Главная Обратная связь

Дисциплины:






Тема Т12. Очищення та стерилізація повітря



Переважна більшість продуцентів ферментів являються аеробами, і для їх нормального розвитку в процесі культивування необхідно подавати в достатній кількості стерильне повітря. Повітря після аерації зростаючої культури може містити спори чи клітини мікроорганізму - продуцента, тому перед викидом у навколишнє середовище воно також вимагає очищення. Таким чином, потрібне очищення як подаваного у виробничі апарати і приміщення, так і видаляємого із них повітря. Особливо високі вимоги до стерильності пред’являються при підготовці повітря для аерації глибинної культури.

Існує кілька способів очищення й стерилізації повітря, заснованих на двох принципах: умертвіння мікроорганізмів і їхнє механічне відділення. Перший принцип лежить в основі методів впливу високих температур, ультрафіолетового або іонізуючого випромінювання, фенол- і ртутьмістких агентів, пропущення повітря через 10%-ный розчин лугу або 15-20%-ный розчин кислоти в спеціальних вежах. Використання хімічних агентів, що стерилізують, неприпустимо, тому що сліди їх в апаратах і середовищах можуть впливати негативно на розвиток мікроорганізмів-продуцентів. Використання методу впливу сухого тепла для стерилізації повітря при температурі до 300ºС ефективно вбиває мікрофлору, але економічно не виправдано.

Найбільше поширення у мікробіологічній промисловості одержала стерилізація повітря методом фільтрування через волокнисті або зернисті фільтруючі матеріали. На ефект стерилізації повітря методом фільтрування впливає ступінь засміченості повітря, оскільки самі мікроорганізми мають розміри від 0,01 до 25 мкм, але вони осідають на частки пилу, і ступінь уловлювання залежить від розмірів цих часток. Вміст бактеріальних забруднень у повітрі в середньому становить 1000- 1500 клітин в 1 м3, але воно може підніматися до 104. Крім мікроорганізмів у повітрі є пил органічної й неорганічної природи, пари води, і загальна кількість сторонніх часток може досягти 109 в 1 м3.

Мікроорганізми, що перебувають у повітрі, звичайно стійкі до відсутності вологи й дії природних ультрафіолетових променів. Кількість мікроорганізмів в атмосферному повітрі убуває зі збільшенням висоти над рівнем землі; мікробна засміченість повітря у вологих районах або районах із сильними вітрами й ґрунтами, що порошать, значно вище. Кількість мікроорганізмів у повітрі міняється залежно від пори року; найменша кількість мікроорганізмів у повітрі спостерігається в зимовий час.

Вибір і розрахунок системи очищення повітря ведуться по максимальній засміченості для даної місцевості з врахуванням того, що розміри часток у повітрі, на яких адсорбуються мікроорганізми, коливаються від 0,5-2,0 мкм по ширині до 2-15 мкм по довжині.



У приміщення й апарати повітря подається потужними компресорами; проходячи через них, повітря засмічується механічними включеннями від тертьових деталей і крапельками мастил при використанні поршневих компресорів. При фільтрації повітря відбувається також його очищення від цих механічних домішок.

Апаратурне оформлення стадії підготовки й очищення повітря залежить від способу культивування продуцента. При поверхневому культивуванні вимоги до стерильності повітря менш тверді, чим при глибинному, і навіть допускається рециркуляція аеруємого повітря. Підготовка повітря для аерації при поверхневому культивуванні проводиться у відділенні кондиціювання повітря, що звичайно розташовується над ростовими камерами. Цей процес складається з наступних послідовних операцій: очищення повітря від грубих механічних суспензій; попереднє кондиціювання повітря до певної температури; подача повітря в головний вентилятор; тонке очищення повітря від мікроорганізмів і остаточне очищення в індивідуальному фільтрі. При поверхневому способі культивування 90 % повітря, що відходить із ростових камер, надходить на рециркуляцію через індивідуальний кондиціонер, а 10 % після попереднього знепліднення повертається в атмосферу. Принципові схеми очищення, кондиціювання й рециркуляції повітря у виробництві при поверхневому й глибинному культивуванні представлені на рис. 12.1 і 12.2.

Підготовка повітря для глибинного культивування має деякі відмінності - замість головного вентилятора використовують компресори. Потужність компресора підбирають із таким розрахунком, щоб забезпечити подачу повітря через всю систему очищення у ферментатори й щоб у процесі культивування підтримувався надлишковий тиск 0,01-0,03 МПа. На шляху проходження від компресора до ферментатору повітря переборює опір: у системі апаратів і комунікацій (близько 0,03 МПа); у фільтруючому шарі (близько 0,02 МПа); опір стовпа рідини у ферментаторі (0,04-0,06 МПа); при виході з барботажного пристрою в результаті розширення (0,01-0,02 МПа).

