ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАБОТЫ ФЕРМЕНТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Стерилизация ферментера и сохранение асептики.

Важнейшим условием успешного протекания любого биотехнологи- ческого процесса является поддержание стерильности среды в ферментере и во всей ферментационной установке в целом.

Всю совокупность операций по подготовке оборудования и коммуникаций с целью создания в них асептических условий можно разделить на два важнейших процесса: стерилизация внутренних полостей и герметизация всех элементов и узлов. Первый процесс проводится в подготовительный период перед запуском оборудования (в ходе процесса ферментации осуществляются лишь профилактические мероприятия по стерилизации отдельных узлов вспомогательного оборудования). Второй процесс осуществляется и при подготовке, и при эксплуатации оборудования.

Наиболее распространенный метод стерилизации аппаратов и трубо- проводов - тепловая обработка перегретым выше 100⁰С насыщенным водяным паром. Этот метод надежнее, экономичнее и удобнее в производственных условиях, чем обработка химическими средствами.

При стерилизации важнейшим условием ее эффективности является возможность создания во всех точках внутренних полостей необходимой температуры и поддержания ее в течение заданного времени. В производственных условиях выполнение этого требования связано со значительными трудностями ввиду наличия в ферментере многочисленных тупиковых полостей, областей и зон в которые затруднен доступ пара (“слабые точки”). Наиболее трудно стерилизуемыми местами в аппаратах являются участки расположения теплообменников, барботеров, штуцера (места ввода трубопроводов, датчиков КИП), загрузочные люки, а в разводках трубопроводов - тупиковые места, которые образуются на ответвлениях и в местах присоединения к аппаратам.

Расчетным путем показано, что для достижения равной степени стери-лизации в перечисленных «слабых» точках и в основном обьеме аппарата продолжительность выдержки различается примерно в 100 раз, если принять температуру пара в них 100 С.

Наличие большого количества “слабых точек” обусловлено тем, что конструкционные решения большинства узлов промышленного ферментера часто заимствуются из химической технологии и поэтому они не соответствуют требованиям стерилизации.

Наиболее действенной мерой повышения эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций является разработка оборудования с наименьшим числом таких «слабых» точек или принудительная подача пара в эти зоны через дополнительные термические затворы, специально встроенные в те участки ферментера, где наблюдается максимальная концентрация таких«слабых» точек. Так же такими термическими затворами должны быть снабжены и все трубопроводные линии аппаратов.

Химические методы стерилизации, несмотря на свою эффективность, применяются редко. Это связано с тем, что после окончания стерилизации необходимо удалить стерилизующий агент, а это достаточно трудно сделать и может привести к повторной контаминации. Наиболее удобно использование газообразных или легколетучих веществ (этиленоксид, β-пропиолактон), которые легко удалить продувая систему стерильным воздухом.

Второй процесс определяющий конструктивные особенности аппара-туры, - ее герметизация. Она решает две задачи - защиту внутреннего объема от посторонней микрофлоры и защиту окружающей среды от продуктов биосинтеза.

Проблема обеспечения герметичности обусловлена рядом причин: пара- метры проведения разных стадий технологического процесса резко различаются (например термическая стерилизация (100⁰С и выше) и культивирование (25-45⁰С), сильная вибрация при работе перемешивающих устройств, перепад температуры в различных зонах установки, все это приводит к возникновению трещин и щелей в конструкциях и узлах аппаратуры.

Большинство случаев дегерметизации приходится на запорную арматуру, в которой наиболее опасные места - уплотнение седло-клапан и уплотнение штока, на фланцевые соединения, уплотнение валов и мешалок и места ввода датчиков КИП.

Одним из важных направлений повышения эффективности герметизации является переход на сварные соединения вместо фланцевых (соединение отдельных узлов за счет болтов), на сильфонные или мембранные вентили вместо обычных, на создание торцевых уплотнений для валов перемешивающих устройств с контролируемой герметичностью.

Для снижения риска попадания извне посторонней микрофлоры внутри ферментера создают небольшое избыточное давление.

