CN101843909A - 生物反应器无污染灭菌系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种生物反应器无污染灭菌系统，包括：反应器；夹套，包覆于反应器外，其一端与外源蒸汽入口连接，另一端与第一冷凝水排出口连接；进气过滤器，具有三通结构，其第一通道连接空气入口，第二通道连接反应器，第三通道连接第二冷凝水排出口；排气过滤器，其进气口与反应器相连通，排气口与第三冷凝水排出口连接。该系统还包括可切换膜控制灭菌阀，位于反应器和进气过滤器之间；三个热控制疏水阀，分别位于第一冷凝水排出口与夹套之间、第二冷凝水排出口与进气过滤器之间与第三冷凝水排出口与排气过滤器之间。以上系统利用可切换膜控制灭菌阀方便实现进气过滤器的无损伤自动灭菌；并通过热控制疏水阀来降低灭菌时的蒸汽消耗。

Description

生物反应器无污染灭菌系统

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别是涉及一种生物反应器无污染灭菌系统。

背景技术

生物反应器是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更快更好的生长。

为了得到更多需要的生物量或代谢产物，必须严格要求生物反应器中的环境符合生物体繁殖的要求，尽量减少外界的细菌等物质对其环境的污染。为此必须对生物反应器中的培养基、进气过滤器、排气过滤器以及相关管路、接口和部件进行灭菌。

现有的灭菌方式为高温蒸汽灭菌，即将高温蒸汽送入反应器，送入的途径包括：1)从反应器的罐底阀送入；2)从进气过滤器送入。请参考图1，其示出了现有的一种生物反应器无污染灭菌系统。在该系统中，高温蒸汽通过进气过滤器110送入反应器120，此时阀门V11和V12开启，高温蒸汽通过进气过滤器110进入反应器120并流经排气过滤器130后排出。但是，高温蒸汽并没有流经进气过滤器10的底端，而产生了死角，为此，该系统还设置了第二条高温蒸汽流经路线，该路线上设置有阀体V13。当开启阀体V13时，高温蒸汽从进气过滤器110的顶端流向底端，经过阀体V13后排出。

以上系统虽然可以满足灭菌要求，但是，由于蒸汽需要进入反应器120内，必定会将蒸汽中的有害杂质带入到培养基中，对于纯度要求高的发酵培养是不可取的，比如人体疫苗的生产。

以上从反应器外界引入的蒸汽称之为外源蒸汽，为了防止外源蒸汽中的杂质、污染物进入反应器，可以采用纯度较高的外源蒸汽，此时，虽然有害杂质会降低到允许的程度，但是成本却非常之高，而且一般的用户也没有纯蒸汽制备装置。

为此，本领域技术人员开发出一种利用夹套进行传热，使反应器内部产生蒸汽，并对进气过滤器和排气过滤器以及管路进行灭菌的系统。图2便给出了这样一种生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图。如图所示，该系统在反应器外设置夹套240，在灭菌时，使高温蒸汽流经夹套240，通过热传递的方式对反应器220进行加热，从而使反应器220内部产生蒸汽。当开启阀体V21时，反应器220内部产生的蒸汽流经进气过滤器210后排出，实现对进气过滤器210的灭菌；当开启阀体V22时，反应器220内部产生的蒸汽流经排气过滤器230后排出，实现对排气过滤器230的灭菌。

可见，在以上系统中，外部蒸汽只到达夹套240并通过夹套240传热到培养基中，利用培养基被加热后产生的蒸汽对进气过滤器210和排气过滤器230进行灭菌。这种灭菌方式虽然做到不用外源蒸汽，但在实际使用中，经常会发生培养基反向进入到进气过滤器210中，导致过滤器损坏的问题。而且这种方式对于系统的控制要求比较复杂，成本比较高，而且蒸汽的损耗比较大，对设备的可靠性、维护没有益处。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中培养基反向进入到进气过滤器，导致进气过滤器损坏等技术问题。

有鉴于此，本发明提供一种生物反应器无污染灭菌系统，包括：反应器；夹套，包覆于反应器外，其一端与外源蒸汽入口连接，另一端与第一冷凝水排出口连接；进气过滤器，具有三通结构，其第一通道连接空气入口，第二通道连接反应器，第三通道连接第二冷凝水排出口；排气过滤器，其进气口与反应器相连通，排气口与第三冷凝水排出口连接；可切换膜控制灭菌阀，位于所述反应器和进气过滤器之间；第一热控制疏水阀，位于第一冷凝水排出口与夹套之间；第二热控制疏水阀，位于第二冷凝水排出口与进气过滤器之间；第三热控制疏水阀，位于第三冷凝水排出口与排气过滤器之间。

