第十三章 設(shè)備與管道的清洗和殺菌

第十三章設(shè)備與管道的清洗和殺菌第一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日設(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)備及管路的滅菌第二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(jià)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、表面活性劑、磷酸鹽或螯合劑等復(fù)配而成。

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（1）堿和酸，燒堿溶液是很好的蛋白質(zhì)和脂肪洗滌劑。硅酸鈉是良好的水溶液分散劑，對(duì)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）表面活性劑，為了有效發(fā)揮洗滌劑的作用，需添加表面活性劑以減小污垢的表面張力，使污垢物更易去除。表面活性劑可分成陰離子型、陽(yáng)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。第四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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應(yīng)用場(chǎng)合罐CIP清洗系統(tǒng)用管道清洗用應(yīng)用場(chǎng)合罐CIP清洗系統(tǒng)用管道清洗用0.1mol/LNaOH4.0硅酸鈉0.4磷酸三鈉0.2碳酸鈉1.2表面活性劑0.1硫酸鈉1.2三聚磷酸鈉1.0單位：g/L第五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(duì)許多金屬包括不銹鋼都有腐蝕作用，但在PH=8.0～10.5的溶液中，及較低的溫度下，用50～200mg/L的氯濃度并盡量縮短與設(shè)備的接觸時(shí)間，可使腐蝕作用降到最小。

3．特殊清洗試劑在某些場(chǎng)合，需要把與有機(jī)物表面緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)分離洗脫出來，例如色譜分離柱樹脂的處理。這些樹脂易被燒堿等破壞。第六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(dòng)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），使清洗過程達(dá)到自動(dòng)化或半自動(dòng)化。但有些特殊設(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。

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表13-2管件清洗的操作程序操作步驟清洗時(shí)間/min溫度℃操作步驟清洗時(shí)間/min溫度℃1．清水漂洗5～10常溫4．消毒劑處理15～20常溫2．洗滌劑洗滌15～20常溫～75℃5．清水漂洗5～10常溫3．清水漂洗5～10常溫第八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

2．罐的洗滌對(duì)于小型罐，常用的方法是在罐內(nèi)放入洗滌劑浸泡。對(duì)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(jiǎn)單，價(jià)格較低，可提供連續(xù)的表面噴射，即使有一兩個(gè)噴孔被堵塞，對(duì)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(duì)器壁的沖洗主要是沖洗作用而非噴射沖擊作用。第九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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)備的清洗色譜分離柱的清洗有其特殊性。通常，填充的PHLC介質(zhì)對(duì)堿較敏感，不能耐受NaOH等堿性洗滌劑，這時(shí)可用硅酸鈉代替。若色譜系統(tǒng)使用的是軟性介質(zhì)，則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(shí)，應(yīng)將填充基質(zhì)卸下來再用洗滌劑浸泡洗滌。對(duì)錯(cuò)流的微濾或超濾系統(tǒng)常使用CIP系統(tǒng)清洗。第十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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)備的清洗是比較簡(jiǎn)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(shí)需用人工進(jìn)行清洗。（2）無論何種熱交換設(shè)備，若是用于培養(yǎng)基的加熱或冷卻，換熱面上的結(jié)垢或焦化是很難避免的，也不易清洗。適當(dāng)提高介質(zhì)流速對(duì)減少此問題非常有效。

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13.1.3CIP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(gè)含有進(jìn)水孔及水平探針的罐和一臺(tái)離心泵用以驅(qū)動(dòng)潔凈的洗滌劑的循環(huán)利用，并設(shè)有一噴射口以通入加熱蒸汽或添加經(jīng)計(jì)量泵計(jì)量的洗滌劑。

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圖13-1一次性使用的CTP系統(tǒng)

1－過濾器；2－循環(huán)泵；3－噴射器；4－蒸汽進(jìn)口；5－排污閥；6－洗滌劑貯罐第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

若生產(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(duì)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(cè)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。第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

圖13-2洗滌劑重復(fù)利用的CTP系統(tǒng)1－濾器；2－環(huán)泵；3－鮮洗滌劑貯罐；4－用洗滌劑；5－水罐；6－回收水貯罐第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(duì)罐和管道的CIP系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(shí)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)其所含的污臟物達(dá)到一定濃度后就不宜回收而需排放廢棄。