Для стиснення й нагнітання повітря можна використовувати поршневі компресори або турбокомпресори. Поршневі компресори мають високий КПД, вони прості в роботі, але мають невелику продуктивність і забруднюють повітря маслом. Щодо цього кращими технологічними характеристиками володіють турбокомпресори, у яких стиснення повітря відбувається під дією відцентрової сили. Вони більш складні в обслуговуванні, але мають високу продуктивність (від 100 до 1000 м3/хв) і не забруднюють повітря маслом. Недоліком цих компресорів є те, що вони можуть ефективно працювати лише при певному протитиску системи й високої продуктивності. При падінні тиску в системі й зниженні продуктивності ККД різко падає.

 

1 – ростова камера; 2 – розподілювач повітря; 3 – стерилізуючі колонки; 4 – бак для стерилізації води; 5 – ємність для формаліну; 6 – ємність для аміаку; 7 – насос для подачі рецуркуляційної води до форсунок зрошувальної камери; 8 – кондиціонер повітря; 9 – вентилятор; 10 – клапани з автоприводом; 11 – кип’ятильник; 12 – бак з охолоджуючим зміївиком; 13 – осьові вентилятори; 14 – форсунки для зволоження; 15 – парові форсунки для дезінфекції; 16 – перфорировані труби для підводу пари; 17 – калорифери.

Рисунок 12.1 - Схема очистки і стерилізації повітря для поверхневої культивації продуцентів

 

Стиснення повітря супроводжується його сильним нагріванням, тому після компресорів повітря надходить у холодильник. Щоб видалити з повітря зайву вологу, його необхідно прохолоджувати до температури нижче крапки роси. Перед фільтрами встановлюють одну більшу ємність (ресивер) або систему невеликих посудин, які служать для вирівнювання тиску в системі й забезпечення рівномірної подачі повітря на фільтри. Далі повітря прямує на знепліднення спочатку в головний, а потім в індивідуальні фільтри.

1 – вісцинові фільтри; 2 – масловідділювач; 3 – холодильник; 4 – ресивер; 5 – поршневий компресор; 6 – турбокомпресор; 7 – головні фільтри; 8 – індивідуальний фільтр; 9 – фільтр для відпрацьованого повітря.

Рисунок 12.2 - Схема очистки і стерилізації повітря для глибинної культивації продуцентів

 

Повітря, що відводиться з ферментатора після аерації культури, що росте очищається в системі фільтрів і викидається в атмосферу.

Відповідно до технологічної схеми одержання стерильного стисненого повітря всі фільтруючі матеріали можна розділити на три групи: матеріали для попереднього очищення повітря, матеріали для стадії грубого очищення (головні фільтри) і матеріали для стерилізації повітря (індивідуальні фільтри). Для нормальної роботи фільтруючих матеріалів необхідно підтримувати в системі повітряпідготовки оптимальний термодинамічний режим. Конденсація вологи з повітря і її можливе нагромадження в трубопроводах можуть привести до розвитку в них мікроорганізмів і контамінації процесу. Потрапляння вологи на фільтруючі матеріали зменшує ефективність фільтрування й збільшує опір матеріалу потоку повітря. Одним зі способів запобігання випадання вологи у фільтрах є підтримка величини відносної вологості повітря на всім шляху від компресорної установки до ферментатора менше одиниці й температури повітря в системі значно вище крапки роси.

Стадія попереднього очищення або знепилювання повітря.

На цій стадії з повітря віддаляється основна маса великих часток пилу розміром 5-10 мкм. В якості фільтруючих матеріалів у фільтрах попереднього очищення використовують багатошарові дротяні сітки, набивання зі стружок металів, з полімерних матеріалів, із грубих мінеральних і синтетичних волокон. До фільтрів цього класу ставляться масляні або вісцинові із промасленими металевими сітками. Масло сприяє осіданню часток пилу на фільтрі і їхньому втриманні. Змочувальні засоби, використовувані у вісцинових фільтрах, можуть бути бактерицидними, і осаджувані разом з пилом мікроорганізми втрачають здатність розмножуватися або гинуть.

В якості фільтрів попереднього очищення застосовуються також губчаті фільтри з модифікованого пінополіуретану. Ефективність уловлювання атмосферного пилу на пінополіуретані становить 50-85 %, його пилоємність - 0,2 кг/м2. Гранична робоча температура використання пінополіуретану дорівнює 121 °С.

