Реферат: 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 воздухастр. 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

Механизмыфильтрации газов

Важнымтехнологическим процессом в биологических производствах является очистка отмеханических включений и стерилизация воздуха, используемого для вентиляциицехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей ирастворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях. В значительныхколичествах стерильный воздух используют для аэрации процесса культивирования.Отводимый из лабораторных и производственных помещений отработанный воздухтакже подвергается очистке от присутствующих в нем микроорганизмов иконтролируется на чистоту.

Основнымтребованием к техническим системам очистки и стерилизации воздуха являетсяочистка его от микрофлоры и других примесей. Кроме обеспечения этоготребования, рассматриваемые системы должны обеспечивать получение воздуха сопределенными термодинамическими характеристиками (температура, влажность,давление), от которых, в конечном счете, зависит эффективность работы систем вцелом:

1.

Воздух изатмосферы (взвешенных частиц до 109 , микроорганизмов – до 1500 в <st1:metricconverter ProductID=«1 м» w:st=«on»>1 м</st1:metricconverter>3)

2.

Фильтратпредварительной 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 <st1:metricconverter ProductID=«1 м3» w:st=«on»>1 м3</st1:metricconverter>)

6.

Индивидуальныйфильтр (очистка от частиц размером 1 мкм – 99,9999999 %, от микроорганизмов –не более 10 в <st1:metricconverter ProductID=«1 м3» w:st=«on»>1 м3</st1:metricconverter>)

7.

В технологию

Необходимостьобеспечения высокой степени очистки воздуха (99,9999999 %) обусловила, по опытуотечественных и зарубежных смежных отраслей промышленности, использованиеметода удаления аэрозольных частиц из газа путем пропускания его через различныематериалы — волокнистые (бумаги, картон) или пористые (полимеры, металлы,керамика) и т.д.

Привыращивании микроорганизмов, клеток животных и вирусов в глубинных условияхтребуется подача стерильного воздуха или других газов в биореактор на аэрациюкультуральной жидкости. Воздух или др. газы, подаваемые в биореактор, не толькоснабжают растущую культуру кислородом, азотом, углекислым газом и др., но и отводятпродукты газообмена и физиологическое тепло, выделяемое микроорганизмами впроцессе биосинтеза, способствуют гомогенизации суспензии, увеличиваютскорость процессов массо- и теплообмена.

Расчетныекритерии газовых фильтров должны прежде всего соблюдаться для производственныхбиореакторов с большим расходом газа на аэрацию, а не для лабораторныхустановок, где не нужен значительный запас надежности. Энергию также нужноучитывать, поскольку всегда происходит падение давления по сечению фильтра (влабораторных условиях этот фактор обычно не принимают во внимание).

Большое значениетакже имеет относительная влажность газа, и если она слишком высока, то работафильтра становится неустойчивой. На больших фильтрах опасность представляеткраевой эффект.

Вату вкачестве набивочного материала использовать не рекомендуется, т.к. она неявляется эффективным материалом по сравнению даже со стекловолокном из-забольшого диаметра волокон и предрасположенности к быстрому увлажнению.

Эффективностьработы фильтров для стерилизации воздуха определяется следующими факторами:эффективностью и механической прочностью фильтрующего материала,герметичностью его крепления в корпусе фильтра, удобством и быстротойперезарядки. По конструкции фильтры для стерилизации воздуха делятся на двегруппы: глубинного типа с применением волокнистых фильтрующих материалов и сотдельными фильтрующими элементами.

Достоинствамиглубинных фильтров являются большая пылеемкость (способность удерживать большоеколичество пыли на поверхности фильтра), простота и малая стоимость. Кнедостаткам этих фильтров следует отнести невоспроизводимость укладки фильтрующегоматериала и уплотнение его в процессе эксплуатации, каналообразование,неопределенную эффективность, контакт работников, обслуживающих фильтр, сминеральным волокном. Вследствие перечисленных недостатков эти фильтрыненадежны и нестабильны в работе. Очевидно, что недостаточная стабильносгь инадежность способа получения стерильного воздуха окупаются дешевизной и простотойприменяемого оборудования и обусловливаются невысокими требованиями к продукту,для получения которого используется такой стерильный воздух.

