Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биотехнологии и асептики проведения процессов. Учебно-методическое пособие
.pdf
21
,
где х – число клеток в 1 мл суспензии; а – среднее число клеток в квадрате сетки; h – глубина камеры, мм; S – площадь квадрата сетки, мм2;
103 – коэффициент перевода см3 в мм3; n – разведение исследуемой сус-
пензии.
Ра с че т но - а н а ли т ич е ск а я ч а с т ь
Оценить эффективность обеспечения асептики жидкой среды
вследствие ее термообработки при различных температурах. Для этого
необходимо:
1. Вычислить общее число клеток, а также число живых клеток х
в 1 мл суспензии и построить графическую зависимость х = f(τ), проанализировать кинетику гибели микробных клеток.
Сделать вывод о влияния температуры и продолжительности тер-
мообработки на эффективность стерилизации среды.
2. Вычислить значение критерия стерилизации:
.
3. Определить удельную скорость гибели k микроорганизмов при
заданной температуре (Т = 65, 85 и 100 оС).
Результаты экспериментальных данных и расчетов представить
в виде табл. 1.2.
Таблица 1.2
Экспериментальные данные и показатели термической
стерилизации
№
пробы
τ, мин
а
х
k, мин -1
0 0
1
15
2
30 3 45
4
60
22
4. Построить графическую зависимость в координатах
lnk = f(1/T) (температура приводится в градусах Кельвина). Для постро-
ения зависимости использовать значения удельной скорости гибели k
живых (неокрашенных) клеток в анализируемых пробах.
Рис. 1.2. Графическая зависимость k от 1/Т
Из графика (рис. 1.2) найти tgα и точку пересечения с осью орди-
нат. В линеаризованном виде уравнение Аррениуса может быть записано как
Здесь ln A определяется из графика как величина, численно равная величине отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат, а
Таким образом, значение удельной скорости гибели определя-
ется из уравнения Аррениуса с найденными константами А и Е/R.
Эффективность термообработки для обеспечения асептики жид-
ких сред может быть оценена для любой температуры так как А, Е, R –
постоянные величины, а k рассчитывается путем подстановки в уравне-
ние Аррениуса любого значения Т.
5. Рассчитать время, за которое концентрация выживших клеток
снижается в 10 раз при исследованных температурах.
23
Ко н т р о л ьн ы е во п ро с ы
1. Что представляют собой асептика и стерильность. В чем подобие и в чем отличия?
2. Обоснуйте необходимость проведения асептических мероприятий для биотехнологических производств.
3. Какие меры применяются для достижения и поддержания
асептических условий на стадии ферментации?
2. Механизмы действия асептиков
3. Методы термической стерилизации.
4. Области применения методов химической асептики в биотех-
нологии.
5. Физические методы стерилизации в биотехнологической про-
мышленности.
6. Возможности и области применения стерилизации фильтро-
ванием.
7. Основной принцип действия термических режимов стеризации.
Ли т ер а ту р а
1. Винаров, А. Ю. Процессы и аппараты биотехнологии: ферментационные аппараты: учебное пособие / под ред. В. А. Быкова. –
2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Юрайт, 2020. – 274 с.
2. Теоретические основы биотехнологии: учебно-методическое
пособие для самостоятельной работы студентов / Н. Е. Павловская,
И. Н. Гагарина, И. В. Горькова, А. Ю. Гаврилова. – Орел: Изд-во Орлов.
гос. аграр. ун-та им. Н. В. Парахина, 2013. – 66 с.
3. Микробиологическая чистота. ОФС.1.2.4.0002.18 // Фармакопея РФ: [сайт]. – 2022. – URL: https://pharmacopoeia.ru/ofs-1-2-4-0002-
15-mikrobiologicheskaya-chistota. Дата обращения 21 10.2022.
4. Тихомирова, О. М. Основы промышленной асептики. / О. М. Тихомирова; // ЭИОС СПХФУ: [сайт]. – URL: https://eduspcpu.ru/course/
view.php?id=1044. – Дата обращения 21 10.2022.
