Непрерывный способ стерилизации жидкостей.

Принципиальным преимуществом непрерывного способа стерилизации является возможность сохранения в сте­рильных жидкостях термолабильных компонентов (ви- 98

тамины, ферменты и др.).

где М_о — количество термолабильного вещества в жидкости до сте­рилизации (т=0); М_т — то же в момент времени т; В' — величи­на, которая для условий стерилизации может быть принята посто­янной; Е — энергия активации процесса инактивации спор; Е^ — то же процесса разрушения термолабильного вещества.

Данные табл. 16 позволяют утверждать, что раз­ностьбольше 1. При заданной эффективности

стерилизацииувеличение температуры (при

соответствующем уменьшении экспозиции) приведет к снижению показателя степени при основании натураль­ных логарифмов, а значит, и правой части уравнения [112]. Таким образом, с повышением температуры сте­рилизации отношение уменьшается, прибли­

жаясь к единице, что свидетельствует о благоприятных условиях высокотемпературной кратковременной стери­лизации жидкостей, содержащих термолабильные ком­поненты. Этот факт хорошо иллюстрируется рис. 14 [123].

Рассмотрим некоторые из результатов теоретическо­го анализа термической стерилизации жидкости в си­стемах непрерывного действия. В настоящее время в литературе описано много типов стерилизаторов непре­рывного действия, применяемых, в микробиологической, пищевой и медицинской промышленности.

Отмечают [108], что при практической реализации стадии нагревания оптимальные условия достигаются в том случае, когда пик температуры стерилизации сов­падает с минимальным периодом экспозиции. В этом случае лучшими являются нагреватель с пароструйным 4* 99

инжектором и широко применяемые на практике нагре­вательные колонки с тангенциальным вводом пара и стерилизуемой жидкости. Следующим по эффективности нагревания является пластинчатый теплообменник, на­гревающий жидкость быстрее, чем спиральный и труб­чатый («труба в трубе») теплообменники, благодаря большей поверхности теплопередачи на единицу объема нагреваемой жидкости и более высокому коэффициен­ту теплопередачи.

Наиболее эффективно охлаждаются жидкости в пластинчатом теплообменнике. Однако по многим прак­тическим соображениям довольно большое распростра­нение на заводах получили теплообменники «труба в трубе». Примеры некоторых аналитических зависимо­стей, рекомендуемые в работе [108] для расчета зна­чений критерия стерилизации в различных секциях нагревания и охлаждения, приведены ниже.

Для случаев нагревания с йомощью изотермического источника тепла и охлаждения при постоянной тепло­отдаче:

Для случаев нагревания и охлаждения при противо­токе, постоянной скорости потока и постоянной тепло­емкости:

Следует отметить, что уравнения (ИЗ) и (114) не учитывают неоднородность теплового поля в жидкости, а также распределение времени пребывания различных элементарных объемов жидкости при повышенной тем­пературе.

В работе [129] приведены результаты теоретическо­го анализа тепловой стерилизации питательной среды v. для условий, в которых учиты­

вается варьирование темпера­туры по длине трубчатого вы­держивателя. Рассмотрим сущ­ность этой работы. На рис. 16 приведена принципиальная схема установки непрерывной стерилизации питательной сре­ды [129]. Нестерильная среда поступает в секцию нагревания и выдерживания, а затем через дросселирующий клапан — в секцию охлаждения. Предпри­нята попытка оценить распре­деление живых микробных

Рис. 16. Принципиаль­ная схема установки не­прерывной стерилизации питательной среды:

1 — секция нагревания и вы­держки; 2— дросселирующий клапан; 3 — секция охлажде­ния.

клеток в секции нагревания-выдерживания для получе­ния информации, необходимой для описания работы сте­рилизатора. Для установившегося состояния на основе рассмотрения материального и энергетического баланса получены следующие дифференциальные уравнения для микробных клеток и температуры:

где E_n — коэффициент дисперсии; x — концентрация живых микроб­ных клеток; у — осевая координата; v— скорость потока; — скорость реакции инактивации клеток; Т — температура среды; Кт — коэффициент теплопередачи; р — плотность среды; С_р — теп­лоемкость среды; го — радиус трубы-выдерживателя; T_t — темпера­тура конденсации пара.

Граничные условия для уравнений (116) и (117): для y — Q

где х— концентрация микробных клеток в питательной среде до стерилизации (на входе в выдерживатель); Tq— температура сре­ды на входе в выдерживатель.

где k — удельная скорость гибели клеток, подчиняющаяся уравне­нию Аррениуса.

