Особенности работы систем, обеспечивающих получение стерильного воздуха

Для нормального функционирования современных микробиологических производств требуется большое количество стерильного воздуха. Например, в один цех для получения антибиотиков, состоящий из 20 аппара­тов вместимостью по 50 м³, только на аэрацию куль­туральной жидкости нужно ежечасно подавать десят­ки тысяч кубометров стерильного воздуха.

Одним из главных требований, безусловно, являет­ся гарантированная стерильность воздуха, подаваемого в аппараты и лабораторные помещения. По-видимому, степень стерильности должна определяться содержани­ем той операции, в которой используется воздух. На­пример, степень очистки воздуха, подаваемого на аэра- 128

цию культуральной жидкости, во многих случаях должна быть выше, чем для воздуха, подаваемого в лабораторные помещения для поддержания в них необ­ходимых гигиенических условий. Важным требованием является обеспечение необходимых термодинамических .характеристик воздуха. Так, повышенное содержание влаги может привести к замачиванию фильтров и пос­ледующему увеличению их коэффициента проскока по бактериальному аэрозолю. Низкая температура возду­ха, подаваемого в ферментаторы, приведет к пере­охлаждению культуральной жидкости, а недостаточное давление не обеспечит преодоления сопротивления гид­ростатического столба жидкости, а следовательно, и требуемой эффективности аэрации.

Очевидно, что технические системы получения и транспортировки стерильного воздуха должны быть весьма надежными, достаточно простыми по устройству и обслуживанию.

Рассмотрим принципиальную схему такой системы на рис. 24. Воздух, забираемый из окружающей атмо­сферы, предварительно очищается от пыли в фильтре 1,

Рис. 24. Принципиальная схема получения и транспортировки сте­рильного сжатого воздуха на микробиологическом предприятии:

/ — фильтр на входе воздуха в компрессорную; 2 — компрессор; 3 — теплооб­менник-охладитель; 4 — ресивер; 5 — предфильтры на входе в производствен­ный корпус; 6 — теплообменник-охладитель; 7 — каплеотбойник; 8 — подогре­ватель воздуха; 9, 10 — фильтры тонкой очистки воздуха; // — ферментатор. 5—1950 129

сжимается в компрессоре 2 до требуемого давления и одновременно нагревается до 120—220° С, а затем охлаждается до рабочей температуры в теплообменни­ке 3. После этого он поступает в воздухосборник 4 и далее в магистральный воздухопровод, от которого идут ответвления к производственным и лабораторным корпусам. На рис. 24 показан и пример ввода возду­хопровода в здание. Воздух поступает в фильтры пред­варительной очистки 5, охлаждается в теплообменнике 6, освобождается от капельной влаги в концевом во­доотделителе 7, подогревается в теплообменнике 5, очищается от посторонней микрофлоры в фильтре 9, а затем по одной ветви подается к индивидуальным фильтрам 10 ферментаторов, а по другой — в лабора­тории здания, в том числе и в микробиологические боксы. Таким образом, концентрация посторонней мик­рофлоры снижается практически в каждом из техниче­ских устройств системы, в том числе и по длине тру­бопроводов. Однако окончательная стерилизация воз­духа осуществляется в фильтрах тонкой очистки, чис­ло которых на входе в аппараты и помещения опреде­ляется особенностями протекающих процессов.

Очевидно, что при оценке эффективности системы в отношении воздействия на постороннюю микрофлору следует иметь в виду суммарный коэффициент про­скока A'v,

где г — число узлов и элементов системы (г = 1, 2, 3, .... л); Кі — коэффициент проскока узла и (или) отдельного элемента системы..

Остановимся на особенностях устройства и работы аппаратов, входящих в состав технических систем по­лучения и транспортировки стерильного воздуха, осно­вываясь на данных работ [10, 28, 65, 76]. Пылинки из воздуха удаляются в аппаратах самых различных конструкций, в том числе пылеулавливающих камерах, циклонах (мультициклонах), а также в жалюзийных и других инерционных пылеотделителях. В работе [28] после сравнения различных типов пылеотделителей приводится следующая их характеристика:

пылеотстойные камеры не сложные по конструкции, 130

дешевые, имеют незначительное сопротивление, но отделяют только грубую пыль;

гравитационные устройства также не сложные по конструкции, имеют сопротивление около 50 Па, спо­собны улавливать пыль с размером частиц более 10 мкм;

инерционные пылеотделители при степени очистки 60—70%, улавливают пыль с частицами размером бо­лее 5 мкм; сопротивление пылеотделителей около 400 Па.