5. Тихомирова, О. М. Промышленная асептика в биотехнологи-
ческом производстве: учебно-методическое пособие / О. М. Тихомирова, С. В. Гурина. – 2-е изд., перераб. и доп. – Санкт-Петербург:
Изд-во СПХФУ, 2018. – 88 с.
6. Рымовская, М. В. Основы промышленной асептики: электронный курс лекций / М. В. Рымовская. – Минск : Изд-во БГТУ, 2018. –
127 с.
7. Манаков, М. Н., Теоретические основы технологии микробио-
логических производств / М. Н. Манаков, Д. Г. Победимский. – Москва:
Агропромиздат, 1990. – С. 97–99; 173–205.
8. Сироткин, А. С. Теоретические основы биотехнологии:
учебно-методическое пособие / А. С. Сироткин, В. Б. Жукова. – Казань:
Изд-во КНИТУ, 2010. – 87 с.
24
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 2
И З У Ч Е Н И Е Э Ф Ф Е К Т И В Н О С Т И Ф И Л Ь Т Р А Ц И И
В О З Д У Х А
Цель работы: выявление закономерностей эффективной работы
элементов системы тонкой очистки воздуха.
Объекты исследования, оборудование, реактивы и посуда:
– чашки Петри с разлитой в них стерильной питательной средой;
– термостат;
– аппарат Кротова;
– микроскопы;
– фильтровальная бумага;
– марля.
Кр а тк и е т е о р е т и ч е с ки е св е де н ия
Многие биотехнологические производства предполагают исполь-
зование воздуха. Это касается как производств, ориентированных на получение продуктов питания, так и производства биологически активных
веществ, средств защиты растений, фармацевтических препаратов
(например, антибиотиков). Необходимость аэрирования диктуется физиологическими потребностями продуцентов, используемых в биотехнологических производствах, большинство из которых являются либо облигатными либо факультативными аэробами.
Чистота воздуха может быть рассмотрена с позиции ее механиче-
ской, химической и биологической составляющих. Наибольшую опасность для биотехнологических производств представляет наличие биологических объектов, которые могут контаминировать процесс, что может
сказаться как на течении самого процесса, так и на качестве продукции,
а также приводить к снижению сроков хранения. По требованиям гигиенических нормативов ГН 2.1.6.3537-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) микроорганизмов-продуцентов, бактериальных препаратов
и их компонентов в атмосферном воздухе городских и сельских поселений» и гигиенических нормативов ГН 2.2.6.3538-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) микроорганизмов-продуцентов, бактериальных
препаратов и их компонентов в воздухе рабочей зоны» в воздухе производственных помещений определяют общее микробное число. Воздух
производственных помещений считается чистым, если в нем содержится
не более 500 микроорганизмов в 1 м3. Причем воздух окружающей среды
25
26
может быть более или менее обсеменен микроорганизмами. Так, в воздухе
над крупными промышленными городами общее микробное число может
достигать величины 2000 КОЕ на 1 м3. В то время как в малонаселенной
местности этот показатель значительно меньше. На микробную контаминацию воздуха оказывают большое влияние метеорологические условия,
географическое положение производства, санитарно-эпидемиологическое
состояние местности, время года, особенности конструкции производственных зданий и помещений. В целом воздух закрытых помещений содержит значительно больше микроорганизмов. Во многом это связано
с повышенным содержанием пыли, а также аэрозолей, которые образуются при участии влаги. Размеры аэрозольных частиц могут колебаться от
10 до 2000 нм. В зависимости от размера капель, их электрического заряда
и скорости движения различают два класса аэрозольных фаз.
– капельная фаза – это мелкие капли, которые испаряются в воз-
духе еще до их оседания на поверхности;
– пылевая фаза – она создает устойчивую дисперсную систему.
Наличие остаточной влаги позволяет микроорганизмам поддерживать
жизнедеятельность длительное время.