После некоторых преобразований получают следую­щие уравнения:

102

Совместное решение уравнений (122) и (123) дает величину концентрации живых микробных клеток и величину различий температуры по длине трубчатого выдерживателя. Ситуация при очень, малых и очень больших числах Пекле (Ре) является предельной и за­служивает особого внимания. При значениях Ре, стре­мящихся к бесконечности, можно пренебречь диффе­ренциальными членами 2-го порядка в уравнениях (122) и (123). Тогда

і

Подстановка для У=0 дает С=1, 0 = 1—а.

В рассмотренных условиях трубчатый выдержива- тель работает в режиме поршневого течения. Этот ва­риант является наилучшим для практики, поскольку гарантирует одинаковый тепловой эффект для всех микробных частиц, проходящих через трубчатый вы- держиватель.

Во всех случаях, когда число Ре бесконечно мало, выдерживатель работает в условиях полного смешения. Для этой ситуации получены уравнения:

Аналитическое решение для изменения температуры по длине трубчатого выдерживателя дается выраже­нием

юз

Практическое приложение результатов теоретиче­ского анализа рассматривается на примере трубчатого выдерживателя длиной 20 м и диаметром 20 см [129J, скорость подачи питательной среды 10 м/ч.

Влияние числа Пекле на величину концентрации микробных клеток и изменение температуры показаны в табл. 20. При Ре = 0 трубчатый выдерживатель рабо­

та б л и ц а 20. Влияние числа Пекле на величину концентрации живых микробных клеток на выходе трубчатого выдерживателя и величину разности температуры при В=5,0 и К_о=5ОО [129]

тает как реактор полного смешения, а концентрация микробных клеток одинакова по всей длине, т. е. сте­рилизация осуществляется неэффективно. При Ре = 0О обеспечивается наиболее высокая эффективность стери­лизации. Очевидно, что реальные рабочие ситуации на­ходятся в диапазоне

Параметр теплопередачи В показывает относитель­ную величину коэффициента теплопередачи и теплоем­кости питательной среды. Высокие значения параметра указывают или на низкое термическое сопротивление стенки выдерживателя, или на низкую теплоемкость 104

среды.

Таблица 21. Влияние параметра теплопередачи на концентрацию живых микробных клеток в среде после выдерживателя и на разницу в температуре при К_о=5ОО и Ре=10

Из данных табл. 22 видно, что разность температур уменьшается относительно равномерно по сравнению с изменением концентрации живых микробов. При Ре= = ГО концентрация микроорганизмов снижается экспо­ненциально на участке У=0,4-4-0,6, а для Ре = 25 — на участке У=0,2-4-0,4. Установлено, что концентрация клеток уменьшается по экспоненте в том случае, когда величина разности температуры приближается к 0,1. Это означает, что для взятого автором примера боль­шинство микробных клеток разрушается при темпера­туре, превышающей 116° С.

Таблица 22. Изменение концентрации живых микробных клеток и разности температур вдоль оси трубчатого выдерживателя при ГС₀=500 и 5=5

Приведенный пример в сочетании с теоретическим анализом позволил сделать заключение о том, что зна­чения концентрации живых микроорганизмов и раз­ность температур уменьшаются по мере увеличения числа Пекле [129]. Поэтому поршневой режим работы трубчатого выдерживателя с бесконечно малым коэф­фициентом дисперсии обеспечивает наибольшую эф­фективность стерилизации.

Весьма полезный методический подход к определе­нию длины трубчатого выдерживателя и стерилизую­щей эффективности режимов в различных элементах УНС рассмотрен в работе [130]. На рис. 17 показаны

Рис. 17. Принципиальные схемы технических систем высокотемпе­ратурной кратковременной стерилизации жидкостей при инжекци­онном типе нагревателя.

принципиальные схемы УНС для варианта инжекцион­ного нагрева питательной среды насыщенным водяным паром, а на рис. 18 — кривые «температура—время». Кривая А характеризует процесс при установке секции охлаждения непосредственно за секцией нагревания. Вследствие медленного процесса теплопередачи общее время стерилизации больше, чем в случаях, характери­зующихся кривыми £ и В. В последних двух вариантах использован инжекционный метод нагревания среды, однако на стадии охлаждения в случае Б среда охлаж- 106

дается в теплообменнике, а в случае В — в быстродей­ствующем испарителе (вариант Б на рис. 17).

Показано, что для мно­

гих жидких питательных сред характерен неньютонов­ский режим течения, для ко­торого напряжение сдвига подчиняется уравнению

Рис. 18. Различные сочетания температуры и времени в про­цессе термической стерилиза­ции жидкостей:

Г_н и Г_к — начальная и конечная температура соответственно.

і

где g_c — напряжение сдвига; Ка — показатель консистенции; V — скорость; г — радиальная ко­ордината; п — показатель псевдо­пластичности.