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圖13-3多次使用的CTP洗滌系統(tǒng)1－過濾器；2－循環(huán)泵；3－噴射器；4－混合加熱罐；5－洗滌劑罐；6－回用水回收罐第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

13.1.4清潔程度的確認(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(dòng)狀態(tài)。執(zhí)行清洗程序時(shí)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。第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

2．表面清潔規(guī)范無殘留固體污贓物或垢層；在良好光線下無可見污染物，且在潮濕或干燥的狀況下，表面均沒有明顯的氣味；手摸表面，無明顯的粗糙或滑溜感；把白紙印在表面后檢查無不正常顏色；在排干水后表面無殘留水跡；在波長(zhǎng)340～380nm光線檢查表面無熒光物質(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。第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(cè)方法：先用標(biāo)準(zhǔn)濃度蛋白質(zhì)溶液把表面潤(rùn)濕后再干燥，置于某容器或管路中作試驗(yàn)表面。然后按工藝規(guī)程對(duì)含上述試驗(yàn)表面之容器或管路進(jìn)行洗滌操作。洗滌過程結(jié)束后取出試驗(yàn)表面并把水甩干去掉，把硝化纖維紙壓在表面上以吸收蛋白質(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。第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.1常用清洗劑、清洗方法及設(shè)備

致熱物質(zhì)的檢測(cè)也是必要的，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是動(dòng)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(cè)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（Limulusamoebocytelysate）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表面，若試劑變紅則表明存在NaOH殘留。返回第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(duì)于一個(gè)優(yōu)良的蒸汽滅菌系統(tǒng)，加熱時(shí)間和溫度是最重要的兩個(gè)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，若是大型而復(fù)雜的發(fā)酵系統(tǒng)則需1小時(shí)。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(shí)間也就越長(zhǎng)。第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

表13-3蒸汽殺菌溫度和時(shí)間（MRC建議）所需時(shí)間殺菌溫度12112613415103第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

設(shè)備用蒸汽滅菌，通常選擇0.15～0.2的飽和蒸汽，這樣即可較快使設(shè)備和管路達(dá)到所要求的滅菌溫度，又使操作較安全。當(dāng)然，對(duì)于大型設(shè)備和較長(zhǎng)管路，可用壓強(qiáng)稍高的蒸汽。此外，滅菌開始時(shí)，必須注意把設(shè)備和管路中存留的空氣充分排盡，否則造成假壓而實(shí)際滅菌溫度達(dá)不到工藝要求。對(duì)于哺乳動(dòng)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(yíng)養(yǎng)源。第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

為確保蒸汽加熱滅菌高效、安全，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避免死角和縫隙。若管路死端無可避免，要保證死端的長(zhǎng)度不大于管徑的6倍，且應(yīng)裝置一蒸汽閥以用蒸汽滅菌。盡量避免在滅菌和非滅菌的空間只裝設(shè)一個(gè)閥門，以保證安全。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)備的各部分均可分開滅菌，且需有獨(dú)自的蒸汽進(jìn)口閥。第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2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(cè)氣壓的壓力表罐體連接管應(yīng)盡量短，同時(shí)盡可能裝置小蒸汽閥以確保滅菌徹底。第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(shí)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(shí)，閥門A、C和F開啟，閥門B、D和F關(guān)閉。此管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(gè)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。

第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

圖13-4排料管蒸汽滅菌配置圖第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(dòng)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13-5CIP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打開，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。

第二十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

圖13-5CIP系統(tǒng)蒸汽滅菌管路配第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

13.2.2空氣過濾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。

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圖13-6是過濾器連同發(fā)酵罐同時(shí)加熱滅菌的管路布置。這種配管較簡(jiǎn)單，可使過濾器和罐同時(shí)殺菌。若將空氣過濾器的進(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(shí)蒸汽冷凝水不會(huì)聚集于過濾器或管路中，保證殺菌安全性。其管路連接如圖13-7所示。若發(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。第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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第三十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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第三十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

圖13-8過濾器單獨(dú)滅菌的管路配置第三十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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。①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，這是最佳的方式。②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。③是確保閥門接管的盲端管長(zhǎng)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。第三十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日13.2設(shè)備及管路的滅菌

圖13-9隔膜閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第三十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，