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 производнствах 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 значинтельных количествах стерильный воздух используют для аэрации пронцесса культивирования. Отводимый из лабораторных и производнственных 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 принмесей. Кроме обеспечения этого требования, рассматриваемые сиснтемы должны обеспечивать получение воздуха с определенными тернмодинамическими характеристиками (температура, влажность, давление), от которых, в конечном счете, зависит эффективность рабонты 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, микроорганизмова <- до 1 в 1 м³)

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

7.  В технологию

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

При выращивании микроорганизмов, клеток животных и вирусов в глубинных словиях требуется подача стерильного воздуха или друнгих газов в биореактор на аэрацию культуральной жидкости. Воздух или др. газы, подаваемые в биореактор, не только снабжают растунщую культуру кислородом, азотом, глекислым газом и др., но и отнводят продукты газообмена и физиологическое тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе биосинтеза, способствуют гомогенинзации суспензии, величивают скорость процессов массо- и теплонобмена.

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

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

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

Эффективность работы фильтров для стерилизации воздуха опнределяется следующими факторами: эффективностью и механичеснкой прочностью фильтрующего материала, герметичностью его крепнления в корпусе фильтра, добством и быстротой перезарядки. По конструкции фильтры для стерилизации воздуха делятся на две групнпы: глубинного типа с применением волокнистых фильтрующих мантериалов и с отдельными фильтрующими элементами.

Достоинствами глубинных фильтров являются большая пылеемкость (способность держивать большое количество пыли на повернхности фильтра), простот и малая стоимость. К недостаткам этих фильтров следует отнести невоспроизводимость кладки фильтруюнщего материала и плотнение его в процессе эксплуатации, каналообразование, неопределенную эффективность, контакт работников, обслуживающих фильтр, с минеральным волокном. Вследствие пенречисленных недостатков эти фильтры ненадежны и нестабильны в работе. Очевидно, что недостаточная стабильносгь и надежность спонсоба получения стерильного воздуха окупаются дешевизной и пронстотой применяемого оборудования и обусловливаются невысокими требованиями к продукту, для получения которого используется танкой стерильный воздух.

Фильтры с готовыми фильтрующими элементами характеризуются большой надежностью в работе. Фильтрующие элементы изготавлинвают из высокоэффективных, механически прочных фильтрующих материалов. Форма и размер фильтрующих элементов зависит от ханрактера фильтрующего материала. Фильтры с готовыми фильтруюнщими элементами обеспечивают возможность длительной и эффекнтивной 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

Материал	Диаметр волокна или пор, мкм	Термостойкость, оС	Место применения
Висциновые (масляные) фильтры	0,45 - 20	60 - 300	Фильтры предварительной очистки
Волокнистые материалы
Базальтовое супертонкое волокно	1	600	Головной и индивидуальный фильтры
Микротонкое базальтовое волокно	0,4 - 0,7	600	Индивидуальный фильтр
Синтетическое волокно: ФПГ-15-1,7, ФПАР-15-1,5	1,3 - 1,7 1,5	50	Головные фильтры (холодная стерилизация)
Минеральное волокно: фильтры ФТО-60, 500, 750,1	12 - 26	140	Головные фильтры
Висциновые (масляные) фильтры	0,45 - 20	60 - 300	Фильтры предварительной очистки
Картон
Картон на основе БСТВ с добавкой 10% целлюлозы	1	150	Головной и индивидуальный фильтры
Картон из целлюлозных волокон	1	50	Холодная стерилизация
Бумага
На основе БСТВ с добавками 25% целлюлозы 10% целлюлозы 10% латекса	1	150	Головной и индивидуальный фильтры
Пористые материалы
Фторопластовые пластины	16 - 20	260
Фторопластовые пористые втулки: ФЭП-46, ФЭП-120	16 - 20	260	Индивидуальный фильтр
Полиэтилен	15 - 20	50	Индивидуальный, холодная стерилизация
Производные поливиниловый спирт	15 - 20	50
Стеклосрезы	6	300	Головные фильтры
Стекловолокно	12	150 - 260	Головной и индивидуальный фильтры
Мембранные фильтры
Мембранный фильтр, ГОСТ-8985-56	0,9	100	Головной фильтр, холодная стерилизация
Ультипор АВ	0,45	150	Головной и индивидуальный фильтр
Миллипор (США)	0,45	125	Головной фильтр
Керамические мембраны	0,2 - 5,0	200	Индивидуальный фильтр
Металлические мембраны	0,05 - 50	1
Стеклянные мембраны	0,2 - 0,3	150
Углеродные мембраны	0,025 - 0,055	1
Динамические мембраны	0,02 - 1,0	200

