CN102888337B - 生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统及其控制方法。该系统在生物反应器（12）与进气过滤器（10）之间设有三通装置（22），该三通装置与生物反应器（12）、进气过滤器（10）及纯蒸汽进汽及排汽支路互通；在活接头（30）与生物反应器（12）之间设有另一个三通装置（34），该三通装置与生物反应器（12）、补料管道（21）及纯蒸汽进汽支路互通。通过设置两个三通装置，本系统的进气装置、补料装置以及生物反应器不需要同步进行消毒操作，有效延长了滤芯的使用寿命，减少了培养基的浪费；此外，在发酵过程中可随时补料随时消毒，不影响发酵进程，扩大了应用范围。

Description

生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及生物技术中采用的无污染灭菌系统，特别涉及生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，属于生物反应器的无污染灭菌系统。 

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，它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要为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使其能够更快更好的生长，从而得到更多的需要的生物量或代谢产物。 

只有保证生物反应器中的环境符合生物体繁殖的要求，才能得到更多的生物量或代谢产物，为此必须对进气过滤器（包括滤壳和滤芯）、反应器、培养基、相关管路以及接口进行彻底灭菌。 

目前采用的灭菌方法为高温蒸汽灭菌，即将高温蒸汽送入反应器后排出，送入和排出的途径包括：1)从进气过滤器送入；2）从补料管排出。图1示出了现有的一种具有生物反应器进气管路与补料管路的无污染灭菌系统，在该系统中，高温蒸汽通过进气过滤器B1送入反应器B2，此时阀门K9和K3开启。高温蒸汽通过进气过滤器B1进入生物反应器B2并流经补料管路后排出，此时阀门K6开启。 

不过，对于上述高温蒸汽灭菌方法，由于进气管路、补料管路与反应器灭菌必须同步操作，因此极大地限制了反应器的用途，主要体现在以下方面： 

第一、当滤芯消毒后经过检测不合格时，滤芯需连同培养基一 起进行第二次消毒，从而进一步破坏了培养基的营养成分，造成了培养基的浪费。 

第二、补料管路和反应器必须同时进行纯蒸汽消毒，并且每次补料之前需要对补料管路消毒，因此在一次发酵过程中只能补一次料，限制了反应器的使用范围。 

第三、纯蒸汽在压力、温度上不够稳定、难以控制，当用纯蒸汽对进气过滤器的滤芯进行消毒时，会对滤芯造成一定的损害，从而缩短了滤芯的使用寿命。 

因此，需要对传统生物反应器进气与补料管路的灭菌系统进行改进，以期开发出具有能够分别独立操作的进气管路与补料管路的灭菌系统，进一步扩大生物反应器的应用范围。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现，通过在灭菌系统中设置两个三通装置，即：在生物反应器与进气过滤器之间设置一个三通装置以及在活接头与生物反应器之间设置另一个三通装置，本系统的进气装置或补料装置可以不同步的进行补气、补料或消毒操作，有效延长了滤芯的使用寿命，减少培养液浪费，扩大了应用范围，从而完成了本发明。 

本发明的目的之一是提供一种生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统； 

本发明的目的之二是提供一种控制所述生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统的方法； 

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，包括：生物反应器，分别与生物反应器相连通的进气（汽）装置和补料装置；进气（汽）装置包 含有进气（汽）管道，进气（汽）阀门和进气过滤器，进气过滤器位于进气阀门（或进汽阀门）和生物反应器之间；补料装置包含有补料管道、排气（汽）阀门和活接头，所述活接头将补料管道和排气（汽）阀门相连接；其中，在生物反应器与进气过滤器之间设有一个三通装置，该三通装置与生物反应器、进气过滤器及纯蒸汽进汽及排汽支路互通；在活接头与生物反应器之间设有另一个三通装置，该三通装置与生物反应器、补料管道及纯蒸汽进汽支路互通。 

作为本发明优选的结构，设置在生物反应器与进气过滤器之间的三通装置含有三个通道阀门，其中第一通道阀门连通进气过滤器，第二通道阀门连通生物反应器，第三通道阀门连通纯蒸汽进汽及排汽支路。 

所述的纯蒸汽进汽及排汽支路包括：相连通的纯蒸汽进汽管和排汽管，其中，在排汽管上设置排汽阀门。 

作为本发明优选的结构，在活接头与生物反应器之间所设置的三通装置含有三个通道阀门，其中，第一通道阀门与生物反应器相通，且第一通道阀门与生物反应器相连通的管道开口设置于生物反应器顶部；第二通道阀门与纯蒸汽进汽管道相通，第三通道阀门与补料管道相通。 

