Очистка воздуха на биопредприятиях

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 10 9 , 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*10 6 , микроорганизмов - до 1000 в 1 м 3 ) 6. Индивидуальный фильтр (очистка от частиц размером 1 мкм – 99,9999999 %, от микроорганизмов – не более 10 в 1 м 3 ) 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 массои 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

Материал	Диаметр волокна или пор, мкм	Термостойкость, о С	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, 750,1000	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	1000
Стеклянные мембраны	0,2 – 0,3	150
Углеродные мембраны	0,025 – 0,055	1000
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 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

Фильтры для стерилизации воздуха

Периодического действия

Непрерывного действия

тканевые (ФТО)

дисковые

совмещенные

С фторопластовыми патронами

Для подаваемого воздуха

Для удаляемого воздуха

Фильтрующий комплекс из метоллоэлементов

Фильтрующий комплекс из метоллоэлементов

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 м 3 /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

Тип фильтра	Производительность по воздуху, м /ч	Площадь поверхности фильтрации, м	Сопротивление потоку воздуха, Па	Коэффициент проскока, %
ФТО-60 ФТО-500 ФТО-750 ФТО- 1000	60 500 750 1000	1 5 10 10	470 - 600 800 400 800	0,001 0,001 0,0001 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). 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 м 3 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 м 3 /ч для малых .элементов и 250 м 3 /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 металлои 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 «Ра ll » 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 м 2 . 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 «Ра ll » выпускает фильтры производительностью 45 - 850 м 3 /ч, что достигается наличием фильтрующих элементов в пределах 1 - 20 штук (площадь фильтрации одного элемента составляет 0,5 м 2 ). 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 А R РК5, АХЗК5 вместе с корпусом стерилизуются в линии острым паром одновременно со всей остальной аппаратурой в технологической линии.

Фильтры и фильтрующие элементы фирмы «Ра ll » 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 «М illipore » 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 м 2 . 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 «Ра ll » и «Е ikoh ». 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.

Рис. 6. Схема очистки и стерилизации воздуха: 1 – 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, подразделяется 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 углекислого 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 (центрифуги, сепараторы, фильтры и т.д.); 4. Очистка воздуха и газов, выходящих из всех видов оборудования.

Технологическая схема очистки и стерилизации воздуха осуществляется по следующим стадиям: предварительная (грубая) очистка от механических примесей, сжатие, охлаждение, отделение сконденсированных паров, влаги и масла (при поршневых компрессорах) и собственно стерилизация. 1-й этап - грубая очистка. На входе заборника воздуха или другого 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 отраслях промышленности в основном используются поршневые компрессоры (например, марок ТК-350/5, ТК-300/840, ТКК-1/4 и ТЭ и др.). Однако более рациональным является применение турбовоздуходувок (например, марки 920-33), что позволяет упростить и улучшить схему газоподготовки. При сжатии воздух нагревается от 100 до 200 °С, поэтому его необходимо охладить до температуры культивирования. Из-за высокого влагосодержания атмосферного воздуха при охлаждении выпадает 50 - 70 % исходной влаги, которая может увлажнить фильтрующий материал, поэтому воздух после компрессора охлаждают до 25 - 30 °С в охладителе 3, а после отделения влаги во влагоотделителе 4 нагревают в теплообменнике 5 до температуры культивирования в стерильной сушилке между головным и индивидуальным фильтрами или путем подачи пара в рубашку фильтров, если она предусмотрена. 3-й этап - первичная очистка и фильтрация газа. После подогревателя газ поступает в первую ступень очистки и фильтрации - головной фильтр. 4-й этап - тонкая очистка и фильтрация газа. После головного фильтра газ поступает в индивидуальный фильтр и далее в биореактор. При использовании турбовоздуходувок схема фильтрации упрощается за счет исключения из нее холодильника и брызгомаслоотделителя. Для обеспечения эффективности использования нагретого воздуха, 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 уровне регулятор температуры в комплекте с пневматическим клапаном, установленным на линии подачи горячего сжатого воздуха. 3. Учесть, что вариант подогрева воздуха путем его смешения с горячим воздухом можно применить на тех предприятиях, где расстояние от компрессора до головного фильтра не слишком велико (ориентировочно около 100 м ). При условии же большей удаленности здания компрессорного цеха от головных фильтров следует производить подогрев воздуха специальным паровым подогревателем, расположенным 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 охлаждения воздуха в воздухоохладителях следует отрегулировать таким образом, чтобы температура его перед индивидуальным фильтром составляла 45 - 50 °С. Необходимо отметить, что только при соблюдении всех перечисленных выше условий может быть гарантирована эффективная работа системы фильтрации воздуха.

Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора.

Выходящий из биореактора воздух имеет значительную влажность и содержит микроорганизмы, поэтому система очистки обычно является двухступенчатой - ступень удаления влаги и ступень очистки и стерилизации. В зарубежной практике для очистки и стерилизации воздуха, выходящего из биореактора, широко используют фильтрующие элементы из микроволокон боросиликатного стекла, связанных эпоксирезиной.

Фильтр-патрон из такого материала имеет высокую стерилизующую способность (до 99,9999%) и хорошо улавливает частицы размером более 0,6 мкм.

Стерилизация таких фильтров осуществляется текучим паром.

Большое распространение получили фильтры из пористой нержавеющей стали, никеля и бронзы. В начале эксплуатации их сопротивление не более 0,07 МПа, а в процессе фильтрования оно возрастает до 0,5 МПа.

Глубинное культивирование микроорганизмов проходит в биореакторах при давлении 0,02 - 0,06 МПа.

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, а производительность снизиться.

оценка стоимости коттеджа в Туле
оценка предприятия в Липецке
оценка стоимости строительства объекта в Белгороде