Стерилизация питательных сред

Герметизация и стерилизация оборудования

Асептические условия производства требуют стерилизации перед началом процесса всей аппаратуры (изнутри) и всех материальных потоков. Этого, однако, недостаточно. Стерильность должна быть сохранена в течение всего рабочего цикла. Иными словами, технологический процесс должен быть защищен от контаминации за счет обеспечения герметичности всех соединений в аппаратуре.

В монтажной схеме любого ферментера имеется несколько десятков разного рода герметизирующих элементов. Наиболее распространенные из них – фланцевые соединения и запорная арматура уязвимы в отношении герметичности при монтаже с обвязкой ферментера.

В системах, работающих в асептических условиях, должна быть обеспечена возможность стерилизации всех точек внутренних объектов аппаратов и коммуникаций. Для этого перед загрузкой ферментеров через них пропускают насыщенный водяной пар под давлением. Однако здесь существуют свои сложности. Это касается, например, открытых трубных окончаний – участков труб, одним концом соединенных полостью ферментера, а другим соприкасающихся с атмосферой. К ним относятся узел отвода отработанного, т.е. прошедшего через ферментер, воздуха и узлы отбора проб.

Повышенное давление в открытом трубном окончании создать невозможно, следовательно, и температура там будет не выше 100ºС. Из-за этого приходится увеличивать продолжительность обработки. Обычно в трубе делают вырезку, и во время работы пар непрерывно подается в открытое трубное окончание. В случае так называемых «тупиковых полостей» трудно обеспечить вытеснение воздуха и циркуляцию пара. Обычно в трубопровод врезают два вентиля, между которыми – подвод пара и отвод образующегося конденсата.

Промышленные ферментеры большого объема стерилизуют в течение часа при 125-130 ºС.

Используемые в промышленности среды (как правило, жидкие комплексные, реже синтетические) стерилизуются тепловым методом (насыщенным паром).

Устойчивость микроорганизмов к тепловому воздействию определяется многими факторами, в частности видовой принадлежностью микроорганизма. Учитывается, что споры гораздо устойчивее к нагреванию, чем негативные клетки. На эффективность тепловой стерилизации влияет количество клеток в среде: чем их меньше, тем легче достигается стерилизующий эффект. Из этого следует, что перед стерилизацией необходимо понижать количество микробных клеток в среде.

Определяющее значение при тепловой стерилизации имеют температура и время ее поддержания. Чем выше температура, тем быстрее достигается стерилизующий эффект. Для оценки эффективности процесса стерилизации используют физические (по температуре и давлению пара), химические (по температуре плавления или изменению цвета), микробиологические (с высевом на стандартные среды), биоиндикаторные (с использованием Bacillus stearothermophilus) методы.

При тепловой стерилизации помимо гибели контаминирующих микроорганизмов могут разрушаться термолабильные вещества среды: витамины ферменты, некоторые аминокислоты. С этим явлением, ухудшающим качество питательных сред, борются, повышая температуру и уменьшая время стерилизации.

Тепловая стерилизация жидкостей выполняется двумя способами: периодическим и непрерывным. При периодическом способе стерилизация происходит в самом ферментере. Одновременно нагревается весь объем жидкости (среды) до температуры стерилизации, которая выдерживается определенное время, после чего понижается до заданной. Этот способ прост и применяется в случае небольших аппаратов. Его недостатки: значительный градиент температуры по объему и «недостерилизация» в тупиках. При непрерывном способе (более прогрессивном и производительном) стерилизация осуществляется в специальных установках.

В результате температуру можно увеличить до 130-150 ºС; при этом время стерилизации уменьшается до 3-10 мин, что положительно сказывается на качестве среды.

Недостатком в данном случае является увеличение протяженности трубопроводов, что повышает вероятность вторичной контаминации.

Для стерилизации биореакторов применяют пар под давлением. Внутри биореактора не дожно быть «мертвых зон», недоступных для пара во время стерилизации. Стерилизации подлежат все клапаны, датчики, входные и выходные отверстия.

Стерильность обеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего в асептических условиях. Стерильнаяя передача жидкости осуществляется через штуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключает контаминацию культуральной жидкости посторонней микрофлорой и возможности поподания продуктов биосинтеза в окружающую среду. Основные агенты, контаминирующие клеточные культуры – бактерии, дрожжи, грибы, простейшие, микоплазмы, вирусы. Источники контаминации – воздух, пыль, питательные среды, рабочие растворы, оборудование, рабочий персонал.

Очистка воздуха от микроорганизмов и аэрозольных частиц осуществляется через фильтры предварительной очистки (комбинированные глубинные фильтры – бумага, картон, тканевые материалы), которые устанавливают на всасывающей линии перед компрессором (воздух очищается от частиц размером более 5мкм) и фильтры тонкой очистки (ткань ФП, удаляющая частицы размером до 0,3 мкм, металлокерамические и мембранные фильтры).

Металлокерамические фильтры изготовлены из калиброванных металлических порошков (бронзы, никеля, нержавеющей стали, титана) способами спекания, прессования, прокаты; размер опр варьирует от 2 до 100 мкм. Металлокерамические филтры стерилизуют при температуре 150 С 50 мин. Они стойки к действию сильных кислот, щелочей, окислителей, спиртов, могут использоваться при температуре от -250 С до +200 С.

