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生物发酵工程仪表选型重点2024-03-14

0 引言

面对日益强烈的市场竞争，很多企业都在追求出产工艺的改进，如在发酵过程中引入操作自动化节造系统，选取测试技术、传感技术和预测吞吐节造技术，对温度、压力、pH值、溶化氧、风量、补料、转速和电机显示进行数字化自动节造，不仅节俭了大量人力，并且提高了出产效能和产品质量。对于工业发酵来说，发酵工程的首要工作是选择相宜的菌种进行造就和滋生，同时必要维持最佳的成长前提和参数节造，发酵罐的选择以及微生物的接种、分离和纯化。生物发酵是产品造备的生化反映过程，涉及生涯和出产的方方面面。生物发酵参数是发酵过程及其菌种生理生化个性的数据，也是人们节造发酵过程的重要凭据。生物造药发酵过程中与微生物成长和代谢有关的节造参数蕴含温度、压力、溶化氧、pH、液位、流量等，参加全过程自动节造的丈量仪表和节造阀也是生物发酵的沉要组成部门。

生物发酵工业的出产不仅特殊，并且对产品的卫生要求也很高。固然生物发酵工程中的仪器和阀门是发酵设备智能化不成或缺的一部门，但除了通例规范和尺度表，它们还必要满足优良出产规范（GMP）或GAMP指南的要求。除卫生和无菌要求表，与药品质量有关的物料和环境直接接触的仪表或节造阀也有严格的灭菌、密封和隔离等要求。凭据近年来在生物发酵工程中自动节造选型和使用的经验，重要介绍了生物发酵工程中各类仪表的选型重点。

发酵设备1.png

图1 发酵系统图

1 生物发酵工艺流程

某公司新建50万吨/年农副产品深加工综合利用项目，将基础作物加工成亮氨酸、通明质酸等数十种高附加值氨基酸、发酵产品，提升本地经济效益。该项目引入发酵过程全程自动化出产，打造高效、节能、卫生、绿色的无人智能车间。发酵过程参数的丈量与节造直接影响发酵成效，发酵部门蕴含种子造就过程和发酵过程。

1）种子造就工序

将种子罐洗濯结束后参与玉米浆并搅拌均匀，用蒸汽进行消毒，消毒实现后用循环水降温，调整pH，将贮存在种子室中的菌种参与种子罐，空气经过滤、蒸汽消毒后，并将其送入种子罐进行种子造就，种子造就达到指标后，靠压差进入发酵罐。

2）发酵工序

发酵罐中通入经过滤、蒸汽灭菌后的无菌空气进行发酵，通过增长氨水调节pH值，通入低压蒸汽、循环水、冷冻水调节发酵罐内物料温度，在引入出产菌并用活性种子扩大造就后，将它们参与发酵罐中，并进行约60h的好氧发酵以造取发酵液。发酵液通过出料管送至发酵液储罐，后送至下一工段。图1是某个发酵系统设计的丈量参数情况。

从图1能够看启程酵过程丈量参数重要有：入罐温度TT（细菌成长的相宜温度）、进气流量FT（罐中二氧化碳和氧气的出产和亏损）、罐压力PT（压力影响溶化氧和细菌成长）、进料流量FT（微生物出产和代谢的必须营养素），变频电机转速（确保营养物质与细菌均匀接触）、溶化氧、pH（细菌代谢前提）等。

2 丈量仪表阀门的选型重点分析

2.1 温度检测仪表

温度对发酵的影响：

1）对细胞成长的影响：温度升高，从酶反映动力学来看，成长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老。

2）对产品形成的影响：菌体成长速度、呼吸强度和代谢产品形成速度的最适温度往往是分歧的；温度升高，通常产品天生提前。

因而，发酵过程中的罐温是一个极度沉要的微生物成长的环境参数，发酵中常选取热电阻温度计检测罐内温度。由于微生物造就过程是纯造就过程，因而对无菌、干净要求很高，故发酵罐、种子罐等设备上的温度检测仪表常选取卫生型，以下是卫生型温度变送器的选择要求：

(1)切合3A卫生尺度[5];(2)整体不锈钢结构；(3)工艺衔接部门选取整体焊接抛光工艺，卫生衔接（焊接、切合ISO 2852的卡盘、切合DIN11851的螺纹等）；(4)温度传感器敏感元件选取高精度铂热电阻，输出4mA～20mA电流信号，二线造+Hart或其他和谈信号；(5)精度等级：0.25%FS或0.5%FS;(6)卫生一体化温度变送器通常选用热电阻温度计+卫生型温度套管。

