（國藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計院有限公司，重慶 400042）

關(guān)鍵字：一鍵式滅菌；實消；連消；發(fā)酵

隨著生物發(fā)酵工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)中種子罐和發(fā)酵罐體積和數(shù)量也在增加，并且發(fā)酵過程要在沒有雜菌污染的條件下進(jìn)行，為了避免染菌、保持生產(chǎn)的正常進(jìn)行，這就要求企業(yè)投入更多的人力，也就會不可避免地增大滅菌過程中的人為誤操作概率，增加發(fā)酵生產(chǎn)的風(fēng)險。在使用蒸汽滅菌的過程中會產(chǎn)生較大噪音，操作工也會有燙傷的危險，為了實現(xiàn)自動化操作，減少人為誤操作，提升職業(yè)衛(wèi)生水平，很多企業(yè)開始嘗試滅菌的自動化控制[1]，使生物發(fā)酵向更高的自動化方向發(fā)展。如連消系統(tǒng)的整體模塊化，使整個連消過程實現(xiàn)完全的自動化過程[2]。更有企業(yè)將自動化水消系統(tǒng)推廣無菌管路以及發(fā)酵罐的滅菌過程中[3]。因此在現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)酵生產(chǎn)中，需要設(shè)計一種一鍵式自動化程序滅菌方法（以下簡稱“一鍵式滅菌”），使其實現(xiàn)一鍵式控制模式，從而提高生產(chǎn)的效率和準(zhǔn)確性，提升職業(yè)衛(wèi)生水平。

1 發(fā)酵生產(chǎn)中的滅菌工藝

發(fā)酵過程中生產(chǎn)菌種與培養(yǎng)基直接接觸混合，需要一個無雜菌生長的環(huán)境，因此接種前培養(yǎng)基的滅菌對發(fā)酵效率及產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)至關(guān)重要。

發(fā)酵過程，多使用液體培養(yǎng)基。生產(chǎn)過程中，液體培養(yǎng)基的滅菌方式主要有分批滅菌法（下稱“實消”）和連續(xù)滅菌法（下稱“連消”）[4]。在連續(xù)滅菌生產(chǎn)中還需要首先對發(fā)酵罐罐體進(jìn)行空罐滅菌（下稱“空消”）。

1.1 實消工藝

分批滅菌也稱實罐滅菌或?qū)嵪ㄒ韵潞喎Q實消），指將配制好的培養(yǎng)基全部輸送至發(fā)酵罐后，通入蒸汽直接加熱，再冷卻至接種溫度的滅菌過程。此過程的加熱、維持保溫和冷卻三個階段均在發(fā)酵罐中完成。

實消滅菌過程[5-6]（以種子罐為例）：

（1）進(jìn)料。打開進(jìn)料及排氣管路上的閥門，用泵將配制好的培養(yǎng)基從配制罐輸送到種子罐，進(jìn)料完畢關(guān)閉進(jìn)料閥門，開啟攪拌器攪拌或通入空氣防止料液沉積。

（2）升溫。將蒸汽從種子罐的物料進(jìn)口、出口、壓縮空氣進(jìn)口、取樣口等罐內(nèi)液面以下管口通入，通過控制排氣閥門開度控制罐壓，將罐壓維持在0.09～0.1 MPa（表壓），罐溫逐漸升高。

（3）保溫。待罐溫升高至119～121℃，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)汽量維持罐壓、罐溫穩(wěn)定，保溫30 min 左右，保溫過程中開動攪拌。

（4）降溫。保溫結(jié)束后，關(guān)閉蒸汽進(jìn)汽閥、排氣閥，開啟壓縮空氣進(jìn)氣閥，通入壓縮空氣，并開始在夾套中通入冷卻水或低溫水將培養(yǎng)基降至培養(yǎng)溫度，滅菌過程結(jié)束。

1.2 連消工藝

連續(xù)滅菌也稱連消，指將培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外，通過專門滅菌裝置，連續(xù)在不同設(shè)備中分別進(jìn)行加熱、維持保溫和冷卻，然后進(jìn)入發(fā)酵罐的滅菌過程。

連消滅菌過程（以發(fā)酵罐為例）：

培養(yǎng)基泵入加熱器，在15～30 s 之內(nèi)被快速加熱至滅菌溫度130～140℃，進(jìn)入維持器維持5～8 min，然后在冷卻器中冷卻至40～50℃，最后輸送至已滅菌的發(fā)酵罐中。

連消后培養(yǎng)基所進(jìn)的發(fā)酵罐，必須提前進(jìn)行空罐滅菌，即空消?？障话憔S持罐壓0.15～0.2 MPa（表壓），罐溫為125～130℃，時間為30～45 min。滅菌后為避免罐壓急劇下降造成負(fù)壓，通壓縮空氣保壓，待經(jīng)過連續(xù)滅菌的無菌培養(yǎng)基輸入罐內(nèi)后，方可開冷卻水冷卻。

連消主要用于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)的液體培養(yǎng)基的滅菌，已在維生素C、谷氨酸等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