进一步的，所述热控制疏水阀在其所在管路中的蒸汽温度低于蒸汽饱和温度2℃至5℃时开启。

进一步的，所述可切换膜控制灭菌阀包括：第一气体通道，与进气过滤器连通；第二气体通道，与反应器侧顶部连通；第三气体通道，通过一通气管与反应器底部的一通气分布盘部连通；膜片，在压缩空气的作用下控制第一气体通道与第二气体通道或第一气体通道与第三气体通道的之间开启与关闭。

进一步的，所述外源蒸汽入口的蒸汽压力为0.2MPa至0.3MPa。

进一步的，所述的生物反应器无污染灭菌系统还包括：控制阀，位于外源蒸汽入口与夹套之间。

进一步的，所述控制阀根据反应器内培养基的温度要求而开启或关闭。

本发明还提供一种生物反应器无污染灭菌系统，包括：反应器；夹套，包覆于反应器外，其一端与外源蒸汽入口连接，另一端与第一冷凝水排出口连接；进气过滤器，具有三通结构，其第一通道连接空气入口，第二通道连接反应器，第三通道连接第二冷凝水排出口；排气过滤器，其进气口与反应器相连通，排气口与第三冷凝水排出口连接；其特征是，该系统还包括：第一气动隔膜阀与第二气动隔膜阀，位于所述反应器和进气过滤器之间；第一热控制疏水阀，位于第一冷凝水排出口与夹套之间；第二热控制疏水阀，位于第二冷凝水排出口与进气过滤器之间；第三热控制疏水阀，位于第三冷凝水排出口与排气过滤器之间。

进一步的，所述热控制疏水阀在其所在管路中的蒸汽温度低于蒸汽饱和温度2℃至5℃时开启。

进一步的，所述第一气动隔膜阀控制反应器顶部和进气过滤器之间的连通；第二气动隔膜阀控制反应器底部的一通气分布盘和进气过滤器之间的连通。

进一步的，所述外源蒸汽入口的蒸汽压力为0.2MPa至0.3MPa。

进一步的，所述的生物反应器无污染灭菌系统还包括：控制阀，位于外源蒸汽入口与夹套之间。

进一步的，所述控制阀根据反应器内培养基的温度要求而开启或关闭。

综上所述，以上生物反应器无污染灭菌系统不需要将外源蒸汽送入到反应器内，即可自动完成包括进气过滤器、排气过滤器、反应器内培养基和罐上各个接口、管路的自动灭菌，并且自动进入培养等待状态。此外，采用了可切换膜控制灭菌阀，方便实现进气过滤器的无损伤自动灭菌；采用了热控制疏水阀，在确保灭菌效果的同时实现了最低的蒸汽消耗。

附图说明

图1为现有的一种生物反应器灭菌系统的结构示意图；

图2为现有的另一种生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一所提供的生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图；

图4为本发明实施例二所提供的生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术特征更明显易懂，下面结合附图，给出具体实施例，对本发明做进一步的描述。

在本发明所提供的生物反应器无污染灭菌系统中，同样利用夹套包覆反应器，这样，外源蒸汽只到达夹套并通过夹套传热到培养基中，利用培养基被加热后产生的蒸汽对反应器、进气过滤器、排气过滤器和相应管路进行灭菌。同时，本发明充分考虑到培养基反向流入进气过滤器的可能性，采用可切换膜控制灭菌阀或两路气动隔膜阀来解决这一技术问题；同时考虑到外源蒸汽损耗比较大，利用热控制疏水阀来减少其损耗量。具体通过以下两个实施例来加以描述。

实施例一：

请参考图3，其为本发明实施例一所提供的生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图。如图所示，该系统包括反应器320、夹套340、进气过滤器310和排气过滤器330。其中夹套340包覆于反应器320外，其底端与外源蒸汽入口连接，顶端与第一冷凝水排出口连接；如此，外源蒸汽通过外源蒸汽入口从夹套340底端流入夹套340，并从夹套340顶端流出，在流经夹套的过程中，将热传递给反应器320内的培养基，而后变成冷凝水或者低温蒸汽从第一冷凝水排出口排出。进气过滤器310具有三通结构，其第一通道311连接空气入口，第二通道312连接反应器320，第三通道313连接第二冷凝水排出口：如此，当反应器正常工作时，即对其内培养基进行培养时，关闭第三通道313，打开第一通道311与第二通道312，则所需气体(通常为空气)从空气入口通过第一通道311流入进气过滤器310，经其过滤后通过第二通道送入反应器320；当需对该系统进行灭菌时，则关闭第一通道311，打开第二通道312与第三通道313，则反应器320内的蒸汽通过第二通道312流入进气过滤器310，对其进行灭菌后从第三通道313排出。排气过滤器330的进气口331与反应器320相连通，排气口332与第三冷凝水排出口连接；如此，反应器320内的蒸汽便可以流入排气过滤器330，对其灭菌后通过第三冷凝水排出口排出。

