ЛК_9_10_Стерил_возд_оборуд_расчет

Лекция 9, 10
2.3
Стерилизация технологического воздуха







Характеристика загрязнений воздушной среды
пыль (5 до 100 мг/мЗ твердых частиц размером 5-150
мкм).
микроорганизмы (до 2000 клеток в 1 мЗ)
Состав микроорганизмов:
микрококки - диаметр 0,3–1,5 мк, чаще 0,5–1 мк,
бациллы в поперечнике 0,3–1,2 мк, в длину 3–8 мк,
бактерии обычно имеют диаметр 0,5–0,8 мк, длину 1–2 мк,
вибрионы имеют размер 0,5–1 мк,
актиномицеты имеют споры диаметром 0,7–0,8 мк.
Деконтаминация - освобождение неживых объектов внешней
среды от потенциально патогенных или вызывающих др.
нежелательные процессы микроорганизмов.
1
Методы достижения
стерильности воздуха
2.3




удаление микробного аэрозоля из воздуха различными
методами, используемыми в технологии газов;
методы асептики, т.е. уничтожением микробов без
удаления их тел (более сложный и менее экономичный
путь из-за стойкости спор микробов к воздействию
высокой температуры и ионизирующему излучению).
Специфика очистки воздуха состоит в том, что требуется
очищение воздуху от всех живых частиц размером 1 мк и
менее приблизительно на 99,9999999%.
Для сравнения - седиментация, механическая фильтрация,
инерционный и центробежный методы обеспечивают
удаление лишь грубых частиц и обеспечивают очистку на
85-99%.
2
2.3
Типовая технологическая схема
очистки и стерилизации воздуха в
биотехнологии
3
М
Кп 
100%
М0
2.3
Эффективность работы фильтров характеризуется коэффициентом
проскока
где Кп - коэффициент проскока;
Мо - количество микроорганизмов, поступающих на фильтр;
М - количество микроорганизмов, прошедших через фильтр.







На величину осаждения микробов в фильтрах оказывает влияние
размер микробных частиц
диаметр волокна,
скорость газа.
Эффективность работы фильтров для стерилизации воздуха
определяется следующими факторами:
эффективностью и механической прочностью фильтрующего материала,
герметичностью его крепления в корпусе фильтра,
удобством и быстротой перезарядки.
4
2.3
Характеристики
фильтровальных материалов
Рисунок 10.3 Классификация фильтрующих материалов
для стерилизации технологического воздуха
5
Фильтрующий материал
2.3
ФП (фильтры Петрянова)




Изготовляются из
перхлорвинила (ФПП-15 и ФПП-25, средний диаметр волокон
соответственно 1,5 мк и 2,5 мк). Гидрофобен (применяется при
влажности воздуха до 99 %), стоек к кислотам и щелочам, но не
стоек к органическим растворителям и маслам, не выдерживает
температуру выше 60°.
ацетилцеллюлозы (ФПА-15). Материал ФПА стоек к кислотам,
щелочам, маслам и органическим растворителям, термостоек до
150°, но гидрофилен ( применяться при влажности воздуха до
80%).
полистирола (ФПС-15). Материал ФПС обладает свойствами
аналогичными ФПП, предельная температура его применения
80°, однако он обладает меньшей прочностью, чем ФПП, и
выпускается промышленностью в ограниченном количестве.
в последние годы разработаны ФП, стойкие к высоким
температурам. ФПАР (полиакрилатные) и ФПФС
(полифторстироловые) выдерживают температуру до 250-270°С.
6
2.3


для тонкой очистки воздуха используют жесткие
пористые перегородки из пластмасс и
металлокерамики. Преимущества:стабильность
структуры, устойчивость к повышенным
температурам, простота конструктивного
оформления, легкость обслуживания фильтров.
Существенный недостаток - высокий перепад
давления.
мембранные фильтры в виде пористых
пластинок (ситовой эффект). Мембранам не
требуются высокие перепады давления, но для
их надежной работы необходимо точное
выполнение условий стерилизации.
7
Способы стерилизации
фильтрующих материалов:
2.3



Паром (мембраны - только насыщенным
водяным паром, от перегретого пара в
мембранах появляются трещины, и они выходят
из строя). После стерилизации паром сушат в
потоке сухого воздуха 2-3 ч;
Раствором антисептика (например, 30%
раствор формальдегида). После стерилизации
насадку продувают воздухом для удаления
следов формальдегида.
Фильтрующий материал в индивидуальных
фильтрах меняют через 1-2 месяца, в общих через 6-8 мес.
8
2.3
Рекомендации по выбору
режимов работы фильтров



