Ця частина проекту характеризується переходом від абстрактних розрахунків та схем до наочного бачення майбутнього підприємства. Сутність проектування промислових будівель мікробіологічних виробництв - це в першу чергу, задоволення вимог досконалої технології, забезпечення необхідних санітарно-гігієнічних умов для працівників, бути простими у компонуванні, уможливлювати зміни технологічного процесу, відповідати вимогам економіки, індустріалізації будівництва, а також естетики.
Винятково важливим завданням є відповідність якості препаратів сучасним вимогам і дотримання принципів і правил Належної Виробничої Практики (GМР).
Основний принцип вимог GМР, який стосується приміщень і обладнання полягає в тому, що «приміщення і обладнання належить розташовувати, проектувати і експлуатувати таким чином, щоб вони повністю відповідали операціям, які проводяться; їх розташування і конструкція повинні зводити до мінімуму ризик помилок і забезпечувати ефективне очищення і обслуговування з метою запобігання перехресної контамінації, накопичення пилу чи бруду».
Під час проектування і будівництва необхідно дати обгрунтування розмірів будівлі , площі окремих виробничих і допоміжних приміщень.
Планування приміщень здійснюють згідно з логічною послідовністю операцій технологічного процесу і належними рівнями чистоти. Зберігання і зважування вихідних і кінцевих продуктів виробництва антибіотиків, гормонів і сильнодіючих препаратів, а також продукції немедичного призначення, повинне здійснюватись в окремих приміщеннях і на окремому обладнанні.
Приміщення різних класів чистоти повинні бути відокремлені одне від одного перегородками та повітряними шлюзами, а також передбачені заходи щодо забезпечення стерильності окремих приміщень.
Технологічне обладнання належить проектувати, розміщати і експлуатувати так, щоб воно використовувалось за прямим призначенням і не було небезпечним для продукції.
«Чистим» приміщенням або «чистою» кімнатою називається приміщення, в якому облікова концентрація аерозольних частинок і число мікроорганізмів у повітрі підтримується в суворо визначених межах. Під частинкою розуміється твердий, рідкий або багатофазний об'єкт або мікроорганізм із розмірами від 0,005 до 100 мкм. При класифікації «чистих» приміщень розглядаються частинки від 0,1 до 5 мкм.
Важливою характеристикою «чистого» приміщення є його клас. Клас «чистого» приміщення характеризується класифікаційним числом, що визначає максимально допустиму облікову концентрацію аерозольних частинок зазначеного розміру в 1 м3 повітря. Для одержання повітря з необхідними характеристиками повинні бути використані способи, що пройшли валідацію, внесені в технологічний регламент і дозволені в установленому порядку уповноваженим державним органом.
Чисті зони для виробництва стерильної продукції класифікують відповідно до необхідних характеристик навколишнього середовища. Кожна виробнича операція вимагає відповідного рівня чистоти навколишнього середовища в експлуатованому стані для зведення до мінімуму ризику контамінації частками або мікроорганізмами продукції чи оброблюваних матеріалів.
Для відповідності вимогам в умовах «експлуатації» ці зони мають бути спроектовані так, щоб забезпечити точно визначений рівень чистоти повітря в «оснащеному» стані. «Оснащений» стан – це умова, за якої система чистого приміщення цілком підготовлена, виробниче обладнання цілком встановлене і готове до роботи, але персонал відсутній. «Експлуатований» стан – це умова, за якої система чистого приміщення й обладнання функціонують у встановленому режимі з визначеною кількістю працюючого персоналу.
Клас A: Локальна зона для операцій, що становлять високий ризик для якості продукції, наприклад: зони дозування, закупорювання ємностей, відкривання ампул і флаконів, змішування в асептичних умовах. Як правило, такі умови забезпечуються ламінарним потоком повітря на робочому місці. Системи ламінарного потоку повітря мають забезпечувати рівномірну швидкість повітря в діапазоні 0,36 – 0,54 м/с (керівний норматив), що застосовне до відкритого робочого місця в чистій кімнаті. Найвищий клас чистоти.