Конструкция воздушных фильтров

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

Фильтры предварительной очистки воздуха. Данные фильтры станавливаются 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 нанзываются масляными или висциновыми. Фильтры периодического дейнствия подразделяются на кассетные регенерируемые, масляные и фильнтры сухого типа. Фильтры непрерывного типа подразделяются на санмоочищающиеся масляные и с непрерывной регенерацией в ванне с маслом, рулонные и волокнистые.

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

Классификация фильтров тонкой очистки приведена на рис. 1

SHAPEа * MERGEFORMAT

Фильтры для стерилизации воздуха

Периодического действия

Непрерывного действия

тканевыеа (ФТО)

дисковые

совмещенные

С фторопластовыми патронами

Для подаваемого воздуха

Для даляемого воздуха

Фильтрующий комплекс из метоллоэлементов

Фильтрующий комплекс из метоллоэлементов

<

Рис. 1. Классификация фильтров тонкой очистки

В отечественной промышленности для стерилизации технологинческого воздуха до 80-х годов применялись в основном глубинные фильтры, представляющие собой емкость с двумя крепленными 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 - 1 м³/ч. Фильтрующие элементы преднставлены в виде гофрированных цилиндрических патронов, в котонрых между складками фильтрующего материала помещались гофринрованные пластины. Материал по периметру элемента закреплялся в верхней и нижней частях цинлиндра стяжками. Недостатканми фильтра были: невозможнность стерилизовать фильтр оснтрым паром в технологической линии; наличие в элементе отндельных деталей, сложняюнщих его проверку и герметизанцию; отсутствие механической прочности самого фильтруюнщего полотна. Достоинством фильтрующего материала ФП в фильтрующих элементах являнется высокая эффективность (более 99, %) по частицам диаметром 0,3 мкм при небольшом сопротивлении потоку воздуха (0,1 Па 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

Тип фильтра	Производинтельность по воздуху, м /ч	Площадь поверхности фильтрации, м	Сопротивление потоку воздуха, Па	Коэффициент проскока, %
ФТО-60 ФТО-500 ФТО-750 ФТО- 1	60 500 750 1	1 5 10 10	470 - 600  800 400 800	0,001 0,001 0,1 0,001

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). Сущенствует большое разнообразие конструкций фильтров тонкой очистнки, которые, в основном, представляют собой аппарат цилиндринческого типа с вводом воздуха через верхний штуцер. Для его более равномерного распределения по поверхности фильтрующего материала к корпусу привариваетнся решетка. Вывод воздуха осуществляется через нижний штуцер. Для биореакторов ненбольшой емкости до 10 м³ шинроко используются конические фильтры.

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

Перспективным фильтруюнщим материалом является такнже пористый материал, изготовнленный из порошка фторопласнта (методом спекания).

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

Современные разработки в области стерилизации технологичеснкого воздуха были направлены на использование в фильтрах металлокерамических материалов, т.е. жестких пористых перегородок из металла. Металлокерамические материалы изготавливают из калибнрованных металлических порошков способами спекания, прессованния, прокаткой. Размер пор в изделиях варьирует в пределах 2 -1 мкм. Для изготовления металлокерамических фильтрующих элементов используют бронзу, нинкель, нержавеющую сталь, титан.

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

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

металлокерамический элемент тонкой очистки:

1 - стенк элемента; 2 - поток воздуха; 3 - сконцентрированная влага; 4 - микроорганизм.

Для изготовления менталлического элемента выбирают наиболее мелнкозернистый порошок с таким расчетом, чтобы при достаточной протяженности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потока превысило 16 с^-1. Как показали испытания, этому словию соотнветствуют элементы из титанового порошка, обеспечивающие техннический коэффициент проскока для частиц размером 0,3 мкм, равнный 5%.