以上兩種滅菌工藝的操作為較傳統(tǒng)的人工控制，即在發(fā)酵現(xiàn)場人為操作各個蒸汽閥門的開閉來實現(xiàn)復(fù)雜的過程。較為先進(jìn)的企業(yè)，將蒸汽控制閥門設(shè)置為自控閥，在控制室進(jìn)行人工控制，這樣雖然能將操作人員從現(xiàn)場調(diào)離，但卻不能省去復(fù)雜的操作過程，因此設(shè)計一套通過邏輯控制編程實現(xiàn)的一鍵式滅菌方案尤為重要。

2 一鍵式程序滅菌

一鍵式滅菌是將整個發(fā)酵系統(tǒng)的操作過程通過邏輯控制編程后，匯總到一個按鍵來觸發(fā)整個過程，整個過程由計算機(jī)程序化控制。

現(xiàn)以具體工程為實例，對一鍵式滅菌方式進(jìn)行介紹。由于本工程中種子罐實消與發(fā)酵罐的空消生產(chǎn)及控制方式相同，故省略種子罐的消毒介紹，直接以發(fā)酵罐的空消、種子罐向發(fā)酵罐移種的移種站滅菌為例，敘述一鍵式滅菌的控制步驟。

2.1 發(fā)酵罐（空消）與移種系統(tǒng)的一鍵式滅菌

2.1.1 發(fā)酵罐（空消）

滅菌控制自控閥門設(shè)置如圖1所示。

圖1 發(fā)酵罐的一鍵式滅菌Fig.1 One key sterilization of fermentation tank

進(jìn)培養(yǎng)基管路上設(shè)計運程開關(guān)閥HS0?？諝饩^濾器后進(jìn)蒸汽管道設(shè)計遠(yuǎn)程開關(guān)閥HS1和調(diào)節(jié)閥TV1，調(diào)節(jié)閥TV1 與罐溫聯(lián)鎖，取樣口蒸汽進(jìn)口設(shè)遠(yuǎn)程開關(guān)閥HS2。空氣精過濾器后空氣管道設(shè)計遠(yuǎn)程開關(guān)閥HS3。排氣管道設(shè)計調(diào)節(jié)閥PV1、PV2 與罐壓聯(lián)鎖。冷卻水管道自控閥TV2、TV3 與罐溫聯(lián)鎖。

一鍵式滅菌過程如下：

連消后培養(yǎng)基進(jìn)入發(fā)酵罐之前，需要對發(fā)酵罐進(jìn)行空消。關(guān)閉罐與外界相連管道上的全部閥門。DCS打開HS0、HS1、HS2、HS3、HS4、TV1、 蒸汽輸入罐內(nèi)加熱罐體，罐內(nèi)空氣通過PV2 排出，罐體溫度升高至100℃時，關(guān)閉PV2，切換開啟PV1。通過蒸汽管調(diào)節(jié)閥TV1 與罐溫連鎖、排氣開關(guān)閥PV1 與罐壓連鎖，控制罐壓維持在0.09～0.1 MPa（表壓），罐溫逐漸升高至119～121℃，并維持罐壓、罐溫穩(wěn)定，保溫30 min。

保溫結(jié)束后，遠(yuǎn)程自動關(guān)閉蒸汽進(jìn)汽閥HS1、HS2、HS4，停止蒸汽對種子罐的熱量提供。開啟冷卻水管開關(guān)閥TV3、TV4，調(diào)節(jié)閥TV2，給罐體降溫，開啟壓縮空氣進(jìn)氣閥HS3，通入經(jīng)除菌過濾的壓縮空氣后，罐壓連鎖開啟PV2；待罐溫降至培養(yǎng)溫度后，空消滅菌過程結(jié)束。

2.1.2 移種系統(tǒng)

滅菌自控閥門設(shè)置如圖2所示。

圖2 種子罐到發(fā)酵罐移種系統(tǒng)的一鍵式滅菌Fig.2 One key sterilization of seed tank to fermentor transfer system

此系統(tǒng)為連接種子罐與發(fā)酵罐的移種系統(tǒng)。系統(tǒng)中移種總管一端設(shè)置蒸汽進(jìn)氣滅菌，并設(shè)有開關(guān)閥HS1和調(diào)節(jié)閥HS2。

正常工作時，先用蒸汽將移種總管滅菌，一鍵式自控程序自動打開蒸汽自控開關(guān)閥HS1和調(diào)節(jié)閥HS2，蒸汽通過移種總管到末端管道排氣出口排出。整個總管滅菌20 min 后，關(guān)閉末端自控閥，處于消后待用狀態(tài)。發(fā)酵罐空消時，打開對應(yīng)的三通隔膜閥HS4，蒸汽吹到相應(yīng)的發(fā)酵罐中，配合發(fā)酵罐的空消。

根據(jù)以上敘述過程，將各個系統(tǒng)自控閥控制方式相配合，在控制室DCS中編程，形成一鍵式自動化滅菌程序。整個過程實現(xiàn)一鍵式程序自動控制，無需人為操作和干預(yù)，從而可以降低滅菌過程中人為誤操作，提高滅菌過程的準(zhǔn)確性。