В зависимости от требований предъявляемых к чистоте продукции (лекарственные, пищевые продукты) проводят работы по дезинфекции рабочих мест и целых производственных участков, очистке воздуха рабочих зон.

Термостатирование

Обеспечение оптимальной температуры процесса культивирования является одной из самых сложных и ответственных технических проблем. На практике теплоотвод связан с большими капиталовложениями и необходимостью строительства сложных систем оборотного водоснабжения, теплообменных устройств в ферментерах, а иногда и дополнительных холодильных установок. Затраты на теплоотвод соизмеримы с затратами на обеспечение клеток кислородом (аэрирование, перемешивание) и поэтому они могут быть решающими при выборе конструкции ферментера.

Проблема обусловлена следующими причинами:

а) низким коэффициентом теплопередачи (малой теплопроводностью) клеточной стенки, и как следствие малоинтенсивной теплоотдачей со стороны микробной суспензии, а также с образованием отложений клеток на внешней стороне охлаждающих элементов. Малый коэффициент теплопередачи объясняется так же практически ламинарным обтеканиием вязкой микробной суспензией поверхности охлаждающих элементов;

б) небольшой величиной движущей силы теплопереноса, т.е. перепада температур между охлаждающей водой (в летнее время 26-28 С) и микробной суспензией (обычно 32-34 С);

в) необходимость отводить не только тепло, выделяющееся при жизне- деятельности микроорганизмов, но и все тепло, которое выделяется при работе перемешивающих устройств за счет трения слоев жидкости друг о друга и о стенки и внутренние узлы аппарата;

В зависимости от тепловой нагрузки для отвода тепла используют поверхность корпуса аппарата (тепловые рубашки) или встроенные внутрь аппарата теплообменники змеевикового типа. Наилучшим решением проблемы является использование выносных теплообменников (кожухотрубных, пластинчатых), располагаемых на внешних циркуляционных трубах, если такие имеются.

При использовании встроенных теплообменников очень важно правильно выбрать место их размещения, чтобы можно было обеспечить интенсивный циркуляционный поток жидкости. Всегда необходимо помнить, что встроенные теплообменники повышают вероятность инфицирования ферментеров (дополнительные “слабые” точки), ухудшают гидродинамический режим, уменьшают полезный объем, усложняют их промывку, стерилизацию и

ремонт.

Пеногашение

Большинство микробиологических процессов сопровождается интенсив-ным выделением различных газов (CO₂, H₂, CH₄ и др.), что часто приводит к обильному пенообразованию. Это является крайне нежелательным процесс-сом, так как чрезмерное вспенивание в ферментере ограничивает полезную емкость аппарата, нередко является причиной заражения среды посторонней микрофлорой, приводит к потерям культуральной жидкости, уходящей с пеной из аппарата. В большинстве случаев пеногашение осуществляют с помощью добавления химических пеногасителей - поверхностно-активных веществ природного и химического происхождения. Однако в последнее время все больше внимания обращается на механические пеногасители, использование которых исключает или резко сокращает введение химических пеногасителей, которые иногда бывают токсичными для микроорганизмов-продуцентов или являются ингибиторами ферментов.

Все механические пеногасители разделяются на два типа - роторные и циклонные. Принцип действия механических пеногасителей заключается в разрушении пузырьков воздуха или их дроблении при контакте с рабочим органом. Применяются как встроенные в аппарат, так и выносные механические пеногасители.

В случае роторных пеногасителей рабочим органом является обычно вращающийся диск с лопастями, выступами, прорезями либо пакет кони-ческих сепарационных тарелок.

Довольно широко используются пеногасители циклонного типа. Поступающая из аппарата воздушно-пенная струя двигается по винтовому каналу в верхней части циклона и после попадания в полую нижнию часть его закручивается как в вихре. В результате жидкость собирается в центе вихря и падает вниз, удаляясь через нижний патрубок, а воздух уходит через верх. Наилучший эффект в этом случае достигается обычно при их совместном использовании с химическими пеногасителями.

Контроль и управление процессами культивирования.

