МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Институт инновационных технологий и биоиндустрии продуктов питания
Кафедра «Биотехнология и технология продуктов биоорганического синтеза»
Дисциплина «Микробиологические основы расширения ассортимента биотехнологической продукции»
РЕФЕРАТ
«Способы, обеспечивающие исключение попадания посторонней микрофлоры в процесс. Способы стерилизации»
Выполнила: студентка
гр. 16-ЗАТБ-МАГ
Шаболдина А.С.
Проверил:
Доц. Индисова Г.Е.
Москва 2017
Оглавление
Введение. 3
Асептические производства. 4
Способы стерилизации. 5
Проблемы стерилизации. 10
Системы очистки газовоздушных выбросов биотехнологических производств. 15
Деконтаминация воздуха и производственных поверхностей. 18
Список литературы.. 19
Введение
Безопасность биотехнологических процессов и производств для персонала и окружающей среды обеспечивается соблюдением проектной документации при строительстве объекта и технологического регламента производства. Безопасность использования биотехнологических продуктов обеспечивается соответствием качества препаратов техническим условиям, соблюдением инструкции или технологического регламента их применения.
Ряд компонентов сырья, некоторые виды готовой продукции при попадании в атмосферу производственных помещений могут отрицательно влиять на здоровье работающих, создавать пожаро- и взрывоопасные аэрозоли, а при недостаточной очистке технологических выбросов в окружающую среду - загрязнять ландшафт на значительных расстояниях от предприятия. Вредность биотехнологических производств может определяться как химическими, так и биологическими факторами. Поэтому при проектировании биотехнологических предприятий вопросам техники безопасности, промышленной санитарии и охраны окружающей среды уделяется особое внимание.
В отношении техники безопасности разработаны отраслевые нормативы. Кроме того, на всех предприятиях обязательно составляется действующая внутри завода документация по технике безопасности - общезаводские и общепроизводственные инструкции для рабочих мест по всем стадиям и видам работ, отраженным в производственных регламентах. Регламенты обязаны содержать полные данные об отходах, технологических выбросах и стоках, конкретные рекомендации по их очистке, обезвреживании, утилизации или уничтожению. Безусловно, в той же мере это касается всех видов основной и побочной товарной продукции, выпускаемой и реализуемой биотехнологическим предприятием.
Наиболее надежным способом обеспечения биобезопасности биотехнологических производств является организация производства с соблюдением правил асептики.
Асептические производства
Асептика - это комплекс инженерно-технологических мероприятий, направленных на:
· предотвращение попадания посторонней микрофлоры в технологический процесс, что обеспечивает эффективность технологии и получение продукта требуемого качества;
· предотвращение попадания культивируемого биологического объекта с воздушными выбросами и техногенными потоками в окружающую среду.
Технологические процессы по степени асептики различают:
· асептические, полностью исключающие попадание посторонних микроорганизмов в процесс и попадание продуцента в окружающую среду;
· условно-асептические, допускающие присутствие посторонней микрофлоры в технологическом процессе и попадание клеток биологического объекта в регламентируемых количествах в окружающую среду;
· не асептические.
Все технологии, в которых используются патогенные штаммы микроорганизмов, вирусы, культуры клеток растений и животных, а также процессы получения продуктов для медицинских целей, осуществляются в условиях асептики.
Асептические условия производства обеспечиваются специальным оборудованием и технологией. В подобных процессах проникновение в реакционный объем ферментера даже одного постороннего микроорганизма означает нарушение технологического режима и может привести к получению некондиционного продукта. А попадание клеток продуцента в окружающую среду может привести к заболеванию персонала.
Методы, применяемые для исключения попадания в процесс посторонней микрофлоры основаны на задержании или уничтожении микроорганизмов в потоках, поступающих в технологический процесс.
Способы стерилизации
Предотвращение проникновения посторонней микрофлоры в процесс обеспечивается:
· стерилизацией воздуха, питательной среды и всех поступающих потоков;
· стерилизацией оборудования и коммуникаций;
· герметичностью оборудования;
· использованием специальных методов и приборов для отбора проб и контроля;
· поддержанием асептических условий в течение процесса культивирования.
