Курс «Биоинженерия» является дополнением ... «Процессы и аппараты химической технологии» ... ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Восточно-Сибирский государственный технологический
университет
Биоинженерия
методическая разработка для студентов специальности
070100 «Биотехнология»
Курс «Биоинженерия» является дополнением к курсу
«Процессы и аппараты химической технологии» и предназначен студентам специальности 070100 «Биотехнология».
В нем рассматриваются специфические для биотехнологической промышленности процессы и аппараты, такие как
стерилизация питательных сред, стерилизация воздуха на
технологические нужды, ферментация, процессы выделения
клеточной массы и разрушения клеток. В методической
разработке дан теоретический материал по вышеуказанным
разделам, лабораторный практикум и вопросы для самостоятельной подготовки.
Стерилизация, питательные среды, воздух, ферментер, механическое перемешивание, фильтрация, центрифугирование, механическое разрушение.
Составитель: Балдаев Н.С.
Подписано в печать 16.05.2005г. Формат 60 84 1/6.
Усл. п. л. 3.96, уч.-изд. л. 3.7.
Тираж 40 экз. Заказ № 109
Отпечатано в типографии ВСГТУ
Издательство ВСГТУ. Г. Улан-Удэ, ул.Ключеская, 40в
Улан-Удэ, 2005
1. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
Целью стерилизации является уничтожение всей микрофлоры, которая находится в питательной среде. Особенно
это касается сред, состоящих из отходов, которые могут содержать гнилостные и патогенные микроорганизмы.
Достичь полной стерильности практически очень трудно, так как некоторые микроорганизмы, особенно спорообразующие, выдерживают воздействие высоких температур в
течение длительного времени.
Большое значение имеют свойства стерилизуемых объектов. Некоторые вещества могут усиливать стерилизующий эффект, например, кислоты, а некоторые, наоборот,
оказывают протекторное воздействие, т.е. увеличивают
стойкость микроорганизмов к температуре и давлению, например, жиры и крахмал.
Таким образом, эффективность стерилизации зависит от
очень многих факторов: температуры, длительности процесса, состава стерилизуемой среды, конструкции аппарата,
степени обсемененности стерилизуемой среды, требований
стерильности на последующих стадиях.
Скорость гибели клеток можно выразить следующим
образом:
dN
= −kN ,
(1.1)
dτ
где N – количество микроорганизмов в момент времени τ;
k – удельная скорость гибели микроорганизмов.
Знак « - « означает, что в процессе стерилизации происходит уменьшение количества живых микроорганизмов.
Приведя выражение (1.1) в удобный для интегрирования вид, получаем:
dN
(1.2)
= − kdτ .
N
Интегрируем выражение (1.2), учитывая, что при τ=0,
N=N0 (N0 – количество микроорганизмов перед стерилизацией).
N
= − kτ
ln
(1.3)
N0
N
или ln 0 = kτ .
(1.4)
N
Левую часть уравнения (1.4) называют критерием стерилизации и обозначают символом ∇ (набла)[3].
При постоянной температуре критерий стерилизации
равен:
∇ =kτ .
(1.5)
Чтобы рассчитать эффективность принятого режима
стерилизации, пользуются табличными значениями k, данными в таблице 1.1.
Для расчета и обоснования режима стерилизации при
неизотермических условиях реального производства используют приближенный метод Т.Ричардса. Метод предполагает учитывать критерии стерилизации при нагревании
стерилизуемого объекта (∇н), выдерживании его при температуре стерилизации (∇в) и охлаждения (∇ох).
Если скорость нагревания и охлаждения отличается от
принятой при составлении таблицы (1оС за 1 мин), то для
расчета действительного критерия стерилизации используют соотношение 1.6[3]:
∇ = ∇т ⋅
τ
,
(1.6)
tст − 100
где ∇ т - табличное значение;
τ - длительность изменения температуры от 100оС
до tст;
tст - температура стерилизации.
Таблица 1.1.
to C
k,мин-1
∇ нти∇ охт
to C
k,мин-1
∇ нти∇ охт
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
0.013
0.017
0.023
0.030
0.036
0.038
0.062
0.083
0.109
0.135
0.163
0.193
0.234
0.302
0.412
0.540
0.653
0.810
1.002
1.210
1.480
1.830
0.013
0.030
0.053
0.083
0.119
0.167
0.229
0.312
0.421
0.556
0.719
0.912
1.146
1.448
1.860
2.400
3.053
3.863
4.865
6.075
7.550
9.385
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
2.440
3.075
3.765
4.57
5.9
7.4
9.3
11.7
14.8
16.6
18.6
23.4
29.5
37.2
46.8
59.0
74.2
93.5
104.8
118.0
148.0
11.825
14.900
18.665
23.235
29.13
36ю53
45.88
57.58
72.38
88.98
107.58
130.98
160.48
197.68
244.48
298.48
377.68
471.18
474.98
693.98
841.98
Эффект стерилизации определяется как сумма критериев стерилизации
∇ = ∇ нт + ∇ в + ∇ охт .
(1.7)
Пример: Масса стерилизуемой среды 1 т. Нагревание
ведется от 100оС до температуры стерилизации tст 125оС в
течение 25 минут (τн) со скоростью 1оС в минуту. Выдерживание при 125оС составляет 10 минут (τв). Охлаждение от
125оС до 100оС происходит в течение 25 минут (τох). Концентрация спорового материала в среде 105 ед/г (С).
По таблице 2.1 ∇ нт от 100о до 125оС равен 23,235.
∇ в = kτ в = 4,57 ⋅ 10 = 45,7 . При охлаждении от 125о до
100оС ∇ охт = 23,235. По уравнению (2.7) находим критерий
стерилизации
∇ = 23,235+45,7+23,235=92,17
Проверяем полученный эффект:
1
1011
N = N 0 ⋅ e−∇ = M ⋅ C ⋅ e−∇ = 1 ⋅ 106 ⋅ 105 ⋅ 92 .17 = 30 = 10−19
10
e
-19
10 <1, следовательно, выбранный режим обеспечивает
полную стерилизацию среды.
В промышленности используют режимы, где
∇ = 80 ÷ 100 и выше.
В связи с большой сложностью процесса стерилизации
и неоднородностью стерилизуемых сред, полученные расчетным путем режимы стерилизации необходимо в каждом
случае проверять экспериментально[3].
Наиболее распространенным способом стерилизации
питательных сред является способ обработки насыщенным
паром под давлением. В таблице 1.2 показана температура
насыщенного пара при различном давлении[4].
Помимо тепловой обработки питательных сред паром
или горячим воздухом, существуют другие способы обеспложивания: обработка ультразвуком, ультрафиолетовым
излучением, химическими веществами и т.п.
Лабораторная работа.
Материалы и оборудование: дрожжевая суспензия, камера Горяева, микроскоп, краситель, автоклав, чашки Петри
со средой Сабуро.
Ход работы:
1. В дрожжевой суспензии проводится подсчет клеток.
Таблица 1.2
Давление
ати (избыточатм
ное)
0.0
1.0
0.5
1.5
1.0
2.0
1.5
2.5
2.0
3.0
МПа
0.101
0.152
0.203
0.251
0.300
Температура, оС
100
111
121
128
134
2. В коническую колбу на 250 см3 наливается 50 см3
дрожжевой суспензии.
3. Делается расчет продолжительности стерилизации в
автоклаве при 0,5 ати с допущением того, что нагревание до температуры стерилизации и охлаждение до
100оС происходит со скоростью 1оС в 1 минуту.
4. Колбы с дрожжевой суспензией выдерживаются в
автоклаве при достижении в нем давления пара 0,5
ати в течение расчетного времени.
5. После автоклавирования, суспензия проверяется на
наличие живых клеток методом окрашивания метиленовой синью (препарат «раздавленная капля), а
также производится посев суспензии на среду Сабуро.
6. По отсутствию живых клеток судят о правильности
расчета времени выдержки суспензии в заданных условиях.
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. В чем заключается цель стерилизации питательных
сред?
2. Какие вещества усиливают эффект стерилизации и
почему?
3. Какие вещества снижают эффект стерилизации и почему?
4. От каких факторов зависит эффект стерилизации?
5. Что называется критерием стерилизации?
6. Чему равен критерий стерилизации при постоянной
температуре?
7. В чем заключается сущность приближенного метода
расчета режима стерилизации?
8. Какое поправочное уравнение используется при расчете режима стерилизации, если скорость нагревания
и охлаждения отличны от 1оС в 1 мин.?
9. Как определяется эффект стерилизации?
10. Какие значения критерия стерилизации используют в
промышленности?
11. Почему расчетные режимы стерилизации необходимо проверять экспериментально?
12. Какими методами можно обнаружить наличие живых клеток в питательной среде?
13. Какие методы стерилизации питательных сред существуют?
14. Каковы особенности стерилизации твердых сыпучих
и жидких питательных сред?
15. Какой метод стерилизации наиболее эффективен и
почему?
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ
ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКИ.
И
РАЗМЕРОВ
При выделении ряда целевых продуктов (ферменты, антибиотики и т.п.) необходимо отделить клеточную биомассу от культуральной жидкости. Для этих целей в основном
используют механические способы, такие, как центрифугирование и фильтрация.
Рассмотрим процесс центрифугирования или процесс
несвободного осаждения в центробежном поле. В соответствии с законом Ньютона сопротивление R для одиночной
частицы, помещенной в поток жидкости неограниченного
размера, определяется по уравнению
1
R = g cCD ρ mU 02 A ,
(2.1)
2
где CD – коэффициент трения;
ρm– плотность жидкости, кг/м3;
U0 – относительная скорость между жидкостью и
одиночной частицей, м/сек;
А – площадь сечения частицы, перпендикулярного направлению движения жидкости, м2;
gc – коэффициент пересчета.
