Непрерывная стерилизация
На рис. 9.24 схематично изображены два основных типа непрерывных стерилизаторов. В первом из них (рис. 9.24, а) нагревание осуществляется путем введения струи пара, затем нагретая жидкость проходит через секцию с постоянной температурой и, наконец, охлаждается путем распыления. В схеме, изображенной на рис. 9.24,6, стерилизуемая жидкость нагревается в пластинчатом теплообменнике. Предложено много вариантов стерилизаторов каждого типа; многие из них отличаются особенно высоким отношением поверхности теплообмена к объему аппарата. Такие стерилизаторы обеспечивают относительно быстрое нагревание и охлаждение, поэтому в них может быть реализован режим ВТКВ.
Если допустить, что температура в каждой точке непрерывного стерилизатора приблизительно одинакова (это допущение справедливо по крайней мере для секции выдержки температуры), то для математического анализа и расчета стерилизатора применимы два подхода. В первом подходе используется описанная выше дисперсионная модель, в которой в уравпепиях (9.81) — (9.83) rfn заменено на — rdn, а с — на п. Тогда концентрацию организмов в выходящей из трубчатого стерилизатора среде можно определить аналитически и при наличии осевой дисперсии. Таким путем можно найти, что величину п в выходящей из стерилизатора среде можно выразить уравнением:
(9.107)
где
(9-108)
а число Дамкелера Da определяется по формуле:
РИС. 9.24. Два типа стерилизаторов непрерывного действия: инжекционный стерилизатор с непосредственным введением пара (а) и стерилизатор с пластинчатым теплообменником (б), (Из работы: Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н., Биохимическая технология и аппаратура. — М,: Пищевая промышленность, 1975, с. 182.)
(9.109)
При небольших отклонениях от режима полного вытеснения (при малых Ре-1) уравнение (9.107) упрощается:
(9.110)
Эти уравнения удобно решать графически в виде зависимости доли выживших клеток п(L)/п0 от критерия подобия Da для различных значений числа Пекле (рис. 9.25). Эти зависимости показывают, что при Ре→∞ (и, следовательно, при приближении к режиму полного вытеснения) необходимая степень стерильности может быть достигнута в самом коротком трубчатом стерилизаторе. Отсюда далее следует, что конструкция непрерывного стерилизатора должна обеспечивать минимальную осевую дисперсию.
Если по какой-либо причине поток через изотермический непрерывный стерилизатор нельзя удовлетворительно описать дисперсионной моделью, то мы можем обратиться к общей теории РВП. Трудно представить себе лучший пример полностью сегрегированной системы, чем суспензия клеток или спор, подвергающаяся тепловой обработке. Поэтому, если обратная диффузия организмов в линию подачи в стерилизатор исходной суспензии ничтожно мала, то концентрацию выживших организмов п на выходе из стерилизатора можно рассчитать с помощью уравнения (9.62). Записав это уравнение в параметрах концентраций организмов, получим
(9.111)
Здесь E(t)—функция РВП непрерывного стерилизатора. Напомним, что nb(t)—концентрация организмов в периодическом стерилизаторе в момент времени t, причем nb(0)=n0. Из уравнений (7.125) и (9.111) следует, что
(9.112)
Многда вычисление правой части уравнения (9.112) облегчается тем, что формально оно идентично преобразованию Лапласа функции E, в котором обычный параметр преобразования Лапласа s заменен на kd.
РИС. 9.25. Влияние осевой дисперсии на разрушение организмов в непрерывном стерилизаторе. (Из работы: Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н., Биохимическая технология и аппаратура.— М.: Пищевая промышленность, 1975, с. 187.)
В заключение следует отметить некоторые другие (помимо упоминавшейся возможности осуществления режима ВТКВ) преимущества непрерывной стерилизации. Во-первых, непрерывная стерилизация по сравнению с периодическим процессом обычно менее трудоемка. Во-вторых, аппараты для непрерывной стерилизации обеспечивают большую однородность условий и воспроизводимость результатов, что особенно важно в пищевой промышленности, где даже небольшие отклонения от режима обработки могут существенно влиять на вкусовые качества продукта.
В микробиологической промышленности периодическая стерилизация обычно осуществляется непосредственно в реакторе (in situ). В таких случаях скорость нагревания и охлаждения зависит от отношения площади поверхности реактора к его объему, а эта величина в свою очередь изменяется при масштабном переходе. В непрерывной стерилизации может быть снижена зависимость влияния стерилизации на организмы и компоненты среды от размеров аппарата, и, кроме того, при проектировании реактора отпадает необходимость учитывать требования, предъявляемые к эффективному периодическому стерилизатору.
Конечно, стерилизация в потоке имеет и свои недостатки. Так, стерилизация путем прямого ввода пара в среду может привести к излишнему разведению системы водой, а использующиеся для нагревания или охлаждения поверхностные теплообменники могут засоряться в результате осаждения суспендированных твердых частиц. При непрерывной стерилизации повышается вероятность вспенивания культуральной жидкости. Другие сведения о преимуществах и недостатках различных стерилизаторов можно найти в работе [33], приведенной в гл. 7.