Выбор способа очистки отработанного воздуха при культивировании спорообразующих бактерий

УДК 663.18; 57.083

Е. В. Перушкина, А. Р. Хабибуллина, С. А. Александровский

ВЫБОР СПОСОБА ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ВОЗДУХА ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ

СПОРООБРАЗУЮЩИХ БАКТЕРИЙ

Ключевые слова: воздух, аэрозоль, удаление, споры, бактерии, культивирование.

Культивирование спорообразующих бактерий в технологическом процессе сопровождается возникновением аэрозолей бактериальных спор. Удаление микробных частиц из отработанного воздуха представляет важную задачу для обеспечения стерильности производства. Целью данной работы является выбор системы очистки воздуха, отходящего с ферментации бактерий рода Bacillus, для дальнейшего его использования в качестве питательного газового субстрата для выращивания одноклеточной зеленой водоросли. Предлагаются два варианта комбинированного удаления бактериальных спор из газовых потоков, включающие физические и химические методы стерилизации.

Keywords: air, aerosols, removal, spores, bacteria, cultivation.

The cultivation process of spore-forming bacteria is followed by the bacterial spore aerosols formation. The removal of those particles is a major task to increase sterility of the production. The aim of the work presented here is a choice of the air cleaning system for the cultivation process of bacteria Bacillus sp. That airflow will be used as a nutrient gas substrate for the unicellular green algae cultivation. This study demonstrates two combined air cleaning systems for the bacterial spores' removal by physical and chemical sterilization methods.

В настоящее время область применения спорообразующих бактерий в биотехнологической промышленности очень широка. Согласно современным исследованиям известно более 15 родов бактерий, способных к образованию эндоспор, среди них рр. Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sporosarcina [1]. Важнейшими биотехнологическими продуцентами считаются бактерии рода Bacillus, которые применяются для производства препаратов микробных инсектицидов и фунгицидов, в частности штамм Bacillus subtilis 24Д (ВНИИСХМ 129) является действующим веществом микробиологического фунгицида «Интеграл»[2].

Бактериальные эндоспоры представляют собой внутриклеточные тельца сферической или эллиптической формы, появляющиеся обычно при недостатке питательных веществ в среде или накоплении в большом количестве продуктов обмена. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако у отдельных видов Clos-tridium и других родов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами.

Споры представляют собой стадию покоя бактерии и приспособлены для выживания в неблагоприятных условиях среды, таких как высушивание, нагревание до 150-160 °С в течение нескольких часов, кипячение; воздействие низких температур, радиации, давления, агрессивных химических соединений, ферментов, антибиотиков [1]. Достаточно высокая устойчивость спор к ферментам, ядам, органическим растворителям объясняется барьерной ролью белковых покровов споры.

При культивировании спорообразующих бактерий в технологических процессах необходимо контролировать чистоту и стерильность не только воздуха, подаваемого в больших количествах на аэрацию, но и чистоту отходящих газов и воздуха лабораторных и производственных помещений. Также важна очистка и стерилизация воздуха, который используется для вентиляции цехов и боксов,

для передачи под давлением стерильных культу-ральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях [3]. Очистка газов, образующихся в процессе ферментации, представляет собой отдельную задачу, в силу повышенной загрязненности этих газов микробными частицами.

В настоящее время в комплексной лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» ФГ БОУ ВПО Казанский Национальный Исследовательский Технологичес-кий Университет выполняются исследовательские работы по созданию технологической линии производства биологически активных веществ ветеринарного назначения.

Для отработки режимов выращивания ино-кулята и посевного материала С. Г. Мухачевым, Р.Т. Валеевой и В.М. Емельяновым разработан лабораторный биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания [4], осуществлено моделирование периодического роста посевной культуры при различной величине удельной поверхности мембраны [5].

В качестве продуцентов выбраны культуры спорообразующих бактерий рода Bacillus.

В соответствии с проектом предлагается задействовать отходящий воздух с ферментации, содержащий углекислый газ, в качестве питательного газового субстрата для выращивания водоросли. Основная задача при данной компоновке процессов - обеспечить стерильность воздуха, выходящего с первой ферментации.

Практика отечественных и зарубежных предприятий микробиологической промышленности показывает, что степень очистки аэрирующего воздуха, взятого из атмосферы, для достижения его стерильности составляет 99,9999999%.