Преимущество металлокерамических фильтрующих элементов – простота регенерации, большой срок работы (5-10 лет). В отличие от волокнистных, нетканных и фторопластовых фильторов, зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокой мехонической почностью, просты в изготовлении.

Мембранные фильтры патронного и кассетного типа несмотря на менее значительный срок службы (1 год) обладают высокой эффективностью, быстрой съемностью, надежны в работе. Отмечена способность рядом фильтрующих материалов, заряженных отрицательно, задерживать живые клетки, бактерии, вирусы, эритроциты, лимфоциты и тромбоциты. Частицы, размер которых меньше величины пор фильтрущего материала, остаются на фильтре, если дзета-потенциал (электрический потенциал) частиц и стенок пор фильтра имеет противоположные заряды. Это явление наблюдается при использовании в качестве фильтрующих элементов мембран с соответствующими электростатическими свойствами. Выбор фильтрующего материала зависит от объекта фильтрации и дзета-потенциала суспендированных частиц.

Отработанный воздух, отводимый из лабораторных и производственых помещений, контролируется на чистоту (отсутствие микроорганизмов).

Для обслуживания установок глубинного культиривирования применяют автоматизированную модульную систему, включающую:

- очистка и стерилизация воздуха и пара с использованием металлокерамических и титановых фильтрующих элементов;

- модули технологической обвязки, содержащие автономную систему термостатирования, запорную и регулирующую арматуру, индивидуальные входные фильтры, электропневмообразователи и другие регулирующие устройства;

- блок автоматического контроля и управления, содержащий программное устройство, преобразователи сигналов от измерительных электродов, газоанализаторы для измерения О, СО, еН, температуры рСО, рО;

- системы цифровой и диаграммной индикации текущих параметров культивирования.

Установка глубинного культивирования снабжены блоками дистанционного измерения давления в биореакторе и его рубашке, блоками дистанционного контроля интенсивности аэрации воздухом или газовой смесью (кислорода и азота, кислорода и углекислого газа, воздуха и углекислово газа, азота и углекислого газа).

Блок автоматического управления позволяет контролировать и поддерживать на заданном уровне программную стерилизацию биореактора и арматуры, скорость вращения мешалкии дистанционный контроль открытия или закрытия вентилей и регулирующих клапонов.

Ряд стран специализируется на выпуске широкого ассортимента оборудования для культивирования различногоназначения (фирма NBS – США; Полиферм, биотек – Швеция; Марубиши – Япония; LH – Ферментейшн – Великобритания; Браун – Германия; БИОР-0,1, БИОР-0,2 – Россия, институт биологического приобритения с опытом заводов АН РФ).

ІV. Иллюстративный материал: прилагается

V. Литература:

основная:

1. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Изд. центр «Академия», - 2008. – 208 с.

2. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций. – Минск.: БГУ, 2002. - 105 с.

3. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: Учебное пособие. – М.: Изд. Центр «Академия». – 2006. – 256 с.

4. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. – Учебное пособие. – Под ред. акад. РАМН В.А. Быкова, проф. А.В Катлинского. – М.: ГЭОТАР-Медиа 2009. – 384 с.

5. Елинов Н.П. Химическая микробиология. - Учебник. - М.: Высшая школа. - 1989, 448 с

6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. - Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ. - 1989, 294 с.

7. Биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. - М.: Мир. - 1988, 480 с.

8. Чуешов В.И., Зайцев А.И., Шебанова С.Г. Промышленная технология лекарств. Том 2. Харьков, 2002.

9. Биотехнология микробного синтеза (Под ред. Бекера М.Е.) – Рига – 1980.

10. Биотехнология. (Отв. редактор А.А. Баев). - М.: Наука. - 1984, 310 с.

11. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов. М., - 1979 г.

12. Промышленная микробиология (Под ред. Егорова Н.С.) – М., 1989 г.

13. Процессы и аппараты химической технологии (Под ред. П.Г. Романкова). – Л. – 1981.

дополнительная:

1. Березов Т.Т., Коровкина Б.Ф. – Биологическая химия (Под ред. И.М. Ивановой) – М., Медицина – 1981 г.

2. Никитин Г.А. – Биохимические основы микробиологических производств – Киев, 1981.

3. Бриттон Г. – Биохимия природных пигментов. М., Мир – 1986 г.

4. Попова Т.В. – Развитие биотехнологии в СССР – М., Наука - 1988 г.

5. Популяционные аспекты биотехнологии – Печуркин Н.С., Брильков А.В., Маркенкова Т.В. – Новосибирск: - Наука – 1990 г.

6. Специальные журналы: «Биотехнология», «Фармация Казахстана», «Фармацевтический бюллетень» и др.

VІ. Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Назовите основные требования любой ферментации в биотехнологическом производстве?

2. Как обеспечивается герметизация и стерилизация оборудования?

3. Как обеспечивается стерилизация биореакторов?

4. Как происходит метод стерилизации питательных сред?

Дата добавления: 2014-01-07