Стадія грубого очищення повітря. Ця стадія очищення здійснюється в головних фільтрах. Ефективність очищення повітря в головних фільтрах від часток діаметром 1 -1,5 мкм тобто бактеріальних забруднень повітря, досягає 98 %.

Широке поширення у якості фільтруючого матеріалу головних фільтрів одержали волокнисті матеріали. Волокнисті фільтри є фільтрами об'ємної дії, тому що вони розраховані на вловлювання й нагромадження часток не тільки на поверхні фільтруючого матеріалу, але й і глибині шару. Для фільтруючого матеріалу з певним діаметром волокна характеристики очищення можна змінювати, збільшуючи щільність упакування волокна у фільтрі або товщину шару матеріалу.

Найбільш оптимальним є застосування багатошарової конструкції однорідної волокнистої насадки з різною щільністю шарів, що дає значне збільшення пилоємності й терміну служби фільтра при порівняно невеликому опорі потоку повітря, високої ефективності фільтрування й невеликих габаритів фільтра. При такій конструкції більш пухкі шари розташовуються першими по ходу руху газів. Товщину першого шару вибирають у межах 50-60 % загальної товщини насадки. Останній шар насадки роблять значно більш щільним і з невеликою товщиною, він лімітує ефективність усього фільтра.

На підприємствах мікробіологічної промисловості в головних фільтрах знайшов застосування фільтруючий матеріал з базальтових волокон. Основним достоїнством базальтового волокна є висока паростійкість (більша ніж скляного волокна). При багаторазовому впливі гострої пари під тиском 0,2 МПа волокно не знижує своєї міцності протягом 1 року роботи фільтра. Властивості базальтового волокна при нагріванні до 1100 °С не змінюються. Базальтове волокно не піддається гниттю й горінню. Експериментально показано, що оптимальний діаметр волокна для фільтрів грубого очищення повітря становить 12-14 мкм. Недоліком базальтового волокна є наявність у ньому кілких голок з базальтових підплавів і інших механічних включень.

Для очищення більших обсягів повітря застосовуються нетканинні фільтруючі матеріали з різних волокон: поліамідних, поліефірних, віскозних, металевих, а також різних сумішей волокон. Товщина нетканих фільтруючих матеріалів звичайно становить 1-5 мм, а маса пластини площею 1 м2 дорівнює від 0,4 до 1 кг.

Матеріали першого щабля очищення повітря досить дешеві й, за винятком нетканинних, не регенеруються.

Стадія тонкого очищення повітря. До цієї стадії пред'являються найбільш тверді вимоги. Для тонкого очищення повітря використовуються індивідуальні фільтри, які встановлюються перед кожним ферментатором і повинні забезпечувати очищення повітря від часток діаметром 0,3 мкм на 99,999 %. Специфічною вимогою, пропонованою до фільтруючих матеріалів, застосовуваних на даній стадії очищення, є необхідність їхньої періодичної стерилізації гострою парою разом з усім устаткуванням технологічної лінії.

Фільтруючі матеріали, використовувані на стадії тонкого очищення, поділяються на кілька груп: тонковолокнисті матеріали у вигляді матів, картону й паперу, зернисті тверді фільтруючі перегородки (керамічні, металокерамічні, з полімерних матеріалів) і мембранні фільтри. У промислових фільтрах тонкого очищення повітря найбільш часто використовуються тонковолокнисті фільтруючі матеріали.

Волокнисті матеріали звичайно формують у вигляді матів-пластин з об'ємною часткою волокон близько 0,1. Волокна втримуються або силами тертя, або за допомогою сполучного матеріалу. До цього виду фільтруючих матеріалів можна віднести базальтове волокно, скловату, синтетичні волокна (віскоза, перхлорвініл). Волокнисті матеріали можуть бути оформлені також у вигляді картону й паперу. Для таких матеріалів використовують базальтове супертонке волокно (БСТВ), хлопкоасбест, скло, сополімер вінілхлориду і акрилонітрилу. Картон і папір використовуються для ущільнення матів при впакуванні їх у фільтрі. Волокнисті матеріали дешеві, вони мають малий гідравлічний опір (0,01-0,03 МПа) і велику пилоємність, тому вони вважаються досить перспективними для мікробіологічної промисловості. Для підвищення стійкості до впливу гострої пари використовують латексні просочення. Додатково проводять просочення волокон бактерицидними з'єднаннями, наприклад, антибіотиками, гексахлорофеном і іншими речовинами.

Високоефективними фільтруючими матеріалами є азбестово-целюлозні папери й картони. Волокна целюлози товщиною близько 15 мкм служать каркасом, на якому лежать волокна азбесту товщиною в десяті частки мікрометра, які втримують частки.