Соотношение между коэффициентом трения CD и чисDU ρ
лом Рейнольдса NRe= p 0 m для сферических частиц при
µ
значениях NRe<0,3
CD=24/ NRe
(2.2)
Уравнение (2.2) было теоретически получено из уравнения
Rgc=3πµDpU0
(2.2)/
Уравнения (2.2) и (2.2)/ представляют собой выражение
закона Стокса, µ и Dp — вязкость жидкости и диаметр частицы соответственно.
Закон Стокса, как правило, применим для микробной
суспензии, которая разведена так, что можно пренебречь
влиянием соседних частиц на движение одиночной частицы. Примем для простоты, что в первом приближении микробные частицы имеют сферическую форму.
В случае равновесного состояния силы сопротивления,
воздействующие на микробы, равны движущей силе. В этом
случае скорость оседания U0 равна конечной скорости одиночной частицы, что будет использовано в последующих
выкладках.
Таким образом, из уравнения (2.2) следует, что в гравитационном поле
3πµDpU0=
U0 =
π
D 3p (ρ y − ρ m )g ;
6
D p2 (ρ y − ρ m )g
,
(2.3)
18µ
где ρy – плотность микробных клеток, кг/м3;
g – ускорение силы тяжести, м/сек2.
В центробежном поле
ZD p2 (ρ y − ρ m )g
U с0 =
ZU 0 ,
(2.4)
18µ
где Uc0 – скорость оседания одиночных частиц в центробежном поле, м/сек;
2
);
Z – центробежная сила ( rω
g
r – расстояние по радиусу от центра вращения, м;
ω – угловая скорость вращения, рад/сек.
Так как при этом происходит возрастание концентрации
клеток, нельзя не учитывать влияния соседних частиц на
движение одиночной частицы. Величина U0 в этих случаях
убывает до U и осаждение роя таких частиц называют «несвободным» осаждением. Разделение суспензии микробных
клеток как в гравитационном, так и центробежном полях
относится к этой общей категории несвободного осаждения.
Можно показать, что сопротивление R', воздействующее
на сферическую частицу, которая движется со скоростью U,
при несвободном осаждении
R'=3πµDpU(1+
β0 Dp
L
),
(2.5)
где L - расстояние между соседними частицами;
β0 — коэффициент.
Величина β , определенная Смолуховским для прямоугольного распределения частиц, равна 1,16.
Из уравнения (2.5) следует, что в сильно разбавленной
суспензии, где отношение Dp/L становится приблизительно
равным нулю, величина R' приближается к величине R, выраженной уравнением (2.2)'.
Если произвести соответствующую замену величины Dр
в случае нешарообразных частиц, то для частиц различной
формы при кубическом распределении справедливо уравнение
Dp/L=βc1/3,
(2.6)
где β— геометрический фактор;
с — объем частиц.
Хотя уравнение (2.5) строго применимо только для разбавленных суспензий, можно предположить, что величина
βо является функцией с, как показано в уравнении
βо= βо’ + f(c),
(2.7)
где βо= βо’, когда с приближается к нулю.
Из уравнений (2.5), (2.6) и (2.7)
R'=3πµDpU[1+{βо’+f(c)}βc1/3]=3πµDpU(1+αc1/3 ),
где
α=β[βо’+ f(c)].
Так как в случае осаждения R=R', то
(2.8)
U
1
=
.
U 0 1 + αc 1 / 3
(2.9)
Чтобы установить функциональную зависимость величины
α от значения с, были использованы экспериментальные
данные многих исследователей с целью сравнения величин
U/U0 и с.
Величины U и Uc были определены из следующего соотношения:
U=
u
u
или Uc = c
1− c
1− c
(2.10)
где и - скорость оседания поверхности раздела при несвободном осаждении в гравитационном поле или удельная
скорость потока, отнесенная к площади поперечного сечения сосуда;
uc - скорость оседания поверхности раздела при не
свободном осаждении в центробежном поле.
Эмпирические уравнения, связывающие α и с для частица
неправильной формы
(2.11)
α = 1 +305с2,84,
где 0,15<с<0,5;
для сферических частиц
(2.12)
α = 1 + 229с3,43,
где 0,2<с<0,5;
для разбавленных суспензий
α = 1 ~ 2,
(2.13)
где с<0,15.
Уравнения (2.11)—(2.13) справедливы для определения
значений величины U как в гравитационном, так и в центробежном полях[1].
Рассмотрим процесс фильтрации. Фильтр представляет
собой кусок ткани из синтетических или других материалов.
Эффективные размеры пор фильтра не обязательно должны
быть меньше размеров задерживаемых клеток вследствие
так называемого «эффекта перекрывания», наблюдающегося в процессе образования фильтрующего слоя. Прохождение жидкости через этот новый фильтрующий слой позволяет получить чистый фильтрат. Сейчас широко распространен вариант фильтра, в котором слой собственно
фильтрующего материала, например инфузорная земля, наносится на поверхность фильтра.
Величина давления, определяющего процесс фильтрации,
∆р=р2 – р1. В процессе фильтрации в результате увеличения
фильтрующего слоя будет возрастать сопротивление фильтрованию. Следовательно, если при фильтровании величина
∆р остается постоянной, то скорость фильтрации, выраженная в единицах объема фильтрата, полученного за единицу
времени с единицы поверхности фильтра, будет уменьшаться. Этот способ «фильтрации под постоянным давлением»
обычно применяется в промышленной ферментации.
В некоторых бродильных процессах, например, при изготовлении японского алкогольного напитка сакэ или соевых соусов, фильтрующий слой после обычной фильтрации подвергается дополнительному уплотнению под гидравлическим прессом. Эта процедура обычна для промышленной ферментации.
Рассмотрим скорость фильтрации, отнесенную к единице поверхности фильтра, выраженную уравнением (2.14)
(обозначим общую площадь через А, м2). Принимая, что поток жидкости через капиллярную сеть пор фильтрующего
слоя фильтра определяется величиной ее вязкости, выразим
уравнение скорости в следующем виде:
∆pg c
dv
=
,
(2.14)
dθ (rm + rc )µ
где V - объем фильтрата, полученный с единицы поверхности фильтра, м3/м2;
θ - продолжительность фильтрации, сек;
∆p - движущая сила, перепад давления на фильтре и
фильтрующем слое, Па;
gc - коэффициент пересчета;
rт - коэффициент сопротивления среды, 1/м;
rс - коэффициент сопротивления фильтрующего слоя, 1/м;
µ - вязкость фильтрата, кг/(м·сек).
Величина rт является характеристикой фильтра и не зависит от времени фильтрации; величина rс будет возрастать в
процессе фильтрации и через некоторое время значительно
превысит величину rт.
Обозначив поверхность фильтра через A, а общее количество твердой фазы в исходной суспензии через W, получим уравнение
rс=αR W/A ,
(2.15)
где αR - коэффициент пропорциональности (удельное сопротивление слоя), м/кг.
Величина αR может зависеть или нет от давления, приложенного к фильтрующему слою («сжимаемый» и «несжимаемый» фильтрующие слои). Фильтрующие слои,
применяемые в промышленной ферментации, состоят преимущественно из клеток и других органических веществ и
относятся, как правило, к категории сжимаемых фильтрующих слоев.
В связи с этим удобно установить количественные соотношения между исходной суспензией, фильтратом и фильтрующим слоем в пересчете на единицу массы (в кг) исходной суспензии. Обозначим:
ω - масса сухого слоя, кг/кг;
mω - масса сырого слоя, кг/кг;
(1 – mω) - масса фильтрата, кг/кг.
Тогда масса жидкости, содержащейся в сыром фильтрующем слое, будет равна
(т - 1)ω, кг/кг.
Так как плотность жидкости, содержащейся в сыром фильтрующем слое, равна плотности фильтрата, то объем сырого
слоя складывается из объема сухого слоя и объема жидкости, содержащейся в сыром слое,
mω ω (m − 1)ω
,
=
+
ρy
m
ρy
ρd
=
1
ρd
ρm
+
(m − 1) ,
ρm
(2.16)
где ρy - плотность сырого слоя, кг/м3;
ρd - плотность сухого слоя, кг/м3;
ρm - плотность фильтрата, кг/м3.
Величина т приобретает постоянное значение только в
конце процесса нормальной фильтрации; действительно, т
существенно зависит от условий процесса и от физических
свойств твердой фазы (клеток), суспендированной в исходной жидкости. При дополнительном уплотнении фильтрующего слоя, что часто имеет место в промышленных
ферментациях, величина т уменьшается в процессе фильтрации[1].
Лабораторная работа.
Материалы и оборудование: дрожжевая суспензия,
центрифужные пробирки (мерные), пикнометр, камера Горяева, микроскоп.
Ход работы. Плотность клеток ρу может быть определена, если известны величины ρc, ρm и с, из уравнения
ρy =
ρ c − (1 − c )ρ m
c
,
(2.17)
где ρу – плотность клеток, г/см3;
ρc – плотность суспензии, г/см3;
ρm – плотность среды, г/см3;
с – объем клеточной фракции в суспензии.
1. Величины ρс и ρm определяют пикнометрическим методом.
2. Для определения c, дрожжевую суспензию помещают в
мерную пробирку объемом 10 см3 и центрифугируют
при 700 об/мин в течение 10 мин. Отношение объема
осадка Vo к объему суспензии VC дает величину c.
3. Для определения диаметра дрожжевой клетки Dp подсчитывают количество клеток n в 10 см3 суспензии и
рассчитывают по формуле
6 ⋅ Vo
Dp = 3
(2.18)
π ⋅n
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. При получении каких продуктов необходимо отделять клеточную массу от культуральной жидкости?
2. Какие способы используют для отделения клеточной
массы от культуральной жидкости?
3. На каких физических законах основан процесс центрифугирования?
4. В чем заключается сущность закона Стокса?
5. Чему равна скорость оседания одиночной частицы в
гравитационном поле?
