УСТАНОВКА ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ РАСТВОРОВ
APPARATUS FOR STERILIZING SOLUTIONS

Изобретение относится к устройствам для паровой стерилизации питательных сред и растворов и может быть использовано в микробиологической, пищевой, медицинской промышленности и в исследовательской практике.
Для стерилизации питательных сред и растворов широкое распространение получили паровые автоклавы. (Сайт: tuttnauer -lab. Ru). В известных автоклавах реализован паровой метод стерилизации растворов, осуществляемый насыщенным водяным паром при избыточном давлении от 0,1 МПа до 0,2 МПа, температуре от 110°С до 130°С и временной выдержке от 30 мин до 60 мин.
Известный автоклав содержит стерилизационную камеру, погруженную в паровую полость парогенератора, и герметизируемую крышку.
Перед загрузкой раствора в автоклав раствор, подлежащий стерилизации, наливают в бутыль, а горловину бутыли закрывают ватной пробкой, выполняющей функцию бактериального фильтра воздуха.
Подготовленную к стерилизации бутыль с раствором загружают в стерилизационную камеру автоклава и герметизируют крышкой.
На приборе управления автоклавом задают температуру и время стерилизации раствора и включают парогенератор.
В процессе нагрева воды в парогенераторе до температуры парообразования находящийся в автоклаве воздух, под действием образующегося водяного пара, вытесняется в атмосферу через стерилизационную камеру и открытый клапан, после чего клапан закрывается, а температура пара в автоклаве поднимается до заданного значения температуры стерилизации раствора. После истечения заданного времени стерилизации раствора нагрев воды в парогенераторе прекращается, а парогенератор и камера стерилизации охлаждаются окружающим воздухом при снижении давления пара в стерилизационной камере до атмосферного значения. Герметизируемую крышку автоклава открывают, а из стерилизационной камеры достают бутыль со стерильным раствором. На этом процесс стерилизации раствора в автоклаве завершается.
Несмотря на широкое распространение, автоклав имеет существенные недостатки:
- Процедуры по подготовке автоклава к работе, розлив растворов по бутылям и герметизацию стерилизационной камеры крышкой, выполняют вручную, что требует значительных временных и трудоемких затрат.
- В процессе нагрева бутыли с раствором водяным паром происходит конденсация пара в стерилизуемый раствор и его непредсказуемое разбавление, что снижает качество раствора.
- Охлаждение стерилизационной камеры и восстановление давления пара до атмосферного осуществляются воздействием температуры окружающей среды, что требует временных затрат и снижает производительность автоклава.
- Автоклав работает в условиях периодического включения, 8 связи с чем нагрев воды в парогенераторе до заданной температуры пара каждый раз осуществляется из холодного состояния, что повышает энергетические затраты.
Указанные недостатки приводят к повышению непроизводственных энергетических затрат и снижают качество получаемого продукта.
Известна установка для стерилизации жидких сред. (Патент РФ №2188038 от 22.11.2000 года), содержащая загрузочную емкость исходного раствора, дозатор исходного раствора, стерилизационную камеру раствора, разъем для слива стерильного раствора, приемную емкость для стерильного раствора, емкость для воды, дозатор воды, парогенератор, нагреватель, датчик давления, датчики температуры, трубку уровня воды, змеевики-теплообменники, сеть трубопроводов с управляемыми клапанами и прибор управления.
Работа установки осуществляется от прибора управления, выполненного в виде микропроцессорного контроллера, управляющего:
- дозатором воды, включенным в обводной трубопровод к парогенератору, принцип работы которого заключается в продувке паром полости дозатора, герметизации дозатора, конденсации пара в полости дозатора, заполнении полости дозатора водой с последующим вытеснением воды в парогенератор под действием давления пара.
- дозатором ввода исходного раствора в стерилизационную камеру, принцип работы которого аналогичен принципу работы дозатора ввода воды в парогенератор.
- перемешиванием раствора в процессе стерилизации при конденсации пара, осуществляемой протоком холодной воды через змеевик-теплообменник, размещенный в паровой полости стерилизационной камеры.
- разъемом для асептического слива стерильного раствора из стерилизационной камеры в приемную емкость.
По мнению авторов, цель известного изобретения - расширение сферы использования установки, обеспечивается:
- непрерывной работой парогенератора и стерилизационной камеры.
- наличием разъема, обеспечивающего розлив стерильных сред в асептических условиях.
- возможностью использования установки в качестве устройства для получения дистиллированной воды и генерации водяного пара.
Установка имеет следующие недостатки:
- поддержание уровня воды в парогенераторе осуществляют дозатором по временному алгоритму, что приводит к холостым потерям энергии, затрачиваемой на нагрев и конденсацию водяного пара в дозаторе при отсутствии потребителя пара.
