工业发酵过程中染菌防止和能量节省的设计

细履平沙

工业发酵过程中染菌防止和能量节省的设计

毛占伟，白丽荣，张伟亮

（天津市工业微生物重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津300457）

摘要：介绍了工业发酵过程中染菌防止和能量节省的基本设计方法，并在罐体、空气、管路阀门和节能四方面进行了工艺流程的综合改进，经过多次中试之后效果良好。

关键词：发酵；灭菌；节能；染菌防止

中图分类号：TQ460.38         文献标识码：A           文章编号：

Design on germs preventingand energy reducing in plant fermentation engineering

Mao Zhanwei，Bai Lirong，Zhang Weiliang [sup][/sup]

(Tianjin Key Laboratory ofIndustrialMicrobiology, College of Bio-engineering,Tianjin University of Science& Technology,Tianjin 300457，China)

Abstract: The basic methods and equipment of germspreventing and energy reducing in fermentation engineering were introduced.Based on them a improved synthetical process was putting in practice, and getfavorable effect after several launching.

Keyword: Fermentation; Germs killing; Energy reducing;Germs preventing

随着现代生物技术的崛起, 人类不断开发出以现代生物技术为特征的新型发酵制品。至今, 已形成了一个品种繁多、门类较齐全、具有相当规模的独立工业体系, 在国民经济中占有重要地位。工业发酵是利用微生物的代谢活动经生物转化大规模制造产品的过程，其发酵产品广泛应用于医药、卫生、轻工、化工、农业、能源、环保等诸多行业。

发酵过程通常是微生物纯种培养,也就是只允许生产菌存在、生长和繁殖,不允许其他微生物共存。由于生物反应系统中通常含有丰富的营养物质,易受杂菌污染,造成生产能力下降、收率降低、产品质量下降、反应介质的pH 值改变等,所以整个发酵过程必须强调无菌操作。除了人为操作上的原因外，设备设计、培养基灭菌、生产环境等符合一系列符合人机工程学的系统工程也是有效防止杂菌和噬菌体污染,降低能量等生产成本的重要因素[sup][1][/sup]。

1.  前期的罐体灭菌工作

1.1各种硬件设备的设计准备

发酵罐在使用之前需要进行认真检查，以消除染菌隐患，如搅拌系统转动有无异常；机械密封是否严密；罐内的螺丝是否松动；罐内的管道有无堵塞；夹层或罐内盘管是否泄漏；罐体连接阀门严密度等等。

机械密封目前在发酵罐上得到广泛应用，取代了以前搅拌轴采用的填料密封形式，但是由于安装精度不高或选用的机械密封不合适，仍然会由于轴密封泄漏造成染菌，因此在安装搅拌轴时要注意对中，笔者建议在发酵车间采用拉杆固定可调的中间轴承，通过调整中间轴承位置来减少搅拌轴的摆动，并采用多弹簧平衡型机械密封，利用不同方向弹簧力抵消搅拌轴的部分偏移，实现密封。

为了便于观察罐内发酵情况，在大型发酵罐内一般设置有冲洗视镜的蒸汽管道，但是蒸汽一旦冷凝在管道中，冷凝水并不能完全保证无菌，因此冲洗视镜的蒸气管道要去除，杜绝染菌隐患。如果罐内雾气太大看不清楚，可以采用更高亮度的视镜灯。

1.2影响灭菌效果的波动因素

发酵罐实消是对发酵培养基进行彻底的灭菌处理，利用高温过饱和蒸汽的强穿透能力使各种细菌、真菌蛋白质凝固而死亡。下表是各种微生物生长最合适温度、pH和致死温度、致死时间范围，在工业灭菌中，对预热时间、蒸汽阀门的开度、灭菌温度、灭菌压力和泡沫控制等，都有严格要求，一个环节出现问题，就容易导致染菌。一般工业上灭菌温度在110℃，灭菌压力在0.5MPa以上，而保证灭菌温度和压力准确的就是各种温度探头、压力传感器。因此对这类探头、传感器、电极的定期检查十分重要。

微生物	最适温度/℃	pH	致死温度/℃	致死时间/min
酵母菌	25	3.8-6.0	50-60	5-10
霉菌	25	4.0-5.8	50-60	5-10
球菌	30	5.0-7.0	50-60	5-10
长短杆菌	37	6.5-7.5	60	10
芽孢杆菌	37	6.5-7.5	100	6-17

表1.常见微生物存活及致死情况[sup][2][/sup]

实罐灭菌时，若罐内空气没有完全排除，造成“假压”，使灭菌温度达不到要求从而导致灭菌不彻底。因而在实罐升温灭菌时，应打开排气阀及有关连接管的边阀，使蒸汽通过达到彻底灭菌。

培养基中淀粉原料特别是有颗粒时，容易由于灭菌不彻底造成污染。淀粉原料在升温过快或混料不均时容易结块，使团块中心部位“夹心”包埋有活菌，从而染菌。因此，淀粉质培养基灭菌以采用实罐灭菌，在升温时先搅拌混合均匀，并加入一定量的淀粉酶边加热边液化，有大颗粒时应先过筛除去。

