Аппаратура типовых процессов биотехнологии

1.

Лекция 8
Аппаратура типовых процессов
биотехнологии
1. Типовые стадии
биотехнологического процесса
2. Оборудование
предферментационной
стадии
Основы промышленной асептики
• Оборудование для приготовления
питательных сред и посевного
материала
• Стерилизация технологического
воздуха
1

2.

1. Типовые стадии
биотехнологического процесса
Предферментационная стадия
(хранение и
Стадия ферментации
, в ходе которой
Постферментационная стадия
обеспечивает
подготовка культуры продуцента (инокулята),
подготовка и получение питательных субстратов и сре
ферментационной аппаратуры, технологических и
рециркулируемых воды и воздуха).
происходит взаимодействие продуцента с субстратом
образование целевых продуктов.
получение готовой товарной продукции, а также
обезвреживание отходов и побочных продуктов.
2

3.

2. Оборудование
2.1 предферментационной стадии
2.1 Основы промышленной асептики
Асептика – это комплекс технологических и гигиенических
мероприятий, обеспечивающих защиту лекарственных сред
от попадания в них микроорганизмов на всех этапах
технологического процесса.
Методы асептики:
Очистка (устранение загрязнений, включая пыль, грязь,
большое количество м/о и органических веществ).
Дезинфекция (снижение количества микроорганизмов до
уровня, безопасного для здоровья, но не бактериальных спо
Стерилизация – процесс полного уничтожения или
удаления из объекта всех жизнеспособных форм
микроорганизмов.
3

4.

Критерии выбора метода
2.1 промышленной стерилизации:
отношение объекта стерилизации к воздействию (термостойкость
радиационная стойкость). Разложение после стерилизации не бол
1-2%, без образования токсичных веществ;
эффективность воздействия на различные м/о или эффективность
удаления из объекта;
максимальная безопасность для персонала и жителей близлежащ
районов;
наличие технологических установок для стерилизации;
экономическая целесообразность.
Объект
Метод
Режим
Оборуд
ование
4

5.

2.1
Объекты стерилизации
оборудование,
коммуникации, арматура
технологические среды (питательная
среда, посевной материал, сжатый
воздух);
технологическая одежда;
готовые лекарственные препараты;
упаковка для стерильной продукции.
5

6.

2.1
Методы стерилизации
Действие всех стерилизующих агентов
основано на инактивации важнейших
внутриклеточных веществ, необходимых
для роста и репродукции клеток.
Для стерилизации потоков могут
применяться тепловые и «холодные»
методы стерилизации, осуществляемые
периодическом или непрерывном режим
6

7.

2.1 Тепловые методы стерилизации:
водяным паром (глухим или острым,
текучим);
р=0,11 МПа (1 атм.), t=121 °С
р=0,2 МПа (2 атм.), t=132 °С
горячим воздухом (сухожаровый способ
160, 180, 200 °С)
инфракрасными лучами;
высокочастотным и СВЧ нагревом.
7

8.

Проблемы применения
2.1
тепловых методов:
денатурация
(коагуляция) белков;
пиролиз резкая активация
окислительно-восстановительных
процессов (клетка сгорает).
8

9.

«Холодные» методы
2.1 (не вызывающие нагрева среды):
ионизирующее излучение (радиационный
метод) –изделия из полимерных материалов, чашки Петри
ультразвуковое воздействие;
воздействие химическими реагентами
(растворы:
перекись водорода, надкислоты; газы: окись этилена или ее
смеси с флегматизаторами3(СН
Br, CO2, фреоны и др.) –
оборудование, упаковка);
ультрафиолетовое облучение;
декомпрессионное воздействие
(для жидких сред);
стерилизующая фильтрация
(для жидких сред);
центрифугирование и электростатическое
осаждение(для жидких сред).
9

10.

Проблемы применения «холодных
2.1 методов стерилизации:
удаление следов стерилизующего агента
(промывка, дегазация);
прямое и косвенное влияние на объект
(токсичность, );
слабая проникающая способность УФ-лучей,
фотохимическое воздействие;
попадание волокон фильтрующего материала
фильтрат;
адсорбция макромолекул на фильтрующем
материале.
10

11.

Сравнение эффективности
2.1
методов стерилизации
В фармацевтической промышленности
вероятность нестерильности составляет
10 -6
Метод стерилизации
Показатели
эффективности
Паром под давлением
10-6
Сухожаровый
10-12
Газовый
10-2
Ионизирующее излучение
10-2
Фильтрование
10-3
11

12.

2.1
Преимущества стерилизации
водяным паром:
легко транспортируется;
хорошо проникает в труднодоступные мест
обладает большой теплоотдачей при
конденсации;
не токсичен для персонала и
микроорганизмов;
относительно дешев;
не изменяет состава питательной среды.
12

13.

2.2
Приготовление и стерилизация
питательных сред
Состав питательных сред:
- источники углерода и энергии: углеводы, спирты,
органические кислоты, углеводороды, меласса, гидрол, крахм
картофельный или кукурузный, кукурузная мука, пшеничные
отруби;
- минеральные элементы: азот (соли аммония, мочевина,
кукурузный экстракт, соевая мука, свекловичный жом), фосфо
сера, калий;
ростовые факторы: аминокислоты, витамины;
вода очищенная: очистка воды проходит 4 стадии:
удаление механических загрязнений на префильтре (пористое
стекло, электрокоагуляция);
очистка от органических загрязнений (активированный уголь)
деионизация с использованием ионообменных смол (катионит
аниониты);
стерилизация на мембранных фильтрах с размером пор от 0,2
до 0,45 мкм.
13

14.

