Стерилизация сред

1.

В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные
устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ
осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты
подают в ферментеры с помощью вакуумных насосов.
Часто применяют принцип предварительных смесей, то есть соли предварительно
растворяют и затем транспортируют по трубопроводам, дозируя их подачу по объему. В силу
исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их
реализации сред, методов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет связано
с конкретными биотехнологическими производствами.
Приготовление и стерилизация питательных сред.
В статьях расходов в производстве продуктов микробного синтеза одно из первых мест
занимает сырье. При производстве 1 • 109. ЕД пенициллина, например, необходимо
израсходовать 6,7 кг сырья.
Для проведения ферментационных процессов, наряду с очень дорогим пищевым сырьем,
таким как мука кукурузная, соевая, пшеничная, крахмал, пищевой сахар, глюкоза, лактоза,
растительные масла, лярд, применяют и значительно более дешевые, являющиеся отходами
пищевой промышленности — гидрол, меласса, зеленая патока, молочная сыворотка,
кукурузный экстракт, рыбно-костная мука, гидролизаты кукурузных кочерыжек, соломы,
подсолнечной мезги, а также специально получаемые продукты — гидролизаты древесины и
торфа, парафины нефти, метан, этанол и др.
Жидкие компоненты питательных сред (кукурузный экстракт, зеленую патоку, мелассу,
гидрол, растительные масла, рыбий жир) доставляют в железнодорожных цистернах и хранят
в специальных сборниках на складах заводов и транспортируют по коммуникациям с
помощью вакуума, сжатого воздуха или перекачивают насосами. Дозировку жидких
компонентов осуществляют по массе или по объему в соответствии с прописью среды и
контрольными показателями каждой партии этого нестандартного вида сырья.
Сыпучие компоненты сред из транспортной тары забирают или в специальные бункеры
или хранят на складах в исходной упаковке. Для транспортировки сыпучих компонентов
используют ленточные и винтовые конвейеры, элеваторы, пневматический транспорт.
Процесс приготовления питательных сред независимо от того, сложен он технологически
или прост, всегда очень ответственен, так как от качества питательной среды во многом
зависит результат проведения ферментации.
Жидкие питательные среды приготовляют в аппаратах-смесителях с мешалкой, куда
загружают отдельные компоненты в определенной последовательности, установленной по
регламенту (рис.).
Приготовление сложных комплексных сред в состав которых, кроме минеральных
компонентов и сахаров, входит мука, крахмал, кукурузный экстракт, проводят в нескольких
смесителях. Кукурузный экстракт обычно кипятят с мелом для нейтрализации содержащихся
в нем аминокислот и органических кислот. Муку, крахмал предварительно заваривают и
тщательно перемешивают, чтобы не допустить образования крупных комков, которые могут
быть причиной нестерильных операций, поэтому реакторы должны быть снабжены
барботерами для подачи пара.

2.

Рис. . Принципиальная схема процесса приготовления и тепловой стерилизации питательной
среды.

3.

Часто для снижения вязкости питательной среды, содержащей достаточно большую
концентрацию кукурузной муки или крахмала, проводят их частичный гидролиз
амилолитическим ферментом — оризином (продуцент — Aspergillus oryzae) с последующей
его инактивацией нагреванием. Иногда необходимость проведения такой операции
обусловлена физиологией продуцента, для которого предназначается среда.
В связи с тем, что в большинстве своем питательные среды имеют жидкую и твердую
фазы, возникает необходимость тонкого измельчения твердых компонентов — отрубей,
муки грубого помола, рыбно-костной муки, соевого жмыха.
В этих целях с большой эффективностью используют роторно-пульсационный аппарат,
или РПА, через который пропускают суспензию компонента перед завариванием или после
него. Благодаря этой процедуре не только избавляются от комков, образовавшихся при
заваривании, но и повышают степень использования сырья, равно как и получают
возможность применять отдельные виды сырья (например, среды с рыбно-костной мукой,
плохо поддающиеся стерилизации из-за большого количества рыбьих глаз).
Растворы сахаров, нуждающиеся в более щадящих режимах стерилизации, рекомендуют
готовить и стерилизовать отдельно, смешивая с основной средой только в ферментаторе.
Некоторые виды сырья, например, соевая мука, вызывают повышенное вспенивание
среды, поэтому для снижения пенообразования при стерилизации в такие среды добавляют
жир в качестве пеногасителя. Подобная мера вызвана технологической необходимостью, в
принципе, добавление жира в среду повышает устойчивость спор к тепловому воздействию и
поэтому крайне нежелательно. Все жировые компоненты сред необходимо стерилизовать
отдельно. Для этого, как правило, предварительно готовят водно-масляную или водножировую эмульсию с хозяйственным мылом, повышающим ее стойкость.
Качество используемой воды зависит от назначения питательной среды. Чаще всего
применяют артезианскую, реже — водопроводную воду. В крупнотоннажных производствах
кормовых дрожжей и белкововитаминных концентратов (БВК) используют воду, полученную
по замкнутому циклу этого производства, то есть прошедшую очистные сооружения. В
производстве кровезаменителей используют только апирогенную воду (бидистиллят).
Под стерилизацией сред обычно понимают любой метод воздействия, обеспечивающий
удаление из них микробов — контаминантов или разрушение последних. Наиболее
распространенным и универсальным среди возможных методов, вызывающих деструкцию
микроорганизмов, является метод, основанный на использовании влажного тепла.
Характерной особенностью, отличающей действие влажного тепла на микроорганизмы и
химические вещества, является высокая энергия активации, которая характерна для микробов
(таблица 35).
Т а б л и ц а . Значение энергии активации бактериальных спор и некоторых витаминов
Объект
Энергия активизации,
3
Дж/моль
Baccillus subtilis
318440
- " - stearothermophilus
266903
Clostridium botulinum
343580
Тиамин гидрохлорид
92180
Фолиевая кислота
70392

