71124

Контрольно-измерительная аппаратура

Лекция

Производство и промышленные технологии

Многие контрольно-измерительные приборы в биотехнологии не имеют отличий от работающих на химических предприятиях (для измерения скорости потока, температуры, влажности, давления и уровня жидкости).

Русский

2014-11-02

4.23 MB

10 чел.

Лекция 16, 17

Контрольно-измерительная аппаратура

Многие контрольно-измерительные приборы в биотехнологии не имеют отличий от работающих на химических предприятиях (для измерения скорости потока, температуры, влажности, давления и уровня жидкости).

В микробиологической промышленности контролю и регулированию подлежит, прежде всего, сам процесс ферментации.

Схема контролируемых параметров при аэробной ферментации: 1 – измерение скорости аэрации, 2 – контроль температуры, 3 - определение концентрации растворенного кислорода, 4 – измерение мощности и скорости вращения мешалки, 5 – измерение концентрации субстрата и продукта, 6 – газовый анализ, 7 – контроль пенообразования, 8 – измерение рН,  9 – контроль реологических свойств среды.

Главной трудностью в организации контрольно-измерительной системы является обеспечение стерильности всех операций.

Поддержание стерильности

Все коммуникации (для подачи стерильного воздуха, посевного материала) должны быть стерильными. Они стерилизуются паром при 120 °С в течение 20-30 мин. Поэтому конструкции должны быть простыми. В качестве материала за редким исключением применяется сталь. Меньше подвержены заражению вентили без прокладок.

Ниже показана схема стерильной подачи суспензии спор в инокулятор (рис. 2). Емкость и все коммуникации предварительно стерилизуются.

Весь процесс состоит из нескольких операций, которые проводят путем открывания и закрывания соответствующих вентилей.

I. Стерилизация всех труб и сосуда,

II. Внесение спор в сосуд,

III. Стерилизация коммуникаций без сосуда,

IV. Охлаждение системы стерильным воздухом,

V. Передавливание спор в инокулятор,

VI. Отсоединение сосуда.

Рис.2. Схема стерильной подачи суспензии спор в инокулятор:

10 – сосуд для суспензии спор;

11 – инокулятор

Существуют и другие системы для этой цели.

Если в процессе ферментации требуется брать пробы, используют специальное приспособление, которое стерилизуется паром (Рис. 3).

Рис. 3. Приспособление для стерильного отбора пробы

Описание работы стерильного пробоотборника

Вентили 1, 2, 3 закрывают, и конец пробника погружают, например, в 40%-ный раствор формальдегида.

Для взятия пробы стакан с формальдегидом убирают, через вентили 2 и 3 пропускают пар. Дают стечь пару и конденсату через 2. Открывают 1, чтобы дать стечь жидкости и охладить трубопровод. Вентиль 3 закрывают, и из ферментатора отбирают пробу в стакан. Снова закрывают вентиль 1 и стерилизуют выходное отверстие.

Асептические прокладки

Уплотнение вращающегося вала должно быть стерильным. Для этого разработано несколько приемов. Так, на поверхности втулки-вкладыша мешалки ферментатора, через которую проходит вал и в месте контакта с вращающейся шайбой выполняются радиальные отверстия, они заполняются силиконовой смазкой до стерилизации (Рис. ).Другим вариантом является применение сальников с асбестом, пропитанным смазкой. Сальник имеет отверстия для подачи пара при стерилизации (Рис. 5 б).

Рис. 5а.

Рис. 5б.

Контроль рН

Осуществляется стеклянным электродом, при этом измеряется разность потенциалов между хлорсеребряным электродом Ag/AgCl и каломельным электродом Hg2Cl2/Hg сравнения, а первый находится внутри колбы из соответствующего стекла. Потенциал стекла зависит от рН.

Оба электрода вмонтированы  во фторопластовые втулки и прокладки из силиконовой резины. Из насыщенного раствора KCl внутри стеклянной колбы осидов KCl оседает на стенках, увеличивая сопротивление электрода воздействию среды при стерилизации.

Электрод сравнения помещен в асбестовый или фарфоровый цилиндр, которые обеспечивают контакт с раствором.

Оба электрода защищены стеклянными цилиндрами с отверстиями для перетекания жидкости.

Внутреннее сопротивление системы 300-500 МОМ. Уменьшение внутреннего сопротивления добиваются введением в состав стеклянной мембраны тугоплавких Li или La.

Электроды выдерживают до 20 стерилизаций паром при 120°С в течение 1 часа.

Стерилизовать можно прямо в ферментере или в автоклаве.

Непрерывное измерение и регистрацию рН можно осуществлять, помещая вспомогательный электрод в стеклянную трубку с отверстием, закрытым стекловатой либо асбестом.

Разработана измерительная схема, в которой для непрерывного измерения величины рН электроды вынесены из ферментера но помещены в отдельной проточной ячейке для которой отдельно выполнена схема стерилизации (рис. 6).

                                          

Рис.6. Контроль рН в промышленном ферментере:

1 – емкость для кислоты или щелочи,

2 – соленоидный клапан,

3 – рН-измеритель и самописец,

4 – соединительная коробка,

5 – стеклянный электрод,

6 – температурный компенсатор,

7 – вспомогательный электрод.