Фильтрыс готовыми фильтрующими элементами характеризуются большой надежностью вработе. Фильтрующие элементы изготавливают из высокоэффективных, механическипрочных фильтрующих материалов. Форма и размер фильтрующих элементов зависит отхарактера фильтрующего материала. Фильтры с готовыми фильтрующими элементамиобеспечивают возможность длительной и эффективной работы.

Фильтрующиематериалы

Взависимости от поставленных целей в настоящее время используются большоеразнообразие фильтрующих материалов:

1.Для предварительной очистки

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

Б. Грубые минеральные или синтетическиеволокна: 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

Характеристикафильтрующих материалов представлена в табл. 1

Таблица 1.

Характеристикафильтрующих 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, 750,1000

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

Конструкциявоздушных фильтров

Внастоящее время широко используются фильтры для очистки воздуха следующихконструкций.

Фильтры предварительной очистки воздуха.

Данные фильтры устанавливаются на всасывающей линии

Передкомпрессором или трубовоздуходувкой. При инерционном способе осаждения воздухочищается 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 подлежатпромасливанию. Фильтры данного класса называются масляными или висциновыми.Фильтры периодического действия подразделяются на кассетные регенерируемые,масляные и фильтры сухого типа. Фильтры непрерывного типа подразделяются на самоочищающиесямасляные и с непрерывной регенерацией в ванне с маслом, рулонные и волокнистые.

Фильтры тонкой очистки (головной).

Головной фильтр предназначен для улавливания основноймассы загрязнений, попавших в систему после прохождения воздуха через фильтрпредварительной очистки, компрессора или турбовоздуходувки.

Классификация фильтров тонкойочистки 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

Рис.1. Классификация фильтров тонкой очистки

Вотечественной промышленности для стерилизации технологического воздуха до 80-хгодов применялись в основном глубинные фильтры, представляющие собой емкость сдвумя укрепленными внутри перфорированными решетками, между которыми находятсяволокнистые фильтрующие материалы (рис. 2).

Первымиотечественными фильтрами с готовым фильтрующим элементом были фильтры сиспользованием материала ФП (ткань Петрянова). В этих фильтрах применялисьфильтрующие элементы производительностью 60 — 1000 м3/ч. Фильтрующиеэлементы представлены в виде гофрированных цилиндрических патронов, в которыхмежду складками фильтрующего материала помещались гофрированные пластины.Материал по периметру элемента закреплялся в верхней и нижней частях цилиндрастяжками. Недостатками фильтра были: невозможность стерилизовать фильтр острымпаром в технологической линии; наличие в элементе отдельных деталей, усложняющихего проверку и герметизацию; отсутствие механической прочности самого фильтрующегополотна. Достоинством фильтрующего материала ФП в фильтрующих элементах являетсявысокая эффективность (более 99,999 %) по частицам диаметром 0,3 мкм при небольшомсопротивлении потоку воздуха (0,1 МПа при скорости фильтрации 0,05 м/с).

Рис. 2.Глубинный фильтр для стерилизации воздуха:

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

Техническиехарактеристики фильтров тонкой очистки типа ФТО приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Характеристикафильтров 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

470 - 600

800

400

800

0,001

0,0001 0,001

Разработанонесколько конструкций фильтров с использованием материалов типа БСТВ. Фильтркассетного 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 фильтровтонкой очистки, которые, в основном, представляют собой аппарат цилиндрическоготипа с вводом воздуха через верхний штуцер. Для его более равномерногораспределения по поверхности фильтрующего материала к корпусу привариваетсярешетка. Вывод воздуха осуществляется через нижний штуцер. Для биореакторов небольшойемкости до <st1:metricconverter ProductID=«10 м3» w:st=«on»>10 м3</st1:metricconverter>широко используются конические фильтры.