作为本发明优选的结构，本发明中所述的两个三通结构均优选为T形的三通结构。 

作为本发明优选的结构，在生物反应器内设置搅拌器；所述进气装置的进气管出口设置在生物反应器的底部。 

作为本发明优选的结构，所述进气装置的进气过滤器包括滤壳和滤芯。 

本发明的另一目的是提供控制所述的生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统的方法； 

一种利用本发明无污染灭菌系统对生物反应器中的培养基进行灭菌的方法，包括：（1）开启进气阀门9、进气过滤器10、阀门22a和22b;关闭排汽阀门5、22c、34a;（2）将纯蒸汽通过进气装置通到生物反应器12内对培养基进行高温灭菌；（3）开启阀门34b、34c和6，通过排汽支路将蒸汽排出。 

如果高压后由于使用次数、压力等原因，进气过滤器的滤芯在线检测不合格，可以利用本发明所述的无污染灭菌系统避免对生物反应器中的无菌培养基进行二次灭菌，该方法包括： 

（A）关闭阀门22b，打开进气阀门9、22a、22c和5，使进气装置与生物反应器相隔绝形成一个单独的纯蒸汽回路； 

（B）更换进气过滤器中的滤芯，通过进气阀门9通入蒸汽，再通过排汽阀门5排出蒸汽。 

应用本发明所述的无污染灭菌系统可以在发酵过程中进行多次补料，该方法包括：

（A）关闭阀门34a和6，将料液从活接头30经阀门34c和34b通入生物反应器内； 

（B）如果所补料液不止一种或不止一次时，关闭阀门34c，打开阀门34a、34b和6让纯蒸汽通过补料支路进行消毒，之后关闭阀门34a，打开阀门34b、34c和活接头30继续补充料液。 

当进气过滤器10的滤芯灭菌合格后，应用本发明所述的无污染灭菌系统就不需再次灭菌就可进行第二次乃至更多次的发酵，该方法包括： 

（A）将第一批合格的发酵产物从生物反应器（12）中移走，关闭阀门（9）和（22a）； 

（B）将第二批发酵原料加入到生物反应器（12）中，关闭阀门（5）、（34a），打开阀门（22c）、（22b）、（34b）、（34c）和（6），纯蒸汽通过纯蒸汽进汽管直接进入生物反应器（12）内，并经补料 支路排出； 

（C）待发酵需要通气时，关闭阀门（5）、（22c），打开进气阀门（9）、（22a）和（22b），让气体通过进气阀门（9）、（22a）、（22b）进入到生物反应器（12）内。 

总之，根据本发明提供的生物反应器进气与补料用无污染灭菌系统的优点体现在以下方面： 

第一、进气过滤器进行在线纯蒸汽消毒一次合格后，下一次或者以后更多次的发酵都无需对进气过滤器进行再次消毒，不仅有效延长了滤芯的使用寿命，同时也保证了发酵的顺利进行，不会造成污染； 

第二、如果滤芯经过消毒后在线检测不合格，也只需要重新更换滤芯并对进气过滤器单独进行消毒即可，不用再对生物反应器中的培养基进行二次消毒，保证了培养基的营养成分不会遭到破坏； 

第三、对于本系统中的补料管路，不需要与生物反应器一起进行同步消毒，可以在发酵过程中随时补料随时消毒，不会影响发酵进程，对于半连续发酵有重要意义。 

附图说明

图1示出为现有的生物反应器进气管路和补料用无污染灭菌系统结构示意图； 

图2示出根据本发明优选实施方式的生物反应器进气与补料用无污染灭菌系统的结构示意图。 

附图标号说明：

5-排汽阀门 

6-排汽阀门 

7-排汽管 

9-进气阀门（或进汽阀门） 

10-进气过滤器 

12-生物反应器 

21-补料管道 

22-进气装置（或进汽装置）中的三通结构 

22a-阀门 

22b-阀门 

22c-阀门 

23-进气管（或进汽管） 

24-搅拌器 

30-活接头 

34-补料装置中的三通结构 

34a-阀门 

34b-阀门 

34c-阀门 

40-纯蒸汽进汽管 

41-纯蒸汽进汽管 

42-进气管道（或进汽管道） 

具体实施方式

以下结合附图，参照优选的示例性具体实施方式来进一步说明本发明。本发明的特点和优点将随着这些说明变得更为清楚。 

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。 

实施例1 

在本发明的一个优选实施方案中，如图2所示，提供一种生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，包括：生物反应器12，分别与生物反应器12相连通的进气（汽）装置和补料装置；其中，进气（汽）装置包含有进气（汽）管道23，进气（汽）阀门9和进气过滤器10，进气过滤器10位于进气（汽）阀门9和生物反应器12之间；补料装置包含有补料管道21、排汽阀门6和活接头30，活接头30将补料管道21和排汽阀门6相连接；在生物反应器12与进气过滤器10之间设有三通装置22，该三通装置与生物反应器12、进气过滤器10及纯蒸汽进汽及排汽支路互通；所述三通装置22含有三个通道阀门，其中第一通道阀门22a连接进气过滤器10，第二通道阀门22b连接生物反应器12，第三通道阀门22c连接纯蒸汽进汽及排汽支路；所述的纯蒸汽进汽及排汽支路包括相连通的纯蒸汽进汽管40和排汽管（7），其中，在排汽管（7）上设置排汽阀门5。 

