生物工程設(shè)備第十三章設(shè)備與管道的清洗和殺菌

1、生物工程設(shè)備第十三章設(shè)備與管道的清洗和殺菌 設(shè)備與管道的清洗和殺菌 設(shè)備與管道的清洗和殺菌13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備13.2設(shè)備及管路的滅菌13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 13.1.1 生物工業(yè)常用清洗劑 工業(yè)用清洗劑絕大多數(shù)都是水溶液,生物工業(yè)及食品、制藥等行業(yè)所用溶劑水水質(zhì)要求較高。 1.清洗劑 理想的清洗劑應(yīng)能溶解或分解有機(jī)物,分散固型物,具漂洗和多價螯合作用,而且還有一定的殺菌作用。但是至今仍未有一種單一的洗滌劑具有上述的所有性質(zhì),所以目前的清洗劑都是由堿或酸、外表活性劑、磷酸鹽或螯合劑等復(fù)配而成。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 (1)堿和酸,燒堿溶液是很好的蛋白

2、質(zhì)和脂肪洗滌劑。硅酸鈉是良好的水溶液分散劑,對積垢的分散十分有效。另外,磷酸三鈉因?yàn)橛辛己玫姆稚⑿院腿榛?使用也較普遍。 (2)外表活性劑,為了有效發(fā)揮洗滌劑的作用,需添加外表活性劑以減小污垢的外表張力,使污垢物更易去除。表面活性劑可分成陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型等類型。表13-1列舉了一些用于清洗罐或管道的清洗劑配方。13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 表13-1 典型洗滌劑溶液配方 單位:g/L 管道清洗應(yīng)用場合 罐CIP清洗系統(tǒng)用 管道清洗用 應(yīng)用場合 罐CIP清洗系統(tǒng)用用磷酸三鈉 碳酸鈉三聚磷酸鈉13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 2.消毒殺菌劑 最常用的化學(xué)消毒劑是次

3、氯酸鈉,近幾年,二氧化氯逐漸取代次氯酸鈉。雖然,次氯酸溶液對許多金屬包括不銹鋼都有腐蝕作用,但在PH 8.010.5的溶液中,及較低的溫度下,用50200mg/L的氯濃度并盡量縮短與設(shè)備的接觸時間,可使腐蝕作用降到最小。 3.特殊清洗試劑 在某些場合,需要把與有機(jī)物外表緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)分離洗脫出來,例如色譜別離柱樹脂的處理。這些樹脂易被燒堿等破壞。13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 13.1.2 設(shè)備、管路、閥門等的清洗 傳統(tǒng)的設(shè)備清洗方法是將設(shè)備拆卸后進(jìn)行人工或半機(jī)械法清洗。這種方法勞動強(qiáng)度大,效率低?，F(xiàn)代化生產(chǎn)已普遍采用CIP清洗系統(tǒng)(在位清洗),使清洗過程到達(dá)自動化或半自動化。但有些特

4、殊設(shè)備還需用人工清洗。 1.管件和閥門 表13-2是典型的管件清洗操作程序。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 表13-2 管件清洗的操作程序 清洗時間/min 清洗時間/min操作步驟 溫度 操作步驟 溫度1.清水漂洗 510 常溫 4.消毒劑處理 1520 常溫2.洗滌劑洗 1520 常溫75 5.清水漂洗 510 常溫滌3.清水漂洗 510常溫13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 2.罐的洗滌 對于小型罐,常用的方法是在罐內(nèi)放入洗滌劑浸泡。對于大型罐,通常是在罐頂以一定的速度噴灑洗滌劑,通常使用的兩類噴射洗滌設(shè)備為球形靜止噴灑器和旋轉(zhuǎn)式噴射器。球形靜止噴灑器結(jié)構(gòu)較簡單,價格較低,可提

5、供連續(xù)的外表噴射,即使有一兩個噴孔被堵塞,對噴洗操作影響不大,還可自我清洗,但噴射壓力不高,噴射距離有限,所以對器壁的沖洗主要是沖洗作用而非噴射沖擊作用。13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 3.生物加工下游過程設(shè)備的清洗 色譜別離柱的清洗有其特殊性。通常,填充的PHLC介質(zhì)對堿較敏感,不能耐受NaOH等堿性洗滌劑,這時可用硅酸鈉代替。假設(shè)色譜系統(tǒng)使用的是軟性介質(zhì),那么只能在低壓力和流速下進(jìn)行清洗。某些情況下(如在位沖洗)不能提供充足的清洗度時,應(yīng)將填充基質(zhì)卸下來再用洗滌劑浸泡洗滌。 對錯流的微濾或超濾系統(tǒng)常使用CIP系統(tǒng)清洗。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 4.輔助設(shè)備的清洗 輔助設(shè)

