浅谈全自动发酵罐的安装与使用

浅谈全自动发酵罐的安装与使用

改革开放以来，中国经济快速发展。在国计民生中占有重要地位的生物医药和食品发酵工业,伴随着其产量和产值的持续高速增长,技术和装备水平也有了很大的提高。装备水平提高的一个重要标志是国内的生物药厂、啤酒厂、食品发酵厂、生物化工厂以及相应的科研院所进口的成套全自动发酵设备越来越多。这些设备有产自德国的B.Braun、瑞士的比欧、瑞士的Infors、瑞典的法玛西亚、美国的NBS等,它们都按常规安装了在线温度、空气流量、罐压、溶氧、pH值、泡沫等的监测与控制装置以及搅拌转速的测量与变频控制装置,有的还有尾气测量与控制、浊度在线测量装置等。在中国的一些大型企业里,进口的这类全自动发酵设备规模越来越大,控制越来越复杂和精细,自动化程度也越来越高。目前,这类全自动发酵设备的发展趋势是集成化、网络化和智能化。国内对这类全自动发酵设备的研制也取得了可喜的进展,目前已有上海保兴、上海连环、上海国强镇江东方、镇江丰泽、镇江格瑞、镇江森达、常州三环、扬中威柯特等公司的产品已经开辟或正在开辟国内市场。华北制药集团北元有限公司配备有进口的B.Braun、比欧、NBS等多种系列小型全自动发酵罐,它们在新药研究开发及发酵工艺研究中发挥着重要作用。如何维护好这些设备,确保科研工作的顺利进行,是摆在使用和维护责任人面前的一个不可回避的问题。在跟国际同行的交流中,一种普遍的看法是:一台小型全自动发酵设备,如果安装和使用得当并能进行良好的维护和保养,寿命可达20年之久;倘若使用不当或不注意维护与保养,则一两年后,就会有这样那样的小毛病出现,然后是小毛病积成大毛病,最终导致设备瘫痪而报废。下面,以华北制药集团北元有限公司B.Braun系列的10L和30L全自动发酵罐为例,介绍其在日常使用以及维护和保养中的一些心得体会。这些心得和体会,也应当适用于中国国产全自动发酵罐。1发酵罐及其设备的安装1.1建筑平面面积一台10L或30L的发酵罐,必须有大小为2m×2.5m以上的建筑平面面积,才能够满足使用和维护的需要。需要的建筑高度,则根据设备的总高度确定。1.2安装罐体罐体安装应保持水平位置,搅拌轴保持垂直,基础牢靠,以确保运转时平稳,无震动。1.3留排气口排气(汽)管道在灭菌时有大量蒸汽排放,必须连接到室外的汽水分离器,不得在室内留排气口,否则在灭菌时可使室内湿度大幅度增加,不利于设备的维护。有的人贪图方便,将所有排气口与下水道连接,殊不知这样一来在灭菌时所有下水道口都将往外冒蒸汽,使室内操作环境恶化,并降低设备的寿命。1.4道入口下水道要求在地面以下,并保持通畅。所有下水道入口即地漏要有水封,一来阻隔臭味,二来可以防止下水道内的少量蒸汽上泛。小型发酵罐的取样口和放料口一般可不设置地漏,而用塑料桶接料。1.5插装阀vd除了按设备安装说明书的要求给搅拌马达和仪器仪表配电外,还要分别配备四孔的380V和两孔、三孔的220V备用电源插座,以便维修及其他应用。所有电源插座都应配有密封盖,不用时盖上,以防溅水。其他动力源:空气管道入罐前压力为0.15～0.20MPa;仪表气源压力为0.4～0.5MPa;蒸汽管道压力为0.25～0.30MPa。特殊应用还需要配备冷盐水、真空或氮气气源。1.6冷却水冷却冷却用水最好采用可调温循环冷却无盐水,尽可能不用自来水或冷盐水,这样一方面可避免在冷却夹套或盘管内结垢,另一方面可根据外界环境温度调节冷却水温,避免夏季空气湿度大时在冷却水管道外形成大量冷凝水滴滴落到地面或设备上。