Клас B: Навколишнє середовище для зони класу А у разі виготовлення і наповнення первинної тари та герметизації її в асептичних умовах. Приміщення класу А розміщають в середині приміщення класу В.
При виробництві ферментів, амінокислот, антибіотиків і інших продуктів мікробного синтезу стоїть завдання виділити цільовий продукт з культуральної рідини і отримати його в чистому вигляді. Це складне технічне завдання, для її вирішення потрібне багатостадійне селективне розділення сумішей. У схемі виробництва очищених продуктів мікробного синтезу можна виділити чотири основних, практично загальних для всіх випадків, етапи технології. Перший – мікробіологічний синтез; другий — розділення фаз культуральної рідини; третій – виділення концентрату або напівпродукту з відповідної фази (нативного розчину, біомаси, культуральної рідини); останній — отримання з концентрату або напівпродукту чистої речовини.
Продукти мікробного синтезу виділяють безпосередньо з культуральної рідини без попереднього відділення біомаси, з водної фази (нативного розчину) після відділення біомаси або з біомаси після розділення фаз. Перший спосіб використовують в тих випадках, коли розділення фаз з яких-небудь причин представляє великі труднощі; у промисловості він застосовується достатньо рідко. Технологічно вигідніше виділяти продукт з нативного розчину. Це можливо, якщо цільовий продукт після закінчення біосинтезу знаходиться у водній фазі або може бути переведений в неї зміною значення рН. У тих випадках, коли цільовий продукт практично не розчиняється у воді, його виділяють з твердої фази – біомаси.
Процес мікрофільтрації близький до звичайної фільтрації, стерелізуючої фільтрації. Мікрофільтрація через пористі мембрани з діаметром пір від 0,1 до 10 мкм застосовується для відділення дрібних частинок твердої фази. (кількість пор досягає 70—80% загального об’єму мембрани), тому процеси протікають швидко. Проте після процесу поверхня мембрани закупорюється, тому швидкість зменшується. Тому використовують різні способи турбулізації середовища: механічне перемішування або вібрацію. Процес мікрофільтрації ведуть при різниці тиску 0,1—0,2 МПа.
Мембрани виготовлені з різноманітних органічних, тобто полімери (гідрофобні і гідрофільні) або неорганічних (кераміка, метали, скла) матеріалів.
Установки МФ можуть містити ряд мембранних модулів різної конфігурації, включаючи рулонні (спіральні), половолоконной (капілярні), плоскорамние або трубчасті (у тому числі керамічні).
Ультрафільтрація – процес концентрації розчинів високомолекулярних з’єднань (наприклад, ферментів) з одночасним очищенням їх від низькомолекулярних домішок шляхом пропускання розчину через мембрану з порами розміром від 0,01 до 0,1 мкм. Щодо продуктивності процесу, то на відміну від мікрофільтрації або звичайної фільтрації при ультрафільтрації затримуються окремі молекули розчиненої високомолекулярної речовини; при ультрафільтрації відбувається не розділення фаз, а перерозподіл розчинених в рідкій фазі речовин.
О́смос (спонтанний перехід, однобічна дифузія через напівпроникну перегородку (мембрану), яка відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації. Рушійна сила — осмотичний тиск, що дорівнює надлишковому зовнішньому тискові, який треба докласти з боку розчину, щоб припинити осмос.
Зворотний осмос – процес, в якому за допомогою тиску примушують розчинник проходити через напівпроникну мембрану з більш концентрованого в менш концентрований розчин, тобто у зворотному для осмосу напрямку. При цьому мембрана пропускає розчинник, але не пропускає деякі розчинені в ньому речовини. Процес принципово аналогічний ультрафільтрації і відрізняється лише тим, що для нього використовують мембрани з порами меншого розміру (до 0,01 мкм) і вищий тиск (7—8 МПа замість 0,3—1 МПа). Устаткування, використовуване для проведення зворотного осмосу, подібне до установок для ультрафільтрації. Конструктивно, мембрана влаштована так, щоб забезпечувати самоочищення від забруднюючих компонентів. Тому зворотньосмотичні фільтри вимагають підключення до каналізації – щоб скидати брудну воду.