Такая высокая степень очистки достигается за счет двухступенчатой очистки аэрирующего воздуха перед биореактором (обычно с помощью волокнистых фильтров), плюс грубая очистка заби-

раемого из атмосферы воздуха на масляных фильтрах. Что в совокупности и обеспечивает достижение требуемой чистоты.

В то же время, требования к очистке газовых выбросов биотехнологических производств бывшего СССР всегда были ниже, и очистка отходящих газов обычно ограничивалась улавливанием аэрозолей с помощью тканевых фильтров и аппаратов мокрой очистки (абсорберов Вентури) с эффективностью порядка 99%.

Повышение степени очистки отходящих газов - актуально, но затратно. В нашем случае появляются весомые аргументы в пользу этих затрат. Предлагается не выбрасывать отходящий воздух с повышенным содержанием углекислого газа в атмосферу, а использовать его (с доочисткой) в качестве субстрата для следующего по цепи процесса - выращивания водоросли. Т.е. употребить его повторно и снизить содержание СО2. Поэтому стоит задача компоновки системы очистки из существующих способов и устройств.

Все используемые в настоящее время способы очистки и обеззараживания воздуха (газов) можно разделить на физические и химические. К физическим методам относятся фильтрация газов, обработка ультрафиолетовым излучением, тепловая стерилизация. Химические методы предполагают использование химических веществ, вызывающих гибель микроорганизмов и малоопасных для человека, таких как триэтиленгликоль, молочная кислота, хлорсодержащие соединения.

Для удаления аэрозольных микробных частиц из воздуха чаще используются волокнистые или пористые материалы. К числу первых относятся бумаги, картоны, фильтрующие маты из полимерных волокон, ко вторым - микропористые мембраны из полимеров, керамики, металлических порошков [3]. Микропористые задерживают аэрозольные частицы за счет ситового эффекта, волокнистые -осаждают на своей развитой поверхности за счет совокупного действия нескольких механизмов осаждения и удержания частиц на волокнах силами ван-дер-ваальса.

При выборе типа фильтра руководствуются их стоимостью, производительностью по воздуху и гидравлическим сопротивлением (при равной степени очистки). Пористые мембраны имеют значительно большее АР и, поэтому, проигрывают по экономическим показателям, хотя долговечны.

Типичными представителями волокнистых фильтров тонкой очистки газов (воздуха) являются известные фильтры Петрянова и фильтры НЕРА. Они состоят из полимерных волокон со средним диаметром 1,5 мкм и способны эффективно задерживать аэрозольные частицы размером свыше 0,3 мкм. Эффективность фильтров тонкой очистки достигает 99,9999% [6]. Испытания фильтров НЕРА в идеальных лабораторных условиях, показали, что они могут удалять споры бактерий с эффективностью 99,9999% и вирусы с эффективностью 99,999%. Но исследования фильтров в ходе эксплуатации показали, что в реальных условиях показатели фильтров НЕРА никогда не достигают величин, по-

лученных в лабораториях. НЕРА фильтры не предназначены для задержания частиц с размерами менее 0,3 мкм, а это размеры микробактерий и всех вирусов.

Стерилизация ионизирующим излучением допустима в условиях малой производительности. Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха включает в себя выбор условий и системы обеззараживания, а также режима и длительности облучения [7]. Экспериментальные значения антимикробной активности поверхностной H(S) и объемной H(V) доз (экспозиций) при различном уровне бактерицидной эффективности 1(БК) для некоторых микроорганизмов приведены в табл. 1

Таблица 1 - Значения поверхностной H(S) и объемной H(V) доз (экспозиций) при различном уровне бактерицидной эффективности Л(БК) для некоторых микроорганизмов [7]

Вид микроорганизма H

90% 95% 99,9% 90% 95% 99,9%

Bacillus anthracis 45 63 87 118 185 507

Bac. megatherium 11 17 25 30 50 146

Bac. megatherium (spores) 273 357 520 718 1046 3032

Bac. paratyphosus 32 44 61 84 129 356

Bacillus subtilis (mixed) 71 89 110 187 261 641

Bacillus subtilis 305 398 580 802 1166 3380

Таким образом, для Bacillus subtilis достижение бактерицидной эффективности 99,9% возможно при дозе объемной экспозиции 3,38 Дж/л.

Возможности применения химических де-зинфектантов для стерилизации газовых потоков следует рассматривать в связи с конструкциями аппаратов, из которых можно выбрать насадочные или тарельчатые абсорберы, скрубберы.

