3 生物制药反应过程设备

LOGO第三章生物制药反应过程设备《制药设备及技术》LOGO生物制药基本过程如图所示，主要生产设备包括培养基配制及灭菌设备、空气预处理及灭菌设备、生物反应器和分离提取设备。生物制药基本流程LOGO第一节培养基配制及灭菌设备根据不同的细胞生长需要所配制的营养物质即培养基，培养基需要满足以下条件：①含有合适的营养物质；②合适的pH；③经灭菌后才能使用。由于大规模的微生物、动植物细胞培养都是纯种培养过程不允许有杂菌污染，所以要对培养基设备进行灭菌。在发酵工业中，广泛采用的培养基灭菌方法是湿热灭菌，即直接用高压蒸汽将物料升温至115℃～140℃后，保持一段时间以杀死所有的微生物。培养基的灭菌方法有实罐灭菌和连续灭菌两种。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备一、培养基实罐灭菌方法及设备实罐灭菌：将培养基置于发酵罐中用饱和蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间（30min左右），再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这种灭菌过程叫做实罐灭菌，又称分批灭菌（工厂里称实消）。1.实罐灭菌前的准备为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌前，检查发酵罐是否严密非常重要，发酵罐及附属设备必须全面进行严密度检查，尤其是与发酵罐直接相通的阀门的严密性，在确实无渗漏情况下才开始灭菌。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备2.实罐灭菌的操作实罐灭菌操作就是用表压0.3～0.4MPa的饱和蒸汽将培养基灭菌的过程。实罐灭菌时间与温度的关系LOGO第一节培养基配制及灭菌设备图中，Ⅰ～Ⅳ阶段温度与时间的关系如下：Ⅰ—夹套预热阶段，培养基由室温加热至80-90℃，夹套预热是为了防止进入罐内的水蒸气冷凝成水后改变培养基浓度。Ⅱ—直接蒸汽加热阶段，培养基由80-90℃加热至121℃.Ⅲ—保温阶段，121℃Ⅳ—冷却阶段，121℃冷却至培养温度。LOGO实罐灭菌过程示意图LOGO实罐灭菌动画LOGO第一节培养基配制及灭菌设备3.实罐灭菌时间的计算根据对数残留公式，实罐灭菌所需的理论时间可以用下式计算：02.303lgSNN式中，为灭菌时间，s；K为灭菌速度常数，为开始灭菌时原有菌的个数，个；为结束灭菌时残留菌的个数，个0N310SNNs1sLOGO第一节培养基配制及灭菌设备灭菌速度常数K与温度和被杀灭菌的种类有下列关系通常取代入上式得：/ERTKAe式中，A为系数，；E为灭菌时所需活化能，J/mol；R为气体常数，8.314J/（mol.K）；T为热力学温度，K。1s3611.3410,284219.12/ASEJmol14845lg36.127KTLOGO第一节培养基配制及灭菌设备二、培养基连续灭菌方法及设备连消：培养基的连续灭方法就是将发酵罐预先进行灭菌，将配好的培养基在向发酵罐输送的同时进行加热、保温和冷却，然后连续进入已灭好菌的发酵罐中。空消：又称空罐灭菌。培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法，则发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌，即发酵罐罐体的灭菌。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备（一）培养基连续灭菌流程培养基连续灭菌示意图LOGO第一节培养基配制及灭菌设备（二）连续灭菌的基本设备连续灭菌的基本设备一般包括：配料预热罐：将配好的料液预热到60～70℃，以避免灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声；加热器：作用主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（135℃左右）；维持罐：加热器加热的时间很短，通过维持管达到彻底灭菌的效果；冷却管：从维持罐出来的料液要经过冷却管进行冷却后，输送到预先已经灭菌过的罐内。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备１.加热器（１）塔式加热器培养基从塔底由连消泵打入，打料速度控制在使物料在蒸汽导入管与设备外壳的空隙间流速为0.1m/s左右。料液与小孔中喷出的蒸汽连续混合，在塔内停留20～30s后，从塔的上部流出。塔式加热器LOGO第一节培养基配制及灭菌设备（2）喷射式加热器料液在中间进入，蒸汽则在周围环隙中进入，同时在喷嘴出口处有一个扩大端，扩大端顶端上方设置了一块弧形挡板，增强了蒸汽与料液的混合加热效果。料液在进入加热器时的流速约为1.2m/s左右，蒸汽喷口的环隙面积约为喷嘴外径的一倍，扩大管高度一般为1米左右。此种加热器结构简单，噪声少，无震动。喷射式加热器LOGO第一节培养基配制及灭菌设备2、维持罐维持罐的结构高温培养基由进料口管道进入容器底部，因进料管由圆筒上部侧面伸入罐内通至下部，使料液自下向上流动，缓缓上升至出料口流出，如无返混，培养基在维持罐中的停留时间就是连续灭菌工艺所要求的保温时间或灭菌时间。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备由于容器直径较大，培养基在容器内的流速较小，这样在维持罐中物料的返混现象是不可避免的。因此，在维持罐设计时，取高径比为2.0～2.5较合适，且外壁要有保温层。设计培养基在维持罐中实际停留时间一般将理论灭菌保温时间乘上3～5倍。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备32V=60V=V+V=0.13D+DH4封底圆筒v维持罐体积的计算V----维持罐体积，m3；——料液体积流量，m3/h；——物料在维持罐中停留时间，min，——充满系数，取0.85～0.9。vVLOGO第一节培养基配制及灭菌设备3、冷却设备（1）喷淋冷却器喷淋冷却器的最上端有一个淋水槽，将水通过喷淋装置均匀地淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。喷淋冷却器冷却效果的优劣与淋水装置的安装是否合理关系极大。为了增加传热推动力，高温培养基应由底端进、上端出，物料在管道里流速0.6～0.7m/s。为了强化喷淋冷却器的冷却效果，该设备应放在通风的场所。LOGO第一节培养基配制及灭菌设备（2）真空冷却器真空冷却器真空冷却器的结构如图，其工作原理是高温培养基从维持罐进入真空冷却器内，在真空下，水分立即汽化使培养基温度下降。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备一、空气除菌方法及发酵用无菌空气的质量标准1.空气除菌方法(1)热杀菌(2)辐射杀菌(3)静电除菌(4)过滤除菌是目前生物工业生产中最常用、最经济的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而获得无菌空气。1.空气除菌方法LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备2.发酵用无菌空气的质量标准（1）空气的压强一般要求空气压缩机出口空气的压强控制在0.2～0.35Mpa（表压）。