6. Чему равна скорость оседания одиночной частицы в
центробежном поле?
7. Дайте понятие «несвободного» осаждения частиц.
8. Каковы особенности процесса фильтрации под постоянным давлением?
9. Каким уравнением описывается скорость фильтрации?
10. От каких факторов зависит скорость фильтрации?
3. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ВОЗДУХА
Специфической проблемой биохимической технологии
является проблема производства большого количества стерильного воздуха для процессов аэробной ферментации.
Применение в лаборатории ватных пробок для закрывания
пробирок или колб является удовлетворительным решением
вопроса; в полупромышленных ферментерах с этой целью
применяются фильтры из волокнистых материалов. Однако
применение таких фильтров в промышленных условиях
связано с рядом трудностей.
Прежде всего следует отметить, что фильтры из волокнистых или зернистых материалов не способны обеспечить
100%-ную задержку микроорганизмов, содержащихся в
воздухе.
Назначение воздушного фильтра состоит в том, чтобы
увеличить интервал времени между проскоками отдельных
микроорганизмов. Величина допустимого интервала определяется типом ферментационного процесса и должна быть
достаточной, чтобы обеспечить стерильные условия, по
крайней мере, в первый критический период роста культуры.
За последние годы были разработаны многие теоретические и практические аспекты фильтрации воздуха. Была
предложена довольно хорошая схема фильтров для стерилизации воздуха, способная обеспечить заданную степень
задержки микроорганизмов. Несмотря на то, что стеклянные фильтры оказались более эффективными, чем фильтры
с ватными волокнами или активным углем, последние еще
применяются в некоторых ферментерах[1].
3. 1. ВИДЫ И КОЛИЧЕСТВО МИКРОБОВ В ВОЗДУХЕ
В табл. 3.1 приведены виды бактерий и бактериальных
спор, которые обычно обнаруживаются в воздухе, кроме
Таблица 3.1
ВИДЫ
Размеры, мкм
ШИРИНА
ДЛИНА
1,0—1,5
1,0—2,5
BACILLUS CEREUS
1,3—2,0
8,1—25,8
BACILLUS LICHENIFORMIS
0,5—0,7
1,8—3,3
BACILLUS MEGATERIUM
0,9—2,1
2,0—10,0
BACILLUS MYCOIDES
0,6—1,6
1,6—13,6
BACILLUS SUBTILIS
0,5—1,1
1,6—4,8
MICROCOCCUS AUREUS
0,5—1,0
0,5—1,0
PROTEUS VULGARIS
0,5—1,0
1,0—3,0
AEROBACTER
AEROGENES
СПОРЫ
BACILLUS MEGATERIUM
0,6—1,2
0,9—1,7
BACILLUS MYCOIDES
0,8—1,2
0,8—1,8
BACILLUS SUBTILIS
0,5—1.0
0,9—1,8
того, встречаются дрожжи, грибы и вирусы[1]. Размеры
этих организмов варьируют от нескольких микрометров до
нескольких сотен микрометров. Однако маленькие организмы часто адсорбируются на пылинках и могут быть легко удалены из воздуха перед началом стерилизации вместе
с большими пылинками. Взвешенные в воздухе частицы,
которые должны быть разрушены или задержаны во время
стерилизации, имеют размер, сравнимый с размером
.маленьких бактерий, т. е. от 0,5 до 1,0 мкм.
Тщательное изучение частиц пыли как внутри помещения, так и снаружи, показало, что средний размер пылинок
приблизительно равен 0,6 мкм.
Количество микробов в воздухе было определено в 471
пробе воздуха, взятой в течение одного года на санитарнотехнической станции в Токио и возле нее. В каждом опыте
5л воздуха пропускали через стерильный раствор солей, который энергично взбалтывался. Раствор разливали в несколько чашек Петри, содержащих питательный агар. После
инкубации при 30° С в течение 2-3 дней производили подсчет количества микроорганизмов в 1м3 воздуха. Эти данные, полученные для того, чтобы показать плотность распределения организмов в 1 м3 воздуха, нанесены по оси
абсцисс на рис. 3.1.
Допустим, что N - общее количество микроорганизмов,
находящихся в большом объеме воздуха. Тогда вероятность
W(n) того, что произвольно выбранная единица объема (м3)
воздуха будет содержать п микробов, выражается так:
Wn=NCnpn(1 – p)N-n,
(3.1)
где р — вероятность, с которой каждый микроб из общего числа N будет встречаться в произвольно выбранном
единичном объеме. Подставив Nр=ν (ожидаемое значение)
и предположив N>>1, р<<1 уравнение (3.1) представим следующим образом:
ν n e −ν
.
(3.2)
W (n ) =
n!
Кривая на рис. 3.1 построена по уравнению (3.2) при
значении ν=12·103 частиц/м3.
Хотя данные, представленные на рис. 3.1, характеризуются значительным разбросом, тем не менее распределение
микробов подчиняется закону Пуассона [уравнение (3.2)].
г/см3, даже при содержании примесей от 0,4 до 1,4 мг/м3 n
будет иметь значение от 109 до 1010 частиц/м3.
Из этого расчета видно, что воздух, отвечающий требованиям стерильности в микробиологической промышленности, является чистым по сравнению с воздухом, с которым
имеют дело в других отраслях промышленности. Таким образом, в ферментационных процессах, где необходим очень
высокий уровень стерильности воздуха, возникают особые
проблемы, связанные с конструкцией оборудования для
стерилизации воздуха и его работой[1].
Рис. 3.1. Плотность распределения микроорганизмов в воздухе
Токио.
Другими словами, микробы в воздухе распределены довольно неравномерно. Интересно отметить, значение ν(=n)
для воздуха в Лондоне оказалось равным (3-9)103 частиц/м3
С другой стороны, предлагается принимать n=2·103 частиц/м3, если точное значение неизвестно. Во всяком случае
можно считать, что количество микробов в воздухе находится в пределах от 103 до 104 частиц /м3.
−
Значение n =103-104 частиц/м3 указывает на то, что микробное загрязнение воздуха весьма невысоко по сравнению
с цифрами обычной запыленности воздуха, встречающейся
в промышленности .Например, количество пыли в газах,
выходящих из атомного реактора, меняется от 0,4 до 1,4
мг/м3. С технической точки зрения микробное загрязнение
считается очень небольшим, поскольку для легкого загрязнения концентрация пыли составляет от 3,5 до 35 мг/м3. Если предположить, что радиоактивные частицы являются
сферическими диаметром 0,2-0,7 мкм и плотностью 1,0
3.2. СПОСОБЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОЗДУХА
3.2.1. Нагревание
Хотя бактериальные споры очень устойчивы к нагреванию
сухим воздухом, они могут быть разрушены, если температура достаточно высока. Например, Деккер и др. нашли, что
бактериальные споры, находящиеся в воздухе, можно убить
при 218° С в течение 24 сек.
На рис. 3.2 изображена простая установка для стерилизации
воздуха. В этой системе повышение температуры воздуха
при его сжатии обеспечивает уничтожение микробов. В одностадийном адиабатическом компрессоре, развивающем
давление 3 кг/см2, температура воздуха на выходе повышается до 150-220° С, тогда как температура воздуха на входе
составляет 20-70° С соответственно. С помощью такой установки проводились удачные ферментации для производства ацетона и бутанола, амилазы и 2,3-буталин-гликоля,
применяя воздух, стерилизованный путем повышения температуры при сжатии (температура воздуха на входе и выходе была 21 и 187° С соответственно, давление на выходе
составляло 7 кг/см2; объем ферментера изменялся от 1 до 30
м3, скорость потока воздуха варьировалась от 0,01 до 3
м3/мин).
является самым эффективным средством стерилизации воздуха. Стерильные комнаты на биохимических заводах и
операционные в больницах обычно оборудованы лампами,
выделяющими эти лучи. Возникает вопрос, можно ли ультрафиолетовое излучение успешно применять для стерилизации воздуха для ферментации.
Теоретически ультразвуковая энергия и рентгеновские
лучи могут быть применены для стерилизации воздуха. Однако практически стоимость оборудования в этих случаях
очень высока, а его надежность для стерилизации большого
объема воздуха еще нуждается в уточнении[1].
Рис. 3.2. Стерилизация воздуха путем повышения его температуры путем компримирования
Принцип использования повышения температуры при
сжатии воздуха является надежным, особенно для производства большого количества стерильного воздуха. Однако
для того чтобы правильно применить этот способ стерилизации в практике ферментации, надо учесть ряд факторов, включая расположение воздушного компрессора относительно ферментера, длину труб, соединяющих компрессор с ферментером, и их стерильность. В связи с рядом
трудностей, которые встречаются при учете факторов, указанных выше, обычно кроме компрессора применяется
вспомогательное оборудование для фильтрации воздуха перед поступлением его в ферментер[1].
3.2.2.Ультрафиолетовые лучи и другие виды электромагнитного излучения
Экспериментально было найдено, что применение ультрафиолетовых лучей с длиной волны от 0,226 до 0,329 нм
3.2.3.Коронный разряд
Осадитель Контрелля, в котором применяется коронный
разряд для удаления взвешенных в воздухе частиц, успешно
используется, например, в производстве цемента и серной
кислоты. Его можно применять также для стерилизации
воздуха в ферментационных процессах, так как микроорганизмы в воздухе часто адсорбированы на частицах пыли.
Однако необходимо провести исследования, чтобы получить подробную информацию об эффективности и надежности его использования в практике ферментации[1].
3.2.4.Обработка ядовитыми веществами
Имеются опытные данные свидетельствующие о значительном уменьшении количества бактерий в воздухе при
введении небольшого количества вещества, убивающего
бактерии, например, фенола, окиси этилена или солей тяжелых металлов в воду, которой обрабатывают помещение и
которая циркулирует внутри прибора для кондиционирования воздуха. Этот метод применяется для очистки воздуха в
помещении, где должны осуществляться асептические операции, однако имеются значительные трудности при удале-
нии всего количества пара и тумана из обработанного таким
образом воздуха перед его использованием[1].
