Получение стерильного воздуха

В аэробных ферментационных процессах воздух не только обеспечивает потребность культивируемых микроорганизмов в кислороде, но и отводит газообразные продукты метаболизма и тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе жизнедеятельности, а также осуществляет гомогенизацию питательной среды и микробной суспензии. Кроме того, стерильный сжатый воздух используется как транспортирующий агент при передаче питательных сред и микробных суспензий из одной емкости в другую.

В асептических производствах очистке от микроорганизмов подлежит не только воздух, подаваемый в ферментатор, но и отработанный воздух, удаляемый из ферментационной системы.

В 1 м³ атмосферного воздуха содержится в среднем 0,2−1,0 мг/м³ мелкодисперсных частиц органического и неорганического происхождения, в том числе 1000−10 000 клеток и спор микроорганизмов. Содержание микроорганизмов в воздухе зависит от времени года, погодных условий, высоты и ряда других факторов. В зимнее время и с увеличением высоты микробная загрязненность воздуха убывает.

Подаваемый в ферментатор воздух должен быть полностью очищен от частиц и микроорганизмов размером до 1 мкм. Большинство известных методов очистки и стерилизации газов («мокрая» очистка, электрофильтры, термообработка и др.) не могут гарантировать такую глубокую очистку воздуха. В зарубежной и отечественной практике получил распространение метод фильтрации воздуха через волокнистые (синтетические ткани, стекловолокно, картон), пористые (поливиниловый спирт, фторопласт) и зернистые (металлокерамика) материалы. Фильтрующий материал должен отвечать следующим требованиям: гидрофобность, устойчивость к температуре при стерилизации, высокая эффективность очистки воздуха, относительно небольшое гидравлическое сопротивление и невысокая стоимость. Наиболее распространенные фильтрующие материалы представлены в табл. 3.1.

Технология получения стерильного воздуха (рис. 3.1) включает трехступенчатую фильтрационную очистку с отделением сконденсированных в охлажденном сжатом воздухе паров влаги.

Атмосферный воздух забирается на высоте 6−20 м и для защиты нагнетателя от преждевременного износа очищается от крупных частиц пыли в фильтре предварительной очистки. Сжимаемый нагнетателем воздух (давление 0,2−0,3 МПа) разогревается до 100−180°С.

Таблица 3.1

Свойства фильтрующих материалов

Материал	Диаметр волокон или пор, мкм	Масса 1 м3, кг	Термо-стой-кость, °С	Гидравличес-кое сопротивление, Па	Эффективность по масляному туману, %
Стекловолокно	2,5–3,0	0,40			98,56
Базальтовое супертонкое волокно		0,56			99,92
Картон базальтовый		0,30			99,93
Картон целлюлозный		0,36			94,10
Фторопласт		3,60			99,97
Полиэтилен		2,25			94,80
Поливиниловый спирт (фильтр «Эко», Япония)		1,07			99,00

Часть горячего воздуха охлаждается в воздушном (или водяном) теплообменнике до 30−35°С, в результате чего конденсируются содержащиеся в воздухе водяные пары. Конденсат удаляется из системы, и общее содержание влаги в воздухе уменьшается на 50−70%. Ресивер сглаживает колебания расхода воздуха. В головном фильтре воздух очищается от микробных клеток не менее чем на 98% (число клеток не должно превышать 10 на 1 м³ очищенного в фильтре воздуха). Окончательная стерилизующая очистка воздуха осуществляется в индивидуальных фильтрах тонкой очистки (ФТО), которыми оснащен каждый ферментатор.

Фильтры каждой ступени очистки воздуха имеют различное устройство. На стадии предварительной очистки используют кассетные сухие (или промасленные) фильтры. Единичный фильтр имеет прямоугольный корпус с площадью рабочего сечения 0,22 м², в котором закреплены 10−15 слоев гофрированной стальной сетки (фильтр Рекке). Пропускная способность фильтра 1540 м³/ч. Из единичных фильтров можно собрать фильтрующие панели на любую производительность по очищаемому воздуху. Пылеемкость и производительность фильтров увеличиваются, если стальные сетки покрывают масляной пленкой. Но регенерация масляных фильтров требует значительных затрат ручного труда. Мельчайшие капельки масла уносятся воздухом в виде тумана, воздух приобретает запах, что часто недопустимо в микробиологических производствах.

