浅谈微生物发酵工程设备设计研发中的若干问题

浅谈微生物发酵工程设备设计研发中的若干问题

黄林

身份证：45098119870209XXXX

摘要：随着人生活质量的不断提高，在追求物质满足的基础上对健康方面的越来越重视。世界各国都将生物技术视为一种高新技术。微生物发酵工程的发展人类未来面临的食品、健康、环境及经济发展等问题具有至关重要的作用，因此许多国家都经微生物发酵工程技术确定为国力和经济实力的关键技术之一。而微生物发酵工程生产设备研发方面是我国微生物工业的薄弱环节，现结合微生物发酵工程对工程设备设计中碰到的相关问题进行严谨、细致、全面的分析，提出有效的解决方案，推动我国微生物工程的发展。

关键词：微生物；发酵工程；机械设备；设计；问题

微生物发酵工程设备直接与成品、半成品和原辅料接触，是造成药品生产差错和污染的重要因素。为了获得大量的微生物，现已采用纯种培养，在接种前，整个培养系统需处于无微生物的状态（即无菌状态）。如果微生物培养过程中受到非生产微生物的污染，会产生各种不良的后果，具体包括：造成原料的损失和产量的下降；增加分离难度，降低收货率或者是产品质量下降；严重的会使培养过程彻底失败导致原材料的浪费，造成严重的经济损失。因此，如何确保设备中只存在生产微生物，无其他的微生物共存，成为评判是否合格一项重要指标。因此，微生物发酵工程设备设计开发过程中，无菌概念应始终贯彻于整个系统中。

1.空气除菌处理系统的设计

微生物的生长发育和合成代谢产物都需要消耗氧气，它们只有在氧分子存在的情况下才能完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧生物必不可少。而除了人工营造的无菌室，细菌是无处不在，因此无菌空气的制备构成了一个空气处理系统，它是微生物发酵工程的重要环节。

空气处理系统设计应该注意以下几点：

A.空气处理系统的最终目的是除菌，空气进入最终除菌过滤器之前，应堆空气进行预先处理，才能更加有效除菌。空气预处理结构设计围绕两个目的来进行：一是提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷；二是去除压缩空气中所带的油水和较大的颗粒物，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器。

B.过滤除菌是目前微生物发酵工程中经济实用的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而取得无菌空气。由于被过滤微生物粒子很小，一般只有0.2-2um，因此应选用可过滤直径小于微生物直径的过滤器，目前新一代聚四氟乙烯微孔滤膜过滤器应用较为广泛，其疏水性强，可以反复蒸汽灭菌，85%容尘空间，过滤精度0.01um，可99.9999%去除微生物；可以作为无菌空气的终端过滤器，以及无菌槽、罐的呼吸过滤器机发酵罐尾气除菌过滤器，过滤介质经过折叠后制成滤芯面积大、阻力小、更换方便。

C.除菌过滤本身必须经过蒸汽加热灭菌之后才能起到除菌过滤以提供无菌空气的做用。除菌过滤器结构设计应考虑蒸汽冷凝水的排净功能；过滤器灭菌（最好不使用二次蒸汽进行灭菌）之后使用空气彻底将滤芯吹干备用。

D.目前大多数企业各发酵罐多级过滤器保证空气的洁净度及无菌性。但是发酵系统的无菌控制直接关系到生产的成败，因此无菌的检查是发酵工程必须的工作内容，空气除菌处理系统增加设计无菌空气的检查结构。

2.补料系统结构的设计

微生物发酵过程中，为了解除底物浓度过高、产物的反馈和分解代谢物对微生物生长的抑制作用，采用补料分批技术，可以减少非生产菌体生长，提高有用产物的转化率，菌种的变异及杂菌污染问题容易控制，便于自动化控制。虽然补料系统有着各种各样的好处，但是如何确保补料系统无菌化，是设计补料系统结构的关键点。

A．装载物料补料瓶通过高压锅炉进行离线灭菌，然后将灭菌的补料系统接入发酵系统，设计时应确保对接处无泄漏，无灭菌死角，避免补料过程造成发酵系统染菌。

B．通过补料罐体对发酵系统补料的方式，设计时应确保连接管路可以进行单独清洗及灭菌，同时确保管路与发酵系统和补料系统对接处无泄漏，无灭菌死角，避免管路接入过程中造成发酵系统和补料系统染菌。另外，蒸汽管路设计时，明确要求源端蒸汽压力和管路大小，保证蒸汽总压达到标准，确保补料系统单独灭菌时将管路彻底灭菌。