К способам, основанным на принципе задержания микроорганизмов, относится стерилизующая фильтрация. Этот способ обеспечивает полное или частичное задержания микроорганизмов в зависимости от используемых фильтров. Способ широко применяется для очистки воздуха, поступающего на аэрацию, и жидкостей, особенно на конечных стадиях производства фармацевтических препаратов.
К способам стерилизации, основанным на уничтожении микроорганизмов, относятся термическая, химическая и радиационная стерилизация.
Выбор способа стерилизации определяется возможностью достижения заданной степени стерильности, а также экономическими факторами и сложностью используемого оборудования. В промышленности нашли широкое применение периодический и непрерывный способы стерилизации сыпучих веществ глухим (реже - острым) водяным паром.
Для стерилизации жидких сред могут применяться все вышеперечисленные методы, а также декомпрессионное воздействие, стерилизующая фильтрация, центрифугирование и электростатическое осаждение.
В наибольшей степени всем требованиям при выборе способа стерилизации отвечает метод стерилизации водяным паром, который обладает следующими преимуществами:
· легко транспортируется;
· хорошо проникает в труднодоступные места;
· обладает большой теплоотдачей при конденсации;
· не токсичен для персонала и микроорганизмов;
· относительно дешев;
· не изменяет состава питательной среды.
Существенным фактором, обеспечивающим надежную стерилизацию при тепловой обработке, является продолжительность процесса. Причем устойчивость к температуре зависит от вида микроорганизма. По сравнению с вегетативными клетками, споры бактерий устойчивее при термической обработке в сотни тысяч раз.
В связи с этим при расчетах аппаратов и установок для термической стерилизации и выбора режимов процесса ориентируются на константы гибели наиболее термоустойчивых спор бактерий Bacillus stearotermophilus (штамм 1518), имеющих следующие параметры: константа Аррениуса А0 =1,6-1036-с-1;энергия активации гибели микроорганизмов Ег = 284,3 кДж/моль.
Сферы применения, предосторожности и ограничения данных способов стерилизации представлены в табл. 1.
Наиболее эффективными способами термической стерилизации являются автоклавирование для малогабаритных аппаратов и обработка крупногабаритных аппаратов и трубопроводов острым паром под давлением не менее 0,3 МПа (3 кгс/см2).
Для стерилизации отдельных блоков аппаратов, датчиков измерительных приборов и регуляторов, не выдерживающих высокотемпературной паровой стерилизации, применяется химическая стерилизация. В качестве агентов химической стерилизации используют формальдегид, оксид этилена, перекись водорода, щелочи, спирты, кислоты.
Для обеззараживания жидкостных потоков в отдельных случаях также применяются химические стерилизующие агенты (вещества, обладающие асептическим действием). Основная проблема в этом случае - устранение стерилизующего агента из питательной среды после инактивации микрофлоры перед внесением в среду посевного материала. Химические агенты должны быть не только высокоэффективны, но и легко разлагаться при изменении условий после завершения стерилизации. К числу лучших химических стерилизующих агентов относится p-пропиолактон, обладающий сильным биоцидным действием и легко гидролизуемый в молочную кислоту.
К физическим методам стерилизации относится радиационная стерилизация, гибель живых клеток микроорганизмов за счет ионизирующего излучения. В силу ряда причин (в том числе из-за необходимости приобретения и эксплуатации мощных источников излучения) этот способ не нашел широкого применения в биотехнологии.
Для стерилизации небольших потоков технологической воды в ряде процессов используется ультрафиолетовое облучение.