Металлокерамические элементы, изготовленные из титана, такнже 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

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

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

Фирма Ра2. Уплотнение патрона с корпусом выполннено в виде двойных плотнительных колец. Эффективность лавнливания частиц фильтрами достигается использованием в фильтрунющем патроне мембранных материалов с максимальным размером пор 0,45 мкм, который сохраняется фильтрующей волокнистой мемнбраной даже во влажном состоянии благодаря специальной гидронфобной обработке фильтрующего элемента. Корпус фильтров изгонтавливается из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность фильнтров хорошо отполирована. Корпусы фильтров оснащены соединеннием типа Трикловер и байонетным затвором для добства экспнлуатации фильтров.

Фирма Ра3/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 сопронтивление фильтра 0,115 - 0,12 Па. При величении 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 Ра

В фильтрах для стерилизации воздуха фирнмы М

Рис. 5. Фильтр тонкой очистки фирмы Millipore:

1 Ц штуцер для подачи пара; 2 - пружина; 3 - корпус фильтра;

4 Ц фильтрующий элемент; 5 - быстросъемный зажим.

Поверхность фильтрации стандартного элемента длиной 77,5 см составляет 0,12 м². В последнее время для изготовления мембнран фирма стала применять фторопласт - гиднрофобный материал с высокой теплостойконстью и химической стойкостью. Гофрироваые элементы с развернутой повернхностью, изготовленные из этого материала, более производительны. Эффективность фильтров этого класса и эффективность мембраых материалов определяется отнсутствием 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 Па. Срок службы и надежность работы элемента в однопатронном фильнтре из-за непрочности мембраны меньше, чем у элементов фирмы Ра

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

анализ отечественных и зарубежных конструкций фильтров понказал, что наиболее перспективными являются конструкции фильтнров патронного и кассетного типа с фильтрующими элементами из плотных эффективных и паростойких фильтрующих материалов. Такие фильтры добны в эксплуатации, обладают высокой эффекнтивностью, быстрой съемностью и надежностью в работе.

Проведенный анализ позволил модернизировать старые и разранботать новые конструкции фильтров с готовыми патронными и каснсетными фильтрующими элементами с использованием новых эфнфективных отечественных фильтрующих материалов.

Для стерилизации фильтров рекомендуется использовать очищеый пар. Наиболее благоприятным способом пропускания пара явнляется его двухсторонняя подача в наружную и внутреннюю полоснти фильтра.

Промышленная система очистки и стерилизации воздуха.

Подготовка сжатого технологического воздуха, подаваемого в бионреакторы для биосинтеза и стерилизуемого методом фильтрации, состоит из нескольких ступеней. спешная работа системы для кажндой ступени подготовки воздуха определяется оптимальным выбонром оборудования, фильтрующих материалов, режимов их эксплуантации и методов контроля чистоты получаемого воздуха.

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

Рис. 6. Схема очистки и стерилизации воздуха:

1 Ц пылевые фильтры; 2 - турбокомпрессор; 3 - поршневой компрессор; 4 - отделитель масла и воды; 5 - холодильник; 6 - ресивер; 7 - головной фильтр; 8 - индивидуальный фильтр; 9 - манометр.

Система очистки и стерилизации газов, в свою очередь, поднразделяется по технологическим признакам:

1.Подготовка и подача воздуха или смеси газов на аэрацию культуральной жидкости в биореакторы для аэробного культивирования;

2.Подготовка и подача газов (углекислый газ, азот или их смесь) для продувки культуральной жидкости от газов, ингибирующих рост микроорганизмов или дополнительная подача глекислого газа при лимитировании процесса жизнедеятельности (особенно для культуры клеток и вирусов);

3.Подготовка и подача сжатого воздуха и обеспечение вакуума для передачи суспензий микроорганизмов и стерильных жидкостей из одной емкости в другую или для дальнейшей обработки (центринфуги, сепараторы, фильтры и т.д.);

4.Очистка воздуха и газов, выходящих из всех видов оборудования.

Технологическая схема очистки и стерилизации воздуха осущенствляется по следующим стадиям: предварительная (грубая) очистнка от механических примесей, сжатие, охлаждение, отделение сконденсированных паров, влаги и масла (при поршневых компреснсорах) и собственно стерилизация.