4.

По разнице значений энергии активации можно говорить о том, что одинаковое
приращение температуры оказывает разное влияние на гибель спор и термическую
деструкцию химических соединений. Как видно из таблицы, споры палочки ботулизма
наиболее чувствительны к воздействию влажного тепла, а фолиевая кислота меньше
подвержена деструкции по сравнению с тиамином.
На практике главная цель стерилизации — достижение стерильности, но сохранение
качества питательной среды также имеет важное значение, так как непосредственно от этого
будет зависеть результат процесса ферментации. Благодаря различиям в энергии активации
отмирание термостойких спор при высоких температурах происходит значительно быстрее,
чем скорость химической реакции.
Длительность экспозиции, или в р е м я выд е р ж к и — это тот временной интервал, в
пределах которого погибают микроорганизмы. Гибель последних спор в среде является
случайным процессом, поэтому введено понятие "критерий стерильности" (N) — отношение
числа операций стерилизации, в результате которых выжили по одной термостойкой споре, к
общему числу проведенных операций. Для стерилизации сред принимают критерий
стерильности, равный 0,01 ± 0,001. Если исходное количество спор в среде принять No, то
получим соотношение N/No — уровень стерильности или коэффициент выживания, который
означает, что для достижения заданного критерия стерильности (например 0,01) среда должна
выдерживаться при температуре стерилизации строго определенное время, чтобы "пен
пуляция" спор снизилась от исходного значения No до N/N0 (например, до 10"16).
Тепловую стерилизацию сред (по способу ее проведения) подразделяют на периодическую
и непрерывную. При п е р и о д и ч е с к о м способе стерилизации процессы: нагрев,
выдержка и охлаждение среды (рис.) протекают последовательно во времени в одном
аппарате.
Рис. Установка непрерывной стерилизации питательной среды: 1 — приемник концентрата
питательной среды, 2 — фильтр для отделения комков среды, 3 — насос, 4 — паровой
инжектор, 5 — выдерживатель трубчатого типа, свернутый в виде плоской спирали, 6 —
теплообменник.
4
Это может быть ферментатор, посевной аппарат
или специальный стерилизатор. Весь объем
среды нагревают в аппарате до заранее выбранной температуры, выдерживают при этой
температуре строго определенное время и охлаждают водой, подаваемой в рубашку аппарата
или змеевик. Метод отличается простотой и надежностью, однако имеет и свои недостатки. В
частности, ухудшается качество питательной среды из-за длительного воздействия высокой
температуры, при этом происходит карамелизация сахаров (образование ангидридов
Сахаров), деструкция витаминов; излишне длительный нагрев приводит не только к
разрушению питательных веществ, но и к образованию в среде потенциальных ингибиторов
процесса ферментации, таких как аминосахара. Второй недостаток связан с тем, что требуется

5.

