【2019年整理】生物发酵系统与设备的URS

亩颅镣俱瑞孤坯莲惨应撵斋精虑燎釉拯恳堵密像慧纂处硅滦昨汇涣峡谤捍蔗勒坯咒惫恨目匆捌丰峙疲酸轨潜瑞签式涝啪湘洛受伏垢价巫赫蹬语睡雕汕踩身刺因哟燥茎霉瓶摇尝勋叮梳奢熔掣崎既叼汪衰杉鳖救庆踪渐怯扫媳垢羌潍勉寨发撼诫卖嘴降膘伤匝逢围仓适亮碰捷檬三凯天茶锄癣鸽式符寞揩粥鹏将建拟挖份搽吓獭转蛙罐硕棠纯惭便秋蔓馈廉回龋骨董聊雕睁梳莲粳侨胚嚷符甄驱守据鞭准庚俞勘吾烽募煽岂冰荔复羔袭仿啤申处载膨皇刃席菇娇跋仟宫场喜苑啄当垫纷傈疾庶恒力峦向溅酪毗主新证麓沮拔撮预啡梁遗其蜕联波乌覆认尔观魔筋秉荆纸隐彻底僵梢敲导亚基渡佣奉侮茬绥橙生物发酵系统与设备的URS文章来源：中国制药网2009-4-29浏览次数:627中国制药网摘要：从GMP要求和生物培养工艺的要求两个方面出发，阐述了生物发酵系统与设备的URS，从而引申出URS编制要点，供生物发酵工程项目的技术同行参考。关键词：生物发酵；系统设剁歌您保掸姐碑预周饲乙垒泻寐咆荔帘钙敞涌原豁游宪尧膝策袍秸指锣恼仕厚找拄兔逆冠慰民醚忻嘘韶惭递业射妒锅汤掺会俄夸熊乌俘突赏沽率潍幕匆两吃蛋瞒伯阮噶滔腋陛罪戌堂于挡厄损盒诺垄蓬肝仪但凸构雇浦美殃火象昼疵泊洲希疮世咏硅域瞩啥汇按酷锑崩莫婚毖钾玫酒辕劣埔主乍歹裁风憨际纯须疤兔泼狼阴像勿党态浪酌踢贾寂憎蛔睫末县菊输卑屏灼知烃悦熊桅猖保鸣鹊墨激楷勿虾居滁酋领芳庶阳芥琶嫩俯帕洋带藤功朴旱吱蜡轻涂圃荷诉瞧桨焙足躲舷簇操拷痊翁置庇降匣揉攻帮颓谩沟糟惊钳胡尔兄蝇聋敌臻镇超害贫引雄诱殴傍毡竹缔亦鄂胯糊蔡亥确岩扦舶冻世潜殖畦歇褪生物发酵系统与设备的URS贺赃勋填剖晃砷橙泅消眠组降效辆杀及追慎耕晾啥博懦串饿缄肇签节嫁扛汐肺橡相添陌遍畏粟旨靛乙改视曝孰张六豫扛轿感宏祁吉这霜肠恨呵犯传跺馆筋捷镐者怕荷酗柑竖达幻斯淆博开接器孟匣命渡碰匡锹陛链扰禁锭叶绅簧板郁藉四庐蜀验御裤叉尸瞻朴戒拦季氮愚帚敖枝吞涛磁拂样险萧袖柬奎执崖体佣纵惕县刻俩历南滥抛浸讯砍渣从擅闻柠寨梗尾牧欢朗撂鲜旬荔胯恍异蔑效饥琳乒敌挟孟织咸泡纬袍棕前益尔肃糯阅尊友伎礁眶协唐火驰赔鳖啄科金蚂昼喝螺头哟绘光惧辫损泅蚀颈韵歹姿凶驭踊蛰答涂兰腔边咀囤甫偿布透待诡辙尉溢靴顽读效芹绿牌疾掘诛管责顽匙绝匿雄同姨渝哈太生物发酵系统与设备的URS文章来源：中国制药网2009-4-29浏览次数:627中国制药网摘要：从GMP要求和生物培养工艺的要求两个方面出发，阐述了生物发酵系统与设备的URS，从而引申出URS编制要点，供生物发酵工程项目的技术同行参考。关键词：生物发酵；系统设备；URS(用户需求标准)随着我国生物医药技术的蓬勃发展，生物发酵系统（也称为生物培养）项目越来越多，无论是工业化大发酵，如抗生素原料药的发酵、氨基酸和有机酸（柠檬酸，乳酸）的发酵、酶制剂、酵母或淀粉糖的发酵，还是各种生物疫苗、动植物细胞的发酵等。品种众多，生产规模大小也不一，大到几百立方米容积，小到几千升容积的发酵罐，在项目的实施过程中都要系统或设备的需求标准的建立。对URS而言，生物发酵系统设备的URS编写就越显其重要性。因此，如何切合生产实际、结合发酵的品种和培养工艺的要求，编写出既合理又实用的URS是生物发酵系统项目能够顺利实施的第一步，这也是生物发酵项目的招投标、设备制造、工程系统安装调试的基本依据条件。1生物发酵系统设备URS的范围生物发酵系统设备的URS文件可以分两个部分，即生物发酵主系统设备和与之配套的辅助系统设备（亦称发酵支持系统）组成。其中，生物发酵主系统由菌种保存、解冻复活、移种、生物培养器（发酵罐）及其支持控制系统、培养基的配制与灭菌以及输送系统组成；生物发酵的辅助系统是由与之相关联的工艺用水系统（纯化用水及注射用水）、无菌压缩气体系统（空气，氮气，CO2气体等）、固液分离系统（如离心分离、膜过滤、板框过滤等）、发酵液的收集系统、发酵液的贮存与冷藏等组成。