Термическая периодическая
стерилизация питательных сред
2.2
Стерилизация в автоклаве – небольшие
объемы среды
Таблица 1 – Соотношение времени и температуры при
стерилизации питательных сред
Время, мин
Температура, °С
30
18
12
116
118
121
8
2
127
132
14

15.

2.2
По конструктивным особенностям автоклавы подразделяютс
паровые автоклавы;
стерилизаторы оросительного типа на горячей воде (по
принципу прямого орошения горячей водой и ее прямого
охлаждения с использованием регулируемого давления);
газовые стерилизаторы (ЕТО-стерилизаторы)
используются в тех случаях, если материал стерилизуемо
продукта не выдерживает термической стерилизации.
ЕТО-газ (90 % этиленооксида
и 10 % СО2, N2)
комбинированные стерилизаторы (используют пар
(формальдегид).
15

16.

2.2 Стерилизация питательной среды
в биореакторе
Недостатки:
значительный градиент температуры по
объему;
«недостерилизация» в тупиках;
продолжительность пребывания среды
при высокой температуре, что снижает
качество питательной среды;
трудность автоматизации процесса,
повышенный расход пара.
16

17.

2.2
Таблица 2 – Время достижения равной стерилизации для
биореакторов различной емкости
Объем биореактора,3 м
Время цикла, мин
при температуре
стерилизации
105 °С
Время цикла, мин
при температуре
стерилизации
127 °С
0,2
28,0
8,8
0,6
33,7
11,3
6
41,3
12,6
60
51,5
17,5
Таблица 3 – Содержание витаминов в питательной среде
зависимости от температуры и времени стерилизации
Температура,
°С
127
147
155
163
Время, мин
24,8
4,1
0,72
0,14
0,029 0,0061
0
2,3
28,0
64,0
Сохранение витаминов, 0
%
172
180
89,0
17

18.

2.2
Непрерывная термическая
стерилизация питательных сред
Различные типы секций
непрерывных
стерилизаторов:
с – стерилизуемая среда;
п – пар;
к – конденсат;
в – вода
18

19.

2.2
Схема установки для непрерывного приготовления питательной
среды:
1 и 2 – резервуары для растворения исходных веществ;
3 – резервуар для смешивания растворов, приготовления питательной
среды;
4 – насос для передачи среды;
5 – колонна или инжектор для нагрева среды паром;
6 – закрытый сосуд для стерилизации;
7 – холодильник;
8 – резервуар для спуска нагретой воды;
19
9 – биореактор

20.

2.2
Конструкции колонн для непрерывной
стерилизации питательной среды
5-10 атм
135 град
20

21.

2.2
Выдерживатель – аппарат для выдержки
среды при температуре стерилизации, тип
которого (емкостной или трубчатый)
определяется температурой стерилизации:
при температурах стерилизации до 125 °С лучш
использовать емкостной аппарат. Длительност
пребывания ПС при постоянной объемной
скорости протекания жидкости через аппарат
равна длительности заполнения аппарата.
3, 2 м
если рабочий объем выдерживателя менее
либо при достаточно высоких температурах
стерилизации целесообразно использовать
трубчатые выдерживатели.
21

22.

2.2
Выбор теплообменника для охлаждения среды до
температуры ферментации обусловлен
максимальным сохранением ее стерильности (наибольш
герметичность теплообменники типа «труба в трубе»,
хорошая герметичность пластинчатых теплообменников
наименьшая – кожухотрубчатый теплообменник ),
вязкостью концентрата питательной среды
(теплообменники типа «труба в трубе» можно
использовать для любых сред, а пластинчатые – только
для невязких сред).
Если необходима большая производительность,
устанавливают несколько параллельно работающих
теплообменников.
22

23.

Установка непрерывной
стерилизации питательной среды
(другой вариант)
испаритель
Теплообменник-рекуператор
23

24.

Дополнительные элементы УНС
2.2 (не обозначены на схеме):
испарительная камера жидкость
расширяется, вскипает, давление уменьшается
и уже со сниженным давлением среда может
проходить через теплообменник, в ферментато
теплообменник-рекуператор, в котором в
качестве теплоносителя используется
стерильная питательная среда с температурой
130-140 °С, которая нагревает нестерильную
питательную среду до температуры 115-125 °С
24

25.

2.2
Таблица 4 – Технические характеристики
установок непрерывной стерилизации
питательных сред
Недостаток: увеличение протяженности трубопроводов,
25
что повышает вероятность вторичной контаминации.

26.

2.2
Холодная стерилизация питательных
сред. Стерилизующая фильтрация
Проблема: сохранение биологической
полноценности ПС – сохранение
термолабильных компонентов (например,
витаминов), исключение процессов образовани
ингибиторов (например, продуктов разложения
углеводов).
Применяются безасбестовые целлюлозные и
мембранные фильтрующие элементы:
размеры пор от 12 до 0,01 мкм,
толщина около 80-150 мкм
Фирмы-изготовители: «Millipor», «Владипор» и
др.
26

27.

Темы следующей лекции
(продолжение):
Стерилизация
технологического
воздуха
Оборудование для приготовления
посевного материала
27