Залежно від товарної форми, яку необхідно отримати, а також від властивостей цільового продукту і культуральної рідини (або твердофазної культури), що переробляється, використовують ті або інші способи концентрації і виділення продуктів мікробіологічного синтезу. Простий спосіб переробки культуральної рідини — обезводнення шляхом випаровування або висушування без виділення цільового продукту в чистому вигляді. Отримуваний концентрат, крім основного продукту, містить біомасу культури – продуцента БАР, залишки поживних речовин і піногасник, інші метаболіти.
Для попереднього концентрування (згущення) широко використовують флотацію. Основною рушійною силою флотації є спливаючі бульбашки газу, які захоплюють клітини і виносять їх на поверхню. В результаті над шаром відпрацьованої культуральної рідини утворюється пінний шар, в якому сконцентровані клітини. Процес проводять в спеціальних апаратах - флотаторах, в яких нагнітають повітря і, в залежності від їх конструкції, диспергують його через барботер або ежектор, піну гасять і виводять сконцентровану в 4-6 разів суспензію клітин.
Для подальшого концентрування і відділення біомаси використовують сепарування (одноступеневе або багатоступеневе). Для концентрування суспензій та емульсій використовують сепаратори-згущувачі.(наприклад, відділення кашалотовою жиру, застосовуваного для піногасіння, від культуральної рідини). Застосування сепарування дозволяє з високою швидкістю обробляти більші обсяги важкофільтруємих суспензій, значно інтенсифікувати виділення й концентрування мікроорганізмів без істотних втрат і змін цільових продуктів. Рушійною силою процесу сепарування є відцентрова сила. Істотним недоліком сепараторів є швидка забиваємість мундштуків і міжтарільчатого простору механічними включеннями й мертвими дріжджами. Тривалість роботи сепараторів без чищення залежить від якості вихідної суспензії й правильної експлуатації й становить 12...24 години. Позитивний вплив на роботу сепараторів робить стадія флотації, при якій сепарируєма суспензія звільняється від ряду механічних домішок, що засмічують міжтарільчатий простір і отвори в мундштуках. Для більш ефективної роботи сепараторів вхідна дріжджова суспензія попередньо пропускається через сітчасті фільтри.
Осадженням називають процес, в якому додавання певних реагентів або зміна физико-хімічних умов викликає випадання розчиненої речовини (частіше за весь білок) в осад. Осадження широко застосовується у ферментній промисловості. Найчастіше для осадження ферментів використовують нейтральні солі (в цьому випадку процес називають висолюванням) або органічні розчинники, а також методи, засновані на зміні температури або рН розчину, додаванні високомолекулярних полімерів і ін.
Осадження органічними розчинниками: При додаванні до розчину ферменту (етанолу, метанолу, ізопропанолу, ацетону і ін.) знижується діелектрична постійна середовища. При цьому руйнується оболонка гідрату білка, і він випадає в осад. Концентрація розчинника, необхідна для осадження різних білків. На процес осадження ферментів органічними розчинниками впливає температура процес проводять від 0 до 5°С; для цього водний розчин ферменту охолоджують до 1—2°С, а розчинник – до мінус 10—15°С для уникнення нагріву
Висолювання пов’язане з посиленням орієнтації диполів води іонами солей, що приводить до руйнування шару гідрату навколо молекул білка і його коагуляції. Використовують сульфат амонію, хлорид натрію. Концентрація солі, що додається зазвичай близька до концентрації насичення. Сіль додають в сухому вигляді, невеликими порціями, при постійному перемішуванні, щоб уникнути утворення локальних зон з підвищеною концентрацією солі. Після чого утвор. осад. Висолювання використовують не тільки для виділення ферментів, але і для їх очищення від небажаних домішок.