- стерилизацию раствора осуществляют водяным паром, который вводят непосредственно в заданный объем стерилизуемого раствора, что приводит к непредсказуемому разбавлению раствора конденсатом пара, изменению заданной концентрации веществ и pH раствора.
- перемешивание раствора осуществляют вскипанием стерилизуемого раствора в результате резкого снижения давления пара в стерилизационной камере, вызываемым охлаждением и конденсацией пара при протоке холодной воды через змеевик-теплообменник.
- восстановление температуры стерилизации после каждого охлаждения требует дополнительных энергетических затрат на вытеснение холодной воды из змеевика-теплообменника и его нагрев до заданной температуры стерилизации раствора.
- стерилизационная камера не защищена от охлаждения окружающим воздухом, что повышает время нагрева раствора и энергетические затраты.
Указанные недостатки приводят к повышению непроизводственных энергетических затрат и существенно снижают качество получаемого продукта.
Цель предлагаемого изобретения: снижение непроизводительных энергетических затрат и повышение качества получаемого продукта.
Для достижения указанной цели, в установке для стерилизации жидких сред, включающей в свой состав стерилизационную камеру, загрузочную и накопительную емкости, парогенератор, змеевик-теплообменник, трубку уровня жидкости, датчики температуры, трубопроводы с клапанами и прибор управления, при этом стерилизационная камера выполнена в виде тора, снабжена трубкой уровня стерилизуемого раствора и размещена в парогенераторе, загрузочная емкость снабжена датчиком уровня раствора, накопительная емкость снабжена бактериальным фильтром воздуха, датчиком уровня раствора, змеевиком-теплообменником и насосом - дозатором, а парогенератор снабжен датчиком уровня испаряемой воды, при этом трубка уровня сообщена трубопроводом с клапаном с газовой полостью загрузочной емкости.
На чертеже представлена функциональная схема заявленной установки для стерилизации растворов.
Установка, содержит:
загрузочную емкость 1 исходного раствора с датчиком 2 уровня, верхняя часть которой сообщается с атмосферой, а донная часть содержит сливное отверстие;
стерилизационную камеру 3, снабженную трубкой 4 уровня раствора и датчиком 5 температуры,
парогенератор 6, снабженный нагревателем 7, датчиком 8 уровня воды и датчиком 9 температуры;
накопительную емкость 10, снабженную змеевиком-теплообменником 11, бактериальным фильтром 12 воздуха, датчиком 13 уровня стерильного раствора, датчиком 14 температуры и насосом 15;
расходный штуцер 16 стерильного раствора с заглушкой 17;
управляемые клапаны 18-27;
прибор 28 управления, электрически связанный с датчиками и исполнительными механизмами.
Перед включением установки в работу проводят подготовительные процедуры по загрузке воды в парогенератор 6 и стерилизации накопительной емкости 10.
С прибора 28 управления открывают клапаны 25, 23. Через клапан 25 вода поступает в парогенератор 6, а воздух, находящийся в парогенераторе, через клапан 23 вытесняется в канализационный коллектор. При контакте воды с датчиком 8 уровня воды, клапан 25 закроется и включится нагреватель 7. Вода в парогенераторе 6 будет нагреваться до температуры 100°С, измеряемой датчиком 9 температуры, по сигналу с которого клапан 23 закроется, а температура в парогенераторе 6 будет повышаться до 130°С и поддерживаться включением / выключением нагревателя 7 по датчику 9.
При падении уровня воды в парогенераторе 6 сработает датчик 8 уровня воды, по сигналу с которого откроется клапан 25 ввода воды в парогенератор 6, и уровень воды в парогенераторе будет восстановлен до контакта с датчиком 8, после чего клапан 25 закроется.
После завершения подготовки парогенератора 6 к работе проводят стерилизацию накопительной емкости 10.
С прибора 28 управления открывают клапаны 22, 27 и включают насос 15. В этом положении пар из парогенератора 6 вводится в накопительную емкость 10, нагревает ее с образованием конденсата пара, который с заданным расходом насоса 15, через клапан 27 отводится на слив. При достижении в накопительной емкости 10 температуры 100°С, насос 15 выключится и закроется клапан 27, а температура в накопительной емкости 10 повысится до температуры пара в парогенераторе 6. После выдержки заданного времени стерилизации накопительной емкости 10, откроется клапан 27 и включится насос 15.
В этом положении конденсат пара, образовавшийся в накопительной емкости 10 в процессе стерилизации, в течение заданного времени будет отводиться на слив. По истечении заданного времени насос 15 выключится, клапаны 22, 27 закроются и откроется клапан 21, сообщающий накопительную емкость через бактериальный фильтр 12 с атмосферой. На этом подготовительные процедуры завершаются, и установка готова к работе.
Работа установки реализуется алгоритмом «Процесс».
На приборе 28 задают:
- время ввода раствора в стерилизационную камеру.
