Досвід забезпечення стерильності мікробіопрепаратів сільгосппризначення в ферментаційних комплексах біовиробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інженерно-технологічний інститут "Біотехніка" НААН

УДК 631.348

Досвід забезпечення стерильності мікробіопрепаратів сільгосппризначення в ферментаційних комплексах біовиробництва

Косой С.М. канд. техн. наук,

Кримінський О.І. канд. техн. наук,

Осипенко Т.М.,

Богач Г.І

Приведені результати дослідження методів та устатковання для досягнення стерильності при напрацюванні мікробіологічних препаратів для захисту рослин в ферментаційному комплексі з тонкостінними ферментерами.

Ключові слова: установка, мікробіопрепарати, стерилізація, культивування, тонкостінний ферментер, охолодження.

Проблеми. У мікробіологічному виробництві здійснюють ряд заходів, які направлені на забезпечення збереження чистоти культури на всіх етапах технологічного процесу. До таких заходів відносяться, в першу чергу, стерилізація устатковання та поживних середовищ, культивування мікроорганізмів з аерацією стерильним повітрям та застосування стерильної води.

В практиці виробництва мікробіологічних засобів захисту рослин (МБЗЗР), яке здійснюється переважно в умовах регіональних біофабрик з використанням качалок мікробіологічних та малооб'ємних ферментерів (реакторів) загальнопромислового призначення ємністю від 0,1 до 1,0 м3 стерилізацію здійснюють періодично гострою або глухою водяною парою під тиском за температури на рівні від 120оС до 130 оС [1].

Спосіб термічної парової стерилізації досить енерговитратний, так як до 70 % споживаної енергії витрачається на перетворення води в пару і нагрів масивних реакторів з водяною сорочкою.

З метою енерго- і ресурсозаощаджень при виробництві МБЗЗР в інституті розроблені і апробовані тонкостінні ферментери та на їх базі ферментаційні комплекси. Перспективність застосування ферментерів серії ФТ обумовлюється їх низькою металоємністю і ефективністю процесу культивування за рахунок інтенсифікації процесів масообміну в культуральній рідині. При цьому значно скорочується час (цикл) культивування і підвищується якість (титр) препарату в рідкій товарній формі [2].

Для тонкостінних енергоощадних по своїй конструкції ферментерів, які не розраховані на надмірний тиск і стерилізацію водяною парою, необхідні розробки нових неординарних економічних та надійних методів та пристроїв для зруйнування контамінантів у рідинах, газах та на внутрішніх поверхнях апаратів і матеріалопроводів, що складають ферментаційний комплекс.

Аналіз останніх досліджень.

Методи і устатковання, використання яких на практиці, сприяють досягненню та підтримці асептичних умов, дуже різноманітні та різнохарактерні. З них можливо виділити дві групи, у першій - процеси, які основані на використанні різних летальних факторів - тепла, тиску, іонізуючого випромінювання, хімічних речовин та ін., а в другій - процеси фільтруючої стерилізації та герметизації.

Для стерилізації рідких поживних середовищ використовують найчастише фільтрацію та термічний вплив на мікрофлору [3].

Фільтрація поряд з очевидними позитивними якостями (низька енергомісткість, відсутність впливу на термолабільні компоненти) непридатна в виробництві МБЗЗР для оброблення поживних середовищ, які переважно складаються з твердих включень (частинки кукурудзяного або соєвого борошна та ін.).

При виборі режимів термічної стерилізації поживних середовищ необхідно враховувати дві суперечні умови: перше - необхідність гарантованого знищення патогенної мікрофлори, друге - мінімальне зруйнування термолабільних поживних компонентів середовища.

Таким чином, створення ефективних та енергозберігаючих методів досягнення асептичних умов в мікробіологічному виробництві є складною актуальною проблемою, на рішення якої, наприклад, у Японії витрати складали 15 трильйонів йен [4].

В останній час інтерес представляє вивчення нетермічних способів стерилізації рідин, наприклад з використанням ультрафіолетового випромінювання (УФ).

Бактерицидну дію УФ-випромінювання успішно використовують для знезараження питної води і повітря стерильних приміщень. Але в практиці стерилізації поживних середовищ з вмістом сухих нерозчинних речовин, які використовують для напрацювання МБЗЗР УФ ще не знайшов широкого застосування.

В зв'язку з цим аналізувалась також можливість використання комбіновваних методів з застосуванням термічної, ультрафіолетової та фільтруючої стерилізації для рідин та газів [5]. Розглядалась можливість поліпшення методів термічної стерилізації. При термічній стерилізації основна проблема - це забезпечення рівномірного, без локального перегрівання, підведення теплової енергії до середовища, яке стерилізують (особливо - азотовміщуючі потребують більш ощадних режимів теплового впливу). Необхідно також враховувати швидкість нагрівання та охолодження поживного середовища, оскільки ці величини характеризують тривалість перебування рідини у тепловому полі і можливі зміни властивостей та характеристик поживного середовища.