C．补料系统的管道在设计时，应明确管路安装布置时，要有2%的坡度，以便料液排净；同时要求避免出现U型管路的布置，最终要求整个补料系统不出现管内积液，防止清洗和灭菌不彻底问题出现。

在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有蛋白类表面活性剂存在，在通气条件下培养液就行程了泡沫。发酵过程中产生少量泡沫是正常的，过多的泡沫会严重微生物的发酵，因此，控制泡沫是正常发酵的基本保证。泡沫消除的主要方式有一下两种：机械消泡和消泡剂消泡。

机械消泡法具有节省原料、减少染菌机会，但是其消泡效果不理想。现大部分企业选用消泡剂消泡的方式，添加消泡剂过程中同样需要向补料系统一样保证无菌，其结构可参照补料系统。

3.微生物发酵系统整体设计

A．发酵罐是发酵过程最主要设备，因此发酵罐的设计和加工至关重要。

为了更加方便的清洗设备，罐内壁抛光要求达到Ra0.4um；内盘罐的固定方式最好不要使用U型卡，当消毒时，罐体震动，螺丝容易掉落；选择质量好、且耐压的内盘管，以免冷水泄露到发酵罐内造成染菌；选用通气环管时，应考虑固体颗粒物容易堵塞小孔，造成灭菌不彻底；搅拌系统尽量使用焊接代替螺丝连接，减少螺纹处的清洗死角。

B.微生物发酵配套的管路应尽量简单，使用，尽量减少管路死角和泄漏点；阀门的选用要求比较高吗，不能发生渗漏且不能有灭菌死角。在进行管路设计时，应特别注意一下几点：

①．管与管对焊时，管口应进行平口，保证对接平整，有利于焊缝成型平整。

②．管道与法兰焊接时，必须先将与物料接触的那一面焊接，并通过验证确保无泄漏，进行另外一面焊接，而且焊接时要保证焊缝成型好，确保管道无死角。

③．管道的连接时力求简单，如需要拐弯时，尽量使用不锈钢管制作弯管，减少管道中出现的焊缝。

④．工艺管道的在设计过程中，要明确指出管路必须带有2%的坡度，目的是要杜绝管道内出现积液现象，防止灭菌不彻底。

⑤．管路设计过程中，避免出现U型或者V型的管路设置，目的是杜绝管道内部出现积液现象，防止灭菌不彻底。

⑥．物料管道中增加吹扫功能，将更加有效避免管内积液，灭菌更加彻底。

⑦．法兰对接时，选用法兰垫片应大小合适，不能采取过大或者过小垫片。移种补料尽量采用焊式三通隔膜阀，减少法兰连接泄露的隐患。

⑧．尽量减少排污管路的数目，减少泄露和死角的隐患。

4.重视微生物发酵工程设备的安装调试问题

微生物发酵工程设备的设计开发是一项系统而复杂的工作，从设计、生产、质量、生物工艺等各个部门都需要相应的工作人员进行严格把关，但在实际设计中有点开发人员设计能力不足，工作未能尽职尽责，做事太过马虎，对待工作重视程度不高等原因，使得生物发酵工程设备的设计开发常常会遇到各种各样的问题，影响设备的最终效果。因此，设计开发过程应增加安装确认和运行确认等检验环节。在实际安装中若发生异常情况，开发人员应对具体情况作出分析报告，并在第一时间将问题进行彻底解决，确保制药机械设备的正常调试与安装。另外，设备开发人员只有积极投入到设备的调试与安装过程中才能及时掌握设备的运行状况，对发现的问题进行纠正与改进。待调试与安装工作全部完成后监督小组成员需对整个工作流程中存在的问题进行详细的记录并上报给其他研发人员，以使其对后期工作的开展提供一定的借鉴，促进其不断的完善与进步从而为我国微生物发酵工程设备业的持续发展作出一定的贡献。

结束语：随着微生物发酵工程技术在生产上的不断应用，我国的微生物工程设备的研发环节需要综合考虑社会、经济、环境等众多因素，开发设计人员不断吸取新的知识，提高自身的设计开发水平，不断推动我国微生物工程设备的持续发展，为发酵工程行业做出一定的贡献

参考文献：

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[2]韩德权，王莘，赵辉，孙玉梅.微生物发酵工艺学原理[M].北京：化学工业出版社.2013

[3]于颖.制药工程制图[M].北京：化学工业出版社.2013

[2]汪钊，魏春，应向贤，岑沛霖.微生物工程[M].北京：科技出版社.2013