- температуру стерилизации раствора.
- время стерилизации раствора.
- время слива стерильного раствора в накопительную емкость.
- температуру раствора в накопительной емкости.
- частоту включения насоса.
На приборе 28 нажимают «Пуск».
При нажатии ПУСК откроется клапан 18, и в загрузочную емкость 1, из источника исходного раствора, будет введен раствор в объеме, определяемом контактом загружаемого раствора с датчиком 2 уровня, по сигналу с которого клапан 18 закроется и откроются клапаны 19, 20.
Исходный раствор из емкости 1, через клапан 19, поступает в стерилизационную камеру 3, нагретую до температуры пара в парогенераторе 6, одновременно вытесняя из камеры 3 воздух по трубке 4 и клапан 20 в воздушную полость загрузочной емкости 1.
При сливе исходного раствора из емкости 1 в стерилизационную камеру 3 происходит разрыв контакта исходного раствора с датчиком 2, по сигналу которого выдерживается временная пауза в 20 минут, после чего откроется клапан 18, и в загрузочную емкость 1 будет введен исходный раствор до очередного срабатывания датчика 2 уровня.
По истечении заданного времени ввода исходного раствора в стерилизационную камеру 3 клапан 19 закроется, а температура раствора в стерилизационной камере 3, измеряемая датчиком 5 температуры, будет повышаться до 100°С.
Нагрев раствора сопровождается вытеснением воздуха и части раствора из камеры 3 по трубке 4 уровня в газовую полость загрузочной емкости 1. При нагреве раствора до 100°С, клапан 20 закроется, а температура раствора в стерилизационной камере 3 будет повышаться до заданной температуры стерилизации раствора.
Поддержание заданной температуры стерилизации раствора в камере 3 осуществляется включением/выключением нагревателя 7 по датчику 5 температуры, размещенному в стерилизационной камере 3.
По истечении заданного времени стерилизации раствора откроется клапан 24, и стерильный раствор, под действием давления пара в камере 3, в течение заданного времени, из стерилизационной камеры 3 будет вытеснен в накопительную емкость 10.
По истечении заданного времени слива стерильного раствора в накопительную емкость 10 клапан 24 закроется, откроются клапаны 19, 20 и повторится цикл загрузки и стерилизации раствора в камере 3, с последующим сливом стерильного раствора из камеры 3 в накопительную емкость 10.
В процессе ввода стерильного раствора в накопительную емкость 10 откроется клапан 26 для протока холодной воды через змеевик 11, при этом раствор в накопительной емкости 10, будет охлаждаться до заданной температуры, измеряемой датчиком 14.
Поддержание заданной температуры раствора в накопительной емкости 10 осуществляется включением/выключением клапана 26 по датчику 14 температуры.
Циклы загрузки камеры 3 исходным раствором, стерилизации и ввода стерильного раствора в накопительную емкость 10 будут повторяться до контакта стерильного раствора с датчиком 13 уровня в накопительной емкости.
Перед отгрузкой стерильного раствора потребителю с патрубка 16 снимают заглушку 17, и с соблюдением асептических условий патрубок 17, посредством шланга, подключают к потребителю. Отгрузка стерильного раствора потребителю осуществляется насосом 15, работающим с заданной частотой.
При разрыве контакта стерильного раствора с датчиком 13 уровня в накопительной емкости 10, цикл загрузки, стерилизации и слива стерильного раствора из стерилизационной камеры 3 в накопительную емкость 10 повторится.
Применение новых устройств и их технологическое взаимодействие, выгодно отличает предлагаемую установку для стерилизации растворов от указанного прототипа по следующим отличительным признакам:
- в процессе стерилизации раствора парогенератор не подзагружается водой, что обеспечивает стабилизацию заданной температуры пара и существенно снижает непроизводительные энергетические затраты;
- стерилизационная камера выполнена в виде тора и погружена в парогенератор, что существенно расширяет поверхность теплообмена и уменьшает толщину прогреваемого слоя стерилизуемого раствора, вследствие чего сокращаются время и энергетические затраты на стерилизацию раствора;
- загрузку исходного раствора осуществляют в нагретую полость стерилизационной камеры, что снижает время на достижение заданной температуры стерилизации раствора;
- объем стерилизуемого раствора задается трубкой уровня, по которой избыточный раствор при нагреве, из стерилизационной камеры вытесняется обратно в загрузочную емкость, что исключает потери раствора.
- нагрев раствора в стерилизационной камере осуществляется внешним воздействием перегретого пара, что позволяет сохранить заданное качество стерилизуемого раствора.
- в накопительной емкости поддерживается избыточный объем стерильного раствора, охлажденного до заданной температуры, что обеспечивает непрерывную отгрузку стерильного раствора потребителю в заданных условиях по температуре и расходу.