Проблемы стерилизации
Важнейшим условием эффективности стерилизации оборудования является создание во всех точках внутренних полостей необходимой температуры и поддержание ее в течение заданного времени.
Трудности выполнения этого условия связаны с наличием многочисленных тупиковых полостей, выступов и неравномерной интенсивности теплоотдачи в окружающую среду.
В процессе тепловой обработки внутренних полостей аппаратов происходит конденсация пара у стенки с образованием пленки, под которой образуется слой воздуха - «воздушный барьер», резко снижающий коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. В особо неблагоприятных условиях находятся такие элементы обвязки ферментера, как кольцевые зазоры в местах ввода датчиков КИП, тупиковые штуцеры, торцевые уплотнения и т. п. Заметное количество воздуха, скапливающееся в них, вызывает снижение эффективности стерилизации. Кроме того, за счет теплопроводности стенок штуцеров температура в них падает быстрее, чем в основном объеме аппарата. Все это вынуждает увеличивать продолжительность обработки аппарата для достижения требуемого критерия чистоты в наиболее трудностерилизуемых местах.
Анализ схем обвязки ферментеров показывает, что они состоят из одинаковых типовых элементов. Для предотвращения проникновения посторонней микрофлоры все материальные линии аппаратов должны быть оснащены термическими затворами, в которые постоянно подается пар и удаляется в канализацию образующаяся пароконденсатная смесь.
Другими опасными местами являются тупиковые полости, которые образуются в местах ввода в аппарат различных встроенных элементов - змеевиков, барботеров, труб передавливания и т. п., а также тупиковые полости на трубопроводах, часто возникающие за счет ошибочных конструкционных решений.
Расчетным путем можно показать, что для достижения равной степени стерилизации в перечисленных «слабых» точках и в объеме ферментера продолжительность выдерживания различается примерно в 100 раз, если принять температуру пара в них 100 °С.
Наиболее действенной мерой повышения эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций является ликвидация «слабых» точек. Способы их устранения зависят от конструктивных особенностей конкретного элемента. Например, стерилизуемость тупиковых полостей может быть повышена либо уменьшением длины полости (штуцера), либо принудительной подачей в нее пара.
Второй процесс, определяющий конструктивные особенности аппаратуры, - ее герметизация. Герметизация решает две задачи: защиту внутреннего объема от посторонней микрофлоры и защиту окружающей среды от биообъектов и продуктов биосинтеза.
Проблема обеспечения герметичности усложняется рядом причин: резким различием параметров проведения разных стадий технологического процесса (например, стерилизации и культивирования), вибрацией аппаратуры при работе перемешивающих устройств, крутящими моментами за счет разницы температур, различной степенью затяжки болтовых соединений и т. п.
Большинство случаев разгерметизации приходится на арматуру, в которой наиболее опасные места - это уплотнение соединения седло-клапан, уплотнения на фланцевых соединениях, уплотнения валов мешалок и места ввода датчиков КИП в аппараты.
В целях повышения эффективности герметизации осуществляется переход на сварные соединения вместо фланцевых, на сильфонные или мембранные вентили вместо обычных, на создание торцевых уплотнений для валов перемешивающих устройств с контролируемой герметичностью.
Наиболее трудно стерилизуемыми в аппаратах являются тупиковые зоны, места ввода различных встроенных элементов (змеевиков, барботеров и др.), датчиков КИП, разводных трубопроводов, места их присоединения к аппарату, а на трубопроводах - места между штуцером и участком трубы до вентиля.
Для предотвращения попадания посторонней микрофлоры все материальные линии аппаратов должны быть оснащены термическими затворами, через которые постоянно подается пар и удаляется в канализацию образующаяся пароконденсатная смесь.
Термический затвор стерилизуется одновременно с аппаратом. При этом пар подается через полностью открытые вентили на линии пара и на трубопроводе, а вентиль на линии конденсата приоткрывают так, чтобы в стерилизуемой линии обеспечивалось требуемое давление.
Повышение эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций связано с конструктивным совершенствованием аппарата и конкретных элементов.
Одним из важнейших этапов биологических процессов является получение инокулята - посевного материала. Технологическая стадия получения инокулята представляет последовательное размножение чистой культуры (или ассоциативной культуры определенного состава) на питательных средах увеличивающегося объема для получения необходимого количества материала, которым засевается используемый ферментер.