另外,根据笔者的经验教训,最好不要购置搅拌轴由发酵罐底部伸入的全自动发酵罐,即所谓下搅拌发酵罐,因为中国使用的发酵原材料中含较多的细砂粒,容易进入下搅拌的轴封中,造成密封面损坏,使发酵液渗漏。2小型发酵罐故障频繁发酵罐周围的环境,应当尽量保持通风和干燥。小型发酵罐一般比较“娇嫩”,主板、电路、元器件、电机等如果长时间在潮湿、高温环境下工作,就容易出现故障。2.1发酵罐区的安装临近发酵罐的内外墙,建议采用瓷砖或彩钢板贴面,便于清洁。控制仪表及电脑区与发酵罐区之间,最好用彩钢板隔断,在隔断中间离地1m以上正对发酵罐的可视位置,安装一块或多块(依据发酵罐的台数决定)约1m×1m大小的透明玻璃,便于观察。从安全和擦玻璃的劳动强度方面考虑,玻璃不要太大,更不主张采用落地玻璃。2.2通风为了夏天的防暑降温,并保持空气清新和干燥,创造良好的操作环境,在每台发酵罐的操作面上方应安装送风口,送入经过冷却、除湿和净化的空气。2.3安装排风扇、风烟扇在不需要送风降温的季节,可以强制排风,因此在临近发酵罐区的外墙上方,应安装排风扇。排风扇的数量,视发酵罐台数和发酵罐区的空间大小而定,一般要求每30m3安装1台。2.4照明发酵罐工作区要保证足够的亮度,特别是投料口、取样口、经常开关的阀门和电源开关、仪表面板等,不能背光,以防误操作。3发酵罐的使用和维护发酵罐及其元器件的维护,对于延长使用寿命至关重要。每个使用者在熟练掌握发酵罐操作技术的同时,还要学会基本的维修保养方法。3.1中性洗涤剂的清洗发酵罐必须保持清洁,因此每台发酵罐都要有专人负责,每天用半干的抹布蘸中性洗涤剂对罐体、管道、阀门等擦拭一次。注意千万不要用苛性碱,以免造成罐体及附属部件的腐蚀。3.2不要强迫负荷运行对于搅拌转速、马达输出功率、仪表测量范围、阀门开启度等,都应当在最大值的30%～80%之内操作,决不允许超负荷运转。3.3密封垫圈的清洗对诸如进气口、取样口、放料口、电极插口的密封垫圈,在每批放罐后都要拆卸清洗和检查,如有损坏要进行更换。对频繁开关的阀门,也要定期检查,定期更换。3.4生全菌的预防小型全自动发酵罐都采用折叠聚四氟乙烯膜过滤器,这种过滤器的效率和寿命与操作因素密切相关,在操作中特别要注意以下8个方面。1)灭菌前要放掉蒸汽管道中的冷凝水,水进入过滤器将加大膜介质阻力,使压力降上升,轻则影响蒸汽的通量,降低灭菌效果,重则损坏膜滤芯。2)灭菌严禁超温超压,因为超温超压将减少滤芯的寿命,甚至损坏滤芯。3)尽量减少灭菌次数。如果过滤器灭菌后一直用无菌空气保压,发酵也没有出现染菌情况,就不需要每批都灭菌。4)灭菌时开启蒸汽和灭菌后开启空气都要缓慢,避免对滤膜造成强力机械冲击。5)灭菌时最好使用过滤器后方的蒸汽,使蒸汽流通方向与空气流通方向相反,这样可以对滤膜上吸附的微生物和尘埃产生冲刷作用。6)定期更换蒸汽过滤器和空气预过滤器滤芯,防止这2种过滤器失效后让固体硬颗粒侵入损坏滤膜。7)过滤器的初始压力降一般为0.010～0.012MPa,如果压力降超过0.05MPa,则需要更换滤芯。更换时严禁用手触摸新滤芯,更不能使新滤芯与硬物磕碰。正确的操作步骤是先剪开滤芯塑料外包装袋靠密封圈的一头,手握塑料外包装袋,使密封圈外露,清理并确认过滤器不锈钢外壳内没有异物后,小心安装并转动到位,然后将塑料外包装袋退出。8)严防发酵液倒流污染过滤器。