Работа этихфильтров должна быть особенно надежной, т.к. это последняя стадия очисткиперед поступлением воздуха в биореактор.

Перспективнымфильтрующим материалом является также пористый материал, изготовленный изпорошка фторопласта (методом спекания).

Дляобеспечения необходимой эффективности фторопластовых материалов в виде пластиних толщина должна быть равна <st1:metricconverter ProductID=«4 мм» w:st=«on»>4 мм</st1:metricconverter>. Они обладают высокой пористостью и высокой удельнойпроизводительностью — 60 м3/ч для малых.элементов и 250 м3/ч- для больших. Конструкции фильтров с применением фторопластовых фильтрующихматериалов в зависимости от их формы могут быть в виде дисков или втулок. Длядисков или пластин рекомендуется конструкция фильтров, аналогичная конструкциифильтра

Eikoh. Срок службы фильтрующихэлементов из фторопласта достигает 12 мес.

Современные разработки вобласти стерилизации технологического воздуха были направлены на использованиев фильтрах металлокерамических материалов, т.е. жестких пористых перегородок изметалла. Металлокерамические материалы изготавливают из калиброванныхметаллических порошков способами спекания, прессования, прокаткой. Размер порв изделиях варьирует в пределах 2 -1000 мкм. Для изготовления металлокерамическихфильтрующих элементов используют бронзу, никель, нержавеющую сталь, титан.

Схемамеханизма осаждения при фильтрации воздуха через металло- иметаллокерамические фильтрующие элементы представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема осаждения микробных аэрозолейпри фильтрации воздуха через

металлокерамический элементтонкой очистки:

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

Для изготовления металлическогоэлемента выбирают наиболее мелкозернистый порошок с таким расчетом, чтобы придостаточной протяженности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потокапревысило 16000 с-1. Как показали испытания, этому условию соответствуютэлементы из титанового порошка, обеспечивающие технический коэффициентпроскока для частиц размером 0,3 мкм, равный 5%.

Металлокерамическиеэлементы, изготовленные из титана, также применяют для бактериальной очисткивоздуха. Они состоят из пористой металлокерамической основы, фильтрующеговолокнистого материала, покрывающего основу в два и более слоя, и трубчатойоболочки. В качестве фильтрующих элементов для тонкой очистки воздуха впервыеприменен гидростойкий материал, выдерживающий стерилизацию острым паром до150°С в течение 40 — 50 ч. Материал гидрофобен, стоек к действию сильных кислоти щелочей, сильным окислителям, спиртам, предельным углеводородам, маслам иможет использоваться для фильтрования воздуха и газов при температуре от -250 до+200 °С. Гидравлическое сопротивление материала при скорости воздуха 1 см/ссоставляет 14,7 Па.

Преимуществаметаллокерамических фильтрующих элементов для тонкой биологической очисткивоздуха следующие: значительное число стерилизаций острым паром, простотарегенерации и большой срок работы (5-10 лет).

Вотличие от волокнистых, нетканых и фторопластовых фильтров зернистыеметаллокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны,поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокой механическойпрочностью, легко контролируемы, дешевы и просты в изготовлении. Конструктивноони выполняются аналогично фильтрам с фторопластовыми элементами.

Фирма«Ра

ll» выпускает различные фильтры для фармацевтическойпромышленности. Фильтрующие патроны в фильтрах для стерилизации воздухавыпускаются под маркой UltiporeА.В. Единичные фильтрующие патроны для стерилизации воздуха имеют рабочуюповерхность 0,5 — <st1:metricconverter ProductID=«2 м2» w:st=«on»>2 м2</st1:metricconverter>.Уплотнение патрона с корпусом выполнено в виде двойных уплотнительных колец.Эффективность улавливания частиц фильтрами достигается использованием вфильтрующем патроне мембранных материалов с максимальным размером пор 0,45мкм, который сохраняется фильтрующей волокнистой мембраной даже во влажномсостоянии благодаря специальной гидрофобной обработке фильтрующего элемента.Корпус фильтров изготавливается из нержавеющей стали. Внутренняя поверхностьфильтров хорошо отполирована. Корпусы фильтров оснащены соединением типа«Трикловер» и байонетным затвором для удобства эксплуатации фильтров.