3.2.5.Механическая фильтрация
Воздушные фильтры из волокнистого материала, которые сейчас широко применяются для производства стерильного воздуха для ферментационных процессов, можно
условно назвать механическими фильтрами, однако механизм их работы не так прост, чтобы назвать их просто «механическими».
До второй мировой войны в качестве волокнистого материала для стерилизации воздуха в ферментационных процессах применялась исключительно вата. Вата постепенно
заменялась стеклянными волокнами; стеклянные волокна
дают низкое падение давления воздуха, менее огнеопасны и
менее подвержены увлажнению. В настоящее время в Японии почти на всех ферментных заводах применяются
фильтры, изготовленные из стеклянных волокон диаметром
19 мкм. В США применяются подобные фильтры, однако
используются стеклянные волокна диаметром около 5 мкм.
Так как во время сжатия воздуха микробы подвергаются
воздействию относительно высокой температуры, применяющаяся в настоящее время на практике стерилизация
воздуха является комбинацией тепловой стерилизации и
механической фильтрации.
Ниже будет рассмотрено несколько сообщений о фильтрации частиц из воздуха. Имеются данные о способности
ватных волокон задерживать Васillus cereus. Ряд исследователей определяли распределение спор Васillus subtilis в
фильтре, состоящем из стеклянных, волокон (3 мм) и изучили влияние скорости воздуха на задерживающую способность фильтра. Проводилось измерение распределения Serratia mercescens, меченных по Р32 внутри слоя стеклянных
волокон толщиной 50 мм. Установлено, что распределение
организмов в фильтре заметно отклоняется от логарифмического закона по мере того, как толщина слоя увеличивается. Математические анализы, проведенные рядом исследователей, позволяют определить распределение бактерий в
продольном сечении фильтров, применяемых на практике.
Кроме того, опубликован обзор теоретических основ
фильтрации взвешенных частиц. Появилось много сообщений по теории и технике удаления радиоактивных частиц,
содержащихся в газе, отработанном в атомном реакторе.
Необходимо отметить, что почти все сообщения получены при анализе работы тонкослойных волокнистых материалов. Данные, полученные на фильтрах небольших размеров, нельзя непосредственно применять для расчета промышленных фильтров, которые обычно имеют длину 1-2 м.
Кроме того, количество частиц, которое должно быть отфильтровано из воздуха перед ферментацией, незначительно по сравнению со степенью загрязнения воздуха, наблюдаемой в других отраслях промышленности[1].
3.3. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ВОЗДУХА ВОЛОКНИСТЫМИ
МАТЕРИАЛАМИ
Механизмы задерживания взвешенных частиц волокнистым
материалом можно разделить на следующие:
а) инерционное осаждение;
б) захват частиц;
в) диффузионное осаждение;
г) осаждение гравитационными силами;
д) осаждение электростатическими силами.
Что касается волокнистых фильтров, то фактор «г» может быть исключен потому, что задерживаемые частицы
имеют диаметр порядка 1 мкм (см. механизмы для «г», «д»
и т.д., которые рассматривались выше). Был измерен электростатический заряд спор Васillus subtilis и установлено,
что около 70% спор имеют положительный заряд порядка
от 1 до 60 СGSЕ, около 15% спор имеют отрицательный заряд от 5 до 14 СGSЕ, остальные споры оказались нейтральными. Было доказано экспериментально, что заряженные
организмы более эффективно задерживаются чем нейтральные. Однако имеется очень небольшое количество данных о
возможностях с помощью фактора «д» обеспечить полное
задерживание микробов волокнистыми фильтрами. Поэтому ниже рассматриваются только факторы «а», «б» и «в».
Для количественной оценки этих механизмов предполагаем, что в определенном пространстве перпендикулярно к
потоку воздуха расположено одно цилиндрическое волокно
и что поток воздуха вокруг цилиндра ламинарный без завихрений (рис. 3.3). Второе допущение заключается в том,
что весь последующий анализ проводится для двумерного
пространства.
а) Инерционное осаждение
Предполагая, что величина сопротивления движению
сферической частицы (диаметром dр и плотностью ρр), движущейся со скоростью и в потоке воздуха (скорость V и вязкость µ), определяется законом Стокса, движение частицы
может быть выражено одним из следующих уравнений:
3πµd p  → → 
π 3 du
=−
dpρp
(3.3)
u− v ,
dt
C 
6

Cρ p d p2 du
→ →
⋅
= − u − v  ,
(3.4)
18µ
dt


где С — поправочный коэффициент Каннингема для ламинарного потока.
Введя безразмерные величины вместо скорости и времени,
уравнение (3.3) можно преобразовать следующим образом:
v y ~ 2v t
2x ~ 2 y ~ vx ~
~
x=
,y =
, vx = , v y = , t = 0 ;
v0
v0
df
df
df
d 2~
x d~
x
2ψ ~ 2 + ~ − v~x = 0,
dt
dt
2~
d y d~
y
2ψ ~ 2 + ~ − v~y = 0,
dt
dt
(3.5)
где v0 - скорость воздуха в набегающем потоке;
Cρ p d p2 v0
- инерционный параметр.
ψ=
18µd f
Чтобы изобразить поток частиц (см. пунктирные линии на
рис. 3.3), нужно проинтегрировать уравнение (3.5) с учетом
соответствующих граничных условий. Из рис. 3.3 видно,
что по мере приближения частиц к цилиндрической поверхности, поток частиц отклоняется от потока воздуха
(рассчитано теоретически) вследствие инерции частиц. На
рисунке ширина набегающего потока воздуха обозначена
буквой b; частицы, которые
двигаются в потоке за пределами b, не касаются поверхности цилиндра даже после
того, как частицы отклоняются от потока воздуха
вблизи цилиндра.
Рис. 3.3. Схема потока вокруг одиночного цилиндрического волокна:
____ поток воздуха, _ _ _ _ поток
частиц, df – диаметр волокна, dp диаметр частиц, b – ширина потока
воздуха.
Теоретическое значение задерживающей способности одного волокна вследствие инерционного осаждения частиц η
можно выразить следующим уравнением:
η 0′ = b / d f .
(3.6)
По расчетам Ленгмюра, значение η0' равно 0 при ψ=1/16,
хотя другие исследователи показали теоретически, что существует другое соотношение между значениями η0' и ψ в
тех случаях, когда имеем дело с материалами нецилиндрической формы.
Обозначив критическую скорость воздуха, соответствующую условию ψ=1/16, как V0, можно записать
µd f
.
(3.7)
vc = (1 ⋅ 125)
Cρ p d p2
Подставив значения ρp=1,0 г/см3 и µ=1,8·104 г/(см·сек)
(воздух при 20° С) в уравнение (3.7), можно построить кривые, представленные на рис. 3.4, где параметром является
диаметр df волокон. Значение С определяется из эмпирического уравнения.
Рис. 3.4 может быть полезен для определения ориентировочного значения величины vс, ниже которого инерционным осаждением частиц можно пренебречь.
б) Захват частиц
Если частицы не имеют массы, они точно следуют по
направлению линий тока воздуха; бактерии, хотя и имеют
массу, но она так незначительна, что они движутся по направлению, близкому к направлению линий тока. Когда
частицы, взвешенные в потоке воздуха, задерживаются при
соприкосновении с волокнами, то (см. рис. 3.3) говорят, что
они захвачены. Поток воздуха, который находится на расстоянии dр/2 от поверхности волокна при значении θ=π/2
(см. рис. 3.3), является предельным условием для осаждения
частиц по мере того, как они проходят около цилиндрического волокна. Задерживающую способность одного волокна, обусловленную захватом, можно рассчитать с учетом
предельной
ширины
линий тока воздуха,
равной dр /2.
По Ленгмюру, значение η0" можно рассчитать из следующего
уравнения,, в котором
NR=dр/df и скорость воздуха в набегающем поv0принимается
токе
равной скорости потока
воздуха V вокруг цилиндра (уравнение 3.8)
Рис. 3.4. Вляние диаметра
волокон df и даметра частиц
dp на критическую скорость
vc инерционного осаждения
η0″ =

1
1 
2(1 + N R )ln (1 + N R ) − (1 + N R ) +
,
2(2,00 − ln N Re ) 
1 + NR 
(3.8)
где NRe=dfvρ/µ;
ρ - плотность воздуха.
в) Диффузионное осаждение
Малые частицы способны к броуновскому движению и
по мере удаления от места входа могут задерживаться на
поверхности волокон. Если ширина потока частиц равна
2х0, подставив в уравнение (3.8) 2х0 вместо dр, задерживающую способность η0’’’ вследствие диффузии можно рассчитать по уравнению










1
x
x
x
2
2
2
1
0
0
0
η0''' =
21+ ln1+  − 1+  + 2x  ;
2(2,00− ln NRe)   d f   d f   d f  1+ 0 
df 

(3.9)
предполагая
2 x 0 
2(2,00 − ln N Re )DBM
= 1,12 ⋅
df
vd f

1
 3
 ,

(3.10)
где DBM=CkT/3πµdp ;
(3.11)
k - константа Больцмана;
Т - абсолютная температура;
DBM - коэффициент диффузии.
Задерживающую способность η отдельных волокон
можно выразить следующим уравнением в предположении,
что η0 ', η0" и η0'" не зависят друг от друга
η0= η0 '+ η0"+ η0'"
(3.12)
Для упрощения уравнений (3.8) и (3.9) можно ввести следующее уравнение, справедливое в пределах изменения значений NRe от 10-4 до 10-1:
1
1
∝ N Re6 .