В настоящее время для очистки воздуха от пыли чаще применяют тканевые и металлические висцино- вые фильтры. Гидравлическое сопротивление тканевых фильтров потоку воздуха определяется уравнением

Как показывает опыт работы тканевых фильтров, ■сопротивление фильтровальной ткани изменяется пря­мо пропорционально скорости протекания воздуха. По мере накопления пыли сопротивление возрастает и линейность характеристикинарушается.

Рекомендуется предельное сопротивление фильтра 100 Па, а в виде исключения — до 250 Па при допусти­мой удельной нагрузке 150—350 м³/(м²-ч) и скорости фильтрации не более 0,5 м/с [28].

Эффективность работы фильтров для очистки возду­ха от пыли характеризуется коэффициентом очистки;

где ї]ф—коэффициент очистки, %;—-количество пыли в воз­

духе до фильтра;—то же после фильтра.

Диапазон возможного варьирования значений для различных условий:

„ Значения 11,,

Пылеотделители ф

%

Пылевые камеры 20—60

Циклоны и инерционные пылеотделители 40—70 Тканевые фильтры 70—90

Металлические фильтры 80—85

Часто для характеристики работы фильтров поль­зуются соотношением [28]

где—коэффициент сопротивления; hi— сопротивление фильтра;

— удельная нагрузка на фильтр.

Необходимой характеристикой фильтров является их пылеемкость, т. е. количество пыли, которое может накопиться в фильтре между двумя очередными чист­ками и которое еще допускает возможность эксплуа­тации фильтра. Пылеемкость определяется из выра­жения

где—пылеемкость фильтра;—площадь рабочей поверхно­сти фильтра;— сопротивление фильтра до и после чистки

соответственно; ф — удельный рост сопротивления, равный для кас­сетных фильтров 0,2—0,3 [28].

В микробиологической промышленности наиболь­шее распространение получили центробежные компрес­соры и турбокомпрессоры, обеспечивающие получение сжатого воздуха с давлением менее 0,6 МПа в коли­честве 50—200 м³/мин и более. Важным моментом для инактивации посторонней микрофлоры является нагрев воздуха в компрессоре до 120—220° С, что, несомненно, существенно влияет на снижение содержания вегета­тивной микрофлоры.

Нагретый воздух после охлаждения в теплообмен­нике 3 (см. рис. 24) поступает в воздухосборник 4,. который должен улавливать влагу и масло, аккумули­ровать некоторый запас сжатого воздуха для покры­тия неожиданных и кратковременных нагрузок, а так- 132

же смягчать толчки от поршневых компрессоров. Как правило, на воздухопроводе перед его входом в здание устанавливают так называемые набивные фильтры (см. рис. 24,5), предназначенные для предварительной очистки воздуха от посторонней микрофлоры. Коэффи­циент проскока таких фильтров по бактериальному аэрозолю не выше 1-1О~^2О/о, однако они существенно снижают обсемененность воздуха и облегчают его стерилизацию в последующем.

Теплообменник 6 (см. рис. 24) предназначен для охлаждения воздуха до температуры ниже точки росы. Выделяющаяся при этом влага удаляется в так назы­ваемом концевом водоотделителе. Обоснованных рас­четов размера водоотделителя пока не опубликовано, однако рекомендуется [28] достигать эффекта удаления влаги за счет резкого снижения (в 20—60 раз) ско­рости воздуха. Эффективная работа водоотделителей помогает исключить замачивание фильтров окончатель­ной очистки воздуха. Этой же цели служит и подогре­ватель 8, в котором воздух нагревается до темпера­туры 60—70° С и затем подается в фильтры 9 для окончательной очистки от посторонней микрофлоры.

Существует множество конструкций фильтров для стерилизации воздуха, например фильтры на основе волокнистых фильтрующих материалов [65], достаточно широко распространенных во многих микробиологиче­ских производствах, а также керамические и металло­керамические фильтры [147, 162].

