Аппаратное оснащение биотехнологического производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. Аппаратное оснащение биотехнологического производства

1.1 Принципы технического оснащения биопроизводств

1.2 Техническая вооруженность биотехнологических процессов

1.3 Аппаратурное оснащение микробиологических производств

1.4 Подготовка стерильного сжатого воздуха и очистка отработанного воздуха

1.5 Способы очистки воздуха

1. АППАРАТНОЕ ОСНАЩЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Принципы технического оснащения биопроизводств

технический микробиологический стерильный ферментация

В большинстве случаев биотехнологические процессы рассчитаны на использование живых клеток и тканей различного происхождения, и даже в инженерной энзимологии применение молекул ферментов сопряжено с рядом ограничений, присущих живым клеткам или тканям. К их числу относят поддержание оптимальных температуры (достаточно низкой), рН, стерильности, концентрации растворенного кислорода (в случаях эксплуатации биообъектов - аэрофилов). Микробные клетки, за редким исключением (например, микоплазмы), и клетки растений имеют клеточную стенку, которой не обладают клетки животных организмов; вирусы как организованные частицы реплицируются и паразитируют на живых культурах клеток или в тканях, поэтому отмеченные выше ограничения относятся больше к этим последним, а не к вирусным частицам. Наличие клеточной стенки у биообъекта заведомо обеспечивает ему более высокую устойчивость в различных условиях существования, чем биообъектам, лишенным клеточной стенки. Даже при большой густоте, например, бактерий, они активно размножаются, если им обеспечиваются достаточные пищевые потребности.

Таким образом, особенности биообъектов обусловливают следующие принципы технического оснащения биопроизводств:

конструкционное совершенство и относительная универсальность биореакторов;

инертность, или коррозионная стойкость материалов биореакторов и другого технологического оборудования, вмещающих биообъект или контактирующих с ним или продуктами его метаболизма;

эксплуатационная надежность технологического оборудования;

доступность, эстетичность и легкость обслуживания, замены, смазки, чистки, обработки антисептиками или дезинфектантами узлов и соответствующих частей оборудования.

Согласно первому принципу желательно конструировать такие биореакторы, которые можно использовать для реализации биотехнологических процессов, основанных на использовании разных биообъектов (бактерий, грибов, клеток растений и млекопитающих). Под совершенством и относительной универсальностью следует понимать возможность создания оптимальных условий культивирования разных биообъектов в одном и том же биореакторе с автоматическим регулированием заданных параметров.

Второй принцип технического оснащения касается инертности материалов, используемых для изготовления биореакторов и другого технологического оборудования. Это означает, что в процессе культивирования биообъекта как будто не будет происходить его взаимодействия (равно как и продуктов метаболизма) с металлическими и неметаллическими конструкциями, постоянно или временно находящимися в контакте с ним.

Реально при выборе конструкционных материалов ферментаторов необходимо учитывать тот факт, что эти аппараты в процессе работы подвергаются механическим, химическим и физическим (тепловым) воздействиям.

Весьма существенно также влияние на стенки аппарата интенсивных газожидкостных потоков, кавитации, вибрации; содержание в среде абразивных примесей -- частиц масла и муки -- создает дополнительный истирающий эффект.

Для обеспечения стерильности необходима систематическая обработка аппарата моющими средствами и антисептиками (растворами триполифосфата, хлорамина, формалина).

Материалы, идущие на изготовление ферментационного оборудования, должны быть химически стойкими и не подвергаться коррозии в течение длительного времени эксплуатации.

Третий принцип технического оснащения биопроизводств касается эксплуатационной надежности технологического оборудования. Эта надежность обеспечивается соответствием аппаратов, приборов и другого оборудования целевому назначению, в частности, по конструкционному совершенству, полностью обеспечивающему оптимальные условия для протекания технологического процесса и контроля за ним (в том числе, с учетом требований по технике безопасности). Лишь в подобных случаях достигают максимально возможной интенсивности работы оборудования, то есть его производительности, отнесенной к выбранной основной единице, например, количество упаренной воды в расчете на 1 час и на 1 м² поверхности нагрева: критерием оптимальности работы аппарата выступает себестоимость продукции.