2,00 − ln N Re
ми величины можно пренебречь. Следовательно, уравнения
(3.8) и (3.9) можно упростить следующим образом:
1
η0" ∝ N R2 N Re6 ;
−2
−11
η0" ∝ N Sc 3 N Re 18 ,
где N Sc =
µ
ρDBM
(3.14)
(3.15)
.
Уравнения (3.14) и (3.15) подобны эмпирикотеоретическим уравнениям Фридлендера[1].
В практике стерилизации воздуха иногда считают, что
задерживающей .способностью η0' вследствие инерционного осаждения частиц можно пренебречь при расчете значений η0 по уравнению (3.12). Используя уравнения (3.14) и
(3.15), были сделаны попытки по опубликованным данным
оценить способность задерживать частицы для волокон различных материалов.
Были выбраны данные по полной задерживающей способности η [см. уравнение (3.16)], где захват и диффузия,
вероятно, доминируют [см. уравнение (3.7)]. Для значений
η по уравнению (3.17) было рассчитано ηα. Задерживающая
способность одного волокна, объемная доля которого в
фильтрующем слое равна α,
η =
N1 − N 2
,
N1
(3.16)
(3.13)
Затем раскрываем значения NR и 2x0/df в скобках уравнений (3.8) и (3.9), предполагая, что все члены значительно
меньше единицы и что вторым и более высокими порядка-
при условии N1 - количество организмов в исходном потоке воздуха;
N2 - количество организмов в потоке воздуха,
выходящем из фильтра;
ηα =
πd f (1 − α ) N1 πd f (1 − α )
1
ln
ln
=
,
4 Lα
1−η
4 Lα
N2
(3.17)
где L - толщина фильтрующего слоя.
Уравнение (3.17) указывает на то, что распределение
фракции частиц, задержанных в фильтрующем слое L, является постоянным, это так называемый логарифмический закон распределения. Все данные в этих расчетах были получены на относительно тонком фильтрующем слое (толщиной менее 4 см), и при таких условиях уравнение (3.17) является относительно точным.
Для преобразования величин ηα в η0 для известных
.значений η было использовано эмпирическое уравнение
ηα = η 0 (1 + 4,5α ) ,
Далее
были
0 <α<0,10.
вычислены
η 0 N R N Pe (= η 0 N R N Sc N Re ) и N R N Pe3 N
1
(3.18)
значения
1
18
Re
и построен график,
приведенный на рис. 3.5. Несмотря на то что данные характеризуются значительным разбросом, можно отметить, что
кривая с тангенсом угла наклона, равным 3, и значениями
абсцисс (>1) может быть проведена через точки с тем же
наклоном для более низких значений абсцисс (~10-1), за исключением серии данных, представленных Штерном и др.
Если указанное выше считать верным, тогда кривая (с тангенсом угла наклона, равным 3) соответствует случаям, где
превалирует захват, и выражается уравнением (3.14), в то
время как другая кривая соответствует случаям, когда превалирует диффузия, и тогда может быть применено уравнение (3.15).
Поскольку имеет место логарифмический закон распределения, по рис. 3.5 можно определить толщину фильтра,
Рис. 3.5. Эффективность задерживания частиц пыли волокном: η0 задерживающая способность одного волокна, NR – параметр захвата, NPe
– число Пекле, NRe – число Рейнольдса.
необходимую при различных условиях работы, т.е. при разных значениях η, df, dp, α и V0. Для известного значения η0,
вычисленного из графика, для определенных условий работы, можно определить значение L по уравнениям (3.17) и
(3.18)[1].
3.3.1.Экспериментальное определение задерживающей
способности
Рис. 3.5 построен по экспериментальным данным, полученным при использовании фильтра из тонкого слоя волокнистого материала; количество частиц в воздухе значительно превышало 104/ м3.
Ряд ученых исследовали задерживающую способность
толстослойных фильтров при содержании в воздухе не более 104 клеток/м3 Serratia marcescens. Условия проведения
этих опытов больше соответствуют промышленным, чем
условия опытов, о которых говорилось ранее.
На рис. 3.6 представлена схема аппарата. Бактериальную
суспензию распыляли, сохраняя жизнеспособность клеток.
Для того чтобы определить количество клеток, проходящих
через волокнистый фильтр, поток воздуха направляли на
поверхность питательного агара через сопло диаметром 1,8
мм со скоростью 150 м/сек при атмосферном давлении и
комнатной температуре. Расстояние между форсункой и поверхностью агара равно 2 мм. Из уравнения, предложенного
Ранзом и др., видно, что при скорости потока воздуха, направляемого на агар, 150 м/сек около 98% клеток задерживается на поверхности агара по причине инерции частиц.
Чашки Петри с питательным агаром вращали с постоянной
скоростью, и после каждого полного оборота их заменяли
новыми. Затем чашки выдерживали при температуре 30° С
в течение 24 ч и производили подсчет колоний на поверхности агара (рис. 3.7). Для определения первоначальной
концентрации бактерий
Рис. 3.6. Установка для изучения задерживающей способности воздушных фильтров: 1 – трубки для измерения перепада давления, А и В –
вентили, 2 – испытуемый фильтр, 3 – байпас для контрольных проб, 4 –
воздушная камера, 5 – автоматический регулятор давления, 6 – пылеуловитель, 7, 11 – компрессоры, 8 – стопорный винт, 9 – вращающийся
стакан, 10 – регулируемая подставка, 12 – привод, 13 – среда с агаром,
14 – стеклянная камера для обеспечения стерильности, 15 – трубка, 16 –
психрометр.
кран A открывали, а кран В закрывали (см. рис. 3.6) для того, чтобы поток воздуха с бактериями проходил через другое отверстие на поверхность питательной среды. На рис.
3.8 показан набор фильтров, в которых стеклянные волокна
размещались так, чтобы обеспечить различную толщину
фильтра до 28,5 мм. Для изменения объема фильтрующего
слоя применяли втулки из нержавеющей стали (см. рис.
3.8).
На рис. 3.9 представлена диаграмма, показывающая характер распределения различных интервалов времени между последовательным прохождением бактериальных клеток
через контрольный фильтр. Условия опыта представлены на
рисунке, где n’-количество наблюдаемых колоний; v 0' - ко-
Рис. 3.8. Набор фильтров с фильтрующей
набивкой различной толщины: 1 – трубки для
измерения перепада давления, 2 – цилиндричекские секции, 3 – решетки, 4 – втулка, 5 –
стекловолокно, 6 – царга из оргстекла, 7 –
резиновая прокладка, 8 – фланцы.
Рис. 3.7. Колонии которые развивались из клеток, не прошедших
фильтр (а) и прошедших через фильтр (б): 1 – среда с агаром, 2 – вращающийся стальной стакан.
личество клеток, осаждающихся в фильтре в 1 сек; vs — номинальная скорость воздуха, проходящего через фильтр.
Из рисунка видно, что большинство клеток проходит
через фильтр за короткий промежуток времени; такое же
явление наблюдалось при других условиях опыта. Так как
бактериальные клетки проходят через фильтр неравномерно, то среднее значение Т можно определить точно только
после прохождения значительного количества бактерий через фильтр.
Для того чтобы определить количество бактерий, необходимое для получения достоверного значения Т, пробы
(n’=248 в примере, приведенном на рис. 3.10) разделяли на
небольшие группы: n’=10, 20, 30 и т. д. Используя каждую
подгруппу или их комбинации, значение Tn ' = ∞ (среднее
Рис. 3.9. Плотность
распределения интервалов времени Т
между последовательными проскоками бактерий через
фильтр.
значение Т для любой популяции п') было определено из t-распределения с
уровнем значимости 5%.
Эти результаты представлены на рис. 3.10, откуда
видно, что область значений Tn ' = ∞ уменьшается
с увеличением п', как и
следовало ожидать. На
основании этих данных и
Рис. 3.10. Значение интервала
времени Tn ' между проскоками бактерий через фильтр, полученное для определенной
популяции (n’= ∞ )
многих других экспериментов было принято, что доверительные интервалы Tn ' = ∞ лежат в пределах ± Tn ' , когда п'
было более 50 и уровень значимости был 5%. Отклонение
v 0' и Тп'=248 от среднего арифметического (см. рис. 3.9) было также определено из t-распределения при уровне значимости 5%.
На рис. 3.11 показано влияние диаметра волокон на способность задерживать бактериальные частицы; каждая точка на
графике получена для проб n’≥ 50. На рисунке приведена зависимость значения v0' Tn ' от толщины слоя L контрольного
фильтра, которое связано с общей задерживающей способностью η следующим соотношением:
η =
v0' Tn' − 1
v0' Tn '
(3.19)
Например для значения v0' Tn ' =102 фильтр обладает задержи10 2 − 1
=0,99=99%. Из кривых
10 2
(сплошная линия) на рисунке видно, что при концентрации
бактерий в воздухе около 104 частиц/м3, значение η для постоянного значения df увеличивается по мере увеличения L,
а волокна с меньшим диаметром лучше задерживают бактериальные частицы, чем волокна с большим диаметром.
Чтобы оценить влияние различных условий, сравнивали
фильтр, в котором волокна диаметром 19 мкм укладывали в
один слой, с фильтром, где волокна укладывали отдельными слоями, обеспечивающими более равномерное прохождение потока воздуха через фильтр. Из экспериментальных
данных, представленных на рис. 3.11, видно, что различия в
значениях η для двух способов упаковки в фильтрах невелики. Это, однако, не означает, что на практике не следует
укладывать фильтр в несколько слоев, так как это способствающей способностью η =
Рис.3.11. Влияние диаметра волокна df на задерживающую способность
слоя фильтрующего материала различной длины L.
вует предотвращению деформации волокон во время стерилизации паром.
Пунктирные линии на рис. 3.11 были построены по расчетным величинам, полученным на основании измерения распределения бактерий внутри каждого фильтрующего слоя.