6、備的清洗是比擬簡單的,但也必須注意:(1)空氣過濾器和液體過濾裝置不易清洗干凈,必要時需用人工進(jìn)行清洗。(2)無論何種熱交換設(shè)備,假設(shè)是用于培養(yǎng)基的加熱或冷卻,換熱面上的結(jié)垢或焦化是很難防止的,也不易清洗。適當(dāng)提高介質(zhì)流速對減少此問題非常有效。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 13.1.3 CIP清洗系統(tǒng)及設(shè)備 CIP清洗系統(tǒng)有多種形式,傳統(tǒng)上是一種一次性洗滌系統(tǒng),即消毒劑只供使用一次即舍去。一次性使用系統(tǒng)適用于那些貯存壽命短,易變質(zhì),不宜重復(fù)使用的消毒劑。一次性使用系統(tǒng)是較小型的固定的單元裝置,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖13-1所示。它包括一個含有進(jìn)水孔及水平探針的罐和一臺離心泵用以驅(qū)動潔凈的洗

7、滌劑的循環(huán)利用,并設(shè)有一噴射口以通入加熱蒸汽或添加經(jīng)計量泵計量的洗滌劑。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 1-過濾器;2-循環(huán)泵;3-噴射器;4-蒸汽進(jìn)口;5-排污閥;6-洗滌劑貯罐 圖13-1 一次性使用的CTP系統(tǒng) 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備假設(shè)生產(chǎn)設(shè)備只用于生產(chǎn)單一產(chǎn)品,洗滌劑可重復(fù)利用,不僅節(jié)省洗滌劑用量,而且減少排污對環(huán)境的污染。洗滌劑重復(fù)利用系統(tǒng)如圖13-2所示。用循環(huán)回收水配置初洗滌液,可節(jié)省用水。配料罐內(nèi)有換熱蛇管,用以加熱洗滌劑,用泵使洗滌劑循環(huán)。從貯罐中心取樣測量洗滌劑濃度以保證其正常值。需配置中和罐以備加酸中和堿性洗滌劑。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及

8、設(shè)備 1-濾器;2-環(huán)泵;3-鮮洗滌劑貯罐;4-用洗滌劑;5-水罐;6-回收水貯罐圖13-2 洗滌劑重復(fù)利用的CTP系統(tǒng)13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備集一次性和循環(huán)使用于一體的混合系統(tǒng)是對罐和管道的CIP系統(tǒng)而設(shè)計的,由預(yù)定程式實(shí)行控制,如圖13-3所示。該系統(tǒng)包含洗滌劑及水的回收罐,循環(huán)泵,過濾器等。預(yù)洗用水使用回收水,用完后可直接排放或貯留一段時間以進(jìn)行中間洗滌。洗滌劑可使用混合洗滌劑,如果需要,也可用化學(xué)洗滌劑。要確保洗滌溫度在預(yù)定的范圍內(nèi)。洗滌劑及漂洗用水循環(huán)使用一定次數(shù),當(dāng)其所含的污臟物到達(dá)一定濃度后就不宜回收而需排放廢棄。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 1-過濾器;2

9、-循環(huán)泵;3-噴射器;4-混合加熱罐;5-洗滌劑罐;6-回用水回收罐圖13-3 屢次使用的CTP洗滌系統(tǒng)13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 13.1.4 清潔程度確實(shí)認(rèn) 1.清潔程度的檢驗(yàn) 清潔程度檢驗(yàn)系統(tǒng)和方法包括設(shè)備檢驗(yàn)、操作檢驗(yàn)和成效檢驗(yàn)。 設(shè)備安裝及操作期間的檢驗(yàn)應(yīng)是相應(yīng)特定的,即處于手動狀態(tài)。執(zhí)行清洗程序時進(jìn)行檢驗(yàn),確證設(shè)備不同部位殘留的污臟物的去除、清洗程序的執(zhí)行狀況,然后分析這些地方污臟物的各種殘留成分。13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 2.外表清潔標(biāo)準(zhǔn) 無殘留固體污贓物或垢層;在良好光線下無可見污染物,且在潮濕或枯燥的狀況下,外表均沒有明顯的氣味;手摸外表,無明顯的粗糙或