Подготовка инокулята осуществляется сначала в лабораторных условиях (хранение чистой культуры и первый этап культивирования музейных культур), а затем в посевных аппаратах увеличивающегося объема. Объем используемых при этом аппаратов определяется объемом промышленного аппарата.
Чистота инокулята обеспечивается соблюдением техники микробиологических работ и необходимых санитарно-гигиеническихусловий в помещениях, где проводятся работы.
При накоплении биомассы посевного материала в требуемых количествах инокулят передавливают стерильным сжатым воздухом по посевному коллектору в промышленный аппарат.
Для обеспечения безопасности персонала и жителей селитебных зон на выходе из аппарата отработанного воздуха, содержащего аэрозоль с клетками микроорганизмов, устанавливается термический затвор, в котором инактивируются живые клетки.
Важным технологическим процессом является подготовка воздуха, состоящая из его очистки от механических включений и стерилизации.
Воздух в микробиологических процессах в значительных количествах используется для аэрации при глубинном культивировании аэробных микроорганизмов. Воздух, подаваемый в ферментер, не только снабжает растущую культуру кислородом, но и отводит газообразные продукты обмена и тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе развития, обеспечивает однородность микробной суспензии, увеличивает скорость массопередачи и перемешивания жидкой питательной среды.
Воздух также используется для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях.
Отработанный воздух, отводимый от технологического процесса и из лабораторных и производственных помещений, также должен подвергаться очистке от клеток биообъекта.
Высокая степень очистки воздуха от микроорганизмов обеспечивается использованием методов фильтрации через волокнистые (бумага, картон), пористые (полимерные пленки, металлы, керамика) или зернистые материалы с последовательно расположенными фильтрующими элементами. Фильтрующий материал (при возможности) стерилизуется через заданные промежутки времени подачей острого пара в отключенный фильтр.
Наиболее часто используются фильтрующие материалы на основе ткани Петрянова, представляющей собой полотно из синтетической ткани с различным диаметром волокон:
-ФПП-15(dB = 1,5 мкм) - из перхлорвинила;
-ФПП-25(idB = 2,5 мкм) - из перхлорвинила;
-ФПС-15(dB = 1,5 мкм) - из полистирола;
-ФПФС-15(dB = 1,5 мкм) - из полифторстирола, выдерживающие нагрев до 150 °С, что позволяет проводить стерилизацию острым паром;
-ФПА-15(dB = 1,5 мкм) - из ацетатцеллюлозы, которую такжеможно стерилизовать острым паром.
Для гарантированного обеспечения стерилизации воздуха важен режим стерилизации самой системы, и в первую очередь фильтрующих материалов, что зависит от вида, толщины материала и продолжительности стерилизации.
Наиболее современными конструкциями являются фильтры кассетного и патронного типа в зависимости от типа фильтрующего материала.
Конструкции аппаратов должны обеспечивать два главных требования:
•максимальную перпендикулярность движения газа к поверхности насадки;
•движение газа только через слой фильтрующего материала. Для того, чтобы газ не проникал в зазор между корпусом и насадкой, величина зазора должна быть одного порядка с зазором между волокнами. Поэтому обычной установкой вырезанных матов или листов на опорную решетку достичь такого уплотнения не удается. В таких случаях для волокнистых материалов большой толщины или непрочных используют фланцевые конструкции; для тонких и гибких материалов - патронные. Переток воздуха через зазоры устраняют герметизацией краев насадки или зажатием их между фланцами.
Эффективность работы системы очистки и стерилизации воздуха складывается из ряда факторов, к которым относится и правильный выбор фильтрующего материала, зависящий от требуемой степени очистки и размера проникающих частиц аэрозоля.
В технологиях условно-асептических процессов проводится частичная стерилизация потоков, поступающих на стадию культивирования. Как правило, это тепловая стерилизация исходной питательной среды и соблюдение всех мероприятий, направленных на получение чистой культуры - инокулята, а также на создание условий культивирования, благоприятствующих росту промышленного штамма. Подаваемый воздух, как правило, в этих процессах не стерилизуется.