Опыты проводились с культурой Serratia marcescens, меченной по Р, концентрация которой в воздухе составляла около
108 частиц/м3, толщина фильтрующего слоя составляла 5
см. Из теоретических данных кривую распределения можно
экстраполировать за пределы экспериментального значения
L (5 см). Кроме того, значение v0' Tn ' можно было рассчитать
по данным продольного распределения частиц внутри
фильтра.. На рис. 3.11 представлены как экспериментальные данные, так и расчетные величины. Последние изображены пунктирной линией и получены, исходя из логарифмического закона распределения частиц в фильтре. Наблюдается заметное различие для η между кривой, рассчитанной для df=8 мкм, и экспериментальной кривой, особенно
по мере увеличения значения L.
Следует отметить, что экспериментальные кривые η
заметно отклоняются от расчетных для волокон всех размеров. Это объясняется тем, что экспериментальные кривые
были получены при содержании в воздухе 104 частиц/м3, а в
расчетах принимали содержание частиц, равным 108 частиц/м3. Несмотря на то, что задерживающая способность
фильтра не зависит от концентрации частиц в воздухе, наблюдается заметная неравномерность прохождения частиц
по мере уменьшения их содержания в воздухе. Этим объясняется отклонение между двумя кривыми (опытной и расчетной).
По-видимому, тангенс угла наклона пунктирных кривых
для каждой величины волокна уменьшается по мере увеличения L (толщины фильтрующего слоя), причем его значение приближается к соответствующему значению тангенса
угла наклона сплошных линий, когда концентрация частиц
в воздухе уменьшается с 108 до 104 частиц/м3.
Если считать, что количество бактерий изменяется от 104
до 108 для условий, указанных на рис. 3.11, то соотношение
между полной задерживающей способностью фильтра и
толщиной фильтрующего слоя не зависит от времени периодического режима ферментации[1].
3.3.2 Падение давления потока воздуха
Падение давления по мере прохождения воздуха через
волокнистый фильтр связано с коэффициентом сопротивления СDm. Экспериментальные данные, представленные на
рис. 3.12, показывают зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса в фильтрах, наполненных ватой или стеклянными волокнами.
Из рис. 3.12 видно, что при одинаковых размерах волокон ватные волокна оказывают большее сопротивление воздуху, чем стеклянные[1].
Рис. 3.12. Падение давления воздуха, проходящего через фильтры из
хлопкового и стеклянного волокон.
Задача.
В 1 м3 воздуха при 20° С содержится 104 частиц размером в 1 мкм. Воздух с таким количеством микробов пропускают через фильтр со стеклянными волокнами (df=19
мкм и α=3,3%) со скоростью vs=5 см/сек. Необходимо рассчитать соотношение между L - толщиной фильтрующего
слоя и общей задерживающей способностью фильтра η , а
также рассчитать падение давления ∆p в воздухе, проходящем через фильтр.
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. Как микроорганизмы попадают в воздух?
2. От каких факторов зависит количество микроорганизмов в воздухе?
3. Какие методы могут использоваться для стерилизации воздуха?
4. За счет чего может происходить нагрев воздуха для
его стерилизации?
5. Какие факторы нужно учитывать при стерилизации
воздуха нагреванием?
6. Какие недостатки имеет метод стерилизации ионизирующим излучением?
7. Какие недостатки имеет метод стерилизации химическими веществами?
8. Каковы основные механизмы задерживания частиц
волокнистыми материалами?
9. От каких факторов зависит задерживающая способность одного волокна в следствии инерционного
осаждения частиц?
10. От каких факторов зависит задерживающая способность одного волокна в следствии диффузионного
осаждения частиц?
11. От каких факторов зависит задерживающая способность одного волокна в следствии захвата частиц?
12. От каких факторов зависит задерживающая способность одного волокна в следствии диффузионного
осаждения частиц?
13. Какова зависимость общей задерживающей способности от задерживающей способности одного волокна?
14. Почему происходит падение давления воздуха по
мере прохождения его через фильтр?
15. Почему в промышленной стерилизации воздуха
идущего на аэрацию используют систему фильтров?
4. ФЕРМЕНТАЦИЯ
Ферментеры (ферментаторы, биореакторы) – аппараты
предназначенные для культивирования микроорганизмов
(ферментации). Ферментеры можно классифицировать по
различным принципам: периодического и непрерывного
действия; по способам подвода энергии; по используемым
питательным средам и т.п.
В ферментерах периодического действия процесс ферментации занимает определенный промежуток времени, после чего происходит полная выгрузка аппарата. В аппаратах
непрерывного действия происходит постоянное поступление питательной среды в ферментер и одновременно удаление из аппарата культуральной жидкости или ферментационной среды. Ферментеры непрерывного действия работают
в режиме хемостатата или турбидостата. Хемостатный режим подразумевает одинаковые условия (химический состав, гидродинамические условия и т.д.) по всему объему
культуральной жидкости (реактор идеального смешения).
Турбидостатный режим – изменение химического состава
культуральной жидкости и количества биомассы в пространстве (реактор идеального вытеснения).
По способам подвода энергии ферментеры делятся на
аппараты с подводом энергии к жидкой фазе, к газовой фазе
и с комбинированным подводом энергии. В аппаратах с
подводом энергии к жидкой фазе перемешивание культуральной жидкости осуществляется мешалками. В аппаратах
с подводом энергии к газовой фазе перемешивание осуществляется за счет подачи воздуха в культуральную жидкость. В аппаратах с комбинированным подводом энергии
перемешивание осуществляется за счет мешалок и подачи
воздуха в культуральную жидкость.
В ферментерах для глубинной ферментации (ГФ) культивирование микроорганизмов происходит в жидких пита-
тельных средах. В ферментерах для твердофазной ферментации (ТФФ) культивирование микроорганизмов происходит на твердых сыпучих питательных средах.
Ферментеры также можно разделить на промышленные,
пилотные (аппараты на которых проводят отработку технологических параметров) и лабораторные. С промышленными ферментерами вы более подробно ознакомитесь при
изучении курса «Оборудование микробиологических производств».
УСТРОЙСТВО ЛАБОРАТОРНОГО ФЕРМЕНТЕРА
В ферментере используется открытая турбинная мешалка
с прямоугольными радиальными лопатками. На турбинке
установлен цилиндрический диффузор, обеспечивающий
циркуляцию жидкости из верхней части ферментера вниз и
способствующий образованию устойчивой воронки, всасывающей пену, образующуюся в процессе культивирования.
Для интенсификации перемешивания на внутренней образующей корпуса ферментера установлены вертикальные отбойные ребра. Для предотвращения выноса пены из ферментера, которая увлекается восходящими потоками воздуха, в верхней части ферментера вращается диск с отогнутыми лопатками, укрепленный на валу мешалки. Вращающийся диск сбивает пену транспортирует ее в воронку. Поскольку, давление в устье воронки ниже, чем на поверхности, пена всасывается в воронку, попадает на лопатки мешалки, разбивается и разносится по всему объему суспензии в ферментере. Выходящий из ферментера газ последовательно поступает через конденсатор на фильтр[5].
КОНСТРУКЦИЯ ФЕРМЕНТЕРА.
Аппарат культивирования представляет собой корпус
(стойку), на котором установлены основной узел аппарата—
ферментер и другие устройства обеспечивающие ведение
процесса культивирования.
Ферментер установлен на консольной подставке. Опорой ферментера служит нагревательный элемент (конфорка), входящий в систему терморегулирования. Верхняя
крышка ферментера с помощью кронштейна крепится к
корпусу аппарата. Приводной электродвигатель, защищенный кожухом, укреплен на плите. Вращение через клиноременную передачу, соединительную пружинную муфту и
магнитную муфту передается на вал мешалки ферментера.
Электродвигатель для обеспечения натяжения ремня имеет
возможность перемещаться вдоль плиты.
Пружинная соединительная муфта допускает несоосность (не более 1,5 мм) и угловое смещение осей валов до
3о[5].
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ.
Привод мешалки ферментера осуществляется через клиноременную передачу от электродвигателя постоянного тока типа СЛ 661 мощностью 230 вт., напряжение питания I10
в. Электропитание на двигатель подается с регулятора скорости РС-1 по кабелю. Установка необходимого числа оборотов двигателя и стабилизация этого значения осуществляется с помощью регулятора скорости[5].
МЕШАЛКА ДЛЯ ФЕРМЕНТЕРА Ф-3-1
Является сменным рабочим органом, предназначенным для
перешивания суспензии при коэффициенте заполнения 0,1.
Устанавливается (при необходимости) вместо открытой лопастной мешалки на валу ферментера[5].
КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТНОЙ МУФТЫ.
Конструкция магнитной муфты изображена на рис. 1.
Внутренний магнит 1 со своими зубчатыми магнитопроводами 2, установленными на валу 3, который в свою очередь, при помощи подшипников 4 устанавливается в экране
5 и в крышке 6, как в корпусе, образуют внутреннюю магнитную. Эта система является ведомой, на хвостовике ее
вала крепятся перемешивающие устройства ферментера.
Защита подшипников, магнита и магнитопроводов этой
системы от рабочей среды, осуществляется при помощи лабиринтного уплотнения вала, состоящего из набора фторопластовых шайб 7.
Внешнюю магнитную систему образует корпус 8 с установленными внутри него магнитом 9 и зубчатыми магнитопроводами 10.
Внешняя магнитная система устанавливается при помощи подшипников 11 и 12 на экране, как на оси. Эта магнитная система является ведущей, хвостовик ее корпуса стыкуется с электродвигателем или другим приводным устройством.
Крышка 6 является одновременно и присоединительным
фланцем, с помощью которого муфта устанавливается на
верхней крышке ферментера[5].
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ.
1.НАЗНАЧЕНИЕ.
Муфта магнитная предназначена для бесконтактного
герметичного привода перемешивающих устройств.
2.ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ.