В табл. 23 приведены значения К_с и п для некото-

Таблица 23; Значения показателей консистенции и псевдопластичности пищевых жидкостей [130]

рых пищевых жидкостей. Определение этих характери­стик для жидкостей, стерилизуемых в микробиологиче-

ской промышленности, представляет несомненный инте­рес.

Экспериментально показано, что изменение показа­теля консистенции в зависимости от температуры опи­сывается уравнением Аррениуса

В трубчатом выдерживателе распределение микро­организмов по скоростям приводит к изменению време­ни пребывания микроорганизмов при повышенной тем­пературе. Для изотермических условий рекомендуют при расчете распределения по скоростям использовать уравнение [130]

где Ц_л—локальная скорость; — объемная скорость.

В секции охлаждения (А на рис. 17) ситуация более сложная вследствие варьирования температуры среды. Изменение температуры влияет на вязкость жидкости, последняя в свою очередь —■ на распределение по ско­ростям. Следовательно, для точного расчета времени пребывания микроорганизмов в секции охлаждения не­обходимо знать распределение температуры в осевом и радиальном направлениях. Энергетический баланс за­писывается в виде соотношения

Полагают [130], что при определении длины труб­чатого выдерживателя необходимо обеспечить выполне­ние двух требований: концентрация спор Cl. botulinum (применявшийся в опытах микроорганизм) на выходе выдерживателя должна быть снижена до 10^-12—10^-14 от исходного уровня, а температура среды должна соот- 108

ветствовать температуре стерилизации 121° С (см. рис. 19, а). В случае А подбирают длину выдерживателя и охладителя, в случае Б — только длину выдерживате­ля, поскольку используют испаритель, обеспечивающий практически мгновенное охлаждение среды.

Рис. 19. Влияние показателя псевдопластичности на длину сте­рилизатора для случая Л:

а — при 121° С; б — при 126° С; 1 — уменьшение количества жизнеспособных спор Cl. botulinum в 10^!4 раз; 2— то же, но в 10¹² раз.

В рассмотренном примере различие между общей длиной стерилизатора при различных требованиях к стерильности изменяется от 202 см при /г = 0,25 до 310 см при /г = 0,65. Требование степени стерильности не влияет на длину секции охлаждения, но последняя зависит от температуры на выходе стерилизатора. При скорости жидкости 10 м/с общее время стерилизации среды для рассматриваемой системы варьирует от 3,04 мин при /г = 0,25 до 3,74 мин при /г = 0,65. На рис. 19, б представлены аналогичные данные для случая А при температуре процесса 126° С, которая на 5° С выше рассмотренной ранее. Сравнение данных рис. 19, а с данными рис. 19,6 показывает, что, хотя длина секции охлаждения увеличивается, общая длина стерилизато­ра значительно уменьшается при повышении темпера­туры процесса. Эти данные подтверждают преимущест­ва высокотемпературного кратковременного процесса стерилизации. В рассмотренном выше случае при t= = 121° С концентрация спор Cl. botulinum в конце сек­ции выдерживания понижается до 5-Ю^-11 от исходного 109

уровня обсемененности при общем значении 1-Ю-¹². Это указывает на незначительный вклад секции охлаж­дения в суммарный стерилизующий эффект.

Однако по мере увеличения температуры до 126° С концентрация микроорганизмов в конце секции выдер­живания снижается до 1-Ю^-9 и влияние секции охлаж­дения на инактивацию спор Cl. botulinum увеличивает­ся. В этом случае общее время стерилизации состав­ляет 1,32 мин при те —0,25 и 1,44 мин при п = 0,65. При этом разлагается 6% витамина В₁₃ от исходного коли­чества.

По данным рис. 20, а, б можно оценить влияние показателя псевдопластичности на стерилизаторе для

Рис. 20. Влияние показателя псевдопластичности на длину стери­лизатора для случая Б:

а — при 121° С; б — при 126° С; 1 и 2— то же, что на рис. 19.

случая Б при замене секции охлаждения быстродейству­ющим испарителем или другим устройством мгновен­ного охлаждения для различных температур процесса и различных требований стерильности. Общий характер зависимости длины стерилизатора от показателя псев­допластичности («) довольно сходен с таковым, пока­занным на рис. 19, а, б. Время стерилизации в данном случае значительно меньше, чем в предыдущем вари­анте. Для выбора окончательного варианта промыш­ленной установки нужен всесторонний учет технологи­ческих, экономических и других факторов, характерных для процесса получения конкретного продукта. Однако при этом необходимо учитывать, что для процессов, 110

требующих так называемой абсолютной стерильности, в качестве выдерживателеи следует применять тепло­обменники типа «труба в трубе». Такие теплообменни­ки гарантируют исключение случайного проскока по­сторонней микрофлоры, весьма характерного для всех конструкций выдерживателей объемного типа.