10、滑溜感;把白紙印在外表后檢查無不正常顏色;在排干水后外表無殘留水跡;在波長340380nm光線檢查外表無熒光物質(zhì)。 除上述檢驗(yàn)外還應(yīng)進(jìn)行一些定量的檢查,主要是檢查蛋白質(zhì)和細(xì)胞殘留物。13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備蛋白質(zhì)污臟物的檢測方法:先用標(biāo)準(zhǔn)濃度蛋白質(zhì)溶液把外表潤濕后再枯燥,置于某容器或管路中作試驗(yàn)外表。然后按工藝規(guī)程對含上述試驗(yàn)外表之容器或管路進(jìn)行洗滌操作。洗滌過程結(jié)束后取出試驗(yàn)外表并把水甩干去掉,把硝化纖維紙壓在外表上以吸收蛋白質(zhì)殘留,把消化纖維紙浸入考馬斯亮藍(lán)溶液后放入醋酸溶液中,過夜,根據(jù)藍(lán)色的深淺,確定蛋白質(zhì)殘留情況。 13.1 常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備 致熱物質(zhì)的檢測也是

11、必要的,傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是動物試驗(yàn),通常往試驗(yàn)兔子體內(nèi)注入一定量的熱原試樣并檢測其體溫的升高,再根據(jù)預(yù)先繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線查出其濃度。近年,出現(xiàn)了LAL(Limulus amoebocyte lysate)檢驗(yàn)法,可檢出10-7低濃度的內(nèi)霉素。 最后,還必須檢查最終漂洗結(jié)果,常用方法是將一滴酚酞試劑滴在漂洗過的樣本外表,假設(shè)試劑變紅那么說明存在NaOH殘留。 返回13.2 設(shè)備及管路的滅菌蒸汽加熱滅菌方法是最普遍的殺菌方法,加熱滅菌可把微生物細(xì)胞及孢子全部殺死。對于一個優(yōu)良的蒸汽滅菌系統(tǒng),加熱時間和溫度是最重要的兩個參數(shù),常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表13-3所示。實(shí)驗(yàn)室常用的三角瓶等玻璃儀器及小量的培養(yǎng)基殺菌

12、常用0.1的飽和蒸汽(表壓)即121下滅菌15min。管路的殺菌,一般用121、30min,而較小型的發(fā)酵罐約需45min,假設(shè)是大型而復(fù)雜的發(fā)酵系統(tǒng)那么需1小時。系統(tǒng)越大,其熱容量也越大,熱量傳遞到其中的每一點(diǎn)所需的時間也就越長。13.2 設(shè)備及管路的滅菌 表13-3 蒸汽殺菌溫度和時間(MRC建議)殺菌溫度121 126 134min所需時間15 10313.2 設(shè)備及管路的滅菌設(shè)備用蒸汽滅菌,通常選擇0.150.2的飽和蒸汽,這樣即可較快使設(shè)備和管路到達(dá)所要求的滅菌溫度,又使操作較平安。當(dāng)然,對于大型設(shè)備和較長管路,可用壓強(qiáng)稍高的蒸汽。此外,滅菌開始時,必須注意把設(shè)備和管路中存留的空氣充

13、分排盡,否那么造成假壓而實(shí)際滅菌溫度達(dá)不到工藝要求。 對于哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng),蒸汽必須由特制的純蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生,并經(jīng)不銹鋼管道輸送,因普通的鋼制蒸汽設(shè)備有鐵銹等雜質(zhì),可能污染產(chǎn)品或成為微生物的營養(yǎng)源。13.2 設(shè)備及管路的滅菌為確保蒸汽加熱滅菌高效、平安,應(yīng)確保設(shè)備的所有部件均能耐受130高溫。為減少死角,盡可能采用焊接并把焊縫打磨光滑要防止死角和縫隙。假設(shè)管路死端無可防止,要保證死端的長度不大于管徑的6倍,且應(yīng)裝置一蒸汽閥以用蒸汽滅菌。盡量防止在滅菌和非滅菌的空間只裝設(shè)一個閥門,以保證平安。所有閥門均應(yīng)利于清洗、維護(hù)和殺菌,最常用的是隔膜閥。設(shè)備的各局部均可分開滅菌,且需有單獨(dú)的蒸汽進(jìn)口閥。1