2.1 Передаваемый момент
- не менее 0,3 кгм
2.2 Число оборотов - не более 2000 об/мин
2.3 Перепад давлений
- 30·104 н/м2
2.4. Рабочая температура 20 - 40оС
2.5 Рабочее положение
- вертикальное
2.6. Габаритные
размеры:
диаметр - 157 мм,
высота - 505 мм
3.ПРИНЦИП РАБОТЫ.
Принцип действия магнитной муфты заключается в следующем:
Две системы магнитов (внутренняя и внешняя) взаимодействуют между собой через тонкостенный экран. Взаимодействие происходит благодаря магнитному потоку, создаваемому магнитами и проходящему через зубцы магнито-
проводов обеих систем магнитов. В результате этого взаимодействия при вращении одной из систем магнитов (например, от электродвигателя) приходит во вращение и другая магнитная система, т.е. происходит передача крутящего
момента через глухую стенку экрана[5].
Рис.1. Муфта магнитная МГ – 0,3
1 – Магнит внутренний
2 – Магнитопровод
3 – Вал
4 – Подшипник
5 – Экран
6 – Крышка
7 – Шайба
8 - Корпус
9 - Магнит внешний
10 – Магнитопровод
11 – Подшипник
12 – Подшипник
13 – Прокладка
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. Типы ферментеров по способу подвода энергии.
2. Типы ферментеров для непрерывного культивирования.
3. Как передается вращающий момент на вал мешалки
от электродвигателя?
4. Недостатки прямого соединения вала мешалки с
электродвигателем.
5. Принцип работы магнитной муфты.
6. Преимущества и недостатки соединения вала мешалки с электродвигателем магнитной муфтой.
7. Общие принципы устройства ферментеров для глубинной ферментации.
8. Устройство ферментеров для твердофазной ферментации.
9. Что используется для механического пеногашения?
10. С какой целью отходящий газ пропускают через
конденсатор и фильтр?
5. МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Раштон и др. разработали понятие числа мощности. Они
измерили мощность перемешивания жидкости при использовании различных типов мешалок. На основании экспериментальных данных была установлена зависимость между
мощностью и модифицированным критерием Рейнольдса
для мешалок[1].
Относительная скорость v жидкости в сосуде с мешалкой
пропорциональна скорости мешалки
(5.1)
v~nDi ,
P 1
⋅
внешняя сила
P
nDi Di3
=
= 3 5 = Np =
2
внутренняя сила
n Di ρ
ρn Di
= число мощности (безразмерная величина). (5.2)
где п - скорость вращения мешалки;
Di - диаметр мешалки (рис. 4.1).
Внешняя сила, приходящаяся на единицу объема жидкости,
будет выражена как
P 1
⋅
,
nDi Di3
где Р - мощность перемешивания.
С другой стороны, инерционная сила, приходящаяся на
единицу объема жидкости в сосуде, будет выражена как
ρnDi
= ρn 2 D .
1
n
Кроме этого, сила вязкости жидкости будет
D 2 nD
n
µ i3 ⋅ i = µ ,
Di Di
Di
где µ - вязкость жидкости. Отношение внешних и внутренних сил жидкости определяется как число мощности:
Рис. 5.1. Зависимость NP от NRe; характеристика мешалок по мощностивыражается числом мощности NP в зависимости от модифицированного
критерия Рейнольдса NRe. В нижней части рисунка показаны геометрические формы основных типов мешалок
Движение жидкости в аппаратах с механическим перемешиванием характеризуется отношением сил инерции к силам вязкости жидкости, а именно модифицированным критерием Рейнольдса для мешалок:
сила инерции
ρn 2 Di nDi2 ρ
=
=
= N Re =
µn
сила вязкости
µ
Di
= модифицированный критерий Рейнольдса (безразмерная
величина).
(5.3)
Характеристики различных типов мешалок по мощности
представлены на рис. 5.1 в форме зависимости NP от NRe .
Определение значений мощности Р по величинам п, Di, ρ и
µ для каждого типа мешалки в геометрически подобных
системах производится при помощи диаграммы, приведенной на рис. 5.1, на которой экспериментальные точки не показаны. Типы мешалок, представленные на рис. 5.1, обычно
используются в промышленности. Если геометрические
формы системы отличаются от тех, которые показаны на
рисунке, то каждая кривая на рис. 5.1 несколько меняется,
хотя характер кривой остается тем же.
Важно отметить, что геометрические формы мешалок,
представленные на рис. 5.1, считаются стандартными, особенно для плосколопастной турбины. Также важно, что значение NP при высоких значениях NRe (т. е. в турбулентной
области) остаются постоянными для всех типов мешалок.
Например, значение NP для плосколопастной турбины в
этой области будет
NP = 6.
(5.4)
Уменьшение энергетических затрат при аэрации. Потребление энергии мешалками при перемешивании системы
газ—жидкость значительно уменьшается по сравнению с
потреблением энергии мешалками при перемешивании
жидкости без газа. Система газ-жидкость широко распространена в микробиологической промышленности. Уменьшение затрачиваемой энергии при перемешивании этой
системы происходит главным образом в результате того,
что величина плотности жидкости, окружающей мешалку,
уменьшается из-за наличия пузырьков воздуха. Если пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности жидкости в
небольшом количестве, соприкасаются с мешалкой, то при
переходе к системе газ—жидкость количество энергии, затрачиваемой на перемешивание, изменяется незначительно.
Отношение затрачиваемых энергий на перемешивание в
системе газ - жидкость и в жидкости без газа Рg/Р изменяется от 0,3 до 1 и зависит от типа мешалки и интенсивности
аэрации. Из вышесказанного очевидно, что отношение Рg/P
будет зависеть от критерия, который характеризует степень
дисперсности пузырьков воздуха вокруг мешалки. Для описания этого отношения была предложена следующая формула:
Pg
= f (N a ) ,
(5.5)
P
Q
Di2
где N a =
- скорость газа (воздуха) Q, отнесенная к
nDi
площади поперечного сечения сосуда Di2, деленная на окружную скорость мешалки n·Di; Na - безразмерная величина. Был введен комплекс Na - число аэрации, которое должно характеризовать степень дисперсности пузырьков для
всей системы. Для системы воздуховода экспериментально
определили характер функции f в уравнении (5.5). Функция
f зависит также от типа мешалки (рис. 5.2). Значения Na в
экспериментах изменялись от 0 до 12·102, Pg/Р - от 1,0 до
0,3.
Экспериментально найденные соотношения между Рg и
другими переменными были представлены в следующем
виде:
 P 2 nDi3 
Pg~  0,56 
 Q

0 , 45
(5.6)
скольку в нем использованы абсолютные значения каждой
величины, а не безразмерные величины[1,2].
Лабораторная работа.
Материалы и оборудование: лабораторный ферментер
Ход работы:
1. Согласно рисунка 5.1 снять геометрические характеристики лабораторного ферментера.
2. Используя графические зависимости на рис. 5.1 рассчитать минимальное число оборотов мешалки обеспечивающее турбулентный режим движения жидкости
в ферментере.1
3. Экспериментально проверить расчетные данные на
лабораторном ферментере.
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. Какие типы мешалок вам известны?
2. Как зависит скорость жидкости в сосуде с мешалкой
от скорости вращения мешалки?
3. Дайте понятие числа мощности.
Рис. 5.2. Энергозатраты на перемешивание в системе газ-жидкость. Параметром является тип мешалки:1 - плосколопастная турбина пp=8), 2,
3, 4, 5 - диски с лопастями (пp равно соответственно 8, 6, 16). 6 - лопастная мешалка: Dt/Di=3, WB/Dt=0,1, Dt/Hi=3
Была определена величина Рg для стандартной плосколопастной турбины в системе воздух — вода. Физические показатели исследованных жидкостей:
плотность ρ= 0,8-1,65 г/см3;
вязкость µ=0,9-100 спз;
поверхностное натяжение σ=(2,7- 7,2)·10-4 н/см.
Интересно отметить, что геометрически неподобные
системы также подчиняются уравнению (5.6). Физические
свойства исследованных жидкостей существенно не влияют
на величину Рg, определяемую по уравнению (5.6). Влияние
конструкции барботеров (кольцевой барботер и открытое
сопло) также незначительно. Однако при моделировании
уравнение (5.6) следует применять с осторожностью, по-
1
Если геометрические соотношения указанные в таблице рисунка 5.1 не
соответствуют геометрическим соотношениям ферментера, то для расчета мощности перемешивания Р используют поправочный коэффици∗
∗
∗
∗
 Dt  ⋅  H L  ⋅  H i  ⋅ N ∗ ⋅ WB 
 D 

B 
Di   Di 
i


 Dt  ,
 Dt  ⋅  H L  ⋅  H i  ⋅ N WB 
 D 
Di   Di  B  Dt 
i 

ент fc. f c =
∗
 Dt  и т.д. – геометрические соотношения ферментера;

 Di 
 Dt  и т.д. – табличные геометрические соотношения.
 D
i

где 
4. Какими параметрами характеризуется движение
жидкости в аппарате с механическим перемешиванием?
5. Почему при аэрации уменьшаются энергозатраты на
перемешивание?
6. От каких факторов зависит отношение затрачиваемых энергий на перемешивание в системе газжидкость и в жидкости без газа?
7. Дайте понятие числа аэрации.
8. В каких случаях при расчете мощности перемешивания используется поправочный коэффициент fc .
9. От каких факторов зависит величина затрачиваемой
энергии на перемешивание в системе газ-жидкость?
10. Справедлива ли экспериментально найденная зависимость величины затрачиваемой энергии на перемешивание в системе газ-жидкость для геометрически неподобных систем?
6. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОК
Механическое разрушение клеток может применятся в
микробиологической промышленности, например, для экстракции ферментов и других веществ из ядра или для отделения клеточных оболочек без применения химических
агентов. Один тип аппаратов для разрушения клеток основан на изменении структуры замороженной суспензии клеток в результате повышения давления. Аппараты другого
типа используют высокоскоростное растирание клеток между стеклянными бусами. Надо отметить, что оба эти метода пригодны только для работы в лаборатории.
