Очистка воздуха на биопредприятиях

План:

1. Механизмы фильтрации газов стр. 2

2. Фильтрующие материалы стр. 5

3. конструкция воздушных фильтров стр. 8

    - фильтры предварительной очистки воздуха стр. 8

    - фильтры тонкой очистки (головной) стр. 9

    - фильтры тонкой очистки (индивидуальный) стр. 12

4. Промышленная система очистки и стерилизации стр. 18

5. Стерилизация воздуха, выходящего из биореакторов стр. 22

Механизмы фильтрации газов

Важным технологическим процессом в биологических производ­ствах является очистка от механических включений и стерилизация воздуха, используемого для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях. В значи­тельных количествах стерильный воздух используют для аэрации про­цесса культивирования. Отводимый из лабораторных и производ­ственных помещений отработанный воздух также подвергается очистке от присутствующих в нем микроорганизмов и контролируется на чистоту.

Основным требованием к техническим системам очистки и стерилизации воздуха является очистка его от микрофлоры и других при­месей. Кроме обеспечения этого требования, рассматриваемые сис­темы должны обеспечивать получение воздуха с определенными тер­модинамическими характеристиками (температура, влажность, давление), от которых, в конечном счете, зависит эффективность рабо­ты систем в целом:

1.  Воздух из атмосферы (взвешенных частиц до 10⁹ , микроорганизмов – до 1500 в 1 м ³)

2.  Фильтрат предварительной очистки (для защиты компрессора)

3.  Турбокомпрессор

4.  Охлаждение, влагоотделение и масло-улавливание из воздуха

5.  Головной фильтр, очистка на 98% (частиц – менее 2*10⁶, микроорганизмов  - до 1000 в 1 м³)

6.  Индивидуальный фильтр (очистка от частиц размером 1 мкм – 99,9999999 %, от микроорганизмов – не более 10 в 1 м³)

7.  В технологию

Необходимость обеспечения высокой степени очистки воздуха (99,9999999 %) обусловила, по опыту отечественных и зарубежных смежных отраслей промышленности, использование метода удале­ния аэрозольных частиц из газа путем пропускания его через различ­ные материалы - волокнистые (бумаги, картон) или пористые (поли­меры, металлы, керамика) и т.д.

При выращивании микроорганизмов, клеток животных и вирусов в глубинных условиях требуется подача стерильного воздуха или дру­гих газов в биореактор на аэрацию культуральной жидкости. Воздух или др. газы, подаваемые в биореактор, не только снабжают расту­щую культуру кислородом, азотом, углекислым газом и др., но и от­водят продукты газообмена и физиологическое тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе биосинтеза, способствуют гомогени­зации суспензии, увеличивают скорость процессов массо- и тепло­обмена.

Расчетные критерии газовых фильтров должны прежде всего соблюдаться для производственных биореакторов с большим расхо­дом газа на аэрацию, а не для лабораторных установок, где не нужен значительный запас надежности. Энергию также нужно учитывать, поскольку всегда происходит падение давления по сечению фильтра (в лабораторных условиях этот фактор обычно не принимают во вни­мание).

Большое значение также имеет относительная влажность газа, и если она слишком высока, то работа фильтра становится неустойчи­вой. На больших фильтрах опасность представляет краевой эффект.

Вату в качестве набивочного материала использовать не рекомен­дуется, т.к. она не является эффективным материалом по сравнению даже со стекловолокном из-за большого диаметра волокон и пред­расположенности к быстрому увлажнению.

Эффективность работы фильтров для стерилизации воздуха оп­ределяется следующими факторами: эффективностью и механичес­кой прочностью фильтрующего материала, герметичностью его креп­ления в корпусе фильтра, удобством и быстротой перезарядки. По конструкции фильтры для стерилизации воздуха делятся на две груп­пы: глубинного типа с применением волокнистых фильтрующих ма­териалов и с отдельными фильтрующими элементами.

Достоинствами глубинных фильтров являются большая пылеемкость (способность удерживать большое количество пыли на повер­хности фильтра), простота и малая стоимость. К недостаткам этих фильтров следует отнести невоспроизводимость укладки фильтрую­щего материала и уплотнение его в процессе эксплуатации, каналообразование, неопределенную эффективность, контакт работников, обслуживающих фильтр, с минеральным волокном. Вследствие пе­речисленных недостатков эти фильтры ненадежны и нестабильны в работе. Очевидно, что недостаточная стабильносгь и надежность спо­соба получения стерильного воздуха окупаются дешевизной и про­стотой применяемого оборудования и обусловливаются невысокими требованиями к продукту, для получения которого используется та­кой стерильный воздух.