发酵液倒流,轻则堵塞滤孔,影响空气通量,重则造成发酵过程染菌。防止发酵液倒流的根本原则是发酵罐压力在任何时候都不得高于空气过滤器压力。为此,需要特别注意的是:(1)灭菌结束断开蒸汽后,要在过滤器压力下降到总空气压力以下时及时开启通向过滤器的空气阀门;(2)在进气阀门开启而排气阀门关闭时,严禁往发酵罐内通入蒸汽或对发酵液(培养基)进行加热。3.5控制好培养基灭菌时的泡沫进口小型全自动发酵罐一般带有排气过滤器,这一方面是为了防止带菌的气溶胶污染大气,另一方面可以预防感染噬菌体(因为活菌细胞排到大气中很容易招来噬菌体感染)。但是,这种排气过滤器容易被培养基的泡沫污染,影响发酵过程的通气率有些人为此把排气过滤器拆除,其实是因噎废食,并不可取。要防止排气过滤器被泡沫污染,首先要控制好培养基灭菌时的泡沫。由于小型发酵罐灭菌时相对于大型发酵罐蒸汽通量大,泡沫更容易发生,因此我们在灭菌前要适当多加一些消沫剂,灭菌时要严格控制蒸汽通入量。一般来说,灭菌初始时在确保蒸汽流通的前提下要尽量把蒸汽阀门开小一些,如果发现升温慢,再逐渐开大阀门,这样就可以避免产生大量泡沫。如果一开始就把蒸汽阀门开得很大,泡沫上来后就会措手不及,难以控制。这时应把所有进、排气阀门都关闭,然后在密切监视泡沫的同时缓慢打开排气阀门泄压,待表压降到接近于零后再重新缓慢通入蒸汽灭菌。对于在发酵过程中产生的泡沫,要加强观察,特别是发酵前期和后期泡沫产生较快时,如果发现自动消沫装置不足以很快消除泡沫,就要手动加入消沫剂。即使没有排气过滤器,从保护发酵罐搅拌轴封和防止染菌方面考虑,也同样要在灭菌和发酵过程中防止泡沫顶罐。4独立系统的维护和维护自控系统包括各类测量电极、仪器仪表和计算机,操作人员需要了解的主要是电极的维护,其中最常用的是pH电极和溶氧电极。4.1测量电极的无故障工作时间pH电极和溶氧电极的寿命与维护工作的好坏有极大的关系。全自动小型发酵罐的操作人员,必须掌握基本的维护技术。首先,pH电极和溶氧电极在反复高温高压灭菌后性能逐渐劣化,因此尽可能降低灭菌温度和时间,才可以延长电极寿命。根据对国内外公布的一些资料的统计,各类耐高温灭菌发酵测量电极的无故障工作时间见表1所示。表1给出的是无故障工作时间,并非使用寿命如果维修保养得当,使用寿命可以几倍于无故障工作时间。与发酵液直接接触的电极,如pH电极和溶氧电极,维护的一个重要内容是在放罐后要取出,依顺序用清水、0.1mol/LNaOH,0.1mol/LHCl和蒸馏水清洗干净,然后视消耗情况补充或更换电解液。暂时不用时,要将清洗好的pH电极浸泡在饱和氯化钾水溶液中;将溶氧电极的护套帽盖好,置于干燥的空气中。溶氧电极一般要求每3个月更换1次电解液。当膜遭受机械损伤,或响应时间明显延长,或在无氧介质中输出电流偏大时,就需要更换膜。极谱型溶氧电极第1次使用前,或在更换电解液或更换膜后,都需要通电以500～675mV的电压极化至少6h。变送器断电或电极与电缆线断开后,也要极化后使用。溶氧电极不能长期放置不用,因为在放置期间,其电解液也将逐渐消耗,阴极逐渐腐蚀,性能逐渐劣化。4.2设备供应商的维修对于自控系统中仪器仪表和电脑的故障,特别是电路故障,使用者一般不要自行拆卸和维修,而应立即通知设备供应商派维修工程师来检查维修。设备供应商维修工程师到达现场的速度和维修质量的好坏,是衡量设备供应商售后服务质量的重要标志。当然,一些小的零部件如蠕动泵、电磁阀、光驱、