Табл. 1. Характеристика способов стерилизации
| Метод | Процедура | Сфера применения | Предосторожности | Ограничения применения |
| Сухой жар | Прямое действие сухого жара +190 °С (80 мин) или +160°С (130-160мин) | Стеклянные лабораторные принадлежности изделия из металла | Высокая температура может повредить изделия из тонкого проката или тонкой проволки | Ограничения по материалу: высокотемпературная экспозиция может привести к изменению материала |
| Автоклавирование (перегретый пар под давление) | Три действующих компонента: температура, водяной пар и давление. + 121 °С(15 мин) или +126 °С(10 мин) | Стекло, ткани жидкости при условии устойчивости Компонентов к высокой температуре, не ниже + 121 °С | Не рекомендуется для стерилизации большинства обычных пластиков | Необходимость обеспечении свободного оттока воздуха из изделий до началастерилизации; обычно применяется для мелких изделий |
| Газовая (этиленоксид) | Используется индивидуально, а также в смеси с фреоном или карбондиоксидом +55-60°С (2-3ч) или +27-33°С (5 ч 30 мин) | Практически любые мате- риалы за редким исключением | Требуется постстерилизационная вентиляция для удаления остатков газа, которые могут быть токсичными | Этиленоксид - газ токсичный и взрывоопасный; процедура стерилизации не экономична |
| Гамма- радиация (радиоактивный источник -кобальт) | Радиация, излучаемая соответствующим источником частиц | Широко при- меняется для стерилизации одноразовых изделий; радиационная доза рассчитывается исходя из радиационной бионагрузки | Свойства некоторых материалов могут изменяться под влиянием гамма-радиации нежелательным образом | Нежелательное воздействие на свойства материалов имеет кумулятивный эффект и повторная стерилизация после использования не допускается |
| Бета-радиация (ускоритель частиц) | Электронный поток высокой энергии | |||
| Химическая | Вещество в виде паров | Минимально используется в промышленности | Токсичен | Требует специального оборудования |
Метод ультрафильтрации является идеальным для стерилизации термически неустойчивых жидких и газовых потоков, поскольку может осуществляться при низкой температуре и требует лишь градиента давления по разные стороны мембраны. Реализация данного способа зависит от наличия термостойких мембран, выдерживающих многократную стерилизацию.
Наиболее широко в биотехнологии применяются методы тепловой стерилизации. В зависимости от способов культивирования биообъекта или специфики получаемых продуктов биосинтеза тепловая стерилизация осуществляется периодическим или непрерывным способом.
При периодической стерилизации процессы нагревания, выдержки и охлаждения среды протекают последовательно во времени в одном аппарате. Это может быть ферментер, посевной аппарат, или специальный стерилизатор. Весь объем среды нагревают в аппарате до заданной температуры, выдерживают при этой температуре строго определенное время и охлаждают водой, подаваемой в рубашку аппарата или змеевик. Метод отличается простотой и надежностью, но имеет свои недостатки: ухудшается качество питательной среды из-за длительного воздействия высокой температуры (возможна карамелизация глюкозы, разрушение витаминов и др.); требуется повышенный расход пара для нагревания среды; периодический процесс труднее поддается автоматизации.
При непрерывном способе стерилизации каждый процесс - нагревание, выдержка и охлаждение - осуществляется в отдельном аппарате, которые последовательно соединены между собой. Установка непрерывной стерилизации состоит из нагревателя, выдерживателя и холодильника (рекуператора тепла). В такой системе можно применять более высокие температуры, чем те, которые считаются экономичными при периодическом способе стерилизации. В результате продолжительность выдерживания среды при максимальной температуре резко сокращается, а периоды нагревания и охлаждения не превышают нескольких секунд.
Стерилизация жидких сред чаще всего проводится в непрерывном режиме с использованием установки непрерывной стерилизации.
Основными элементами установки являются: нагреватель и выдерживатель.
Нагреватель обычно представляет собой колонну и предназначен для непрерывного и быстрого (за несколько секунд) нагревания питательной среды острым паром. В этом случае достигаются оптимальные условия стерилизации.
Выдерживатель предназначен для обеспечения равного времени пребывания каждого элементарного объема среды в аппарате. Этому соответствует аппарат идеального вытеснения. Для приближения к такому режиму работы в зоне входа жидкости в аппарат устанавливают различные распределительные устройства. Сам аппарат представляет собой выдерживатель трубчатого типа, состоящий из вертикальных труб диаметром 0,4-0,6м и длиной 6-8м. Для поддержания температуры стерилизации трубы либо покрывают изоляцией, либо подают в «рубашку» пар.
Одним из важнейших требований к холодильникам и рекуператорам является сохранение достигнутой стерильности среды. Поэтому используются пластинчатые теплообменники, а в последнее время - и охладители мгновенного охлаждения (быстродействующие испарители).
Сыпучие среды, используемые для получения кормовых добавок и ферментов поверхностным способом, стерилизуются паром или инфракрасными лучами.
Наиболее часто для стерилизации аппаратуры и трубопроводов применяется тепловая обработка насыщенным паром.