Рассмотренный третий принцип напрямую связан с экономикой биотехнологического процесса. Оборудование с высокими конструктивными и эксплуатационными показателями обеспечивает, как правило, и высокие экономические показатели.

Четвертый принцип технического оснащения биопроизводств касается эстетичности, легкости и удобства обслуживания, замены, смазки, чистки, обработки антисептиками или дезинфектантами узлов и соответствующих частей оборудования.

Любой прибор или аппарат, легко доступный для сборки и разборки, загрузки материалами, питательными средами и выгрузки, для чистки, мойки, смазки, ремонта и пр., оценивается выше, чем оборудование с усложненным доступом к его частям.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. Применительно к ферментаторам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м³, промышленные емкостью 10-100 м³ и более.

1.2 Техническая вооруженность биотехнологических процессов

Техническую вооруженность биотехнологических процессов целесообразно условно ограничить аппаратурным оформлением производств, базирующихся на культивировании: 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканей растений, 3) клеток и тканей животных организмов и человека. Такое подразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращивают в однотипных биореакторах, имеющих почти однотипную обвязку, в которую входят: ферментатор, многокорпусный вентиль стерильный (для подачи питательной среды, посевного материала, подпитки и пр.), системы регулирования рН, t°, подачи пеногасителя, система контроля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель.

Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как бактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чем большинство бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы в аппаратурное оформление соответствующих биотехнологических процессов.

Культуры клеток животных и человека, не имеющие клеточных стенок, являются более ранимыми и требовательными к условиям своего существования, чем клетки других эукариот и прокариот. Поэтому оборудование для них можно отнести к разряду "тихоходного", обеспечивающего нежное обращение с биообъектами.

К. Шюгерль в 1982 г. предложил подразделить биореакторы на 3 основные группы согласно способу потребления энергии для перемешивания и диспергирования стерильного воздуха (газа):

--в биореакторах I типа энергия расходуется на механическое движение внутренних устройств;

в биореакторах II типа энергия расходуется на работу внешнего насоса, обеспечивающего рециркуляцию жидкости и/или газа;

в биореакторах III типа энергия расходуется на сжатие и подачу газа в культуральную жидкость. На рис. 1 схематично изображены некоторые из таких биореакторов.

Рис. 1. Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии на механическое движение внутренних устройств а - 1. 2, 3; с расходом энергии на работу насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б - 4; с расходом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в - 5 (г - газ, ж - жидкая фаза, д - двигатель).

1.3 Аппаратурное оснащение микробиологических производств

Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиков продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микробов - продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений). Были предложены различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными по большинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них (рис. 2).

Рис. 2. Ферментатор периодического действия

1 - турбинная трехярусная мешалка, 2 - охлаждающий змеевик, 3 - секционная рубашка, 4 - отражательная перегородка, 5 - барботер, П-пар); I-XI - материальные и вспомогательные трубопроводы с запорно-регулирующими устройствами (I - посевная линия, II -подача стерильного сжатого воздуха, III - подача пара, IV - удаление отработанного воздуха, V - загрузочная линия, VI - линия введения добавок, VII - подача пеногасителя, VIII - подача моющего раствора, IX - пробоотборник, X - выдача продукта, XI - выдача в канализацию через нижний спуск).

В последние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми волокнами и некоторые другие.

При расчете и конструировании биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.

Некоторые технические характеристики промышленного биореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики биореакторов

Примечание: 1* - зависит от коэффициента заполнения, 2* - имеется одна мешалка; 3* - диапазон регулируемой частоты вращения мешалки.

Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания (таблица 34): газовой фазой (ФГ). жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкой фазами (ФЖГ).

С использованием указанных выше классификаций удается разработать единые методы инженерных расчетов основных конструктивных элементов и режимов работы ферментаторов.

Таблица 2 - Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для перемешивания

Ферментаторы указанных трех групп имеют большое количество общих элементов. Различие же состоит в конструкциях аэрирующих и перемешивающих устройств.

Широкое распространение в производстве кормового белка получили ферментаторы с самовсасывающими мешалками. Это ферментаторы из группы ФЖ. Для выращивания чистой культуры дрожжей созданы ферментаторы вместимостью 0.32, 3.2 и 5.0м³.