Пористі матеріали виготовляють із полівінілового спирту, металів, кераміки, ацетилцелюлози. Фільтруючі матеріали цього типу використовуються у вигляді пластин або циліндричних патронів, мають великий термін служби (1,5-2 роки), добре стерилізуються парою. При русі повітря по звивистих порах відбуваються інерційний, дифузійний і інший види осаджень. Пластина з пористих матеріалів товщиною 1 см досить міцна й легко регенерується.

Особливою групою мікропористих матеріалів є фільтри "Міліпор" (США). Розміри пор фільтрів варіюють від 0,005 до 10 мкм. Для стерилізації повітря найчастіше використовуються фільтруючі матеріали з порами 0,45-0,80 мкм. Однак, незважаючи на високі фільтруючі властивості цього матеріалу, він використовується порівняно мало по економічних міркуваннях, оскільки це пов'язано з необхідністю подачі стисненого повітря більш високого тиску.

При порівнянні різних фільтруючих матеріалів доцільно користуватися критерієм, запропонованим Г. Л. Мотиною і І.А. Казаковою,

де Рр - опір матеріалу потоку повітря, при якому перестає забезпечуватися регламентна подача повітря в апарат, Па; Р0 - початковий опір матеріалу потоку повітря, Па; Кпр - коефіцієнт проскакування часток аерозолю масляного туману; Кппр - мінімальна величина коефіцієнта проскакування аерозолю масляного туману, що може бути визначена; S - пилоємність, кг/м2; m - маса 1 м2 фільтруючого матеріалу, кг; (S/m)б - питома пилоємність базового матеріалу. Звичайно ця величина дорівнює 3; С - кількість циклів стерилізації парою, що витримується матеріалом без зміни властивостей; Сзад - задана кількість циклів паростерилізації. Звичайно задається 100.

Для першого, грубого щабля очищення використовуються матеріали з М ≤ 20, для другого, тонкого щабля очищення - з М > 20.

Конструктивне оформлення процесу фільтруючої стерилізації повітря залежить від багатьох факторів і в першу чергу від виду матеріалу, яким наповнюють фільтр. Конструкція апарата повинна забезпечувати дві головних вимоги до характеру потоку газу: перпендикулярність напрямку газу до поверхні мата й рух газу тільки через шар матеріалу. Перпендикулярність волокон потоку газу - необхідна умова ефективного осадження. При паралельному напрямку волокон ефективність зменшується на порядок. Для того щоб газ, минаючи матеріал для очищення, не проникав у зазор між матеріалом і корпусом або ущільненням, величина зазору повинна бути близько 0,002-0.05 мм, тобто порівнянна з відстанню між волокнами фільтра.

Для насадок з волокнистих матеріалів великої товщини або неміцних при вигині використовуються фланцеві (касетні) апарати Ф1 і Ф2; для тонка й гнучких - гільзова (патронна) конструкція (рис 12.3). Для запобігання руху повітря в пристінному шарі фланцевої конструкції Ф1 кінці матеріалу зажимаються у фігурних фланцях, які вільно переміщаються в корпусі й стягаються болтами. Однак навіть при більших зусиллях стиску деяка кількість повітря проникає через верхні диски матеріалу в зазори між фланцями, корпусом і болтами. Ці недоліки усунуті в конструкції Ф2. де фланці з текстоліту або металу монолітно установлені в корпусі фільтра.

а, б – фланцеві фільтри Ф1, Ф2; в – патронний фільтр П

Рисунок 12.3 - Схема аерозольних фільтрів, виготовлених із волокнистих матеріалів

 

У кожній фільтруючій касеті з листового металу укладений диск із волокнистого матеріалу, затиснутий між сітками й відділений від фланців гумовими прокладками. Лобову сторону першої касети покривають шаром скловолокна й склотканини для захисту від ушкоджуючої дії великих часток окалини, що утвориться в паропроводі. У цих фільтрах грубе віскозне волокно (dB=l7 мкм) у матах з високооб’ємного нетканинного фільтруючого матеріалу (ВНФМ) комбінується із трьома шарами ефективно фільтруючої, але неміцного паперу "Біоцел", поміщеного в кожній касеті між двома матами ВНФМ.

На підприємствах біотехнологічної промисловості в якості індивідуальних фільтрів до ферментаторів використовують фільтри тонкого очищення типу ФТО (табл. 12.1), усередині яких укладається елемент із гофрованої тканини Петрянова.