Фильтры с готовыми фильтрующими элементами характеризуются большой надежностью в работе. Фильтрующие элементы изготавли­вают из высокоэффективных, механически прочных фильтрующих материалов. Форма и размер фильтрующих элементов зависит от ха­рактера фильтрующего материала. Фильтры с готовыми фильтрую­щими элементами обеспечивают возможность длительной и эффек­тивной работы.

Фильтрующие материалы

В зависимости от поставленных целей в настоящее время используются большое разнообразие фильтрующих материалов:

1. Для  предварительной очистки

    А. Металлические стружки, сетка, кольца, рашига (смоченные маслом)

    Б. Грубые минеральные или синтетические волокна: маты, нетканые материалы

2. Для первой ступени очистки – волокнистые : маты, нетканые материалы

3. Для второй ступени очистки

    А. Волокнистые: маты, бумага, картон

    Б. Мембранные

    В. Зернистые: керамика, металлокерамика, полимерные материалы

Характеристика фильтрующих материалов представлена в табл. 1

Таблица 1.

Характеристика фильтрующих материалов для очистки и стерилизации

Конструкция воздушных фильтров

В настоящее время широко используются фильтры для очистки воздуха следующих конструкций.

Фильтры предварительной очистки воздуха. Данные фильтры устанавливаются на всасывающей линии

Перед компрессором или трубовоздуходувкой. При инерционном способе осаждения воздух очищается от частиц размером более 5 мкм при скорости фильтрации 1,5 - 3,0 м/с. Чтобы сухие частицы не выносились из фильтров, его фильтрующие слои подлежат промасливанию. Фильтры данного класса на­зываются масляными или висциновыми. Фильтры периодического дей­ствия подразделяются на кассетные регенерируемые, масляные и филь­тры сухого типа. Фильтры непрерывного типа подразделяются на са­моочищающиеся масляные и с непрерывной регенерацией в ванне с маслом, рулонные и волокнистые.

Фильтры тонкой очистки (головной). Головной фильтр пред­назначен для улавливания основной массы загрязнений, попавших в систему после прохождения воздуха через фильтр предварительной очистки, компрессора или турбовоздуходувки.

Классификация фильтров тонкой очистки приведена на рис. 1

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Рис. 1. Классификация фильтров тонкой очистки

В отечественной промышленности для стерилизации технологи­ческого воздуха до 80-х годов применялись в основном глубинные фильтры, представляющие собой емкость с двумя укрепленными внутри перфорированными решетками, между которыми находятся волокнистые фильтрующие материалы (рис. 2).

Первыми отечественными фильтрами с готовым фильтрующим элементом были фильтры с использованием материала ФП (ткань Петрянова). В этих фильтрах применялись фильтрующие элементы производительностью 60 - 1000 м³/ч. Фильтрующие элементы пред­ставлены в виде гофрированных цилиндрических патронов, в кото­рых между складками фильтрующего материала помещались гофри­рованные пластины. Материал по периметру элемента закреплялся в верхней и нижней частях ци­линдра стяжками. Недостатка­ми фильтра были: невозмож­ность стерилизовать фильтр ос­трым паром в технологической линии; наличие в элементе от­дельных деталей, усложняю­щих его проверку и герметиза­цию; отсутствие механической прочности самого фильтрую­щего полотна. Достоинством фильтрующего материала ФП в фильтрующих элементах явля­ется высокая эффективность (более 99,999 %) по частицам диаметром 0,3 мкм при небольшом сопротивлении потоку воздуха (0,1 МПа при скорости    фильтрации 0,05 м/с).

Рис. 2. Глубинный фильтр для стерилизации воздуха:

1 – прижимные опоры; 2 – корпус; 3 – опорные решетки; 4 – рубашка фильтра; 5 – штуцер для продувки.

Технические характеристики фильтров тонкой очистки типа ФТО приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Характеристика фильтров типа ФТО

Разработано несколько конструкций фильтров с использованием материалов типа БСТВ. Фильтр кассетного типа, в котором материал разделен на слои, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Кассетный фильтр для стерилизации воздуха:

1 – шпилька; 2 – корпус; 3 – флаконы; 4 –     фильтрующие пластины; 5 – прокладки.