6.2. Методы и режимы получения стерильного воздуха

Фильтрация. В практике работы микробиологиче­ских производств наиболее распространен метод стери­лизации воздуха путем фильтрации, предполагающий использование фильтров различных конструкций с раз­личными материалами для задержки посторонней микрофлоры. Рассмотрим некоторые из этих фильтров.

По-видимому, до сих пор в промышленности чаще всего применяют волокнистые фильтры, оптимальная конструкция которых достаточно полно была описана еще в 1961 г. [122]. Существует несколько способов характеристики эффективности работы этих фильтров. Например:

тде—толщина фильтрующей насадки, обеспечивающая 10-крат- ;ное снижение концентрации микроорганизмов: N_lt N2, Тф (см. 85).

Величины Ьд₀ для некоторых материалов приве­дены в табл. 27.

Таблица 27. Толщина фильтрующей насадки, обеспечивающая 10-кратное снижение концентрации микроорганизмов в воздухе [122]

Данные табл. 27 позволяют сделать некоторые за­мечания, имеющие практическое значение. Во-первых, задерживающая эффективность фильтров в отношении спор зависит от скорости воздушного потока. Во-вто­рых, существует скорость, при которой задержка спор минимальная. Снижение и увеличение этой скорости повышают эффективность фильтра. В-третьих, при за­держке фага не наблюдается зависимость, характерная для задержки спор микроорганизмов, следовательно, конструкции фильтров для фагов и спор должны быть различными. При необходимости удаления из воздуха фаговых частиц и бактерий нужна последовательная установка фильтров отличающихся конструкций.

Величины критических скоростей воздуха для раз­личных условий приведены . в табл. 28. Плотность частиц принята за единицу.

Поскольку эффективность фильтрации зависит от размеров частиц, специалистам микробиологических производств, занимающимся конструированием, про­веркой и эксплуатацией фильтров, необходимо иметь 134

Таблица 28. Критические скорости воздуха П_кр (в м/с) для улавливания частиц волокон из воздуха, имеющего комнатную температуру [122]

Давление 0,2 МПа

представление о размерах бактериальных частиц (табл. 29). Мелкие частицы улавливаются труднее, по-

Таблица 29. Размеры (в микрометрах) некоторых бактериальных клеток [122]

0,5 мкм.

Создание фильтров на основе волокнистых материа­лов включает несколько этапов. На первом определяют требования к фильтру, задаваясь концентрацией мик­роорганизмов в воздухе до фильтрации и допустимой вероятностью проникновения одного микроорганизма через фильтр. На втором этапе рассчитывают толщину фильтрующей насадки, при которой обеспечивается требуемая эффективность. При отсутствии необходи­мых экспериментальных данных эффективность вычис­ляют для условий, когда улавливание микроорганиз­мов происходит только за счет захвата, т. е. для такой скорости воздуха, при которой действие сил инерции можно не учитывать. На следующем этапе выбирают площадь поперечного сечения фильтра с таким расче­том, чтобы затраты на его изготовление и эксплуата­цию были минимальными. На последнем этапе срав­нивают оптимальные конструкции фильтров из различ­ных фильтрующих материалов. При равной эффектив­ности ориентируются на фильтр, требующий минималь­ных затрат.

Фильтры на основе тонких волокон относятся к так называемым «глубинным» фильтрам, принцип действия которых основан на фильтрации воздуха по всей глу­бине материала. Для их изготовления в настоящее вре­мя используют не только волокнистые, но и порошко­образные прессованные материалы, а также пластики на бумажной и асбестовой основе [147]. Вероятность задержки микроорганизмов в таких фильтрах связана статистически с глубиной фильтрующего слоя, вследст­вие чего теоретически нельзя удалить из воздушного потока 100% находящихся в нем микроорганизмов. Ес­ли фильтры используются в течение длительного вре­мени, то скопившиеся на них микроорганизмы могут размножаться (особенно при высокой влажности), а в дальнейшем проникать на чистую сторону фильтра. Это явление характерно для роста мицелия, т. е. наиболее опасно в производстве антибиотиков [147].