 

 

Таблиця 12.1 - Фільтри тонкого очищення типу ФТО

Тип фільтру Продуктив-ність, м3/год Площа поверхні фільтрації, м2 Опір потоку повітря,Па Коефіцієнт проскоку, % Витриму-єма темпера-тура,ºС Фільтру-ючий матеріал
ФТО-1000 0,0010 ФПАН
ФТО-750 0,0001 ФПП-15
ФТО-500 0,0010 ФПАН
ФТО-60 470-600 0,0010 ФПАН

 

Фірма "Балстон" (Великобританія) випускає фільтри для повітря у вигляді трубок товщиною 3 мм із мікроволокон боросилікатного скла, зв'язаних епоксигумою і володіючих високою пропускною здатністю. Фільтруючий матеріал стійкий до дії багатьох кислот, аміаку, хлору, води, витримує температуру до 200°С и обробку гострою парою. При заміні фільтра міняються тільки фільтруючі трубки.

У Японії для тонкого очищення повітря використовують фільтри "Эко". Фільтруючий шар кожного аркуша має товщину 2,5 мм. Ці фільтри працюють у комплексі з підготовчими фільтрами з волокнистих матеріалів або бавовняної вати. Фільтри "Эко" можуть витримувати до 50 стерилізацій і забезпечують ступінь уловлювання більше 99,9999%. Вони випускаються з більшим діапазоном продуктивності - від 0,6 м3 (фільтр 68-А) до 4 080 м3 (фільтр 68- Н) повітря в годину.

Очищення відпрацьованого повітря. Система очищення повітря, що відходить, впроваджена у виробництво порівняно недавно. У цей час доведено, що з ферментаторів разом з повітрям, в атмосферу викидається до 1010-1011 клітин мікроорганізмів і спор в 1 м3, що неприпустимо з погляду охорони навколишнього середовища. Засміченість повітря при поверхневому способі культивації, особливо на стадії спороутворення, ще більше. Очищення повітря, що відходить, ускладнюється тим, що він має дуже високу відносну вологість (до 25 г вологи на 1 м3), і звичайні фільтри тонкого очищення швидко виходять із ладу.

Експериментально доведено, що якщо з повітря, що відходить, конденсувати воду, то разом з нею віддаляється 99 % мікроорганізмів.

Для очищення вихідного повітря можна використовувати волого- і термостійкі фільтри. Доцільно використовувати для очищення повітря, що відходить, парні фільтри, із яких один регенерується, другий працює, а в цілому система працює безупинно.

Підготовка повітря для аерації виробничих приміщень. Стерильні виробничі приміщення аеруються стерильним повітрям, кондиційованим за температурою й вологістю.

Якісно підготовка повітря в цих умовах нічим не відрізняється від підготовки повітря для аерації зростаючої культури. Відмінність може полягати лише в параметрах кондиціювання, але не в зниженні вимог до стерильності повітря. Стерильні приміщення повинні мати повітряні шлюзи, приміщення для зберігання захисного стерильного спецодягу. Стіни, підлоги н стелі приміщень повинні бути вологонепроникні й придатні для мийки і обробки дезінфікуючими речовинами. Для забезпечення постійної стерилізації повітря, наприклад, у боксах широко застосовується ультрафіолетове опромінення, а також вентиляція їх стерильним повітрям.

Система аерації виробничих приміщень із метою створення нормальних умов для роботи обслуговуючого персоналу менш складна в технічному відношенні, тому що вимоги до забрудненості повітря тут менш жорсткі. Кратність обміну повітря рівняється 5-12. Подаване у виробничі приміщення повітря повинне мати вологість близько 60 % і кімнатну температуру. Сухе повітря викликає подразнення слизуватих, збільшує сприйнятливість організму до інфекції, але разом з тим має високу здатність видаляти вологу, що виділяється. При розрахунку вентиляції виробничих приміщень передбачається рециркуляція повітря. Осушення повітря здійснюється шляхом пропущення його через шар зернистого осушувача, колону з насадкою чи розпилювач із рідиною, що володіє високою спорідненістю до води. До твердих осушувачів ставляться силікагель із зернами величиною 1-4 мм, активований глинозем, безводний сульфат кальцію й деякі інші матеріали. З рідин, що володіють високою спорідненістю до води, можна відзначити гліколі (гліцерин, ди- і триетиленгліколь) і концентровані розчини солей.

 

Контрольні питання до теми Т12

1. Назвіть способи очищення й стерилізації повітря.

2. Апаратурне оформлення стадії підготовки й очищення повітря.

3. Як відбувається очищення відпрацьованого повітря?

4. Конструктивне оформлення процесу фільтруючої стерилізації повітря.

 





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...