Фильтры тонкой очистки воздуха (индивидуальный). Суще­ствует большое разнообразие конструкций фильтров тонкой очист­ки, которые, в основном, представляют собой аппарат цилиндри­ческого типа с вводом воздуха через верхний штуцер. Для его более равномерного распределения по поверхности фильтрующего материала к корпусу приваривает­ся решетка. Вывод воздуха осуществляется через нижний штуцер. Для биореакторов не­большой емкости до 10 м³ ши­роко используются конические фильтры.

Работа этих фильтров долж­на быть особенно надежной, т.к. это последняя стадия очистки перед поступлением воздуха в биореактор.

Перспективным фильтрую­щим материалом является так­же пористый материал, изготов­ленный из порошка фтороплас­та (методом спекания).

Для обеспечения необходи­мой эффективности фтороплас­товых материалов в виде плас­тин их толщина должна быть равна 4 мм. Они обладают вы­сокой пористостью и высокой удельной производительностью - 60 м³/ч для малых .элементов и 250 м³/ч - для больших. Конст­рукции фильтров с применением фторопластовых фильтрующих ма­териалов в зависимости от их формы могут быть в виде дисков или втулок. Для дисков или пластин рекомендуется конструкция фильт­ров, аналогичная конструкции фильтра Eikoh. Срок службы фильт­рующих элементов из фторопласта достигает 12 мес.

Современные разработки в области стерилизации технологичес­кого воздуха были направлены на использование в фильтрах металлокерамических материалов, т.е. жестких пористых перегородок из металла. Металлокерамические материалы изготавливают из калиб­рованных металлических порошков способами спекания, прессова­ния, прокаткой. Размер пор в изделиях варьирует в пределах 2 -1000 мкм. Для изготовления металлокерамических фильтрующих элементов используют бронзу, ни­кель, нержавеющую сталь, титан.

Схема механизма осаждения при фильтра­ции воздуха через металло- и металлокерамические фильтрующие элемен­ты представлена на рис. 4.

    Рис. 4. Схема осаждения микробных аэрозолей при фильтрации воздуха  через

металлокерамический элемент тонкой очистки:

1 – стенка  элемента; 2 – поток воздуха; 3 – сконцентрированная влага; 4 – микроорганизм.

Для изготовления ме­таллического элемента выбирают наиболее мел­козернистый порошок с таким расчетом, чтобы при достаточной протяженности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потока превысило 16000 с^-1. Как показали испытания, этому условию соот­ветствуют элементы из титанового порошка, обеспечивающие тех­нический коэффициент проскока для частиц размером 0,3 мкм, рав­ный 5%.

Металлокерамические элементы, изготовленные из титана, так­же применяют для бактериальной очистки воздуха. Они состоят из пористой металлокерамической основы, фильтрующего волокнистого материала, покрывающего основу в два и более слоя, и трубчатой оболочки. В качестве фильтрующих элементов для тонкой очистки воздуха впервые применен гидростойкий материал, выдерживающий стерилизацию острым паром до 150°С в течение 40 - 50 ч. Материал гидрофобен, стоек к действию сильных кислот и щелочей, сильным окислителям, спиртам, предельным углеводородам, маслам и может использоваться для фильтрования воздуха и газов при температуре от -250 до +200 °С. Гидравлическое сопротивление материала при скорости воздуха 1 см/с составляет 14,7 Па.

Преимущества металлокерамических фильтрующих элементов для тонкой биологической очистки воздуха следующие: значительное число стерилизаций острым паром, простота регенерации и боль­шой срок работы (5-10 лет).

В отличие от волокнистых, нетканых и фторопластовых фильт­ров зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерили­зации, отличаются высокой механической прочностью, легко конт­ролируемы, дешевы и просты в изготовлении. Конструктивно они выполняются аналогично фильтрам с фторопластовыми элемента­ми.

Фирма «Раll» выпускает различные фильтры для фармацевтичес­кой промышленности. Фильтрующие патроны в фильтрах для сте­рилизации воздуха выпускаются под маркой Ultipore А.В. Единич­ные фильтрующие патроны для стерилизации воздуха имеют рабо­чую поверхность 0,5 - 2 м². Уплотнение патрона с корпусом выпол­нено в виде двойных уплотнительных колец. Эффективность улав­ливания частиц фильтрами достигается использованием в фильтру­ющем патроне мембранных материалов с максимальным размером пор 0,45 мкм, который сохраняется фильтрующей волокнистой мем­браной даже во влажном состоянии благодаря специальной гидро­фобной обработке фильтрующего элемента. Корпус фильтров изго­тавливается из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность филь­тров хорошо отполирована. Корпусы фильтров оснащены соедине­нием типа «Трикловер» и байонетным затвором для удобства эксп­луатации фильтров.