（2）空气流量发酵用无菌空气的设计和操作中常以通气比或VVM来计算空气的用量。（3）空气的温度一般控制进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10℃左右。（4）空气的相对湿度进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在60%～70&左右。（5）压缩空气的洁净度在设计空气过滤器时，一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备二、压缩空气过滤除菌工艺流程空气除菌流程是根据生物工业生产中对无菌空气的要求（无菌程度、空气压力、温度和湿度）和空气的性质，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性而制定的。空气过滤除菌有多种流程，下面介绍几个较为典型的设备流程。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备图3-10两级冷却、加热的空气除菌流程1-粗过滤器；2-空气压缩机；3-空气储罐；4-第一冷却器；5；旋风分离器；6-第二冷却器；7-丝网除沫器；8-空气加热器；9-总过滤器1.两级冷却、加热空气除菌流程LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。经第一冷却器冷却后温度在30～35℃，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。第二冷却器使空气冷却到20～25℃，经进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离，发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效率高的作用。压缩空气经两次冷却、两次分离后，相对湿度仍较高，经加热器加热空气，使其相对湿度降低至50～60%后进入空气总过滤器，以保证过滤器的正常运行。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备2、冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程1-粗过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4-冷却器；5-丝网分离器；6-空气过滤器LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备压缩空气经粗过滤器过滤后经空气压缩机压缩，然后进入到空气贮罐。空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，此时混合空气已达到温度为30～35℃、相对湿度为50～60%的要求，再进入过滤器过滤。其特点是可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，适用于中等含湿地区。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备3、高效前置过滤空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程1-高效前置过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4-冷却器；5-丝网分离器；6-加热器；7-过滤器LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备该流程采用了高效率的前置过滤设备，利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，这样就降低了主过滤器的负荷。经高效前置过滤后，空气的无菌程度已相当高，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的空气。此流程的特点是采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备三、压缩空气预处理设备压缩空气预处理阶段：一般将空气除菌流程中，空气过滤器以前的部分称为压缩空气预处理阶段。压缩空气在进入空气过滤器前要将其夹带的水滴、油滴去除。水滴是由于空气经压缩和冷却后，空气中的水气发生相变而析出；油滴是来自空气压缩机活塞环的润滑油被空气带出来的。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备以两级冷却、加热空气除菌流程为例：1、吸风塔1、高度≥10m2、顶部设有防雨罩3、截面流速设计≤8m/sLOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备空气系统吸风塔LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备2、前置粗过滤器主要作用是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷。粗过滤器一般要求过滤效率高，阻力小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。空气经过前置粗过滤器处理后尘埃含量大大减少。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备3、空气压缩机为了克服输送过程中过滤介质等阻力，吸入的空气必须经空压机压缩，空气压缩机的作用是提供动力，以克服随后的各个设备的阻力。目前国内常用的空压机有往复式空压机、螺杆式和涡轮式空压机。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备（1）往复式空气压缩机依靠活塞在汽缸内的往复运动将空气抽吸和压出，因此出口压力不够稳定，产生空气脉动。另外，为了降低活塞在气缸内往复运动产生的热量，需用油润滑气缸与降温，从而使空气中带入油雾，导致传热系数降低，增加后续的空气净化处理难度。目前，空气压缩机制造厂为克服其夹带较多油量的缺陷，采用添加了二硫化钼的聚四氟乙烯活塞环以取代原钢制活塞环，使夹带的油滴大为减少。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备（2）涡轮式空气压缩机此类空气压缩机是由电动机带动或用蒸汽涡轮机带动，靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形成机壳，使部分动能转变为静压后输出。离心式空气压缩机具有体积和重量小而流量很大、出气均匀、不夹带油雾等特点，是理想的生物加工过程供气设备。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备（3）螺杆式空气压缩机利用高速旋转的螺杆在气缸里瞬间组成空腔并因螺杆的运动将腔内空气压缩后输出。优点是整机安装，占地面积小，压缩空气中不含油雾且排气平稳；缺点是维护保养技术要求高，适合于大中型发酵企业。LOGO第二节发酵用压缩空气预处理及除菌设备空气经过压缩机的压缩后,接受了机械功,温度会显著上升。空气被压缩后压强越高,温度也上