14、3.2 設(shè)備及管路的滅菌 13.2.1 發(fā)酵罐及容器的滅菌 1.發(fā)酵罐的滅菌 發(fā)酵罐或容器的滅菌都有一定的耐壓耐溫要求,要求能承受0.15kPa飽和蒸汽的滅菌。 罐和容器在使用前必須進(jìn)行耐壓和氣密性實(shí)驗(yàn)。檢查方法是:保持溫度不變,檢查壓強(qiáng)是否恒定,可檢查罐的壓強(qiáng)是否改變來確定是否存在滲透。檢測氣壓的壓力表罐體連接管應(yīng)盡量短,同時盡可能裝置小蒸汽閥以確保滅菌徹底。13.2 設(shè)備及管路的滅菌 2.容器的排料系統(tǒng)蒸汽殺菌 罐和容器的排料口設(shè)在最低點(diǎn),首先能徹底干凈排出料液,同時便于清洗、排污及滅菌。罐排料管蒸汽滅菌管路配置如圖13-4。罐內(nèi)通氣滅菌過程時,閥門A、C和F開啟,閥門B、D和F關(guān)閉。此管

15、路配置既可保證罐能正常通氣加熱殺菌又能使閥門A、B和C經(jīng)受徹底的通氣殺菌,雜菌要侵入,必須經(jīng)過兩個閥座才能進(jìn)入罐中,這樣的配管有利于罐系統(tǒng)的無菌保證。 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-4 排料管蒸汽滅菌配置圖 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 3.罐的CIP清洗系統(tǒng)蒸汽殺菌配管 自動化清洗系統(tǒng)(CIP)清洗系統(tǒng)的蒸汽滅菌配管如圖13-5所示。圖13-5 CIP系統(tǒng)蒸汽滅菌管路配置 在蒸汽加熱滅菌過程中,閥門B和C翻開,閥A關(guān)閉,故整套清洗噴灑頭裝置均可經(jīng)受徹底的蒸汽加熱滅菌過程。 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-5 CIP系統(tǒng)蒸汽滅菌管路配 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 13.2.2 空氣過濾

16、器的滅菌 空氣過濾器用來過濾除去空氣中的微生物為生物生產(chǎn)過程提供無菌空氣?？諝膺^濾器主要有兩大類,一種是纖維介質(zhì)或帶有微孔的金屬、塑料等,另一種為膜式,現(xiàn)在膜式過濾器的應(yīng)用越來越廣。過濾器的殺菌主要是采用飽和干蒸汽。 13.2 設(shè)備及管路的滅菌圖13-6是過濾器連同發(fā)酵罐同時加熱滅菌的管路布置。這種配管較簡單,可使過濾器和罐同時殺菌。假設(shè)將空氣過濾器的進(jìn)出氣口接頭改換,并在進(jìn)空氣管道上加裝蒸汽進(jìn)出管,在操作過程中控制此蒸汽管的進(jìn)氣壓強(qiáng)高于直接通入發(fā)酵罐的蒸汽壓強(qiáng)0.025,可使蒸汽順利通過管路和過濾介質(zhì),徹底加熱殺菌,同時蒸汽冷凝水不會聚集于過濾器或管路中,保證殺菌平安性。其管路連接如圖13-

17、7所示。假設(shè)發(fā)酵過程需要更換空氣過濾器,可把殺菌管路和閥門等改為圖13-8的配置。13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-6 發(fā)酵罐空氣過濾器的加熱滅菌配置13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-7 較理想的空氣過濾器加熱滅菌配置 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-8 過濾器單獨(dú)滅菌的管路配置13.2 設(shè)備及管路的滅菌 13.2.3 管路和閥門的滅菌 隔膜式閥門如圖13-9所示是使用最為廣泛的一種閥門,隔膜閥蒸汽加熱殺菌有3種方法。 蒸汽直接通過閥門,閥門與管路均充滿蒸汽,可保證殺菌徹底,這是最正確的方式。 利用隔膜閥上的取樣和排污小閥門,通入蒸汽或放出蒸汽冷凝水,使隔膜兩邊充分滅菌。 是確保閥門接管的盲端管長與管徑之比不大于6倍,且必須保證管內(nèi)不積存冷凝水。這種方法容易發(fā)生滅菌不徹底。 13.2 設(shè)備及管路的滅菌 圖13-9 隔膜閥的結(jié)構(gòu)簡圖 13.2 設(shè)備及管路的滅菌在殺菌過程中每個罐及其管道盡可能分開滅菌,如圖13-10所示。滅菌時,關(guān)閉閥A和F,依次翻開閥E、D、B和C,最后開啟蒸汽閥,通入蒸汽滅菌。滅菌結(jié)束,先關(guān)閉閥E然后關(guān)閉閥C,閥F開啟以免管路因蒸汽冷凝而產(chǎn)生真空后漏入污染物。此時便可翻