Мелкую микрофлору (d=0,3 мк) можно осаждать на
тонких волокнах при скоростях до 0,3-0,5 м/сек.
Крупную микрофлору (d=3 мк) можно удалять на
волокнах всех размеров в широком диапазоне скоростей,
принятых в расчете: 0,01÷2 м/с для ФПП и 0,1÷2,5 м/с для
стеклянных волокон.
Для осаждения средней микрофлоры (d=1 мк)
допустимо применять все размеры волокон. Для
промышленных фильтров с насадкой из тонких волокон
целесообразна скорость 1 м/с, для средних волокон,
наиболее целесообразны скорости 1,5-2,5 м/с.
9
Причины неудовлетворительной
2.3
работы фильтра





плохое качество волокна;
плохая укладка волокна в фильтре
(неперпендикулярность волокон потоку
газа),
неправильный выбор скорости воздуха,
недостаточность высоты насадки;
нарушение структуры насадки при
эксплуатации (каналы в насадке и
увлажнение насадки водой).
10
2.3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРИЛЬНОГО
СЖАТОГО ВОЗДУХА
25-30 °С
Степень
очистки 98%
Степень
очистки
99,9999999%
2,5-3 ат
100-200 °С
11
2.3
Глубинные фильтры
грубой очистки (ФГО)








Достоинства:
большая пылеемкость;
простота;
малая стоимость.
Недостатки:
невоспроизводимость укладки
фильтрующего материала;
уплотнение фильтрующего
материала в процессе
эксплуатации,
каналообразование,
неопределенную эффективность,
контакт работников,
обслуживающих фильтр, с
минеральным волокном.
12
2.3
Патронные и кассетные
фильтры тонкой очистки (ФТО)
13
Сохранение стерильности
2.4
оборудования

Монтажной схемой аппарата (МСА)
называется совокупность трубопроводов,
по которым осуществляется подвод к
ферментатору или отведение от него
материальных потоков. Для создания
асептических условий проведения
ферментации необходимо в каждой точке
МСА обеспечить гарантированную
стерильность.
14
Проблемы
стерилизация оборудования
2.4


«воздушный барьер» - конденсация пара
у стенки с образованием пленки, под
которой образуется слой воздуха (резкое
снижение коэффициента теплоотдачи от
пара к стенке);
скопление воздуха в элементах обвязки
ферментатора (увеличение времени
выдержки в 2 раза (ферментатор
стерилизуют 1 час при 125-130 °С )
15
2.4
Способы решения проблем
ликвидация «слабых точек»
1. С точки зрения стерилизуемости в
монтажной схеме аппарата
выделяют типовые узлы:
- открытые трубные окончания,
- термические затворы.

16
Элементы монтажной схемы аппарата:
а – открытые трубные окончания,
б – термический затвор,
в – изменение точек подвода пара и отвода
конденсата
17
2.4
2. При стерилизации паром аппаратов и
трубопроводов необходимо удалять из
них длительной продувкой воздух. Все
нагреваемые поверхности должны быть
покрыты теплоизоляцией.
3. В течение всей ферментации
необходимо сохранять избыточное
давление в аппарате по отношению к
давлению в окружающей нестерильной
среде, например, в рубашке или
змеевиках с охлаждающей водой.
18
2.4
Способы решения проблем




Герметизация
Сварные швы в аппаратах и трубопроводах должны
обеспечивать герметичность оборудования.
Следует обходиться минимальным количеством штуцеров на
корпусе аппарата, особенно ниже уровня жидкости.
Фланцевые соединения должны иметь хорошо обработанные и
гладкие поверхности соприкосновения, в качестве прокладок
следует применять преимущественно резину. Перспектива:
переход на сварные соединения вместо фланцевых, на
создание торцовых уплотнений для валов перемешиваемых
устройств с контролируемой герметичностью.
На воздушных линиях надежны сильфонные вентили, не
имеющие сальников. На материальных линиях используют
мембранные вентили.
19
Производственные
помещения
2.4




минимум мест скопления пыли,
контроль чистоты подаваемого воздуха
(классы производственных помещений А,
Б, С, Д, К),
избыточное давление в помещении (4
мм.рт.ст.);
регулирование температуры (23± 2ºС ) и
влажности (30 – 40%).
«ЧИСТЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ»
(ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002)
20
2.4
Чистота помещения
обеспечивается:


расположением помещения (в середине здания, без
контакта с наружными стенами. Вход оборудуется
воздушным шлюзом, в котором сдувается пыль с одежды и
обуви персонала)
отделкой помещения (стены, пол, потолок должен быть
гладкими, а сопряжения стен между собой и стен с полом
выполняются с закруглением R = 300 мм. Стены
покрывают полированным металлом (алюминий,
нержавеющая сталь), эпоксидными эмалями. Пол
покрывается поливинилхлоридной, эпоксидной или
полиуретановой смолой или виниловым листовым
материалом с включенными в него керамическими
плитками).
21
Чистота помещения
обеспечивается:
2.4
Требованиями к персоналу:
Человек выделяет в течение 1 минуты
 не двигаясь - 100 тысяч частиц;
 Интенсивно работая - до 10 млн.
Проблема технологический гигиены
решается благодаря
- личной гигиене сотрудников
- применению технологической одежды.