Основное искусство технолога при проведении управляемого культивирования состоит в умении создать наиболее «комфортные» условия для растущей культуры. Для этого необходимо прежде всего знать, каковы они - эти условия, или иными словами:

а) состояние процесса в пределах бесконечно малого промежутка времени;

б) реакцию микроорганизмов на любые изменения подвергаемых измерению и контролируемых параметров процесса.

Однако непосредственно изучить состояние (“самочувствие”) клеток в промышленном аппарате не представляется возможным. Поэтому физиологическое состояние культуры продуцента оценивается обычно косвенно по различным кинетическим параметрам: скорости роста, потребления кислорода и различных субстратов, выделению углекислого газа и других продуктов метаболизма (в том числе и целевых), скорости закисления или защелачивания (по значению рН), тепловыделению и т.д.

Основными управляющими воздействиями для поддержания и корректировки режима культивирования являются режим аэрации и перемешивания, подача теплоносителя, регулировка величины рН, поддержание уровня пены, скорость дозирования субстрата.

Одной из основных проблем промышленной биотехнологии является отсутствие специализированных датчиков, поскольку общепромышленная номенклатура приборов и средств автоматизации, зачастую, не соответствует асептическим условиям процессов, не выдерживает многократной термической стерилизации, не может работать в сложных по составу ферментационных средах, включающих биомассу, пузыри воздуха, жировые компоненты, жидкие эмульсии и твердые частицы.

Дозирование субстратов. Как уже отмечалось насосы, трубопроводы и запорная арматура- сплошная “слабая” точка. В условиях асептических производств лучшими дозирующими насосами являются перистальтические или мембранные в которых рабочий орган взаимодействует с жидкостью через непроницаемую мембрану. Возможно дозирование и без насосов, с помощью дозировочных бачков. При этом давление в линиях должно на 1,5-2 атм превышать давление в ферментере.

Концентрация водородных ионов. Измерение рН без особых проблем осуществляют с помощью стеклянных электродов сравнения, которые хорошо выдерживают паровую стерилизацию. Иногда используют выносные системы с циркуляцией через них жидкости из ферментера.

Концентрация растворенных газов. Наибольшее распространение полу-чили амперометрические датчики. Они выдерживают 20-кратную стерили-зацию, не теряя чувствительности. Однако перед началом процесса ферментации они нуждаются в градуировке. Наиболее широко такие датчики используются на определение количества растворенного кислорода.

Концентрация CO₂ в выхлопных газах. Этот параметр обычно измеряется по теплопроводности газов при помощи катарометра. Иногда пользуются инфракрасными анализаторами.

Температура. При биосинтезе температура может изменяться по определенной программе, обеспечивающей максимальный выход продукта. Температуру можно контролировать ртутными термометрами, термопарами или металлическими термометрами сопротивления.

Давление. Для измерения этого параметра используют относительно простые диафрагмовые манометры, способные работать в условиях стерильности. Результирующий пневматический сигнал может быть реализован непосредственно на исполнительном устройстве или преобразован в электронный. Давление в ферментере обычно регулируется простым клапаном обратного давления.

В случае аварийного выключения компрессора, сопровождающегося падением избыточного давления в ферментере, необходимо загерметизировать аппарат для защиты от внешней посторонней микрофлоры. Для этого манометр в ферментере соединяется в единую схему с заслонками на линии ввода и вывода газа и в случае падения давления ниже допустимого эти заслонки автоматически закрываются.

Скорость подачи газа и жидкости. Предпочтение обычно отдается расходомерам переменного сечения - ротаметрам и диафрагмам. Положе-ние поплавка в ротаметре трансформируется в электрический сигнал, который передается на регулятор, управляющий вентилем на трубопроводе.

Уровень жидкости в ферментере. Интенсивное перемешивание и пенообразование не позволяют применять обычные методы измерения уровня, распространенные в химической технологии (смотровые окна, мерные трубки и тд.).

В ферментерах и биореакторах целесообразно применять весовой тип уровнемера, в котором датчики, фиксирующие массу аппарата, передают свой сигнал на прибор, отградуированный в единицах уровня.