Рис. 3.1. Технологическая схема очистки и стерилизации воздуха:

1 – воздухозаборник; 2 – фильтр предварительной очистки; 3 – нагнетатель воздуха; 4 – воздушный холодильник;

5 – влагоотделитель; 6 – ресивер; 7 – подогреватель; 8 – головной фильтр; 9 – индивидуальный фильтр

На заводах большой мощности отдают предпочтение рулонным автоматическим фильтрам (рис. 3.2) производительностью 20−120 тыс. м³/ч, в которых фильтрующий материал в виде упругого слоя из стекловолокна поступает непрерывно с малой скоростью (или периодически через определенные паузы в автоматическом режиме) с одной катушки, а загрязненный наматывается в таком же режиме на другую катушку. Один рулон может быть рассчитан на работу в течение года.

Рис. 3.2. Рулонный фильтр:

1 – чистый рулон; 2 – фильтрующий слой; 3 – опорная решетка;

4 – рулон отработанного фильтрующего материала

Головной фильтр (рис. 3.3) представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость со съемной крышкой и установленными внутри опорной (нижней) и прижимной (верхней) решетками, между которыми помещается волокнистый фильтрующий материал − стекловолокно или базальтовое волокно (или слои из этих волокон). Базальтовое волокно получают из магматической горной породы, оно отличается более высокой термостойкостью, большей механической прочностью и меньшим раздражающим действием на кожу человека. Производительность типовых головных фильтров по воздуху 110, 380 и 550 м³/мин.

Рис. 3.3. Головной фильтр:

1 – опорная решетка; 2 – фильтрующий материал;

3 – прижимная решетка; 4 – паровая рубашка

При набивке фильтра используют средства индивидуальной защиты, а фильтрующий материал смачивают водой, чтобы уменьшить пыление. После набивки фильтр стерилизуют острым паром при температуре 125−135°С в течение 1,5−2,0 ч, а затем подсушивают горячим очищенным воздухом в течение 3 ч. В процессе эксплуатации головные фильтры стерилизуют не реже 1 раза в месяц, а перенабивку фильтров производят не реже 1 раза в год (фильтрующий материал не регенерируется). При проектировании обязательно предусматривают резервный головной фильтр.

Фильтры тонкой очистки (рис. 3.4) устанавливают к каждому ферментатору. Они обеспечивают стерильность воздуха. В последние годы получили распространение ФТО со сменными фильтрующими элементами, изготовленными из фторопласта, базальтового картона, многослойной термостойкой ткани.

Рис. 3.4. Фильтр тонкой очистки:

1 – фильтрующий элемент; 2 – прижимная пластина; 3 – шток; 4 – гайка

Перспективно использование фильтрующих патронов из металлокерамики, прессованного металлического порошка (нержавеющая сталь, титан). Конструкция фильтров позволяет быстро заменить фильтрующий элемент, имеющий небольшие размеры (диаметр 200–400 мм, высота 400−800 мм). ФТО стерилизуется острым паром одновременно со стерилизацией ферментатора перед каждой загрузкой аппарата. Типовой ряд фильтров − ФТО-60, ФТО-100, ФТО-500, ФТО-750, ФТО-1000, ФТО-2000, где цифры указывают производительность по воздуху (м³/ч).

Температура воздуха на выходе из ФТО должна составлять 40−60°С. При необходимости очищаемый воздух подогревается в теплообменнике (см. рис. 3.1). Повышенная температура воздуха в совокупности с операцией по частичному удалению из сжатого воздуха водяных паров должна исключить конденсацию влаги в головных и индивидуальных фильтрах, так как при увлажнении фильтрующего материала резко снижается эффективность очистки воздуха.

Удаляемый из ферментатора воздух имеет влажность около 100% и содержит капельную влагу в количестве 40−60 г/м³, содержащую живые клетки микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ. Современные требования по охране труда и окружающей среды предписывают очистку отработанного воздуха перед выбросом в атмосферу от микробных клеток.

Отделение от воздуха капельной влаги приводит к удалению с жидкостью до 90% микробных клеток. В связи с этим на практике для очистки отработанного воздуха применяют систему «циклон + фильтр сетчатый». Циклон выполняет функции каплеотделителя, а фильтр, представляющий собой многослойный тканевый патрон из тонких стальных нитей, обеспечивает доочистку воздуха.

При очистке отработанного воздуха, имеющего высокую влажность, хорошо зарекомендовали себя металлокерамические фильтры, которые применяются в виде парного автоматизированного комплекса: один фильтр рабочий, другой – регенерируется продувкой паром. Переключение фильтров осуществляется в автоматическом режиме при увеличении гидравлического сопротивления фильтра до определенной (заданной) величины. Каждый ферментатор оборудуется автономной системой очистки отработанного воздуха, что исключает передачу инфекции по коммуникациям из одного ферментатора в другой.