22
2.4
Чистота помещения
обеспечивается:







уборка помещений . При тщательной и регулярной уборке
содержание микроорганизмов снижается на 40 – 60%.
Дезинфекция – обеззараживание объектов окружающей
среды: уничтожение патогенных микроорганизмов с
помощью химических веществ, обладающих
антимикробным свойством.
К дезинфицирующим средствам относятся:
хлорная известь (0,1 – 10 % растворы);
0,5 – 5 % растворы хлорамина;
3 – 5 % растворы фенола (карболовой кислоты);
2 – 6 % растворы перекиси;
сульфанол или «Прогресс» с моющим средством.
23
2.4
Чистота помещения
обеспечивается:




Очистка воздуха в помещениях: (системы вентиляции с
ламинарным потоком).
Ламинарный воздушный поток (вертикальный (ВЛП) или
горизонтальный (ГВП) ) определяется как поток, в
котором вся масса воздуха в ограниченном объеме
движется с одинаковой скоростью вдоль параллельных
линий потока. Средняя скорость ЛВП 27,5 м/мин (0,45
м/сек).
Для обеспечения требуемой чистоты воздуха применяются
высокоэффективные фильтры типа НЕРА (Нigh Efficiency
Particulate Air), в качестве фильтрующего материала –
стекловолокно(эффективность очистки 95 – 99%).
В отечественной промышленности для окончательной
очистки применяются фильтры «ЛАИК» с материалом ФПП
или ФПА.
24
Оценка эффективности
стерилизации
2.5




Для оценки эффективности используют
следующие методы:
физические (по температуре и давлению
пара),
химические (по температуре плавления
или изменению цвета),
микробиологические (с высевом на
стандартные среды),
биоиндикаторные (с использованием
Bacillus stearothermophilus).
25
2.5
Расчет режима стерилизации

Время стерилизации (мин.) – время
выдержки при изотермических
условиях
˅ - критерий стерилизации
(40-100)
 выд.



N0
1
  ln
К
N
К – удельная скорость гибели микроорганизмов, 1/мин
N0 – число микроорганизмов в стерилизуемом объекте
N – конечное число микроорганизмов в стерилизуемом
объекте.
26
Расчет
режима
стерилизации
2.5

К - в расчетах используется К Bacillius
stearothermothillus шт.1518 в зависимости
от температуры (табл. 10.2)
Т, Сº
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
К, мин-1
0.013
0.017
0.023
0.03
0.036
0.048
0.062
0.083
0.109
0.135
0.163
Т, Сº
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
К, мин-1
0.193
0.234
0.302
0.412
0.540
0.653
0.081
1.002
1.210
1.480
1.83
Т, Сº
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
К, мин-1
2.44
3.07
3.77
4.57
5.90
7.40
9.35
11.4
14.8
16.6
18.6
Т, Сº
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
К, мин-1
24
29.5
37.2
46.8
59
74.2
93.5
104.8
118
148
27
Расчет
режима
стерилизации
2.5


N0 – рассчитывается по
обсемененности компонентов ПС
(табл. 10.1) или при отсутствии
данных принимают N0= 106 м.о/мл
N – принимают как вероятность
выживания 10-6 (или 10-2÷10-3)
28
Расчет емкостного
выдерживателя
2.5

Определить объем
аппарата (V):
 зап.   выд.
 зап. 
Vсек . 
Vp
Vсек .
 выд. 
N
1
 ln 0
К
N

V ПС
Vап. 

VПС
 стер.
V p  Vсек .   зап. 
VПС
 стер.
N0
1
  ln
К
N
Геометрический
объем аппарата
Vp


 стер.
N0
1
  ln
К
N

VПС – объем стерилизуемой
питательной среды с конденсатом,
м3;

τстерил. – время стерилизации всей

среды, ч;
φ - коэффициент заполнения
выдерживателя, 0,9
29
Расчет оптимального
трубчатого выдерживателя
2.5

Оптимальный
трубчатый
выдерживатель
(наиболее выгодный с
экономической точки
зрения) работает при
критерии Ре=50
30
Расчет оптимального
трубчатого выдерживателя
2.5

Внутренний диаметр
трубы выдерживателя, м
 4  Vсек .   

d  






0 , 0385
 2 V р 


  К    
ср . 

0 , 307
ρ – плотность жидкости,
кг/м3;
μ – вязкость жидкости,
Па.с;
К   ср.  - по номограмме

Длина выдерживателя, м
l
Vp
0,785  d
V p  Vсек .   ср.
31
2.6
Приготовление
посевного материала
Цех чистой
культуры
Отдел
инокуляции
32
Темы следующей лекции:
Основные функции и системы ферментера
 Аэрация и перемешивание
 Теплообмен
 Пенообразование и пеногашение
33