2.2 一鍵式滅菌與傳統(tǒng)滅菌方式的對比

2.2.1 降低滅菌操作的復(fù)雜性，減少人為誤操作，提高滅菌效率

由于發(fā)酵生產(chǎn)的特性，發(fā)酵罐與外界的連接主要包括：發(fā)酵培養(yǎng)的空氣管路、輸入種子液和發(fā)酵培養(yǎng)基的物料管路、滅菌時排蒸汽管路、培養(yǎng)時的取樣口、發(fā)酵完成后的發(fā)酵液放料管路。以上接口在發(fā)酵培養(yǎng)之前均需用蒸汽滅菌至無菌級別，故需對以上接口依次進(jìn)行滅菌。傳統(tǒng)的人為操作滅菌過程，極易造成生產(chǎn)的不利后果。如圖1，滅菌時的排蒸汽管路閥門PV1 開度過大會造成蒸汽用量增大或發(fā)酵罐滅菌壓力偏低；在滅菌后的降溫過程中，空氣閥門HS3開度過低，或者空氣閥門HS3 打開不及時而造成發(fā)酵罐的真空，從而造成發(fā)酵罐的癟罐現(xiàn)象；滅菌過程要求滅菌工人依次順序開啟和關(guān)閉多個滅菌閥門，使得滅菌時間延長從而導(dǎo)致滅菌效率降低。而在一鍵式滅菌程序中，由于提前在計算機(jī)中設(shè)置閥門連鎖開啟和關(guān)閉程序以及各個閥門的開度，程序式滅菌過程會依次有序進(jìn)行，從而避免以上傳統(tǒng)式發(fā)酵滅菌生產(chǎn)中會出現(xiàn)的能耗增大、癟罐以及滅菌時間延長的不利后果，從而降低滅菌操作的復(fù)雜性，減少人為誤操作并提高滅菌的生產(chǎn)效率。

2.2.2 降低勞動強(qiáng)度，減少人員成本，避免操作中的燙傷風(fēng)險及噪聲危害

隨著發(fā)酵產(chǎn)能的增大，發(fā)酵罐的體積也隨之增大，例如某發(fā)酵生產(chǎn)工廠的發(fā)酵罐高達(dá)18 m，穿越三層樓板，如圖1，需要滅菌的管路閥門HS3，HS0，HS4 分別分布在不同的樓層，在傳統(tǒng)手動滅菌時，就需要滅菌工人穿梭在不同樓層進(jìn)行操作，無形中增大了滅菌工人的勞動強(qiáng)度；并且在蒸汽滅菌時，由于高溫蒸汽與低溫物料的混合，產(chǎn)生的極大噪聲也會造成滅菌工人的職業(yè)危害。一鍵式滅菌，可以計算機(jī)程序式連鎖，觸發(fā)后消毒程序自動進(jìn)行，無需滅菌工人現(xiàn)場操作，從而降低了勞動強(qiáng)度，減少人員成本，避免了滅菌操作過程的燙傷風(fēng)險和噪聲。

2.2.3 減少物料在管路中的殘余，降低染菌風(fēng)險，提供新穎工程設(shè)計思路

在傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)工程設(shè)計中，為了減少2.2.2中所敘述的滅菌工人的勞動量，在設(shè)計時，往往會將圖1中的HS0，HS4 人為與HS3 同層安裝，這時就增加了進(jìn)料和出料管的長度和U 形彎，造成在進(jìn)料、移種、出料時的管路存料現(xiàn)象，從而導(dǎo)致物料浪費并增加染菌風(fēng)險。一鍵式滅菌的設(shè)計，可以避免人員現(xiàn)場操作，從而取消HS0，HS4 與HS3的同層安裝設(shè)計，避免物料在管路中的殘余。并且移種管路中三通隔膜閥的使用進(jìn)一步減少了移種時種子液在管路中的殘余，從而降低染菌風(fēng)險。此種管路設(shè)計為以后的發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)計提供了新穎的思路。

一鍵式滅菌方法與傳統(tǒng)滅菌方法的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 一鍵式滅菌方法與傳統(tǒng)滅菌方法的優(yōu)缺點對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages between one key program sterilization method and traditional sterilization method

3 結(jié)束語

隨著發(fā)酵生產(chǎn)的大規(guī)模擴(kuò)大，發(fā)酵過程的自動化也在飛速發(fā)展。本文介紹的一鍵式滅菌方案與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場滅菌或人工手動控制室滅菌方法相比，能夠減少發(fā)酵生產(chǎn)中滅菌過程的人為誤操作；減少人員勞動成本；提高發(fā)酵的生產(chǎn)效率。而且在工作環(huán)境方面，可以在極大程度上降低蒸汽噪聲、蒸汽燙傷對消毒操作工的危害。

另一方面，本文對發(fā)酵罐、移種系統(tǒng)的一鍵式滅菌方案的介紹，能夠為后續(xù)發(fā)酵車間的滅菌設(shè)計提供一條重要思路。