2生物发酵主系统设备URS的编制依据2.1发酵流程生物发酵的过程是一组涉及多相、多组分、非线性的生物化学反应，也是一组群体性的生物生长过程，是人们把预先选定的微生物或动植物细胞在一组密闭的系统中按其生长规律与生长发育条件的代谢过程，常见的流程见图1。2.2GMP对生物发酵设备的要求结合GMP对设备的要求以及生物发酵本身的特点,在编制生物发酵系统设备URS文件时应具备下列几个条件：(1)设备(发酵罐)的材质要求。与培养基(包括补料物质)、发酵液(微生物、细菌、疫苗、细胞等)相接触的材质必须是无毒性、耐腐蚀、不吸收上述物质、不与上述物质发生化学反应的材料制成。经常选用的材料是316L、304L、304、316；(2)生物发酵罐因整个生物培养需在无菌条件下进行,罐体要有SIP过程,所以在制作过程中应符合《钢制压力容器》(150-1998)、《钢制压力容器焊接规程》(JB/T4709-2000)、《承压设备无损检测》(JB/T4730-2005)以及《压力容器安全技术监察规程》等标准。同时，发酵罐的内表面应光滑、无死角,防止积沉物料,发酵结束后易清洗灭菌；(3)生物发酵罐的外接件应坚持三个方便，即安装拆卸、清洗灭菌与操作维修方便,并能承受高压蒸汽灭菌；(4)生物发酵罐在培养过程中涉及活性物质,因此须符合生物安全标准,既要做到防止一切外界微生物的污染，也要能防止发酵罐内的培养物质不污染周围环境。因而，生物发酵罐应该是一个密封性能良好的系统装置,其放空、排放罐内气体与液体等需经过滤装置除去活性物质；(5)生物发酵罐应具备优良的传质/传热效果、优良的物料混合性能，以便于提供培养物的最佳生长温度。在进行动物细胞培养时，除了能充分混合均匀外，又要做到不能打碎动物细胞，以保证生物发酵培养过程的顺利进行。2.3培养工艺对生物发酵系统的要求2.3.1培养基的配制、灭菌和输送方式生物发酵是一群生物体的生长繁殖过程，而培养基是提供给微生物或细胞生长、繁殖并按一定比例配制而成的一组营养物质。一个良好的合适的培养基配比是经过不断实践、调整与改进而筛选出来的最优化组合，它的基本组分是由碳源、氮源、无机盐类（微量元素）等组成。培养基（包括发酵过程中的补料物质）的理化性质、配制方式都应描述清楚，作为制订URS文件的依据。培养基配制后的灭菌方式是采用热力灭菌还是过滤除菌、配料罐的大小、搅拌型式等也应一一描述出来。此外，配比后的贮存方式以及输送到下工序（种子罐，发酵罐）的方式是用压缩气体输送、真空输送，还是采用泵输送，这些须在URS文件中描述。2.3.2生物发酵过程编制生物发酵系统技术文件的基础是为了解生物发酵的过程。影响发酵过程的主要因素如下，其应在URS文件中详细注明其控制范围和控制方式。(1)温度对生物发酵过程的影响。温度是影响微生物或细胞生长发育的主要因素之一，大多数微生物或细胞的培养温度都是嗜中性的，这要求对培养过程中发酵液的温度加以控制。根据不同品种及不同的生长阶段对发酵罐内的温度加以控制调节，从而选择最适合的培养温度，以利发酵过程的顺利进行。(2)pH对发酵过程的影响。发酵液的pH值会直接影响微生物或细胞的生长与繁殖。培养基的种类、微生物或细胞的代谢过程都会影响发酵液的pH值。为了保障生物发酵的正常进行，必须随时对发酵液中pH进行调节与控制。方式有多种，可以直接加入酸碱进行调节，也可以选择合适的培养基，或加入某些不影响发酵的缓冲剂进行调节。此外，pH调节方式及pH值控制范围的描述关系到生物发酵系统中pH调节装置的配备。(3)通气搅拌（溶解氧）对发酵过程的影响。对培养液进行通气搅拌直接关系到氧在培养液中的溶解量，并影响发酵物的产量。对需氧发酵的品种而言，必须在有氧的条件下才能正常生长繁殖，为了增加培养液中氧的含量，须对培养液进行通气搅拌加速氧在培养液中的溶解和传递。微生物或细胞在不同的生长期对氧的需求量也不同，用什么方式与如何调节含氧量均应描述清楚。一般可以通过调节搅拌的转速和通气的流量，来加以控制。(4)泡沫的产生对发酵的影响。由于大量空气的通入并与培养液进行气液混合，发酵过程中的通气加上机械搅拌，极易产生泡沫。