Фирма «Раll» выпускает фильтры производительностью 45 - 850 м³/ч, что достигается наличием фильтрующих элементов в пределах 1 - 20 штук (площадь фильтрации одного элемента составляет 0,5 м²). Рабочие скорости фильтрации 0,15 - 0,2 м/с создают сопро­тивление фильтра 0,115 - 0,12 МПа. При увеличении скорости до 0,5 м/с сопротивление фильтров возрастает в 3 - 4 раза. Фильтрующие элементы марок АRРК5, АХЗК5 вместе с корпусом стерилизуются в линии острым паром одновременно со всей остальной аппаратурой в технологической линии.

Фильтры и фильтрующие элементы фирмы «Раll» были апроби­рованы на отечественных биопредприятиях. Фильтрующие элемен­ты успешно выдержали стерилизацию острым паром в линии без на­рушения фильтрующих свойств. Фильтрующие элементы Ultipore А.В. выдержали 50-разовую и более стерили­зацию паром. Срок службы фильтрующего элемента составляет один год.

В фильтрах для стерилизации воздуха фир­мы «Мillipore» используются фильтрующие элементы в виде гладких цилиндров разных размеров (рис. 5).

Рис. 5. Фильтр тонкой очистки фирмы «Millipore»:

1 – штуцер для подачи пара; 2 – пружина; 3 – корпус фильтра;

4 – фильтрующий элемент; 5 – быстросъемный зажим.

 Поверхность фильтрации стандартного элемента длиной 77,5 см составляет 0,12 м². В последнее время для изготовления мемб­ран фирма стала применять фторопласт - гид­рофобный материал с высокой теплостойко­стью и химической стойкостью. Гофрирован­ные элементы с развернутой повер­хностью, изготовленные из этого материала, более производительны. Эффективность фильтров этого класса и эффективность мембран­ных материалов определяется от­сутствием за фильтром частиц размером номинального диаметра пор фильтрующих мембран (0,45 или 0,22 мкм). Сопротивление фильтра при скорости фильтрации 0,05 - 0,1 м/с равно 0,115 - 0,120 МПа. Срок службы и надежность работы элемента в однопатронном филь­тре из-за непрочности мембраны меньше, чем у элементов фирмы «Раll» и «Еikoh». Фирма «Millipore» рекомендует стерилизацию филь­тра проводить острым паром при давлении 0,2 МПа, подавая пар в наружную и внутреннюю полости фильтра одновременно для пре­дотвращения деформации фильтрующего элемента. Пар подается в линию очищенным с помощью специального фильтра.

Опыт эксплуатации фильтров и фильтрующих элементов ведущих зарубежных фирм на отечественных предприятиях показал большую целесообразность, удобство и надежность в работе фильтров с филь­трующими материалами в виде готовых фильтрующих элементов с заданными параметрами фильтрации: эффективностью, сопротивле­ние потоку воздуха, сроком службы и т.д.

Анализ отечественных и зарубежных конструкций фильтров по­казал, что наиболее перспективными являются конструкции фильт­ров патронного и кассетного типа с фильтрующими элементами из плотных эффективных и паростойких фильтрующих материалов. Такие фильтры удобны в эксплуатации, обладают высокой эффек­тивностью, быстрой съемностью и надежностью в работе.

Проведенный анализ позволил модернизировать старые и разра­ботать новые конструкции фильтров с готовыми патронными и кас­сетными фильтрующими элементами с использованием новых эф­фективных отечественных фильтрующих материалов.

Для стерилизации фильтров рекомендуется использовать очищен­ный пар. Наиболее благоприятным способом пропускания пара яв­ляется его двухсторонняя подача в наружную и внутреннюю полос­ти фильтра.

       Промышленная система очистки и стерилизации воздуха.

Подготовка сжатого технологического воздуха, подаваемого в био­реакторы для биосинтеза и стерилизуемого методом фильтрации, состоит из нескольких ступеней. Успешная работа системы для каж­дой ступени подготовки воздуха определяется оптимальным выбо­ром оборудования, фильтрующих материалов, режимов их эксплуа­тации и методов контроля чистоты получаемого воздуха.

Схема промышленной   системы очистки стерилизации воздуха приведена на рис. 6.