Теоретичні основи стерилізації Підготовка поживного середовища Характеристикою процесу

Теоретичні основи стерилізації Підготовка поживного середовища

Характеристикою процесу стерилізації є питома швидкість загибелі мікроорганізмів k – відносна кількість (частка) мікроорганізмів, що гинуть за одиницю часу, де N - кількість особин у популяції;  – тривалість стерилізації, хв

Після інтеграції і подальшого потенціювання, враховуючи, що при = 0, N = N0, одержимо: та

Питома швидкість загибелі мікроорганізмів не залежить від їх концентрації, а залежить від: температури стерилізації, виду мікроорганізму, характеристики об'єкта, що стерилізується тощо. Якщо процес стерилізації здійснюється при різній температурі (кілька етапів процесу), і, отже, різних значеннях питомої швидкості загибелі, то інтеграл для виразу питомої швидкості загибелі можна записати так: або де N0 - кількість живих мікроорганізмів перед стерилізацією (при  = 0).

Учені Ф.Х. Дейндорфер і А.Е. Хемфрі запропонували ліву частину цього рівняння позначити (набла) і назвати критерієм стерилізації. При постійній температурі k = const критерій стерилізації: Щоб розрахувати ефективність прийнятого режиму стерилізації, слід узяти зі спеціальної таблиці значення k, яке звичайно встановлюється за експериментальними даними для найбільш термостійкого еталонного мікроорганізму – В.stearothermophilus 1518 – залежно від температури. Для розрахунку і обґрунтування режиму стерилізації за неізотермічних умов реального виробництва використовують наближений метод Т.Річардса. Метод припускає враховувати критерії стерилізації при нагріванні об'єкта, витримки його при температурі стерилізації і охолоджування. ох).

Обробляючи численні експериментальні дані, Т. Річардс зазначає, що обробка при температурі нижче як 100 °С малорезультативна і становить близько 2 % загального критерію стерилізації. Був проведений розрахунок критерію стерилізації в інтервалі від 100 до 125 °С при швидкості нагріву 1 °С за 1 хв. Пізніше Д. Уенг із співробітниками розрахував значення критерію стерилізації для температури 143 °С, тобто для таких температур, що використовуються в даний час для стерилізації. Якщо темп нагрівання або охолоджування відрізняється від прийнятого при складанні таблиці (1°С за 1 хв), то для розрахунку дійсного критерію стерилізації можна використовувати співвідношення: Т – табличне значення; – тривалість зміни температури від 100 °С до tст; tст – температура стерилізації, °С.

Ефект стерилізації визначається за сумою критеріїв стерилізації: Кількість життєздатних клітин, що залишилися, розраховуватиметься так:

Діаграма стерилізації

Теплову стерилізацію середовищ (за способом її проведення) поділяють на періодичну і безперервну. За періодичного способу стерилізації нагрівання, витримку й охолодження середовища здійснюють послідовно в одному апараті. Це може бути ферментатор, посівний апарат або спеціальний стерилізатор. Середовище нагрівають в апараті до необхідної температури, витримують при цій температурі строго визначений час і охолоджують водою, подаваною до сорочки апарата або змійовика. Такий метод простий і надійний, проте має свої недоліки: погіршується якість поживного середовища через тривалий вплив високої температури (може відбуватися карамелізація вуглеводів, деструкція вітамінів; утворення потенційних інгібіторів, наприклад аміноцукрів); великі витрати пари та неможливість регенерації тепла; труднощі автоматизації порівняно з безперервною стерилізацією.

Під час безперервній стерилізації кожен процес (нагрівання, витримка, охолодження) здійснюється в спеціально призначених для цього апаратах: нагрівнику, видержувачі, теплообміннику, що утворюють установку безперервної стерилізації (УБС). Безперервна стерилізація має такі переваги порівняно з періодичною: за такого способу стерилізації кожен елементарний об’єм середовища (нескінченно малий об’єм, що містить одну спору) перебуває під дією високої температури короткий час; завдяки вищій температурі стерилізації і короткій експозиції деструкція компонентів поживного середовища мінімальна; процес нагрівання всього об’єму поживного середовища триваліший, що забезпечує рівномірніше завантаження котельні; легкий контроль і керування процесом; можлива часткова регенерація тепла.