2.2 压力检测仪表

压力重要用于发酵罐调节进气量或排气量，维持发酵过程中所需的压力。发酵罐中的气体压力丈量必须满足清洁度、除尘和交叉传染�；さ囊�，并切合造药和生物技术指南的最高尺度[。因而，发酵罐、种子罐等设备及纯化水管线上的压力检测仪表选取卫生型压力变送器。以下是卫生型压力变送器的选择要求：

(1)切合3A卫生尺度；(2)整体不锈钢焊接结构；(3)过程衔接大局选用卡盘衔接，卫生卡盘压力接口：316L平膜片，选取膜片结构方便急剧拆装洗濯，预防结垢，不应有无菌死角；(4)常选取扩散硅或单晶硅传感器，带现场显示职能，同时输出4mA～20mA+Hart信号，精度可达0.075%。

2.3 在线检测仪表

在线检测必要在发酵系统当选取专门的传感器（也叫电极或探头），以传输一些发酵信息并为发酵丈量提供基础。由于微生物造就过程是一个无菌要求很高的纯造就过程，因而对传感器有特殊要求：

(1)插入储罐的传感器必须可能接受高压蒸汽灭菌；(2)传感器结构不应有无菌死角，以防染菌（密封性好）；(3)传感器对丈量参数要敏感，相应功夫要短（响应快、活络）；(4)传感器机能要不变，受本利用环境影响幼。

2.3.1 在线检测仪表（pH)

发酵过程中造就基的pH值是在肯定环境前提下微生物代谢活性的综合指标，是沉要的发酵参数。发酵罐、种子罐罐内的pH检测通常是使用复合pH电极，该电极结构紧凑且可蒸汽灭菌。以下是pH检测仪表的特点：

(1)选用能够在生物过程蒸汽消毒等高温环境中反复使用的pH电极；pH电极选取螺纹接口Pg13.5，护套主体选取316L不锈钢材质，结构需牢固不变。

(2)参比电极选取抗传染能力强的双盐桥结构，可解除液接部门的梗塞。液接部材质：玻璃，陶瓷或316L。

2.3.2 在线检测仪表（溶化氧）

溶化氧是指丈量罐内造就液中氧含量的比例，氧气是菌种成长和生化反映所必须的物质之一。凭据目前发酵行业自身的特点，溶化氧暗示选取空气百分鼓和度的暗示步骤。通常在接种前，模仿正常造就的前提（搅拌，温度，罐压，通气），进行满刻度标定，此时溶化氧视为100%，调好后不再对其校对，直到发酵实现。以下是溶化氧检测仪表的选择要求：

(1)可选取电化学丈量道理，合用于各类生物发酵设备中含氧量检测。

(2)电极选取螺纹接口Pg13.5，主体选取316L不锈钢材质资料。

(3)需配耐压不锈钢结构膜片，抗形变能力强，耐受高温灭菌使用。

(4)丈量领域0mg/L～20mg/L,0%～200%。

2.4 流量检测仪表

发酵车间对无菌化干净化要求很高，时时性高温消毒，故发酵罐或种子罐的蒸汽、空气管路流量检测通常选取卫生型涡街流量计，发酵罐或种子罐的料液、纯水流量检测通常选取卫生型电磁流量计等。电磁流量计重要用于检测能导电的流体（如循环水等）的丈量，因而选用电磁流量计需确定物料介质的导电性。以下是以卫生型(电磁)流量变送器为例，选用特点注明：

(1)切合3A卫生尺度。

(2)过程衔接大局有多种卫生型衔接，可选用（焊接、卡箍、螺纹）衔接。

(3)卫生型流量计选用卫生型衬里资料（PFA内衬），这样预防了介质残存物堆积在丈量管中；选用不锈钢传感器表壳，电极SS316L。

(4)光洁度要求：接液材质表表光洁度Ra≤0.8um或高抛光度Ra≤0.38μm。

(5)密封圈材质可选用EPDM/FKM等要切合3A、EHEDG认证，并满足各类卫生型利用场所要求。

2.5 液位检测仪表

发酵罐、种子罐等设备内体积的检测通常选取压差法，因而发酵罐上设置差压变送器来检测罐内体积。该液位计利用发酵罐高低两点或三点间分歧压强可推算出料液体积和页面高度。发酵设备内不允许存在杂菌，对无菌，干净要求很高，因而液位检测仪表常选用卫生型，卫生差压变送器的个性与卫生压力变送器的个性类似。