Фирма«Ра

ll» выпускает фильтры производительностью 45 — 850 м3/ч,что достигается наличием фильтрующих элементов в пределах 1 — 20 штук (площадьфильтрации одного элемента составляет <st1:metricconverter ProductID=«0,5 м2» w:st=«on»>0,5 м2</st1:metricconverter>). Рабочие скорости фильтрации0,15 — 0,2 м/с создают сопротивление фильтра 0,115 — 0,12 МПа. При увеличениискорости до 0,5 м/с сопротивление фильтров возрастает в 3 — 4 раза. Фильтрующиеэлементы марок АRРК5, АХЗК5 вместе с корпусом стерилизуются в линии острымпаром одновременно со всей остальной аппаратурой в технологической линии.

Фильтры ифильтрующие элементы фирмы «Ра

ll» былиапробированы на отечественных биопредприятиях. Фильтрующие элементы успешновыдержали стерилизацию острым паром в линии без нарушения фильтрующих свойств.Фильтрующие элементы UltiporeА.В. выдержали 50-разовую и более стерилизацию паром.Срок службы фильтрующего элемента составляет один год.

Вфильтрах для стерилизации воздуха фирмы «М

illipore» используются фильтрующие элементы в виде гладкихцилиндров 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 элементадлиной <st1:metricconverter ProductID=«77,5 см» w:st=«on»>77,5 см</st1:metricconverter>составляет <st1:metricconverter ProductID=«0,12 м2» w:st=«on»>0,12 м2</st1:metricconverter>.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 этогоматериала, более производительны. Эффективность фильтров этого класса иэффективность мембранных материалов определяется отсутствием за фильтромчастиц размером номинального диаметра пор фильтрующих мембран (0,45 или 0,22мкм). 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 фильтреиз-за непрочности мембраны меньше, чем у элементов фирмы «Ра

ll» и «Еikoh». Фирма «Millipore» рекомендует стерилизацию фильтра проводить острымпаром при давлении 0,2 МПа, подавая пар в наружную и внутреннюю полости фильтраодновременно для предотвращения деформации фильтрующего элемента. Пар подаетсяв линию очищенным с помощью специального фильтра.

Опытэксплуатации фильтров и фильтрующих элементов ведущих зарубежных фирм наотечественных предприятиях показал большую целесообразность, удобство инадежность в работе фильтров с фильтрующими материалами в виде готовыхфильтрующих элементов с заданными параметрами фильтрации: эффективностью,сопротивление потоку воздуха, сроком службы и т.д.

Анализотечественных и зарубежных конструкций фильтров показал, что наиболееперспективными являются конструкции фильтров патронного и кассетного типа сфильтрующими элементами из плотных эффективных и паростойких фильтрующих материалов.Такие фильтры удобны в эксплуатации, обладают высокой эффективностью, быстройсъемностью и надежностью в работе.

Проведенныйанализ позволил модернизировать старые и разработать новые конструкциифильтров с готовыми патронными и кассетными фильтрующими элементами сиспользованием новых эффективных отечественных фильтрующих материалов.

Длястерилизации фильтров рекомендуется использовать очищенный пар. Наиболееблагоприятным способом пропускания пара является его двухсторонняя подача внаружную и внутреннюю полости фильтра.

Промышленная система очистки и стерилизациивоздуха.

Подготовкасжатого технологического воздуха, подаваемого в биореакторы для биосинтеза истерилизуемого методом фильтрации, состоит из нескольких ступеней. Успешная работасистемы для каждой ступени подготовки воздуха определяется оптимальным выборомоборудования, фильтрующих материалов, режимов их эксплуатации и методовконтроля чистоты получаемого воздуха.

Схемапромышленной системы очисткистерилизации воздуха приведена на рис. 6.

<span Bookm