Растворенный кислород

Датчики концентрации растворенного кислорода работают на электрохимическом принципе амперометрически.

Главным элементом является тефлоновая мембрана, которая стерилизуется паром, что позволяет организовать непрерывный контроль.

Датчик показан на рис. 7.

Рис. 7. Датчик для определения концентрации растворенного кислорода: 1 – минивольтметр, 2 – пластмассовый колпачок, 3 – отверстие, 4 – стеклянная трубка, 5 – алюминиевая трубка (нм Pb), 6 – нихромовый стержень, 7 – резиновое кольцо, 8 – тефлоновая мембрана, 9 - платиновая пластинка, 10 – резиновая прокладка, 11 – электролит (раствор), 12 – эпоксидная смола

Изолированный нихромовый стержень контактирует с платиной сквозь прокладку между ней и свинцовой трубкой.

Тефлоновая мембрана (8) плотно прижимается к платиновому катоду (9). Анодом является алюминиевая трубка (5), через которую проходит проволока из нихрома, изолированная от алюминиевой трубки эпоксидной смолой. Кольцеобразное пространство между стеклянной и алюминиевой трубками заполнено электролитом, который представляет собой насыщенный KCl в 95%-ном растворе этиленгликоля. Растворенный кислород генерирует потенциал.

Потенциалопределяющие реакции:

Катод: 3O2+6H2O+12e→12OH

Анод: 4Al+12Cl→4AlCl3+12ē

Такой электрод удовлетворительно работает примерно 2 месяца и выдерживает 45 стерилизаций.

Разработаны датчики, работающие на принципе диффузии кислорода в азот, протекающий в трубке, через стенки тефлоновой трубки. Далее азот, содержащий кислород поступает в газоанализатор, где регистрируется концентрация кислорода.

Разработан также комбинированный тип датчика, основанный на диффузии газа через мембрану с последующим определением концентрации газа в смеси с помощью вынесенного наружу ионактивного электрода.

Регулирование ферментации по концентрации растворенного кислорода

В любом ферментационном процессе активность м.о. меняется и необходимо точно и непрерывно записывать концентрацию растворенного кислорода. Ориентируясь на эту величину, регулируется скорость вращения мешалки и скорость подачи воздуха.

Используется электрохимический метод измерения с вращающимся амальгамиированным серебряным электродом. Поверхность электрода обновляется вращающимся фетровым диском.

Такой электрод используется при ферментации пенициллина и тетрациклина в 1000 литровом ферментере.

В одном из описанных исследований потребление кислорода микробами регулировалось путем изменения скорости вращения мешалки при постоянной скорости подачи воздуха. Из выходящих газов удаляли влагу и СО2 и концентрацию кислорода производили газоанализатором.

Скорость вращения мешалки автоматически изменялась при изменении концентрации кислорода по заданной программе.

Пеногашение

Проверено, что пенообразование снижается в присутствии противопенных агентов, особенно, в сочетании с механическим пеногасителем, который располагается на валу мешалки.

Автоматическая схема регулирования пеногашения (Рис. 9) работает следующим образом. Когда пена соприкасается с гуммированным электродом, срабатывает соленоидный клапан, через который в ферментер поступает стерильный противопенный агент. Для равномерного распределения агента по поверхности среды устанавливается отражатель. Количество противопенного агента контролируется регулятором с выдержкой времени.

Рис. 9.  Регулирование пеногашения культуральной среды:

1 – линия противодавления,

2 – емкость с маслом,

3 – мерная стеклянная трубка,

4 – регулятор с выдержкой времени,

5 – детектор,

6 – проходной изолятор,

7 – сток,

8 – гуммированный электрод,

9 – чувствительный наконечник, 10 – вал мешалки,

11 – пеногаситель,

12 – отражатель,

13 – крышка ферментера,

14 – соединение,

15 - смотровое стекло,

16 – сужающийся наконечник,

17 – отборник,

18 - соленоидный клапан.

Измерение концентрации СО2 в выходящих газах

Параметр контролируется по теплопроводимости или с помощью инфракрасного анализатора.

Температура

Температура процесса должна непрерывно контролироваться, так как в большинстве случаев м.о. функционируют в узком интервале температур. Для измерения используют ртутные термометры, термопары и металлические термометры сопротивления.

Давление

В условиях стерильности хорошо работают обычные диафрагмовые манометры. Сигнал реализуется непосредственно на исполнительном устройстве или преобразуется в электрический для включения или выключения компрессора. Снижение давления сигнализирует о необходимости принять меры к усилению герметичности.

Рис. 10. Схема поддержания давления воздуха:

1 – манометр на трубопроводе,

2 – заслонка на линии ввода газа,

3 – заслонка на линии вывода газа,

4 – манометр в ферментере.

Скорость подачи газа и жидкости

Для этого применяется расходомеры переменного сечения - ротаметры и диафрагмы. Положение поплавка по емкостному принципу преобразуется в электрический сигнал и управляет вентилем на трубопроводе.