Таким образом, именно пылевая фаза способствует сохранению
микроорганизмов в воздухе, хотя он не является благоприятной средой
для них. Микроорганизмы попадают в воздух из почвы, с различных
поверхностей, в результате дыхания человека и животных, с рук, инвентаря и др. Обычно в воздухе определяются такие виды микроорганизмов, как различные виды кокков, спорообразующие и бесспоровые
бактерии, споры дрожжей и грибов.
Очистке подвергается воздух, который используется при эксплуа-
тации боксов и технологических помещений, в которых осуществляют
асептические операции (например, боксируемые помещения). Газовые
выбросы биотехнологических производств также подвергаются очистке.
Для очистки воздуха используются различные способы (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Методы, применяемые для очистки воздуха
№ п/п
Метод
Механизм действия
Оборудование
1
Механический
Центробежная сила
Циклоны
2
Механический
Сила инерции
Инерционные отделители
3
Механический
Увлажнение, захват при ка-
сании поверхности
Скрубберы
4
Механический
Фильтрация, ситовый эффект
Слой насыпного материала
5
Электрический
Силы электростатического
взаимодействия
Электрофильтры
Мелкие частицы загрязнителей воздуха, имеющие размерность ме-
нее 1 мкм, отфильтровываются особым фильтрационным материалом.
В этом случае броуновское движение частиц позволяет им проникнуть
между волокнами фильтрующего материала. Если размер частицы
больше, чем расстояние между волокнами или гранулами фильтрующего
материала, то проявляется ситовый эффект. В большинстве применяемых
в настоящее время фильтрах тонкой очистки такой подход позволяет очистить воздух только от достаточно крупных частиц. Для получения качественного эффекта используют специальные фильтры, имеющие определенный точно заданный размер пор, лежащий в диапазоне 0,1–0,5 мкм.
В такой системе ситовый эффект проявляется наиболее полно.
При очистке воздуха от частиц диаметром 1–3 мкм хорошо проявляется действие инерционных сил. Существует граница в отношении
массы и скорости частиц, превышение которой способствует сохранению
прямолинейного движения, что приводит к их осаждению на преграде
(рис. 1.3). Более крупные и тяжелые частицы (диаметром 1–10 мкм) хорошо осаждаются под действием силы тяжести. Этот процесс описывается уравнением Стокса.
Достаточно широко в промышленности используются методы, основанные на действии электростатических сил. Причем возможна реализация двух случаев. В первом случае заряженные частицы начинают движение к противоположно заряженным волокнам фильтрующего материала. Второй случай связан с частицами, приобретающими электрический
заряд путем индукции при движении к заряженному фильтрационному
материалу (рис. 1.3). Следует отметить, что существует разброс не только
в количественных характеристиках зарядов, но также и в их полярности.
Известно, что 75 % сухих спор микроорганизмов имеют отрицательный
заряд, 15 % – положительный, а 10 % – нейтральный.
Рис. 1.3. Схема осаждения частиц под действием сил инерции
Эффект очистки усиливается благодаря тому обстоятельству, что
многие синтетические и стеклянные фильтрующие материалы сильно
электризуются при прохождении сухого воздуха. Снижение скорости
27
воздушного потока приводит к возрастанию роли седиментационного,
диффузионного и электростатического эффектов, в то время как роль
инерционного эффекта уменьшается. В результате реализации этих механизмов частица приближается в поверхности фильтрующего материала
на расстояние, соответствующее ее диаметру, после чего происходит касание частицей этой поверхности и их взаимодействие. Взаимодействие
обеспечивается разными силами, среди которых большая роль принадлежит вандерваальсовым взаимодействиям. Следует отметить, что попадание частицы в зону непосредственного касания с фильтрационным материалом может происходить также случайно в результате попадания ее
в зону потока, контактирующего с фильтрующим материалом (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схема улавливания частиц путем касания:
dч – диаметр частицы, dв – диаметр волокна
Эффективность стерилизации при фильтровании оценивается по
коэффициенту проскока:
где Х – концентрация микроорганизмов в воздухе после системы
очистки, кл/м3; Х0 – концентрация микроорганизмов в воздухе до системы очистки, кл/м3.
