Біологічні науки/6. Микробиология

ВОЙЧЕНКО В. В., БЕЛЫХ И. А., ЗИНЧЕНКО В.Д.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВ В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТОВ СОРБЦИОННЫХ НАСОСОВ И ФОРВАКУУМНЫХ ЛОВУШЕК ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЕЗМАСЛЯНОГО ВАКУУМА В ПРОЦЕССЕ ЛИОФИЛИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ШТАММОВ МИКРОРГАНИЗМОВ

Длительное сохранение жизнеспособности штаммов микроорганизмов требует определенных условий и достигается в настоящее время несколькими способами: периодическим рекультивированием в случае стабильных штаммов, хранением в глубоко замороженном или в лиофилизированном состоянии. Последний метод позволяет продолжительное время сохранять почти без изменений все свойства биопрепарата или продуцента, не требует больших экономических затрат при изготовлении и хранении. Однако лиофилизация это сложный технологический процесс в результате, которого часть микробной культуры отмирает. Поэтому необходимо разработать такие условия лиофилизации, которые позволяют сохранять наибольший процент жизнеспособных клеток после высушивания. До сих пор условия лиофилизации бактерий подбираются эмпирическим путем: изменяют какой-либо технологический параметр и определяют выживаемость бактерий. Большое влияние на сохранение жизнеспособности и продуктивности микроорганизмов при замораживании, хранении и последующем оттаивании оказывают условия замораживания: скорость и температура, длительность процесса, наличие и состав питательных сред, продолжительность хранения, условий культивирования, возраста культуры.

Одним из важнейших технологических условий лиофилизации микроорганизмов является создание и поддержание безмасляного вакуума в системе, т.е. требуется создание не только очень высокого, но и очень «чистого» вакуума. Под последним подразумевается отсутствие в составе остаточных газов приборов углеводородов, попадающих в основном из насосов, применяемых для откачки приборов, например, из паромасляных насосов. Один из путей снижения содержания углеводородов в вакуумных приборах – применение безмасляных средств откачки, а также использование сорбционных ловушек.

Одним из таких средств сегодня является цеолитовый насос. Данный насос относится к вакуумным насосам сорбционного типа с предварительной регенерацией, т.е. удалением влаги и остаточных газов. Совместное использование цеолитового насоса с сорбционной форвакуумной ловушкой, наполненной также цеолитом, обеспечивает условия безмасляного вакуума с подключенным к системе форвакуумным насосом.

В данной конструкции насоса и форвакуумной ловушки используется природный цеолит Сокирницкого месторождения. По химическому составу Сокирницкий цеолит относится к натриево-калиевым цеолитам. Кристаллохимическая формула клиноптилолита:  (NaK)₄ CaAl₆ Si₃₀ O₇₂×24H₂O. Границы изменения отношения Si/Al для клиноптилолита составляют 4,25-5,25.

Цеолит является гетерополярным адсорбентом и характеризуется наличием катионов и анионов, поэтому поглощающие свойства определяются, в основном, электростатическими силами. Гетерополярными являются и природные и искусственные цеолиты и имеют общую формулу:

RO Al₂O₃ x SiO₂ n H₂O,

RO – окисел какого-либо металла; n – число молекул кристаллизационной воды; х – мольное соотношение SiO₂/ Al₂O₃

В структуре цеолитов различают первичную и вторичную пористость. Первичная пористость образуется при нагреве цеолита до 180-430°С за счет удаления кристаллизационной воды. Эта пористость может быть представлена в виде сферических полостей, соединяемых между собой узкими парами или окнами. Диаметры первичных пор различных цеолитов находятся в пределах 3,8-10 Ǻ. Вторичная пористость образуется при соединении отдельных кристаллов цеолита, имеющих размеры в несколько микрон, в гранулы при помощи различных связующих добавок. Диаметры вторичных пор цеолитов составляют (5-10)·10³ Ǻ. Доля поверхности вторичных пор мала, поэтому их вклад в процесс поглощения невелик. Они служат только каналами для доступа газа к внутренним полостям адсорбента.

Насос представляет собой баллон, заполненный цеолитом и приспособленный для охлаждения жидким азотом.

Цикл работы цеолитового насоса следующий. При закрытом клапане, соединяющем его с вакуумной системой, и открытой в атмосферу пробкой производят регенерацию, т. е. восстановление сорбционной активности, цеолита. Регенерация цеолита происходит при прогреве его при температуре 300°С в течение 3-х часов. После регенерации печь заменяется сосудом Дьюара и насос охлаждается до температуры – 196 °С. После охлаждения цеолита насос способен производить откачку. При насыщении цеолита откачиваемым газом производят его повторную регенерацию, для чего насос предварительно отделяется клапаном от откачиваемого сосуда.

ВЫВОДЫ

1. Использование данной конструкции цеолитового насоса в комбинации с форвакуумной сорбционной ловушкой дает возможность использовать механические вакуумные насосы в процессе лиофилизации микроорганизмов, что обеспечивает поддержание необходимого безмасляного вакуума в системе.

2. Адсорбционный цеолитовый насос позволяет создавать в объемах до нескольких сотен литров разряжение 10^-1 – 10^-2 мм.рт.ст. Для получения более низкого давления до 10^-3 – 10^-4 мм.рт.ст целесообразна последовательная работа двух и более насосов. При этом один из насосов охлаждается и откачивает газ как из объема реципиента, так и из объемов остальных еще не охлажденных насосов. После насыщения первый насос отключается, охлаждается следующий насос и т.д.

3. Форвакуумная сорбционная ловушка дает возможность отказаться от постоянно охлаждаемого десублиматора для конденсации водяных паров в процессе лиофилизации.