Мета досліджень. Визначити ефективні і економічні методи і устатковвання для стерилізації рідких поживних середовищ, води, повітря, металевих поверхонь апаратів і комунікацій та їх конструктивне втілення в ферментаційні комплекси з тонкостінними ферментаційними апаратами.

Матеріали і методи. При розробленні ферментаційного комплексу були закладені прогресивні підходи та науково-технічні рішення щодо зниження енерговитрат для досягнення стерильності на всіх стадіях культивування МБЗЗР, а саме: зменшення конструкційної маси і герметизація апаратів за рахунок виготовлення їх корпусів з тонколистової корозійностійкої сталі (д = 0,8-1,25 мм); використання нових способів підведення теплової енергії плоскими та гнучкими електронагрівниками; застосування нетеплових методів зокрема використання ультрафіолету для бактерицидної дії на мікрофлору води і повітря; впровадження штучного холоду для охолодження технологічної стерильної води і термостабілізації процесу культивування; застосування нового способу комбінованої термоультрафіолетової стерилізації поживного середовища; модульна побудова комплексу з мінімальною протяжністю матеріалопроводів.

Результати досліджень. Дослідження методів стерилізації проводили на експериментальному ферментаційному комплексі.

Знезаражуючий ефект УФ-випромінювання обумовлений фотохімічними реакціями, в результаті яких відбувається необоротні пошкодження молекули ДНК у клітинах бактерій та мікроорганізмів. Крім ДНК ультрафіолет діє і на інші структури клітин, зокрема, на РНК та клітинні мембрани.

Ультрафіолет вражає саме живі клітини, не впливаючи на хімічний склад середовища. Дози опромінювання для ряду спор та грибків складають 100-300 мДж/см2, енерговитрати на знезараження, наприклад, води, складають 7,0-8,0 Вт на 1 м3/ч.

Як джерело ультрафіолетового випромінювання використовують лампи з необхідними параметрами. За методом одержання УФ лампи розподіляють на два види:

- лампи високого тиску, які використовують дуговий розряд (зарубіжна назва "Hoche Drucken");

- лампи низького тиску, які використовують жевріючий розряд (зарубіжна назва "Nieder Drucken").

План розміщення основних модулів, якого показаний на рис. 1.

Продуктивність модуля стерилізації ПС (поз. 1) становить 70-80 дм3 за один цикл стерилізації. Оптимальна розрахункова кількість робочих ферментерів ФТУ-0,100 (поз. 2) з робочим об'ємом 70 дм3, які обслуговує один стерилізатор, становить сім одиниць, в т. ч. один ферментер для напрацювання інокуляту. Так продуктивність комплексу з шести робочих ферментерів становитиме: 70 х 6 = 420 дм3/цикл.

1- модуль стерилізації ПС; 2 - модуль ферментації продукту (ФТУ-0,100);

3 - модуль ферментації інокуляту (ФТІ-0,115); 4 - фільтр для води;

5 - знезаражувач води (УФ); 6 - модуль охолодження стерильної води (180 дм3); 7 - фреоновий холодильний агрегат (ВС-1250); 8 - модуль очищення та нагнітання повітря (компресор + фільтри); 9 - пульт керування; 10 - мийка; 11 - колектор води; 12 - ємкість для води; 13 - автоклав

Рисунок 1 Склад експериментального ферментаційного комплексу (план, НДЛ, смт Хлібодарське, Одеської обл.)

На теперішній час виготовлено два експериментальних тонкостінних ферментери (поз. 2 і 3), а також модуль підготовки і охолодження стерильної води (поз. 6), з допоміжним обладнанням (поз. 4, 5, 7), які зв'язані технологічними трубопроводами, на яких проводили дослідження щодо напрацювання МБЗЗР за новою технологією та апробацію способу комбінованої стерилізації та охолодження ПС.

Об'єктами досліджень в технології вирощування мікроорганізмів в ферментаційному комплексі були: процес стерилізації концентрованого ПС та його попереднє охолодження від 130 оС до 972 оС в стерилізаторі; процеси знезараження і охолодження водопровідної питної води в модулі стерилізації і охолодження; процес розведення і охолодження ПС від 972 оС до температури культивування (302 оС) в тонкостінному робочому ферментері шляхом змішування концентрованого ПС з стерильною охолодженою водою; процес культивування з аерацією стерильним повітрям.

На всіх стадіях процесів важливим показником була стерильність.

Отримані дані досліджень процесів стерилізації, охолодження та культивування заносились у таблиці з послідуючим аналізом динаміки процесів.

Якість здійснення процесу стерилізації ПС, води, трубопроводів і ферментера здійснювали шляхом відбирання проб з дотриманням стерильних умов. Проби висівали на агаризоване середовище в чашки Петрі і встановлювали в термостат, де витримували протягом 3-5 діб. Після цього виявляли наявність або відсутність сторонньої мікрофлори візуально.