Так называемым «ситчатым» фильтрам свойствен­на абсолютная эффективность (100%). Механизм их действия подобен работе сита. Частицы и микроорга­низмы удерживаются на поверхности потому, что на ней отсутствуют поры, размер которых достаточен для проникновения микроорганизмов. Таким образом, для 136

задержки частиц и микроорганизмов размером более 0,5 мкм следует выбирать мембранный фильтр, диа­метр пор которого постоянный и не превышает 0,5 мкм.

Мембранные фильтры, выпускаемые фирмой «Мил- липор», представляют собой тонкие пористые слои ма­териала на основе эфира целлюлозы толщиной около 150 мкм. Через эти слои в перпендикулярном направ­лении проходят поры правильной формы, обеспечиваю­щие функционирование слоя как абсолютного фильтра. Очень важна равномерность распределения пор по раз­меру.

Керамические свечи и фильтры из спекшегося мате­риала (например, металлокерамические), которые обе­спечивают определенную степень задержки микроорга­низмов на поверхности, до последнего времени не при­менялись для стерилизации больших объемов воздуха вследствие очень высокого сопротивления воздушному потоку, Причина этого явления заключается в повы­шенной плотности упаковки материала фильтров. В то же время мембранные фильтры являются достаточно открытыми структурами. Так, в фильтре с размером пор 0,45 мкм объем пустот составляет 80%. Это озна­чает, что, обладая не меньшей пропускной способно­стью на единицу площади, мембранный фильтр прево­сходит по производительности волокнистые глубинные фильтры.

Поскольку микроорганизмы не могут проходить че­рез мембранный фильтр из-за меньшего размера его пор, то такой фильтр может сохранять 100%-ную эф­фективность при обработке как воздуха, так и воды. Ферментаторы часто подвергаются воздействию экстре­мальных величин температуры и влажности. Даже при значительном скоплении влаги (несколько литров во­ды) в системе стерилизации «Миллипор» не отмечалось нарушения режимов аэрации по скорости воздушного потока и эффективности его стерилизации [147].

Обычно, говоря о промышленном использовании мембранных фильтров, указывают на два недостатка: ломкость и низкую пылеулавливающую способность. При любом процессе ни глубинный, ни ситчатый фильтр не может осуществить экономичную стерильную филь­трацию больших объемов среды. Таким образом, проб­лемы «превосходства» одного фильтра над другим не 137

существует. Она заключается лишь в выборе правиль­ной функции для каждого типа фильтра и оптимальном их сочетании. При использовании мембранных филь­тров, для которых характерна 100%-ная задерживаю­щая способность, следует применять предварительную подготовку воздуха. Для этой цели можно использо­вать глубинные фильтры, которые 100%-ную задержку любых частиц не обеспечивают, но обладают большой емкостью. Проблема ломкости мембранных фильтров уже разрешена путем введения фильтр-патрона («Мил- литьюб»), изготовленного путем обертывания материа­ла мембранного фильтра вокруг пористого полипропи­ленового стержня, закрепленного между двумя заглуш­ками и покрытого прочным пористым пластмассовым чехлом. Кроме этого, для решения проблемы загрязне­ния к патрону для стерилизации воздуха в качестве предфильтра добавляют слой микростекловолокнистого материала. Интересно, что этот материал фильтра пред­варительной очистки обладает эффективностью, срав­нимой с эффективностью материала, используемого в некоторых патронах из стекловолокна и рекомендуемо­го для стерилизации воздуха.

Для практического использования фильтр-патроны «Миллитьюб», описанные выше, включены в корпуса патронов «Аэротьюб». Например, система «Аэротьюб-1», содержащая один патрон «Миллитьюб» (разработан­ный в качестве стерилизующей системы для аэрации полупромышленных ферментаторов и аналогичных опе­раций небольшого масштаба), может стерилизовать 2,8 м³ воздуха в минуту при перепаде давления 0,1 МПа. Для аэрации ферментаторов большой вмести­мости при незначительном перепаде давления требуется большая площадь мембранного фильтра. Эта задача решается путем использования нескольких фильтрующих патронов. Так, фильтрующая система «Аэротьюб-20» включает 20 патронов «Миллитьюб» и имеет площадь фильтрации 2,4 м², обеспечивающую стерилизацию 70,8 м³ воздуха в минуту. Важно также отметить, что фильтры стерилизуют водяным насыщен­ным паром под давлением, т. е. способом, наиболее приемлемым для микробиологических производств и получившим на них наибольшее распространение.