Уровень жидкости в ферментере

Обычные методы здесь неприменимы, из-за сильного пенообразования. Целесообразно использовать весовой принцип, в котором фиксируется масса аппарата. Соответствующий датчик передает сигнал на прибор, градуированный в единицах уровня.

Реологический контроль при культивировании

Культуральная жидкость, содержащая грибы или актиномицеты, проявляет свойства неньютоновских жидкостей в разной степени. Penicillium chrysogenum в среде на основе кукурузного отвара или молочного сахара проявляет стабильно свойства псевдопластического потока. В то же время Coniothyrium helleborio при трансформации стероидов проявляет свойства пластического или непластического потока в зависимости от условий культивирования.

Если среда имеет неньютоновские характеристики, распределять питательные вещества и кислород в микробной популяции затруднительно. Поэтому регулировать условия ферментации возможно путем регулирования вязкости.

Измерения, выполненные для ферментации канамицина, показали, что в процессе ферментации дыхательная активность, концентрация биомассы и вязкость закономерно изменяются (рис. 11).

Рис.11. Кинетика ферментации канамицина

На всех стадиях роста μизм. можно уменьшить примерно на 50% путем разбавления среды путем добавления 15% питательного вещества.

Применение других физических методов для регулирования

процесса ферментации

Количество частиц в единице объема жидкости можно определить по величине вязкости, так как относительная вязкость по формуле Эйнштейна связана с объемным содержанием частиц, взвешенных в среде:

μотн.=1+2,5Y

Однако это уравнение справедливо для частиц сфероидальной формы Симх рассчитал поправки на отношения большой и малой осей частиц. Для микробных суспензий уравнение неприменимо.

Но если предположить, что разработаны точные датчики, то зависимость между μотн. и Y можно использовать, что позволит не прибегать к обычному методу взятия проб.

При культивировании часто используется также измерение оптической плотности с помощью электрофотометра с целью непрерывной регистрации изменяющейся плотности суспензии.

Для этой же цели можно измерять скорость осаждения микробной суспензии в гравитационном или центробежном полях.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25181. Києво-Могилянська Академія та її роль у формуванні української філософії 25.5 KB
  КиєвоМогилянська Академія та її роль у формуванні української філософії Заснована Петром Могилою у 1632 р. В академії вперше для східних слов'ян почалося систематичне викладання філософії. Викладання філософії передбачало: діалектику логіку фізику математику та метафізику. Про це свідчить хоча б те що кожен професор філософії повинен був виробити собі свій оригінальний курс.
25182. Cимволізм культури. Сутність символу 28 KB
  Зміст поняття символу розкривається через суміжні до нього поняття знаку і образу. Усвідомлення сутності символу неможливе без співвіднесення його з образом. Образ не є уявленням він скоріше предмет уявлення. Будьякий смисл є образом і будьякий образ є хоча б певною мірою символом.
25183. Буття-в-собі і буття-для-себе в параці Ж.-П.Сартра Буття і ніщо 26.5 KB
  Буттявсобі і буттядлясебе в параці Ж.Сартра €œБуття і ніщо€. Буття – не створене ніким і нічим воно просто є воно не активне не пасивне не імманенте. Буття є те що воно є це позитивність непов’язана з часом.
25184. Філософські школи античності 30.5 KB
  Філософські школи античності Немає філософії взагалі існують її конкретні історичні прояви. Усю 1200 річну історію античної філософії можна розбити на 3 етапи: класика або еллінська філософія еліністична філософія та філософія доби Римської імперії. Рання класика або натурфілософія – початковий період філософії. До філософії можна прийти лише знаючи математику.
25185. Основні засади ФІ Гегеля та Канта 34.5 KB
  Історія людства в своїй цілісності стає об'єктом теоретичної реконструкції та аналізу в творчості Канта а своє логічне завершення ці пошуки знаходять в філософії історії Геґеля. Найхарактернішою ознакою німецької класичної філософії є визнання субстанційності історії. Продовжуючи просвітницьку традицію Кант та Геґель постулювали як засадничу основу історичного процесу розум раціональне впорядкування історії. ФІ на відміну від емпіричних описових досліджень історії має представити всесвітню історію як систему€...
25186. Методи теоретичного пізнання 30 KB
  Теоретичне пізнання це пізнання яке ґрунтується на споглядальному відношенні до дійсності тобто має чисто інтелектуальний характер. До загальних методів теоретичного пізнання відносять аналіз та синтез. Третім загальнонауковим методом теоретичного пізнання є ідеалізація.
25188. М.Шелер. Положення людини в космосі 30.5 KB
  Положення людини в космосі М. Причини: відсутність єдиної ідеї людини спеціальні науки психологія соціологія біологія і ін. зосереджуючись на окремих проявах людської життєдіяльності скоріше приховують сутність людини ніж розкривають. Двозначність поняття людини: 1.
25189. Сутність матеріалістичного розуміння історії 28 KB
  зору його внутрішньої структури; з т. зору процесу в якому задіяний: його історичних складових і звязків; з т. зору закономірностей його розвитку переходу одного його історичного стану в інший.