Предлагаются два варианта исполнения системы очистки воздуха с использованием физических и физико-химических методов очистки. В первом предлагается использование физических методов очистки воздуха для стерилизации выходящих из ферментера газов. Схема данного фильтра приведена на рис. 1.

Очистка воздуха в рассматриваемой схеме будет проходить в два этапа: Первый - задержание вегетативных клеток и спор на волокнистом фильтре Петрянова фланцевой конструкции со сменной фильтрующей кассетой (материал - БСТВ, полистирол или перхлорвинил).

Проскок частиц для этого фильтра может составлять 0,01-0,1%. Поэтому считаем необходимой наличие второй стадии очистки.

Для уничтожения спор, проникающих за фильтр, предлагается использовать обработку отходящего воздуха водяным паром. Установка (рис. 1) предусматривает паровую камеру с инжекцией острого пара, и последующий охладитель для отделения конденсата пара. В холодильнике водяной пар

конденсируется, а очищенныи воздух продолжит движении по технологической цепи. Конденсат стекает в камеру нагрева, где за счет подвода тепла происходит образование пара, подаваемого на стерилизацию воздуха.

Рис. 1 - Очистка воздуха на основе физических методов: 1 - фильтр, 2 - диффузор, 3 - термокамера выдержки, 4 - холодильник, 5 - сборник конденсата, 6 - нагреватель

Второй вариант системы очистки (рис.2) совмещает в себе действие как физических, так и химических методов. В качестве первой ступени предлагается трехсекционный насадочный абсорбер [8]. Или возможно применение тарельчатого газопромывателя из 2-3 ступеней.

Рис. 2 - Система очистки воздуха с использованием физико-химических методов: 1 - абсорбер, 2 - насадочная секция, 3 - камера УФ облучения, 4 - циркуляционный насос

Жидкий сорбент представляет собой водный раствор химических веществ, обладающих бактерицидными свойствами, например, пероксид водорода или хлорамин. Материал для насадок выбирается исходя из устойчивости этого материала к воздействию температур, химических соединений, например, керамика или металл [9].

В качестве второй ступени очистки газа для его полной стерилизации после абсорбера устанавливается камера ультрафиолетового облучения.

Если сопоставлять предложенные варианты, то первый более компактен, но у него больше гидравлические потери. Значение степени очистки на данном этапе можно полагать только оценочно, а в случае ее недостаточности - наращивать число или качество фильтровальных перегородок (естественно, с дополнительными гидравлическими потерями). К недостаткам абсорбционного метода можно отнести образование и накопление осадков [9]. А непрерывное функционирование ультрафиолетовых излучателей потребует их изоляции от работников.

Реализация предлагаемых систем очистки позволит использовать отходящие газы как субстрат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов или выбрасывать их в атмосферу с минимальными негативными последствиями для окружающей среды.

Литература

1. М.В. Гусев, Л.А. Минеева. Микробиология. Академия, Москва, 2003. 464 с.

2. МУК 4.2.2233-07.

3. И.В. Тихонов, Е.А. Рубан, Т.Н. Грязнева, А.Я. Самуй-ленко, В.А. Гаврилов. Биотехнология. ГИОРД, Санкт-Петербург, 2008. 704 с.

4. М.Ф. Шавалиев, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Д.С. Виноградов, В.М. Емельянов. Вестник Казанского технологического университета, 5, 150-153 (2011).

5. С.Г. Мухачев, Ю.П. Александровская, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов. Вестник Казанского технологического университета, 2, 168-171 (2003).

6. ГОСТ Р 51251-99.

7. Руководство Р 3.5.1904-04.

8. Ю.И. Дытнерский. Основные процессы и аппараты химической технологии. Химия, Москва, 1991. 496 с.

9. Лабораторный практикум по процессам и аппаратам химической технологии / под ред. проф. Г.С. Дьяконова; Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2005. 236с.

© Е. В. Перушкина - канд. техн. наук, доцент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, elena.peroushkina@gmail.com; А. Р. Хабибуллина - студент группы 612-121 каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, aida_khabibullin@mail.ru; С. А. Александровский - канд. техн. наук, доцент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, alex-androvsky@rambler.ru.

© E. V. Perushkina - candidate of technical science of industrial biotechnology department, KNRTU, elena.peroushkina@gmail.com; A. R. Khabibullina - student of industrial biotechnology department, KNRTU, aida_khabibullin@mail.ru; S. A. Alexandrovskiy - candidate of technical science of industrial biotechnology department, KNRTU, alex-androvsky@rambler.ru.