Принцип дії полягає в розділенні суспензії при її пропусканні через пористу перегородку. Основна характеристика процесу — швидкість фільтрації (кількість фільтрату, що отримується з одиниці фільтруючої поверхні в одиницю часу). Швидкість фільтрації прямо пропорційна різниці тиску з обох боків фільтрувальної перегородки і обернено пропорційна гідравлічному опору перегородки з шаром осаду, що накопичився на ній. Опір осаду залежить від його фізико-механічних властивостей і товщини.
Параметри: об’єм фільтрату, площа поверхні фільтрації, тривалість фільтрації, різниця тисків, опір осаду, кінематична в’язкість фільтрату, опір фільтрувальної перегородки.
Процес фільтрації, при якому відбувається накопичення осаду, здійснюють у фільтрах застарілої конструкції — фільтр-пресах. Останнім часом з’явились фільтри, у яких операції фільтрації, промивання осаду та його зняття з фільтруючої перегородки автоматизовані. Це фільтр-преси рамні, стрічкового та баштового типу. З метою підвищення продуктивності устаткування фільтрації і зниження витрат ручної праці все ширше застосовують фільтри з механізованим зніманням осаду, зокрема барабанні вакуум-фільтри. Вони представляють барабан, занурений нижньою частиною в ємність, куди безперервно поступає культуральна рідина.
Центрифугування - процес розділення рідких неоднорідних систем у полі дії відцентрових сил. Залежно від властивостей дисперсних систем центрифугування здійснюють методами відцентрового фільтрування й осідання. Відповідно до методів розділення центрифуги підрозділяють на:
- відстійні (О), фільтруючі (Ф), комбіновані (К) центрифуги та сепаратори (С).
Ефективність роботи центрифуги кількісно оцінюється фактором розділення. Параметри: Фр – фактор розділення (або критерій Фруда —Fr); ω — кутова швидкість обертання ротора, с-1; R — радіус обертання частинки (відстань від частинки до осі ротора), м; g — прискорення вільного падіння, м/с2.
Фільтруючі центрифуги застосовуються для грубодисперсних суспензій, для виділення кристалічних і аморфних продуктів, промивання осадів, що виходять, а також для відділення вологи. Відстійні центрифуги застосовують для розділу погано фільтруючих суспензій, емульсій, для розділу суспензій з великим розміром часток твердої фази. Найбільш досконалими по конструкції вважаються центрифуги зі шнековим вивантаженням осаду, далі – з поршньовим, потім – саморозвантажні, з ножовим та з ручним вивантаженням осаду. Центрифуги безперервної дії, відстійні, горизонтальні зі шнековим вивантаженням осаду типу (НОГШ) призначені для розділення суспензій з об'ємною концентрацією твердої фази від 5 до 50% і розмірами часток від 5 до 500 мкм, а також для гідравлічної класифікації шламів по розміру твердих часток.
Випарювання – процес утворення парової фази, який відбувається в усій масі рідини і, головним чином, на межі між паровою бульбашкою і рідиною. Випарювання настає при температурі кипіння, при якій тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску.
Випарні апарати класифікують за наступними ознаками: періодичної та безперервної дії; роду теплоносіїв; методу обігріву; розташування і виду поверхні теплообміну (компонування й конструкція поверхні нагрівання); розташування робочого середовища; режиму та кратності циркуляції розчину.
Температура нагрівання випарюваного середовища залежить як від термолабільности цільових продуктів, так і хімічного складу середовища.
Параметри: Максимальна продуктивність за випаровуваною вологою, т/год; Коефіцієнт теплопередачі, вт/(м2·°с); Максимальна в'язкість концентрованого середовища, Па·с; Час перебування середовища в апараті, хв; Доцільна кількість ступенів випарювання; Продукти біосинтезу, що концентруються.