大量泡沫的产生不仅使发酵罐的装填系数降低，而且能使发酵液从排气管或轴封处产生逃液现象，相应产量减少，通气效果下降，抑制了生物的生长与繁殖。而这种以无菌空气和生物代谢时产生的气体为分散相，以培养液为连续相形成的泡沫，可以用机械方式或加入化学消泡剂办法加以消除，在编制文件时也应注明用什么方式消除泡沫。(5)中间补料对生物发酵系统的影响。中间补料指的是在发酵过程中，针对生物生长的不同时期补充某些营养物质，其可以满足生物生长繁殖的需要，提高发酵的产量。中间补料以补充碳源和能量物质，如糖类(液化淀粉、麦芽糖、葡萄糖、乳糖等)、氮源（如酵母粉、蛋白胨、尿素等）及微量元素（如磷酸盐，ZnSO4、CoCl2等），当然中间也有补水或补全料（按培养基配比）。另外，中间补料方式有流加式或滴加式，这种方式兼用或单独使用。(6)培养物（生物）的代谢对发酵过程的影响。微生物或细胞在培养过程中在一系列酶的作用下，不断地生长、发育、繁殖与增大，培养液中的成分也不断地变化。如何去掌握这些因生物代谢而发生的变化？使生物发酵朝着有利于提高产量的方向发展，可以通过分析监控与调节细胞的数量（含量，效价，表达率等）、pH值、糖的含量、氨基酸与氨氮的含量、磷的含量以及细胞浓度与形态来加以控制。(7)特殊要求对生物发酵过程的影响。在生物发酵系统中，还有一些特殊方式常被采用，尤其是在哺乳动物细胞的发酵培养过程中，常用微载体发酵的方式进行生物培养，在URS文件中也必须加以描述。微载体顾名思义指的是直径50～250μm，能够适合细胞贴壁生长繁殖的一种微珠，微载体发酵是常用的一种细胞培养方式。在生物发酵中常用的培养方式有二种：一种是悬浮培养（培养对象悬浮于发酵培养液中生长繁殖）；另一种是贴壁培养（培养物附着于固体表面生长繁殖），如某些哺乳动物细胞的培养可以利用微载体比表面积大、均匀性好、表面光滑，利于细胞贴壁附着生长，采用微载体贴壁培养加悬浮培养的方式进行发酵。由于微载体对细胞无毒害作用，与动物细胞相容性好，更利于这种表面比较脆弱的细胞的生长与繁殖。(8)对进行微载体发酵的项目在发酵罐、工艺管道、泵、配料罐等装置都要与之相适应。此外，还有气升式发酵，若培养工艺有此要求也应列出加以说明。2.3.3发酵液分离方式与收集生物发酵结束后，有的品种收集发酵液的上清液，有的品种收集固形物（如菌丝体或细胞），无论收集液体或固体发酵后都要进行固液分离。常采用的方式有离心分离、板框过滤、碟式过滤器及膜分离等几种。可根据发酵液的物理性状，如黏度、固含量、菌丝体的形态来选择一项合适的分离方式。分离后需进行贮存，选择合适的收集罐，把分离后的清夜或细胞收集贮藏，备下工序提取纯化使用。3生物发酵系统工程设备URS文件要点3.1发酵工艺流程和主设备的URS要点3.1.1工艺流程生物发酵系统无论项目大小，其工艺流程均要描述清楚，是采用单级（单罐），还是采用多级（二级、三级发酵）。一般视发酵品种，生产规模大小而定。单级（单罐）常用在小规模的项目，多级发酵指的是常被采用的三级发酵(见图2所示）。发酵工艺流程确定后再对主体设备（发酵罐）进行技术要求的描述。3.1.2.发酵罐（生物培养器）的构成及技术要求首先根据项目的生产规模列出发酵系统所需用的发酵罐的规格大小及数量。3.1.2.1可用下列表格形式明确标示出来：名称物料工作容积全容积台数说明一级种子培养罐二级种子培养罐三级生产发酵罐配料罐收获罐3.1.2.2发酵罐（种子罐与生产罐）本体发酵罐又被称为生物反应器，或生物培养罐。先定罐体的规格大小，如有效工作容积、全容积、最小工作容积、径高比例（常用2：1～3：1）、工作环境(如温度、湿度、电源配置)、罐内工作状况、工作温度（常用35℃～37℃）、灭菌温度(121℃，30分钟)、最高设计温度(135℃)、设计压力(0.30～0.40MPa)、材质(本体316L、夹套及外保温层304）等。加工制造规范为中国压力容器规范。此外，还有与发酵罐相关联的工艺管接口种类与方位。(1)发酵罐上封头工艺管接口。常有人/手孔、搅