Проблемы стерилизации
Важнейшим условием эффективности стерилизации оборудования является создание во всех точках внутренних полостей необходимой температуры и поддержание ее в течение заданного времени.
Трудности выполнения этого условия связаны с наличием многочисленных тупиковых полостей, выступов и неравномерной интенсивности теплоотдачи в окружающую среду.
В процессе тепловой обработки внутренних полостей аппаратов происходит конденсация пара у стенки с образованием пленки, под которой образуется слой воздуха - «воздушный барьер», резко снижающий коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. В особо неблагоприятных условиях находятся такие элементы обвязки ферментера, как кольцевые зазоры в местах ввода датчиков КИП, тупиковые штуцеры, торцевые уплотнения и т. п. Заметное количество воздуха, скапливающееся в них, вызывает снижение эффективности стерилизации. Кроме того, за счет теплопроводности стенок штуцеров температура в них падает быстрее, чем в основном объеме аппарата. Все это вынуждает увеличивать продолжительность обработки аппарата для достижения требуемого критерия чистоты в наиболее трудностерилизуемых местах.
Анализ схем обвязки ферментеров показывает, что они состоят из одинаковых типовых элементов. Для предотвращения проникновения посторонней микрофлоры все материальные линии аппаратов должны быть оснащены термическими затворами, в которые постоянно подается пар и удаляется в канализацию образующаяся пароконденсатная смесь.
Другими опасными местами являются тупиковые полости, которые образуются в местах ввода в аппарат различных встроенных элементов - змеевиков, барботеров, труб передавливания и т. п., а также тупиковые полости на трубопроводах, часто возникающие за счет ошибочных конструкционных решений.
Расчетным путем можно показать, что для достижения равной степени стерилизации в перечисленных «слабых» точках и в объеме ферментера продолжительность выдерживания различается примерно в 100 раз, если принять температуру пара в них 100 °С.
Наиболее действенной мерой повышения эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций является ликвидация «слабых» точек. Способы их устранения зависят от конструктивных особенностей конкретного элемента. Например, стерилизуемость тупиковых полостей может быть повышена либо уменьшением длины полости (штуцера), либо принудительной подачей в нее пара.
Второй процесс, определяющий конструктивные особенности аппаратуры, - ее герметизация. Герметизация решает две задачи: защиту внутреннего объема от посторонней микрофлоры и защиту окружающей среды от биообъектов и продуктов биосинтеза.
Проблема обеспечения герметичности усложняется рядом причин: резким различием параметров проведения разных стадий технологического процесса (например, стерилизации и культивирования), вибрацией аппаратуры при работе перемешивающих устройств, крутящими моментами за счет разницы температур, различной степенью затяжки болтовых соединений и т. п.
Большинство случаев разгерметизации приходится на арматуру, в которой наиболее опасные места - это уплотнение соединения седло-клапан, уплотнения на фланцевых соединениях, уплотнения валов мешалок и места ввода датчиков КИП в аппараты.
В целях повышения эффективности герметизации осуществляется переход на сварные соединения вместо фланцевых, на сильфонные или мембранные вентили вместо обычных, на создание торцевых уплотнений для валов перемешивающих устройств с контролируемой герметичностью.
Наиболее трудно стерилизуемыми в аппаратах являются тупиковые зоны, места ввода различных встроенных элементов (змеевиков, барботеров и др.), датчиков КИП, разводных трубопроводов, места их присоединения к аппарату, а на трубопроводах - места между штуцером и участком трубы до вентиля.
Для предотвращения попадания посторонней микрофлоры все материальные линии аппаратов должны быть оснащены термическими затворами, через которые постоянно подается пар и удаляется в канализацию образующаяся пароконденсатная смесь.
Термический затвор стерилизуется одновременно с аппаратом. При этом пар подается через полностью открытые вентили на линии пара и на трубопроводе, а вентиль на линии конденсата приоткрывают так, чтобы в стерилизуемой линии обеспечивалось требуемое давление.
Повышение эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций связано с конструктивным совершенствованием аппарата и конкретных элементов.