为了避免培养基反向流入进气过滤器310，在反应器320和进气过滤器310之间安装了可切换膜控制灭菌阀GK。为了减少外源蒸汽的损耗，在每个冷凝水排出口之前的管路上安装热控制疏水阀PV1，PV2和PV3。即第一热控制疏水阀PV1位于第一冷凝水排出口与夹套340之间；第二热控制疏水阀PV2位于第二冷凝水排出口与进气过滤器310之间；第三热控制疏水阀PV3位于第三冷凝水排出口与排气过滤器330之间。如此，可以使得灭菌控制方式变得更加简单，更重要的是，由于热控制疏水阀有按照温度的变化自动开启或关闭的功能。较佳的，热控制疏水阀PV1在其所在管路中的蒸汽温度低于蒸汽饱和温度2℃至5℃时开启。与常规的灭菌系统相比，在符合灭菌要求的前提下，可以节省蒸汽10-30％。

可见，外源蒸汽进入夹套底端，从夹套顶端经过热控制疏水阀PV1排出冷凝水。入口蒸汽压力一般维持在0.2-0.3MPa。较佳的，在外源蒸汽入口与夹套340之间设置控制阀V31。按照反应器320内培养基灭菌温度的情况，需要加热时打开控制阀V31，不需要加热时则关闭控制阀V31。夹套回路排出通道是否需要打开，则由热控制疏水阀PV1自行控制，在管路中有冷凝水的时候或温度过低的时候热控制疏水阀PV1会自动打开。

由于在进气过滤器310与第二冷凝水排出口之间安装了热控制疏水阀PV2，在排气管路上安装了热控制疏水阀PV3，灭菌时，只需始终打开控制阀V32和V33。热控制疏水阀PV2和PV3是在对应部位的管道中有冷凝水或温度过低的时候自动打开，而在温度足够高的时候会自动关闭，所以不会浪费蒸汽。

以上可切换膜控制灭菌阀GK包括：第一气体通道GK1与进气过滤器310连通；第二气体通道GK2与反应器320侧顶部连通；第三气体通道GK3通过一通气管350与反应器320D底部的通气分布盘321连通；膜片GK4在压缩空气的作用下控制第一气体通道GK1与第二气体通道GK2或第一气体通道GK1与第三气体通道GK3的之间开启与关闭。通常模片GK4在压缩空气的作用下突起或复位，从而关闭第一气体通道GK1与第二气体通道GK2或第一气体通道GK1与第三气体通道GK3的之间连通。如此，便可以利用一个可切换膜控制灭菌阀GK，实现两路控制阀的功能，即控制第一气体通道GK1与第二气体通道GK2之间开启与关闭的上阀GK1.1，控制第一气体通道GK1与第三气体通道GK3之间开启与关闭的的下阀GK1.2。当灭菌时，控制GK中的膜片GK4，打开上阀GK1.1，关闭下阀GK1.2，使得进气过滤器310通过上阀GK1.1与反应器320的顶部连通，这时，反应器320内的蒸汽就可以通过GK到达进气过滤器了，而反应器320内的液体则由于通路被切断而不能进入进气过滤器310。如此，便可以有效的预防培养基反流至进气过滤器310。

实施例二：

请参考图4，其为本发明实施例二所提供的生物反应器无污染灭菌系统的结构示意图。其与实施例一的区别在于，利用两个气动隔膜阀V41与V42代替实施例一中的可切换膜控制灭菌阀GK。如图所示，将气动隔膜阀V41与V42安装在反应器420和进气过滤器410之间的管路上。

如此，当灭菌时，打开气动隔膜阀V41，关闭气动隔膜阀V42，使得进气过滤器410通过上阀气动隔膜阀V41与反应器420的顶部连通，这时，反应器420内的蒸汽就可以通过阀气动隔膜阀V41到达进气过滤器410了，而反应器420内的液体则由于通路被切断而不能进入进气过滤器410。如此，便可以有效的预防培养基反流至进气过滤器410中。