1-й этап - грубая очистка. На входе заборника воздуха или другонго газа устанавливают, в зависимости от расхода, висциновый фильтр или фильтр Рекка, которые очищают газ от грубых примесей перед компрессором.

2-й этап - сжатие газа. В настоящее время в различных отраснлях промышленности в основном используются поршневые компнрессоры (например, марок ТК-350/5, ТК-300/840, ТКК-1/4 и ТЭ и др.).

Однако более рациональным является применение турбовоздухондувок (например, марки 920-33), что позволяет простить и лучшить схему газоподготовки. При сжатии воздух нагревается от 100 до 200

Из-за высокого влагосодержания атмосферного воздуха при охнлаждении выпадает 50 - 70 % исходной влаги, которая может влажннить фильтрующий материал, поэтому воздух после компрессора охнлаждают до 25 - 30

3-й этап - первичная очистка и фильтрация газа. После подогревателя газ поступает в первую ступень очистки и фильтранции - головной фильтр.

4-й этап - тонкая очистка и фильтрация газа. После головного фильтра газ поступает в индивидуальный фильтр и далее в биореакнтор.

При использовании турбовоздуходувок схема фильтрации прощается за счет исключения из нее холодильника и брызгомаслоотделителя.

Для обеспечения эффективности использования нагретого воздунха, следует:

1.Часть воздуха после второй ступени компрессора охладить до температуры ниже точки росы и после влагоотделения в брызгоуловителе поднять его температуру путем смешения с горячим воздухом, отобранным после компрессора (перед воздухоохладителем) до заданного предела.

Предусмотреть для автоматического поддержания температуры на заданном ровне регулятор температуры в комплекте с пневматическим клапаном, становленным на линии подачи горячего сжантого воздуха.

3.Учесть, что вариант подогрева воздуха путем его смешения с горячим воздухом можно применить на тех предприятиях, где раснстояние от компрессора до головного фильтра не слишком велико (ориентировочно около 100 м). При словии же большей даленности здания компрессорного цеха от головных фильтров следует произвондить подогрев воздуха специальным паровым подогревателем, раснположенным в непосредственной близости от головного фильтра.

4.Учесть, что в зимний период, когда влагосодержание воздуха незначительно, нет необходимости в применении дополнительного подогрева воздуха и система подогрева можно отключить. Режим охнлаждения воздуха в воздухоохладителях следует отрегулировать танким образом, чтобы температура его перед индивидуальным фильтнром составляла 45 - 50

Необходимо отметить, что только при соблюдении всех перечисленных выше словий может быть гарантирована эффективная ранбот системы фильтрации воздуха.

Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора.

Выходящий из биореактора воздух имеет значительную влажность и содержит микроорганизмы, поэтому система очистки обычно явнляется двухступенчатой - ступень даления влаги и ступень очистки и стерилизации.

В зарубежной практике для очистки и стерилизации воздуха, вынходящего из биореактора, широко используют фильтрующие элеменнты из микроволокон боросиликатного стекла, связанных эпоксирезиной. Фильтр-патрон из такого материала имеет высокую стеринлизующую способность (до 99,%) и хорошо улавливает частинцы размером более 0,6 мкм. Стерилизация таких фильтров осущенствляется текучим паром. Большое распространение получили фильнтры из пористой нержавеющей стали, никеля и бронзы. В начале экнсплуатации их сопротивление не более 0,07 Па, в процессе фильтрования оно возрастает до 0,5 Па.

Глубинное культивирование микроорганизмов проходит в биоренакторах при давлении 0,02 - 0,06 Па. Пористые материалы, как правило, имеют большое сопротивление, что иногда затрудняет их использование.

Следует избегать конденсации влаги на фильтре, в результате чего его сопротивление потоку воздуха может возрасти, производительнность снизиться. Особое внимание следует делить герметизации мест становки фильтров на воздуховодах.

Использование очищенного пара для стерилизации фильтров и сонкращение времени стерилизации позволили значительно величить сроки службы отечественных и зарубежных воздушных фильтров на основе новых фильтрующих материалов.

Для спешной и эффективной работы фильтров необходимо пронводить контроль на герметичность их сборки.