повышенный расход пара за короткий период нагрева. Третий недостаток обусловлен
невозможностью регенерировать тепло. Последний, четвертый, недостаток касается
трудности автоматизации процесса периодической стерилизации по сравнению с
непрерывным.
При н е п р е р ы в н о м способе стерилизации каждый элементарный процесс — нагрев,
выдержка, охлаждение (рис.) осуществляется в специально предназначенных для этого
аппаратах: нагревателе, выдерживателе, теплообменнике, которые составляют систему
аппаратов для непрерывной стерилизации — установку непрерывной стерилизации (УНС).
Рис.. Установка непрерывной стерилизации питательной среды с рекуперацией тепла: 1 —
приемник концентрата среды, 2 — фильтр, 3 — насос, 4 — пластинчатый теплообменникрекуператор, 5 — теплообменник-доохладитель, 6 — паровой эжектор, 7 — выдерживатель
трубчатого типа, разделенный на две секции.
Все аппараты УНС выполняют из нержавеющей стали, а наиболее надежной арматурой
является сильфонная нержавеющая. Перед началом операции стерилизации всю систему УНС
стерилизуют водяным паром, после чего стерилизуют концентрат питательной среды. Для
удаления остатков среды из системы и для разбавления концентрата через УНС пропускают
воду. Перед отключением УНС ее вновь стерилизуют.
Непрерывная стерилизация имеет следующие преимущества по сравнению с периодической:
1) при непрерывном методе стерилизации каждый элементарный объем среды (бесконечно
малый объем, содержащий одну спору) находится при высокой температуре короткое время;
2) благодаря более высоким температурам стерилизации и короткой экспозиции
деструкция компонентов питательной среды минимальна;
3) процесс стерилизации всего объема питательной среды растянут во времени, этим
обеспечивается более равномерная загрузка котельной;
5
4) процесс легко контролируем и управляем;
5) возможна частичная регенерация тепла.
Непрерывное нагревание среды может быть осуществлено без прямого контакта с
теплоносителем в трубчатом, пластинчатом или спиральном теплообменнике. Но чаще всего
среда нагревается до нужной температуры в течение нескольких секунд прямым инжектированием пара в паровых контактных нагревателях. Наиболее распространены те
конструкции теплового инжектора, в который подают вихревым насосом нестерильную
питательную среду и пар под давлением — 0,3…0,6 МПа. Производительность нагревателей

6.

5, 10, 15, 20, 25, 50 м3/ч стерильной среды. Подбирают нагреватель в зависимости от объема
стерилизуемой среды так, чтобы время операции стерилизации всего объема среды составляло
40…120 минут. После этого среду подают в выдерживатель — проточный аппарат
непрерывного действия, работающий по принципу вытеснения вновь поступающими
объемами среды предыдущих. За время прохождения через выдерживатель объема
питательной среды содержащаяся в этом объеме спора погибает. Следовательно, принцип
работы выдерживателя может быть записан в следующем виде:
τ выдержки = τ отмирания термостойких спор = τ заполнения.
По конструктивным особенностям выдерживатели подразделяют на два типа:
емкостные
трубчатые.
Чтобы приблизить течение жидкости в емкостном выдерживателе к поршневому, снизить
скорость потока по центральной оси и уменьшить застойные зоны у корпуса, необходимо
предусматривать специальные устройства для ввода среды, обеспечивающие равномерное
распределение потока, и для вывода среды, где надо равномерно — собрать поток со всего
сечения.
Расчетными данными показано, что из различных по длине и диаметру трубчатых
выдерживателей, дающих один и тот же уровень стерильности, экономически
наивыгоднейшим является тот, который характеризуется потоком с критерием Rе = 50. Такие
трубчатые выдерживатели получили название оптимальных.
Трубчатые выдерживатели большого диаметра и длины разделяют на секции и укрепляют
вертикально как колонные аппараты. Выдерживатели с диаметром трубы 150…200 мм
сворачивают в виде объемной или плоской спирали и устанавливают над нагревателем. Все
выдерживатели должны быть покрыты слоем изоляции для предотвращения теплопотерь.
При высокой температуре среда находится в выдерживателе строго определенное
расчетное время, а затем ее необходимо очень быстро охладить до температуры ферментации,
иначе в среде пойдут деструктивные процессы. Теплообменник, в котором возможен
подобный процесс, должен обладать не только высокими теплообменными
характеристиками, но и конструктивным совершенством, обеспечивающим поддержание
среды в стерильном виде, следовательно, он должен быть герметичен.
Наиболее широкое распространение в нашей стране получили теплообменники типа
"труба в трубе", тогда как за рубежом применяют более эффективные пластинчатые и
спиральные теплообменники. Использование пластинчатых теплообменников ограничивается невозможностью их применения для охлаждения вязких сред, содержащих
твердую фазу.
Сыпучие среды, используемые в настоящее время для получения ферментов
поверхностным методом и кормовых добавок,6 стерилизуют паром, инфракрасными лучами, а
также используют другие губительные факторы. Компонентами таких сред являются отруби,
биошрот, свекловичный жом, древесные опилки, солома. Компоненты предварительно
тщательно измельчают и смешивают в оптимальных соотношениях.
В промышленности наиболее широко применяют обработку сред глухим и острым паром,
которую условно можно назвать стерилизацией. В действительности деструкция спор
происходит только на поверхности твердых комков среды. Споры, находящиеся в глубине
комка, могут выжить. Уровень стерильности таких сред относительно невысок, но достаточен
для проведения ферментации на твердой сыпучей среде.

7.

7