Безперервне нагрівання середовища може бути здійснене без прямого контакту з теплоносієм у трубчатому, пластинчатому або спіральному теплообміннику. Проте найчастіше середовище нагрівається до потрібної температури упродовж кількох секунд прямим інжектуванням пари в парових контактних нагрівачах. Найпоширенішими є такі конструкції теплового інжектора, в який подають вихровим насосом нестерильне поживне середовище і пару під тиском 0,3-0,6 МПа. Підбирають нагрівач залежно від об'єму середовища, яке необхідно простерилізувати, так щоб час операції стерилізації всього об'єму середовища становив 40-120 хв. Після цього середовище подають у витримувач – проточний апарат безперервної дії, що працює за принципом витіснення попередніх об’ємів середовища наступними. За час проходження через витримувач елементарного об’єму поживного середовища спори в цьому об’ємі гинуть. Отже принцип роботи витримувача може бути описаний таким рівнянням:  витримки =  відмирання термостійких спор =  заповнення.

За конструктивними особливостями витримувачі поділяють на два типи – ємнісні та трубчаті. Щоб забезпечити ламінарний (поршневий) режим проходження рідини в ємнісному витримувачі, знизити швидкість потоку на центральній осі і зменшити застійні зони у корпусі, необхідно передбачити спеціальні пристрої для введення середовища, які б забезпечували рівномірний розподіл потоку, і пристрої для рівномірного виведення середовища.

Найпростішим за конструкцією і надійним є ємнісний витримувач, місткістю не менше 2 м3 з подачею середовища зверху по трубі, опущеної до днища апарата; днище при цьому відіграє роль відбійника, що розбиває струмінь рідини, а вихід стерильного середовища здійснюється через перфороване кільце, розташоване у верхній частині витримувача. Проте в процесі роботи ємнісного витримувача можливе виникнення пульсацій, що спричиняють викиди нестерильних порцій середовища.

Трубчаті витримувачі великого діаметра і довжини розділяють на секції і розміщують вертикально як колонні апарати. Витримувачі з діаметром труби 150-200 мм згортають у виді об'ємної або плоскої спіралі і встановлюють над нагрівачем. Усі витримувачі повинні бути покриті шаром ізоляції для запобігання тепловтрат.

При високій температурі середовище знаходиться у витримувачі строго визначений розрахунковий час, а потім його необхідно дуже швидко охолодити до температури ферментації, інакше в середовищі можливі деструктивні зміни. Теплообмінник, для реалізації такого процесу, повинен мати не тільки високі теплообмінні характеристики, але й таку конструкцію, яка б забезпечила стерильність середовища, тобто він повинен бути герметичним. Найпоширенішим вітчизняними є теплообмінники типу "труба в трубі", тоді як за кордоном використовують ефективніші пластинчаті і спіральні теплообмінники. Використання пластинчатих теплообмінників неможливе для охолодження в’язких середовищ, що містять тверду фазу.

На теперішній час найчастіше використовують УБС. До 70 % витраченого на нагрівання тепла можна повернути, якщо додатково установити теплообмінник-рекуператор, у якому стерильне середовище, що пройшло через витримувач і має температуру 130-140°С, нагріває нестерильне поживне середовище до 115-125°С, а потім доохолоджується в теплообміннику-доохолоджувачі до температури ферментації. При цьому суттєво знижується витрата пари на нагрівання нестерильного середовища до температури стерилізації і витрата води на охолодження стерильного середовища.

Всі апарати УБС виготовляють з нержавіючої сталі, а найнадійнішою арматурою є сильфонна нержавіюча. Перед початком стерилізації всю систему УБС стерилізують водяною парою, після чого стерилізують концентрат поживного середовища. Для видалення залишків середовища із системи і для розведення концентрату через УБС пропускають воду. Перед відключенням УБС її знову стерилізують.

Сипкі середовища, використовувані для поверхневого культивування мікроорганізмів, стерилізують парою, інфрачервоними променями або за допомогою хімічних речовин. Компонентами таких середовищ є висівки, біошрот, буряковий гніт, деревний пил, солома. Компоненти попередньо ретельно подрібнюють і змішують в оптимальних співвідношеннях. У промисловості сипкі середовища найчастіше стерилізують глухою або гострою парою, що умовно можна назвати стерилізацією. У дійсності деструкція спор відбувається лише на поверхні твердих грудок середовища. Спори, що знаходяться в глибині грудки, можуть вижити. Рівень стерильності таких середовищ відносно невисокий, проте достатній для проведення ферментації.

Термічний метод стерилізації поживних середовищ домінує в даний час. Холодна стерилізація (ультрафільтрація) застосовується для термолабільних компонентів. Ці середовища не повинні містити нерозчинних речовин.