Коэффициент проскока для ферментеров должен быть не бо-
лее 10–8–10
–11
%. Величина коэффициента проскока зависит от скорости
воздушного потока, размера частиц и носит экстремальный характер.
Установлено, что наиболее проникающие частицы при обычно при-
меняемых скоростях фильтрации имеют диаметр порядка 0,01–0,1 мкм.
Математическая модель осаждения частиц аэрозоля при филь-
тровании имеет вид
где Н – глубина фильтра, м; Vф – константа фильтрации, м–1.
28
29
Константа фильтрации зависит от размеров и плотности частиц
аэрозоля, диаметра волокна и плотности его упаковки, скорости воздуха, влажности, температуры. Иногда константу фильтрации выражают через толщину фильтрующего слоя Н90, необходимого для улавливания 90 % частиц от их начального содержания:
Константу фильтрации определяют экспериментально и рассчи-
тывают глубину фильтра при заданном коэффициенте проскока.
Для определения общей микробной обсемененности воздуха
применяют два метода – седиментационный и аспирационный.
Седиментационный метод используют чаще всего для анализа
воздуха помещений. Он достаточно прост, не требует специального
оборудования. Однако результаты, полученные с использованием этого
метода, имеют относительно большую ошибку. Поэтому его применяют в основном для качественного анализа. Суть метода заключается
в учете количества микроорганизмов, осевших на агаровую пластинку
открытой чашки Петри за единицу времени. Время экспозиции составляет 5 или 10 мин в зависимости от загрязненности воздуха. Считается,
что на поверхность чаши в 100 см2 оседает в течение 5 мин столько организмов, сколько их содержится в 10 л воздуха.
Общее количество микроорганизмов в 1 м3 воздуха при седимен-
тационном методе определяется по уравнению Омелянского:
,
где а – среднее количество колоний в чашке, КОЕ; τ – время экспозиции, мин; S – площадь чашки Петри, см2; 100 – пересчет площади чашки
Петри на 100 см2; 5 – экспозиция чашки, мин; 100 – коэффициент пересчета на 1 м3.
Более точные результаты получают аспирационным методом
с применением прибора Кротова (рис. 1.5). Принцип работы метода заключается в создании потока воздуха, направленного на пластину с питательной средой. Поток воздуха образуется в результате работы вентилятора. Вентилятор вращается с частотой 4000–5000 мин–1, засасывая воздух, который поступает через клиновидную щель аппарата и ударяется
о поверхность питательной среды в чаше Петри. Воздух выходит через
ротаметр с противоположной стороны двигателя. Чтобы поток равномерно обдувал поверхность питательной среды, диск с чашкой Петри
также вращается. Однако частота вращения диска значительно меньше,
чем у лопастей вентилятора, и составляет 60–100 об/мин. Считается, что
за 1 мин через аппарат проходит 25 л воздуха. Для определения общей
обсемененности воздуха аппарат включают на 1–3 мин (в зависимости от
состояния воздуха), для установления санитарного состояния и выявления патогенных микроорганизмов – на 3–15 мин.
Концентрация микроорганизмов в 1 м3 рассчитывают по формуле
где а – количество колоний в чашке, шт.; τ – время, в течение которого
происходил контакт с воздухом, мин; VВ – объем воздуха, из которого
происходило оседание микроорганизмов за 1 мин, л; 1000 – переводной
коэффициент из литров в м3 .
Рис. 1. 5. Схема аппарата Ю. А. Кротова: 1 – электромотор;
2 – крыльчатка; 3 – пружина; 4 – крышка прибора; 5 – диск
из плексигласа; 6 – клиновидная щель; 7 – разрезное кольцо;
8 – накидные замки; 9 – чашки Петри; 10 – диск; 11 – центробежный
вентилятор; 12 – цилиндр; 13 – основание цилиндра; 14 – штуцер
с диафрагмой; 15 – выводная трубка
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]