Для оценки поведения ламинарного потока псевдо- пластической жидкости в трубе предложены и другие зависимости [133]:

где V — скорость жидкости в осевом направлении при радиусе R; L — длина трубчатого выдерживателя; Р_р — перепад давления по длине трубчатого выдерживателя; R_w— радиус трубы; R — рас­стояние в радиальном направлении от оси трубы; А_Пр — коэффици­ент пропорциональности для жидкости; V_max— максимальная ско­рость жидкости при R — 0; V—объемная средняя скорость жидко­

сти.

Для оценки распределения частиц по времени пре­бывания рекомендуют соотношение

Следует еще раз подчеркнуть, что многие подвер­гаемые термической стерилизации жидкости проявляют либо ньютоновские, либо псевдопластические (неньюто­новские) реологические свойства. В этих случаях, как видно из уравнения (141), для вычисления скоростей течения необходимо получить значение п.

Псевдопластические жидкости характеризуются ка­жущейся вязкостью (отношение напряжения сдвига к 111

скорости сдвига), которая уменьшается с увеличением скорости сдвига; их свойства могут быть довольно хо­рошо описаны уравнением [133]

где Ца—кажущаяся вязкость жидкости; Кж—коэффициент про­порциональности жидкости, мера вязкости; у ■—скорость сдвига.

Рис. 21. Изменение кажущей­ся вязкости для псевдопласти­ческой неныотоновской жид­кости в зависимости от ско­рости сдвига при темпера­туре:

/ — 73,3° С; 2—128,9° С; 3 — 184,4° С.

Таким образом, зависимость lg ц_а от lgy (при дан­ной температуре) — это прямая линия с углом накло­на, определяемым величиной п—1. Величина п— мера степени отклонения от ламинарного течения ньютонов­ской среды, должна находиться между 0 и 1 (для ньютоновской жидкости предельный случай п=1). На рис. 21 показаны кривые зависимости вязкости от ско­рости сдвига для типичной псевдопластической жидко­сти. Наклон этих кривых со­ставляет 0,32, откуда п — = 0,68. Путем подстановки этой величины в уравнение (142) можно вычислить ско­рость любой линии потока в выдерживающей трубе.

Разработана программа [133] для цифровой вычис­лительной машины с целью определения вероятности выживаемости спор (или бактерий) при асептическом заполнении контейнера с пищевыми продуктами (со­держащими дискретные ча­стицы), подвергнутыми тепловой обработке в системе теплообменников с наклонной поверхностью и выдержи­вающей трубой. Эта программа основана на допущении равномерного распределения бактерий как в среде-но­сителе, так и веществах в виде частиц; исходная обсеме­ненность выражена в виде концентрации на единицу объема каждого компонента. Полагают [133], что мож­но использовать и неравномерное распределение спор в частице, если таковое имеет место. Сделано также до­пущение, что температура в плоскости, перпендикуляр­ной направлению потока через систему, постоянная.

Применение вычислительных машин для анализа процессов, протекающих в установках непрерывной стерилизации самых различных типов, позволит ближе подойти к решению задачи по нахождению действи­тельно оптимальных режимов с учетом всех основных особенностей стерилизуемых жидкостей. В модели используются фактические (измеренные) температуры потока, т. е. можно избежать ошибок, возникающих при применении расчетных температур. Отмечается, что такой технологический параметр, как длина трубчато­го выдерживателя для требуемой летальности, должен определяться методом итерации, поскольку программа, может определять только ту летальность, которая полу­чается для данных технологических условий. Продол­жительность всех расчетов при использовании компью­тера IBM 360-165 составляет в среднем 2 мин. Важно подчеркнуть, что теоретические расчеты в данном слу­чае являются лишь первым (хотя и необходимым) эта­пом в создании эффективных УНС. Выбор и обосно­вание типа системы, ее состава, характеристик отдель­ных узлов и аппаратов должны обязательно дополнять результаты расчетов.

Итак, многообразие условий, в которых стерилизуют жидкости, определяется в основном двумя причинами? свойствами жидкостей и отсутствием завершенных тео­ретических разработок, которые позволяли бы на осно­ве кинетики развития целевых микроорганизмов или на­копления продуктов их жизнедеятельности сформули­ровать требования к режимам подготовки и обработки. ЭТИХ жидкостей. Последнее обстоятельство ВО МНОГОМ: обусловлено отсутствием требуемого объема экспери­ментальных данных по кинетике изменения полезных свойств жидкостей при стерилизации в сочетании с ки­нетикой отмирания посторонней микрофлоры. Накопле­ние таких данных — одна из задач биотехнологии.

5.3.