На предприятиях микробиологической промышленности при выращивании дрожжей в средах с жидкими парафинами также применяют ферментаторы с самовсасывающими мешалками непрерывного действия.

Ферментаторы периодического действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ (см. рис. 1). Его конструкция обеспечивает стерильность ферментации в течение длительного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментаторы такой конструкции изготавливают на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 и 160,0 м³

Эффективность работы ферментатора определяется прежде всего необходимой интенсивностью перемешивания. Перемешивающие устройства служат для сохранения равномерного температурного поля по всему объему аппарата, своевременного подвода продуктов питания к клеткам и отвода от них продуктов метаболизма, а также интенсификации массопередачи кислорода.

Для культуральных жидкостей с высокой структурной вязкостью наиболее эффективными являются открытые турбинные мешалки с шестью лопастями.

Важным элементом в конструкции ферментатора являются теплообменные устройства. Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание - все эти факторы сказываются на существенном возрастании тепловыделений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата - четыре змеевика.

1.4 Подготовка стерильного сжатого воздуха и очистка отработанного воздуха

Одной из важных задач биотехнологии является получение большого количества стерильного воздуха. В наибольших масштабах стерильный воздух применяется в процессах ферментации для аэрации. Его также используют для вентиляции участков цехов так называемой стерильной зоны, где в асептических условиях проводят, например, последние стадии очистки готового продукта. В атмосферном воздухе, наряду с инертными газами, азотом, кислородом, диоксидом углерода, содержатся пары воды и мелкодисперсные частицы. Более 30% массы частицы имеют размер 1-2 мкм и около 50% -- меньше 0,5 мкм. В состав дисперсных частиц, наряду с частицами пыли, копоти, входят клетки и споры микроорганизмов как в свободном, так и в сорбированном на пылевых частицах виде.

Температура и влажность наружного воздуха, количество в нем пылинок и микроорганизмов непостоянны и зависят от времени года (микроорганизмов летом в 10 раз больше, чем зимой), погодных условий - наибольшее количество пыли и, соответственно, микроорганизмов приходится на сухую ветреную погоду, географического расположения предприятия, высоты забора воздуха и т. д. Особенно много микробов у поверхности земли, с высотой концентрация их убывает и становится постоянной на уровне около 30 м над землей.

1.5 Способы очистки воздуха

Очистку воздуха можно осуществить принципиально разными методами, основанными либо на уничтожении микроорганизмов, либо на удалении их. Одним из самых эффективных способов стерилизации воздуха является облучение ультрафиолетовыми лучами. Этот метод используется для обеззараживания воздуха в боксах.

Отечественным и зарубежным опытом показано, что технологически и экономически оправданным в промышленности является способ очистки воздуха с помощью волокнистых и пористых материалов. Таким путем удается получить воздух со степенью чистоты 99,9999%. Взвешенные в воздухе частицы задерживаются волокнистым материалом благодаря инерционному и диффузионному механизмам осаждения. В общих чертах механизм инерционного осаждения основан на том, что когда воздушный поток начинает обтекать нить волокна на своем пути, взвешенные в этом потоке частицы движутся по инерции, отклоняются от потока воздуха и осаждаются на волокне. Эффект инерционного осаждения высок на сравнительно грубых волокнах для относительно крупных частиц и высоких скоростей воздуха. Малые частицы способны к броуновскому движению. Движущиеся вблизи волокна частицы диффундируют в случайных направлениях и могут задерживаться на поверхности волокон. Этот эффект осаждения увеличивается с уменьшением диаметра волокна фильтрующего материала, диаметра частицы и скорости воздуха.

Качество фильтрующего материала характеризуется коэффициентом осаждения (h):

где - начальная концентрация микробов в воздухе до фильтра, может быть принята из расчета максимального содержания 5000 клеток в 1 м³; СN = 0,001 -- конечная концентрация микробов в воздухе после фильтра, выбранная, исходя из вероятности проскока одной клетки на 1000 операций. Фильтрующий материал тем лучше, чем выше коэффициент осаждения.

Качество аэрозольных фильтров для очистки воздуха характеризуется коэффициентом проскока (Кпр):

Чем меньше Кпр тем качество фильтра выше.

Размещено на Allbest.ru