Одним из важнейших этапов биологических процессов является получение инокулята - посевного материала. Технологическая стадия получения инокулята представляет последовательное размножение чистой культуры (или ассоциативной культуры определенного состава) на питательных средах увеличивающегося объема для получения необходимого количества материала, которым засевается используемый ферментер.
Подготовка инокулята осуществляется сначала в лабораторных условиях (хранение чистой культуры и первый этап культивирования музейных культур), а затем в посевных аппаратах увеличивающегося объема. Объем используемых при этом аппаратов определяется объемом промышленного аппарата.
Чистота инокулята обеспечивается соблюдением техники микробиологических работ и необходимых санитарно-гигиеническихусловий в помещениях, где проводятся работы.
При накоплении биомассы посевного материала в требуемых количествах инокулят передавливают стерильным сжатым воздухом по посевному коллектору в промышленный аппарат.
Для обеспечения безопасности персонала и жителей селитебных зон на выходе из аппарата отработанного воздуха, содержащего аэрозоль с клетками микроорганизмов, устанавливается термический затвор, в котором инактивируются живые клетки.
Важным технологическим процессом является подготовка воздуха, состоящая из его очистки от механических включений и стерилизации.
Воздух в микробиологических процессах в значительных количествах используется для аэрации при глубинном культивировании аэробных микроорганизмов. Воздух, подаваемый в ферментер, не только снабжает растущую культуру кислородом, но и отводит газообразные продукты обмена и тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе развития, обеспечивает однородность микробной суспензии, увеличивает скорость массопередачи и перемешивания жидкой питательной среды.
Воздух также используется для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях.
Отработанный воздух, отводимый от технологического процесса и из лабораторных и производственных помещений, также должен подвергаться очистке от клеток биообъекта.
Высокая степень очистки воздуха от микроорганизмов обеспечивается использованием методов фильтрации через волокнистые (бумага, картон), пористые (полимерные пленки, металлы, керамика) или зернистые материалы с последовательно расположенными фильтрующими элементами. Фильтрующий материал (при возможности) стерилизуется через заданные промежутки времени подачей острого пара в отключенный фильтр.
Наиболее часто используются фильтрующие материалы на основе ткани Петрянова, представляющей собой полотно из синтетической ткани с различным диаметром волокон:
-ФПП-15(dB = 1,5 мкм) - из перхлорвинила;
-ФПП-25(i dB = 2,5 мкм) - из перхлорвинила;
-ФПС-15(dB = 1,5 мкм) - из полистирола;
-ФПФС-15(dB = 1,5 мкм) - из полифторстирола, выдерживающие нагрев до 150 °С, что позволяет проводить стерилизацию острым паром;
-ФПА-15(dB = 1,5 мкм) - из ацетатцеллюлозы, которую такжеможно стерилизовать острым паром.
Для гарантированного обеспечения стерилизации воздуха важен режим стерилизации самой системы, и в первую очередь фильтрующих материалов, что зависит от вида, толщины материала и продолжительности стерилизации.
Наиболее современными конструкциями являются фильтры кассетного и патронного типа в зависимости от типа фильтрующего материала.
Конструкции аппаратов должны обеспечивать два главных требования:
•максимальную перпендикулярность движения газа к поверхности насадки;
•движение газа только через слой фильтрующего материала. Для того, чтобы газ не проникал в зазор между корпусом и насадкой, величина зазора должна быть одного порядка с зазором между волокнами. Поэтому обычной установкой вырезанных матов или листов на опорную решетку достичь такого уплотнения не удается. В таких случаях для волокнистых материалов большой толщины или непрочных используют фланцевые конструкции; для тонких и гибких материалов - патронные. Переток воздуха через зазоры устраняют герметизацией краев насадки или зажатием их между фланцами.
Эффективность работы системы очистки и стерилизации воздуха складывается из ряда факторов, к которым относится и правильный выбор фильтрующего материала, зависящий от требуемой степени очистки и размера проникающих частиц аэрозоля.
В технологиях условно-асептических процессов проводится частичная стерилизация потоков, поступающих на стадию культивирования. Как правило, это тепловая стерилизация исходной питательной среды и соблюдение всех мероприятий, направленных на получение чистой культуры - инокулята, а также на создание условий культивирования, благоприятствующих росту промышленного штамма. Подаваемый воздух, как правило, в этих процессах не стерилизуется.