Дослідження проводили на рідкому поживному середовищі для напрацювання препарату планриз, робоча концентрація якого на рівні 3 % (Планриз БТ. ТУУ-24-2-00495929-256:2007).

Для перевірки нового способу стерилізації планриз БТ при напрацюванні препарату концентрацію поживних середовищ (ПС) збільшили з 3 % до 12 % в експерименті. В стерилізатор об'ємом 80 дм3 було заправлено 20 дм3 12 % ПС, яке простерилізували тепловим методом до температури 130 оС з послідуючим охолодженням до 95 оС проточною водою безпосередньо у стерилізаторі за допомогою змійовикового теплообмінника.

Паралельно в модуль охолодження стерильної води через систему знезараження (фільтр + УФ-лампа) було заправлено 60 дм3 водопровідної води, яку охолоджували за допомогою холодильної машини. При цьому вода за допомогою насосу циркулювала крізь знезаражувач води з УФ-лампою. Після знезараження і охолодження до температури 8 оС, воду перекачали насосом у простерилізований попередньо тонкостінний ферментер, в який передавлюванням подали гаряче ПС із модуля стерилізації.

В результаті змішування 20 дм3 гарячого ПС з 60 дм3 охолодженої стерильної води одержали ПС з температурою 29 оС і робочою 3 % концентрацією поживних компонентів.

На рис. 2 приведені порівняльні графіки експериментальних даних процесів традиційної термостерилізації ПС і запропонованої розподільної термоультрафіолетової стерилізації та охолодження шляхом змішування.

Із графіків видно, що термостерилізація 80 дм3 ПС традиційним способом (процес 1 і 2) тривала 2 год 44 хв з витратою електроенергії 12,5 кВт.год, а його охолодження від 130 оС до 30 оС (процес 3) проточною водою крізь "сорочку" стерилізатора, тривала 1 год 20 хв. Увесь процес склав 4 год.

За новим розподільним способом стерилізації 20 дм3 ПС із збільшеною концентрацією поживних компонентів стерилізували нагріванням від 20 оС до 130 оС - 48 хв (процес 1/) з витримкою (процес 2/) - 30 хв. На процес термостерилізації витрачено 6,0 кВт.год електроенергії.

В модулі стерилізації і охолодження питної води за 2 год 30 хв булло простерилізовано і охолоджено до 8 оС 60 дм3 питної води (процес 4/) і витрачено 2,5 кВт.год на роботу холодильної машини і ультрафіолетової лампи знезаражувача води (в т.ч. 0,1 кВт.год).

В результаті за новим розподільним комбінованим способом стерилізації і охолодження ПС витрачено 8,5 кВт.год, що на 32 % менше ніж традиційним тепловим методом, а економія часу 152 хв проти 240 хв, тобто в 1,5 рази.

За результатами досліджень розроблено проект технологічного регламенту на виробництво препарату планриз з урахуванням специфіки устатковання і нового розподільного способу стерилізації і охолодження ПС.

Після внесення в ферментер 6,0 дм3 маточної культури планризу (Pseudomonas fluorescens) з титром 2,5.109 ж. кл./дм3 ферментер ввімкнули в режим культивування з постійним перемішуванням і аерацією культуральної рідини продовж 22 год 45 хв культивування. В результаті було отримано 85,2 см3 рідкого препарату планриз з титром 4,7.109 ж. кл./см3, що відповідає технічним умовам. Витрати енергії на всі операції стерилізації, роботу мішалки і повітряного компресора складали 46,0 кВт.год, що в 1,8 рази менше ніж для загально-промислового устатковання такої ж продуктивності.

фільтрація стерилізація знезаражуючий

Висновки

Результати досліджень і досвід створення енергоощадних ферментаційних комплексів з досягненням стерильних умов на всіх стадіях напрацювання МБЗЗР можуть бути використані при переоснащенні регіональних біовиробництв. ІТІ "Біотехніка" може надати послуги в проектуванні тонкостінних ферментаційних апаратів та інших модулів комплексу.

Література

1 Ткачева Л.Б. Региональное производство биологических препаратов в Российской федерации // Защита и карантин растений. - 2004.- № 4. - С.18-19.

2 Косой С.М. Реалізація технічних аспектів мікробіологічного захисту рослин. / Механізація та електрифікація сільського господарства. Зб. наук. праць. - 2001. - Вип. 85. - С. 219-221.

3 Гапонов К.П. Процессы и аппараты микробиологических производств. - М.: Легкая промышленность, 1981. - 240 с.

4 Старчевский И.П. Биологические земледелие в Украине на пороге ХХІ столетия // Сборник научных трудов международного симпозиума ВПС МОББ. - Одесса. - 1999. - С. 12-18.

5 Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1990. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru