очистки воздуха. Обычно это инертные и дешевые стекловолокнистые материалы с диаметром волокон 7-21 мкм. Основным недостатком таких материалов является малая устойчивость при стерилизации острым паром.

Общим недостатком волокнистых и нетканных материалов следует считать изменение размеров и конфигурации фильтрующих каналов в процессе эксплуатации. Это может привести к неконтролируемым проскокам посторонних клеток.

Спеченные зернистые материалы (керамические, стеклянные, пластмассовые, металлокерамические) не меняют структуру, химически инертны, выдерживают любые методы стерилизации, дешевы и просты в изготовлении.

Фильтры для предварительной очистки воздуха используют для удаления из воздуха грубой пыли. Наиболее широкое применение получили ячейковые фильтры. Заполняют такие фильтры различными фильтрующими материалами. Существует множество типов таких фильтров: самоочищающиеся с гофрированной металлической сеткой, рулонные с ультратонким стекловолокном, панельные регенерируемые, рулонные с пенополиуретаном, ячейковые с винипластовой сеткой, ячейковые с упругим стекловолокном и др.

Широкое распространение получили ячейковые фильтры из гофрированных промасленных сеток конструкции Река. Предназначены они для очистки воздуха с запыленностью не более 5 мг/м³. эффективность очистки достигает 45-80 %. Ячейки этих фильтров заполнены 12 плетеными гофрированными сетками. Отверстия в сетках уменьшаются по ходу движения воздуха. При удельной производительности 4000 м3/м2·ч фильтры довольно хорошо очищают воздух. Сопротивление фильтра составляет 49 Па. По мере накопления пыли оно возрастает до 78,5 Па и фильтр останавливают на регенерацию. Сетки промывают в горячем растворе соды или 100 %-ном растворе едкого натра, сушат и погружают в масло.

Продолжительность работы фильтра до регенерации зависит от запыленности воздуха. При содержании пыли 5 мг/м³ работа фильтра до очистки составляет 70 ч, а при запыленности 0,5 мг/м³ – 800 ч.

Недостатком фильтров Река является необходимость частой регенерации.

В последние годы широко применяются самоочищающиеся масляные фильтры. Предназначены они для очистки воздуха с запыленностью до 10 мг/м³. Очистка воздуха от пыли происходит при прохождении его через две бесконечные непрерывно движущиеся сетки. Сетки смачиваются маслом, скорость первой сетки – 16 см/мин, а второй – 7 см/мин. При движении сетки проходят через масляную ванну и осевшая пыль смывается. Производительность таких фильтров может достигать от 40000 до 240000 м³/Ч.

При небольших объемах подачи воздуха хорошо зарекомендовали себя самоочищающиеся шторочные фильтры. Выпускают их производительностью 20, 40, 60, 80 и 120 м³/ч. Фильтрующим элементом таких фильтров являются профильные пластины с большим количеством каналов. Продолжительность их работы зависит от запыленности воздуха и может колебаться от 800 до 70 ч (содержание пыли составляет 0,5 мг/м³ и 5,0 мг/м³ соответственно). Коэффициент очистки воздуха достигает 80-90 %.

Фильтры для биологической очистки воздуха могут работать в периодическом или непрерывном режимах. Наиболее просты по устройству и широко применяются в промышленности глубинные фильтры (рис. 3.20). Они представляют собой емкость с перфорированными решетками внутри. Между решетками укладывается волокнистый фильтрующий материал. Плотность укладки фильтрующего материала колеблется от 100 до 500 кг/м³ зависит это от напора сжатого воздуха и его скорости (0,1-0,3 м/с). в качестве фильтрующего материала используют стекловолокно или базальтовые волокна ультратонкие и суперультратонкие. Толщина слоя из таких волокон не превышает 6 см, а плотность укладки 100 кг/м². общий вид фильтра показан на рис. 3.21. Фильтры имеют паровую рубашку и стерилизуются паром. Эффективность очистки воздуха достигает 99,999 %.

Глубинные фильтры могут быть и других конструкций: кассетные (рис. 3.21), фланцевые (рис.3.22), совмещенные

Недостатки глубинных фильтров:

- уплотнение фильтрующего материала в процессе эксплуатации;

- невоспроизводимость укладки фильтрующего материала;

- каналообразование;

- частая смена набивного материала;

- нежелательный контакт оператора с минеральным волокном.

Фильтры с применением фторопластовых материалов можно отнести к наиболее перспективным. Получают такие материалы из порошка методом спекания. Форма фильтрующего материала может быть в виде пластин, дисков или втулок. Толщина их около 4 мм. Фильтр для стерилизации воздуха с фторопластовым диском показан на рис. 3.23, с фторопластовыми цилиндрическими элементами на рис. 3.24.

Преимущества фторопласта заключается в его термостойкости и механической прочности.

Автоматизированные фильтрующие комплексы используются как для грубой, так и стерильной очистке воздуха, а также для очистки воздуха удаляемого из ферментеров. В комплексах используются новые материалы для стерилизующего фильтрования, получаемые методом порошковой металлургии. Спеченные зернистые материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, обладают высокой прочностью, легко контролируемые, дешевы и просты в изготовлении.

Комплекс для предварительной очистки воздуха показан на рис. 3.25. Фильтрующий комплекс со­стоит из двух фильтров со сменными фильтрующими элементами; фильтра парового для фильтрования острого пара при стерилизации комплекса; вентилей; дифманометров; термометров; электроаппа­ратуры и трубчатых электронагревателей.

Фильтры могут ра­ботать в автоматическом и ручном режимах управления.

Фильтр представляет собой цилиндрический корпус размерами 500 X 1200 мм, в котором расположено 60 металлокерамических элементов размерами 40 X 35 X 500 мм, и два трубчатых электронагревателя. Нагревательные элементы расположены со стороны входа воздуха в металлокерамические элементы и обеспечивают дезактивацию тех микроорганизмов, которые при ударном противотоке стерильным воздухом сдуваются с верхней стороны трубной решетки и других частей фильтра.

Воздух, проходя через поры фильтрующих металлокерамических элементов с пористостью 30-50 %, очищается от частиц размером более 1 мкм с коэффициентом проскока частиц диаметром 0,3 мкм не более 5 %.

В работе находится только один из фильтров, а второй является резерв­ным. При загрязнении фильтра (повышается перепад давления) фильтр автоматически отключается и в работу вводится резервный фильтр. Загрязненный фильтр подвергается регенерации и стерилизации с помощью элек­тронагревателей или острым паром при 130-150 °С в течение 40 мин, После предварительной очистки воздух поступает в следующую стадию очистки — бактериаль­ную.

Комплекс для биологической очистки воздуха показан на рис. 3.26. Такие комплексы не имеют принципиальных отличий от комплексов для грубой очистки воздуха. В состав комплекса также входят два фильтра с фильтрующими элементами тон­кой очистки, фильтр паровой для фильтрова­ния острого пара, ресивера, приборов контроля и автоматического регулирования всех процессов. Каждый фильтр содержит по 150 фильтрующих элементов.

Фильтр перед работой стерилизуют острым паром и просушивают обратным током стерильного воздуха. На фильтр подается воздух после грубой очистки. При повыше­нии перепада давления более чем на 91 кПа происходит автоматическое переключение подачи воздуха на резервный фильтр, а загрязненный регенерируется паром с последующей просушкой очищенным воздухом из ресивера

После каждого цикла ферментации комплексы стерилизуются острым паром.

Комплекс для биологической очистки отработанного воздуха не имеет принципиальных отличий от комплексов для очистки используемого воздуха (рис. 3.27). Он состоит из двух фильтров бактериальной очистки, ресивера и фильтра парового. В ресивер поступает очищенный воздух после второй ступени очистки. Используют его для регенерации фильтрующих элементов противотоком,

Перед подачей технологического воздуха из ферментера вклю­чают трубчатые электронагреватели и повышают температуру воз­духа в аппарате на 10-20 °С, после чего открываются задвижки и технологический воздух из ферментера поступает в фильтр,

Фильтр имеет корпус, в котором расположены 150 мелкопористых фильтрующих элемен­тов и влагоотделитель. Фильтрующие элементы закреплены на трубной решетке. Влагоулавливатель выполнен в виде диска из пористой перегородки или металлокерамического листа. Диск смонтирован с наклоном вверх таким образом, что только в самой нижней части он касается внутренней стенки корпуса, а по остальному периметру между перегородкой и корпусом имеется зазор. Наружный диаметр пористого диска больше внутреннего диаметра кольцевого ребра фильтра. Пористая перегородка и кольцевое ребро служат конструктивными элемен­тами для улавливания капель влаги.

Отработавший воздух из ферментера проходит в основном через каналы перегородки и частично через зазор. Таким образом, пористые фильтрующие элементы предохраняются от закупорки пор конденсированной влагой. Влага из пористой перегородки под действием капиллярных сил перемещается к внутренней стенке фильтра и стекает по ней на дно. При критической степени увлажне­ния перегородки, срабатывают автоматическое отключение фильтра и включение резервного фильтра. Отработавший фильтр регенерируют.

Допустимое содержание микро­организмов в очищенном воздухе, выпускаемом в атмосферу, должно быть не больше естественной концентрации клеток в воздухе.

Контрольные вопросы

1. Характеристика способов стерилизации питательных сред.

2. Классификация аппаратов для стерилизации твердых питательных сред.

3. Стерилизаторы горизонтального типа для твердых питательных сред.

4. Характеристика способов стерилизации жидких питательных сред.

5. Установки для непрерывной стерилизации жидких питательных сред.

6. Кожухотрубные теплообменные аппараты.

7. Характеристика пластинчатых теплообменников.

8. Принципы стерилизации воздуха, подаваемого в ферментер.

9. Автоматические фильтрующие комплексы.