这种结构虽然可以避免培养基反流至进气过滤器410中，但是相对于实施例一，由于常规的隔膜阀的结构限制，在组合和安装的便利性上略显不足，且易产生结构性死角，灭菌操作便利性上也略显不足。

综上所述，以上生物反应器无污染灭菌系统不需要将外源蒸汽送入到反应器内，即可自动完成包括进气过滤器、排气过滤器、反应器内培养基和罐上各个接口、管路的自动灭菌，并且自动进入培养等待状态。此外，采用了自主设计的可切换膜控制灭菌阀，方便实现进气过滤器的无损伤自动灭菌；采用了热控制疏水阀，在确保灭菌效果的同时实现了最低的蒸汽消耗。其主要优点如下：

1、避免了培养基反流至进气过滤器，实现进气过滤器的无损伤自动灭菌。

2、不需要使用纯蒸汽：纯蒸汽比较昂贵，而且许多用户不具备这样的设备。

3、与常规的反应器相比，在符合灭菌要求的前提下，节省蒸汽10-30％。

4、每次灭菌操作，大约节省2小时劳力。

5、杜绝了由于外源蒸汽带入的污染，提高了生物培养的质量和产率，这一点对人体疫苗和高纯度的药物生产尤其重要。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种生物反应器无污染灭菌系统，包括：

反应器；

夹套，包覆于反应器外，其一端与外源蒸汽入口连接，另一端与第一冷凝水排出口连接；

进气过滤器，具有三通结构，其第一通道连接空气入口，第二通道连接反应器，第三通道连接第二冷凝水排出口；

排气过滤器，其进气口与反应器相连通，排气口与第三冷凝水排出口连接；其特征是，该系统还包括：

可切换膜控制灭菌阀，位于所述反应器和进气过滤器之间；

第一热控制疏水阀，位于第一冷凝水排出口与夹套之间；

第二热控制疏水阀，位于第二冷凝水排出口与进气过滤器之间；

第三热控制疏水阀，位于第三冷凝水排出口与排气过滤器之间。

2.根据权利要求1所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述热控制疏水阀在其所在管路中的蒸汽温度低于蒸汽饱和温度2℃至5℃时开启。

3.根据权利要求1所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述可切换膜控制灭菌阀包括：

第一气体通道，与进气过滤器连通；

第二气体通道，与反应器侧顶部连通；

第三气体通道，与反应器底部的一通气分布盘连通；

膜片，在压缩气体的作用下控制第一气体通道与第二气体通道或第一气体通道与第三气体通道的之间开启与关闭。

4.根据权利要求1所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述外源蒸汽入口的蒸汽压力为0.2MPa至0.3MPa。

5.根据权利要求1所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，还包括：

控制阀，位于外源蒸汽入口与夹套之间。

6.根据权利要求1所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述控制阀根据反应器内培养基的温度要求而开启或关闭。

7.一种生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，包括：

反应器；

夹套，包覆于反应器外，其一端与外源蒸汽入口连接，另一端与第一冷凝水排出口连接；

进气过滤器，具有三通结构，其第一通道连接空气入口，第二通道连接反应器，第三通道连接第二冷凝水排出口；

排气过滤器，其进气口与反应器相连通，排气口与第三冷凝水排出口连接；其特征是，该系统还包括：

第一气动隔膜阀与第二气动隔膜阀，位于所述反应器和进气过滤器之间；

第一热控制疏水阀，位于第一冷凝水排出口与夹套之间；

第二热控制疏水阀，位于第二冷凝水排出口与进气过滤器之间；

第三热控制疏水阀，位于第三冷凝水排出口与排气过滤器之间。

8.根据权利要求7所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述热控制疏水阀在其所在管路中的蒸汽温度低于蒸汽饱和温度2℃至5℃时开启。

9.根据权利要求7所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述第一气动隔膜阀控制反应器顶部和进气过滤器之间的连通；第二气动隔膜阀控制反应器底部的一通气分布盘和进气过滤器之间的连通。

10.根据权利要求7所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述外源蒸汽入口的蒸汽压力为0.2MPa至0.3MPa。

11.根据权利要求7所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，还包括：控制阀，位于外源蒸汽入口与夹套之间。

12.根据权利要求7所述的生物反应器无污染灭菌系统，其特征是，所述控制阀根据反应器内培养基的温度要求而开启或关闭。

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