培养基连续灭菌时，蒸汽压力波动过大，培养基未达到灭菌温度从而导致灭菌不彻底，因而培养基连续灭菌时应严格控制灭菌温度，最好采用自动控制装置。

2.  过程中无菌空气保证

传统的空气净化装置使用活性炭、棉花、超细玻璃纤维纸做过滤器，过滤效果差，操作复杂。目前国内的膜过滤技术比较成熟，用偏二氯乙烯（PVDF）制成的折叠微孔滤膜滤芯，过滤精度高，流量大。使用时只要注意过滤前压缩空气除湿脱油，并按照规范对过滤器灭菌，空气能够保证无菌。PVDF膜对压缩空气中的水分不敏感，膜本身的疏水性强，解决了以前当空气湿度过大导致棉花过滤器不能使用的问题。

常规工业化生产中，一个完善的空气净化除菌工艺包括冷却、分离、适当加热、过滤除菌。其优点是能够充分分离空气中含有的水分, 使空气在低的相对湿度下进入过滤器, 提高了过滤除菌的效率，适应各种环境条件[sup][3][/sup]。

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图1 空气净化除菌工艺

（1空压机；2冷却器；3气液分离器；4贮罐；5加热气；6总过滤器）

3.  管道、阀门等设备的改进设计

罐体、管道、阀门等存在死角有以下几种可能：发酵设备由于如焊接等制作不当引起的死角，管道安装不当造成的死角，罐底部堆积的固形物形成硬块从而包埋赃物，罐底的加强板长期受压缩空气顶垂而腐蚀受损或裂缝等造成灭菌不彻底的死角。因而必需正确安装设备，定期铲除污垢，加强清洗，从而减少污染机会。

阀门对介质的密封度可分为4级：公称级、低漏级、蒸汽级和原子级。公称级与低漏级密封适用于关闭要求不严密的阀门，例如用于空盒子流量的阀门。蒸汽级密封适用于蒸汽和大部分其他工业用阀门的阀座、阀杆和阀体连接部的密封。原子级密封适用于介质密封性要求极高的场合，如宇宙飞船和原子能动力设备等。

发酵工业中由于使用高温蒸汽对发酵设备进行灭菌，因此阀门要求是蒸汽级密封。阀门在发酵设备中使用最多，用的阀门也有各种型号，考虑到阀门使用范围和易于维护，发酵工业上使用最多的是截止阀。近年来国内已开发发酵专用阀门，效果较为理想，如条件允许，应该选用。

凡管路需要分段灭菌的, 则在管路上安装一个带有辫子的阀门，物料管则选用便于清洗和灭菌的隔膜阀门，整体取样和排污的管道及阀门设计基本上如下图所示。

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图2 分段灭菌阀门设计                            图3  物料管阀门设计

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图4 取样及排污阀门管路设计

4.  能量的节省

在整个工业发酵过程中，能量的成本将是连续生产中的主体，在有效防止染菌的同时降低能量消耗对于企业的发展至关重要。在培养基实罐消毒时直接通入蒸汽使培养基升温并保温，然后进行冷却，这样即完成了培养基的实罐消毒操作。在实消时要求排气管上的阀门不断排出大量蒸汽，很多具有大量热能的高温蒸汽被浪费掉了，节能试验是在排气管旁路装一疏水阀，保持罐内压力，采取间歇排气。疏水阀的作用是排除加热设备或蒸汽管路中的蒸汽凝结水，同时阻止蒸汽的直接连续排放。示意图如下：

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图5  疏水阀管路安装示意图（A、B为截止阀，C为疏水阀）

操作中应注意当升温时B阀须打开，将冷空气排净，以罐压和温度相应为准，然后关闭B阀。疏水阀宜装在旁路上，不要装在直路上，以免培养基偶尔逃逸而堵塞疏水阀。

实际作业中经过对安装疏水阀前后的培养基实消灭菌的质量情况比较，结果无明显的差异，同时对保温阶段的蒸汽消耗量进行测定，比改进前的工艺要节省蒸汽约80%[sup][4][/sup]。

5.  改进后实做情况

笔者在30-300L中试发酵系统中，对培养基及有关设备、物料和空气管道各环节的灭菌消毒都参照了成熟的工艺,并根据其他一些厂家的实际使用经验做出上述改进。经过多次投料生产,均无染菌现象发生。

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图6  改进后的30-300L中试系统

因此该套系统关于罐体，管路，空气，阀门及节能方面的整体设计改进满足发酵过程的无菌要求,做到了纯种发酵,保证了产品的质量，并能使得成本较大降低。

结语

在生物发酵工厂里, 一套完备的灭菌和节能工艺设计是十分必要的, 只有保持在生产过程中各个环节的无菌操作, 才可使潜在的染菌危险将至最小；只有合理的将能源进行有效综合利用，才能使得成本尽可能的降低。但整个发酵工程是一个系统工程，在整个车间布局，环境控制，5S的推进等方面的持续改进也将是广大工程人员努力的方向。

参考文献：

[1]Lydersen B.K,DeliaN.A,Nelson K.L. Bioprocess Engineering:System, equipment and facilities[M]. New York,JohnWiley&Sons,INC,1994.

[2]张慧涛，侯新强.发酵设备引起发酵染菌的原因和预防[J].医药工程设计，2006，27（2），27-29.

[3]祝学敏.生物发酵工厂灭菌工艺的设计[J].化工设计通讯，2004，6，26-31.

[4]梁世中主编.生物工程设备[M].北京：中国轻工业出版社，2002.

支持原创

很有启发，但是为啥我看不到图啊

qihailong

看不到图片