2.6 节造阀

在发酵过程中，罐体内和管路中不允许存在其他杂菌。杂菌可能产生有毒有害物质，影响发酵质量和产量，严沉时可能导致整罐发酵失败。因而，在接种菌种之前，有必要对发酵罐、管路和造就基溶液进行高温蒸汽灭菌处置。故在生物发酵工程中，时时使用卫生阀作为节造阀，如卫生蝶阀、卫生球阀、隔阂阀、抗生素阀、角座阀。卫生级阀门指的是用于生物造药行业中的对卫生等级要求很高的场所所使用的阀门管件；卫生级阀门通常由304或316不锈钢造成，在出产加工后经过特殊处置。在很多方面，工业阀门无法与之相比，例如清洁度和单一的装置步骤。生物造药的出产设备是必要没有死角，光滑，没有缝隙，要足够的高清洁度以保障齐全的质量。生物反映器的无菌要求很高，可能与样品接触的阀门以隔阂阀或抗生素阀为主。

发酵设备2.png

表1 发酵工艺过程丈量仪表和节造阀数据表

卫生阀选取卡盘衔接、快装法兰衔接和焊接衔接的大局进行衔接。以抗生素阀为例，介绍了节造阀的选型要求：(1)应拥有较强的杀菌、清毒职能，预防产品传染；(2)密封垫选取耐高温聚四氟乙烯复合伙料造成；(3)密封垫、阀体中央密封圈、阀杆填料均选取优质聚四氟乙烯资料；(4)要求耐高温，使用寿命长，无死角，零泄漏。

卫生节造阀系统解决了出产过程中的缺点，急剧提高了发酵罐的安全性。正确的仪表选型设计预防了染菌产品而造成不用要的后果，同时与工业通常阀门相比，卫生节造阀更紧凑轻便，可节俭大量空间，满足CIP/SIP需要。

生物发酵工艺对杀菌、消毒、密封和隔离等要求很高。因而，在通常的生物发酵出产工程中，工艺设备、丈量仪器和节造阀往往选用卫生型。从上述各类丈量仪表选型要求分析能够看出，卫生型仪表和通常仪表的区别重要体此刻以下几点：

(1)材质方面：凭据分歧前提工况要求选用不一致级的不锈钢资料（304L、316L等）。

(2)结构方面：表表光滑干净（表表光泽度最好幼于0.8μm），无死角，不易结垢，不易传染，易于冲刷。

(3)在认证方面：卫生仪器通常必要获得3A级卫生认证，或者可能获得第三方卫生检测汇报，以满足GMP/FDA的要求。

(4)表观方面：卫生仪表和阀门从表观上看有一个显著的特点，即卡箍式衔接和卫生级快装法兰衔接等。

生物工程中的造剂车间、发酵车间蹬仔干净要求的场所需选择卫生型仪表。对于有灭菌要求的发酵系统，卫生仪表能够同时满足在线灭菌的要求。在防染菌防传染，预防有毒、有害和传染物进入和泄出、耐高温消毒灭菌方面，要求严格密封和隔离。在选择仪表时，要综合思考仪表的装置前提，是否能满足装置过程中无死角，易洗濯，无残留的卫生要求。

3 丈量仪表阀门的选型利用

凭据上文的发酵工艺流程描述及选型重点分析，提供了几种典型的丈量仪表和节造阀的选择参数。

从表1中典型丈量仪表和节造阀的选型能够看出，生物发酵工程和化工行业的仪表及节造阀的选型有很多差距，原因是生物发酵旨意造就出更好的菌种。生物工程对出产过程的环境和设备有着严格的要求，这使得卫生仪表和阀门的选择越发关注设备自身（部件资料、结构）以及环境成分是否会对生物发酵出产过程产生不利影响。

4结语

目前，自动化丈量仪器和节造阀在生物发酵行业的利用越来越多。然而，行业内对卫生仪表的选型没有系统的尺度支持，导致设计师在选择卫生仪表时不足概想。同时，中国没有卫生尺度，也不足权威的认证机构。本文介绍的卫生仪表的选用重点，但愿对各人在生物发酵工程中的仪表阀门选型有所援手。

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