Пресс
В этом аппарате замороженная суспензия клеток, охлаждающаяся при -60° С в течение 30 мин, подвергается действию гидравлического давления между поршнем и диском,
снабженным рядом отверстий диаметром 1,5-2,5 мм (рис.
6.1). Так как гидравлическое давление возрастает, то материал между поршнем и диском вытекает через отверстия.
Давление, необходимое для проведения операции, равно
1-2,5 Т/см2.
Рис. 6.2 иллюстрирует изменение состояния структуры
льда под действием температуры и давления. Переход с из
фазы I в фазу III, как показано на рисунке (например, при
температуре -22° С и давлении 2115 Кг/см2) сопровождается
уменьшением объема на 0,185 см3/г. Однако при переводе
из фазы III в фазу V изменение объема льда равно только
0,0516 см3/г. Если достигается значительное изменение объема, вызванное изменением кристаллической структуры
льда, то клетки, суспендированные во льду, будут быстро
разрушены.
«Сономек»
На рис. 6.4 представлена конструкция колебательного
генератора, названного «Сономек», который был применен
для разрушения бактерий и дрожжей. Рабочая камера имела
внутренний диаметр 2-5 см и высоту 9-25 см. Вибрация
обеспечивалась кулачковым механизмом, приводимым в
движение мотором мощностью 2 л. с. Клеточная суспензия
в количестве 20-150 мл помещалась в камеру со стеклянными бусами.
Рис. 6.1. Кривые давления в прессе,
разрушающем клетки: 1 –поток материала, 2 – поршень, 3 – траектории
напряжений в замороженной суспензии, 4 – диск.
Рис. 6.2. Изменение структуры льда.
Было исследовано разрушение клеток под прессом, используя Escherichia coli В, Proteus merabilis, Staphylococcus
aureus 209 и восемь других штаммов бактерий и дрожжей.
Результаты экспериментов с В. megaterium приведены на
рис. 6.3. По оси абсцисс отложено число перетоков сквозь
отверстие в диске (диаметр 2,5 мм), по оси ординат показания нефелометра. Клетки (8,2·102/мл), в объеме 2 мл,
подвергнутые исследованию, при температуре -60° С были
разрушены полностью, что следовало из понижения мутности и микроскопических наблюдений, как показано на рис.
6.3.
Рис. 6.3. Разрушение B. megaterium.
Рис. 6.4. Конструкция
«Сономека»: 1 – рубашка,
2 – подшипник пористый
бронзовый, 3 – пистон, 4 –
соединительная штанга, 5
– вариатор амплитуд, 6 –
ременной привод, 7 – вал,
8 – масло, 9 – подшипник,
10 – соединительная
штанга, 11 – соединяющий болт.
Клетки разрушались в течение нескольких минут истиранием между стеклянными бусами; амплитуда и частота
вибрации могла варьировать, как видно из рисунка.
В экспериментах по определению способа передачи колебательной энергии жидкости в камере водно-ледяная
смесь была помещена на глубину 7,75 см в камеру, охлажденную предварительно льдом. После 2-минутной вибрации
было измерено повышение температуры жидкости. Камера
имела внутренний диаметр 5,2 см, а частота колебаний с постоянной амплитудой менялось от 30 до 175 циклов/сек.
На рис. 6.5 показано повышение температуры в зависимости от вибрации: очевидно, что оптимальная частота
имеет порядок 150 циклов/сек. Роджерс и др. исследовали
влияние других факторов, например, объема жидкости в
каждой камере, амплитуды вибрации и количества бус на
эффективность разрушения
клеток в «Сономеке».
Рис. 6.5. Влияние частоты колебаний на температуру в дезинтеграторе «Сономек».
Ферментная активность
фракций, полученных с помощью «Сономека» из суспензии пекарских дрожжей,
приведена в таблице 6.1. В
этой таблице приведены также результаты, полученные при
изучении дезинтегратора прессового типа. Камера, использованная в этом исследовании, имела внутренний диаметр
5,2 см, а частота и амплитуда колебаний были равны соответственно 117 циклов/сек и 0,3 см. К 150 мл суспензии
дрожжей, содержащей 2,5·109клеток/мл, добавляли 50 г шариков баллотини №12 и смесь подвергали вибрации в тече-
нии 5 мин. Применявшийся в этих исследованиях пресс был
сделан Хьюзом и не отличался принципиально от описанных ранее; рабочая температура в прессе равна –23оС.
Таблица 6.1
Дегидроге- Дегидроге- Алконаза мо- наза янтар- гольдеФумараза
ной к-ты гидрогелочной
наза
к-ты
790
27,7
2,0
3,4
Оборудование
Фракция
«СОНОМЕК»
S1
»
S2
340
36,0
6,3
3,5
»
S3
304
36,0
1,9
4,9
»
R2
193
12,0
3,8
0,5
»
R3
2110
4,8
8,2
1,9
S1
297
18,75
1 »2
3,5
»
S2
416
19,5
4,3.
2,8
»
S3
403
24 0
2,1
2,6
»
R2
0
35,0
22,0
0.2
»
R3
258
41,0
41 0
13
ПРЕСС
Материал, полученный двумя способами, центрифугировали при температуре 2° С и 10 тыс. об/мин в течение 1 мин
для отделения целых клеток («Сономек» - 47% целых клеток; пресс - 12,2%). Полученный свободный от клеток препарат (S1) фракционировали на R2 и супернатант S2 в центробежном поле при 12 тыс. об/мин в течение 6 мин. Супернатант S2 в дальнейшем фракционировали на осадок R3 и
супернатант S3 центрифугированием при 50 тыс. об/мин в
течение 10 мин. Осадки R2 и R3 суспендировались в фосфатном буфере и ферментную активность определяли как показано в таблице.
Экстракты, полученные при разрушении дрожжевых клеток
обоими методами, имели почти одинаковые активности; из
таблицы видно, что препараты, полученные в прессе, имели
более высокую лактат- и сукцинатдегидрогеназную активность, чем препараты, полученные на «Сономеке», тогда
как в отношении фумаразной активности наблюдалось обратное явление. Оказалось, что алкогольдегидрогеназная
активность была одинаковой, независимо от способа разрушения. Были получены хорошие препараты клеточных
оболочек Lactobacillus casei, Согуnebacterium xerosis и
Staphylococcus albus на «Сономеке» [1,2].
Лабораторная работа.
Материалы и оборудование: дрожжевая суспензия, лабораторный гомогенизатор, водяная баня, кварцевый песок, микроскоп.
Ход работы:
1. 10 мл дрожжевой суспензии заморозить в холодильной
камере, а затем разморозить. После разморозки суспензии в окрашенном препарате раздавленная капля рассмотреть разрушенные дрожжевые клетки.
2. 10 мл дрожжевой суспензии заморозить в холодильной
камере. Замороженную суспензию растереть в фарфоровой ступке с кварцевым песком. В окрашенном препарате раздавленная капля рассмотреть разрушенные дрожжевые клетки.
3. 50 мл дрожжевой суспензии обработать в лабораторном
гомогенизаторе в течение 5 минут. В окрашенном препарате раздавленная капля рассмотреть разрушенные
дрожжевые клетки.
4. 10 мл дрожжевой суспензии поставить на кипящую водяную баню и выдержать в течение 30 минут. В окрашенном препарате раздавленная капля рассмотреть разрушенные дрожжевые клетки.
5. Сравнить эффективность использованных методов разрушения дрожжевых клеток.
Вопросы для самостоятельной подготовки.
1. С какой целью проводится механическое разрушение
клеток в микробиологическом производстве?
2. В чем заключается аномальное свойство воды?
3. Каким образом изменяется состояние структуры льда
под действием температуры и давления?
4. Почему при замораживании происходит разрушение
клеток?
5. Влияют ли скорость и глубина (температура) замораживания на разрушение клеток?
6. Принцип работы пресса для разрушения клеток.
7. Принцип работы колебательного генератора для разрушения клеток.
8. Почему различные фракции полученные после разрушения клеток имеют неодинаковую ферментативную активность?
9. Еще какими методами можно разрушать клетки?
10. Почему термолиз не применяют для извлечения биологически активных веществ из клеток?
Список использованной литературы.
1. Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н. Биохимическая
технология и аппаратура. – М.: Пищевая промышленность, 1975. – 287 с.
2. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. – М.: Мир, 1989. – В 2-х частях.
3. Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. –
М.: Агропромиздат, 1987. – 335 с.
4. Политехнический словарь.
5. Техническая инструкция к лабораторному ферментеру.
СОДЕРЖАНИЕ
1. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД……………………………..
Лабораторная работа.………………………………………………………...
Вопросы для самостоятельной подготовки.……………………………..
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И РАЗМЕРОВ ДРОЖЖЕВОЙ
КЛЕТКИ.……………………………………………………………………...
Лабораторная работа.………………………………………………………...
Вопросы для самостоятельной подготовки.……………………………..
3. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ВОЗДУХА……………………………………………
3. 1. ВИДЫ И КОЛИЧЕСТВО МИКРОБОВ В ВОЗДУХЕ……………
3.2. СПОСОБЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОЗДУХА………………………..
3.3. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ВОЗДУХА ВОЛОКНИСТЫМИ
МАТЕРИАЛАМИ………………………………………………………..
Задача.………………………………………………………………………..
Вопросы для самостоятельной подготовки.……………………………
4.ФЕРМЕНТАЦИЯ…………………………………………………………
Вопросы для самостоятельной подготовки.…………………………..
5. МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ……………………………..
Лабораторная работа.………………………………………………………
Вопросы для самостоятельной подготовки.…………………………..
6. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОК………………………..
Лабораторная работа.………………………………………………………
Вопросы для самостоятельной подготовки.…………………………..
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.………………………