三通结构22可以使得生物反应器12与进气过滤器10单独消毒。当生物反应器12做完一次发酵后，需要对生物反应器12进行消毒，此时关闭阀门22a，避免了进气过滤器10的重复消毒，减小了进气过滤器10的磨损。当对进气过滤器10进行二次消毒时，关闭阀门22b，可以避免破坏生物反应器12中的培养液。 

在活接头30与生物反应器12之间设有另一个三通装置34，该三通装置与生物反应器12、补料管道21及纯蒸汽进汽支路互通。所述三通装置34含有三个通道阀门，其中，第一通道阀门34c与生物反应器12相通，第二通道阀门34a与纯蒸汽进汽管道41相通，第三通道阀门34b与补料管道21相通。 

当发酵需要加入多种养料时，加入前需要对补料管路进行消毒，此时关闭阀门34c即可对补料装置进行单独消毒，这一过程不影响生物反应器12中的培养液。 

在一个优选的实施方式中，连接三通结构34的第三通道阀门34c与生物反应器12的管道开口设置于生物反应器12顶部。实施例2本发明生物反应器进气与补料用无污染灭菌系统的各种控制或应用方法 

当需要对生物反应器的培养基进行正常高压灭菌时，开启进气阀门9、进气过滤器10、阀门22a和22b，关闭阀门5、22c、34a，将纯蒸汽通过进气过滤器进入生物反应器12内，开启阀门34b、34c和6，通过排汽支路将蒸汽排出。 

如果高压后由于使用次数、压力等原因，进气过滤器的滤芯在线检测不合格，此时关闭阀门22b，打开进气阀门9、22a、22c和排汽阀门5，进气装置与生物反应器相隔绝形成一个单独的纯蒸汽回路，此时，可重新更换滤芯进行在线灭菌，可以避免由于对生物反应器中的培养基的再次灭菌而导致的营养成分的损失。 

当使用生物反应器进行发酵时，关闭排汽阀门5和22c，压缩空气经过进气阀门9、滤芯10、阀门22a、22b进入生物反应器内。 

生物反应器正常消毒时，开启阀门34b、34c、活接头30和排汽阀门6，蒸汽由反应器内排汽管排出，此时阀门34a关闭。 

发酵需补料时，通过蠕动泵将料液从活接头30经阀门34c和34b通入生物反应器内，此时阀门34a和6关闭。如果所补料液不止一种或不止一次时，需关闭阀门34c，打开阀门34a、34b和6让纯蒸汽通过补料支路进行消毒，之后关闭阀门34a，打开阀门34b、34c和活接头30继续补充料液。 

当进气过滤器10的滤芯在一次灭菌合格后，可不需再次灭菌即 可进行第二次乃至更多次的发酵： 

发酵完成后，迅速关闭进汽阀门9和22a；确认发酵产物无污染后，下一罐的培养基进行高压灭菌时就不需要再对进气过滤器10的滤芯进行灭菌消毒，此时只需关闭排汽阀门5、34a，打开阀门22c、22b、34b、34c和6，纯蒸汽经过纯蒸汽进汽管40（不经过进气过滤器10的滤芯）直接进入生物反应器内，并经补料支路排出，待发酵需要通气时只需关闭排气阀门5、22c，打开进气阀门9、22a、22b即可。 

实施例3应用本发明生物反应器进气与补料用无污染灭菌系统对生物反应器中的培养基进行灭菌消毒 

一、空消 

指对生物反应器、进气过滤器的滤壳(进气过滤器不加滤芯，仅有滤壳)、排汽阀门以及所有管路进行纯蒸汽吹扫消毒，进汽先后顺序为进气过滤器的滤壳、生物反应器、排汽阀门及所有管路。当反应器温度升至121℃时开始计时进行空消。此时不加进气滤芯、pH探头、溶氧探头，不开搅拌。在保证温度不变的情况下，对所有的管道（包括补料管、排气管等）进行纯蒸汽吹扫消毒。消毒完毕后将所有阀门关闭，待用。 

二、实消（培养基的灭菌） 

将注射水加入生物反应器内，对注射水进行预加热，当温度升至100℃以上时，打开纯蒸汽阀门使纯蒸汽通过进气过滤器的滤壳（此时未安装滤芯）对反应器内注射水进行加热，待温度升至121℃时开始消毒。待注射水温度降至100℃以下时，通过补料管道加入浓缩后的制苗用菌液培养基，此时需安装进气过滤器的滤芯，同时对培养基进行预加热，当温度升至100℃以上时，打开纯蒸汽阀门使纯蒸汽通过进气过滤器的滤芯对反应器内培养基进行 加热，待温度升至121℃时开始计时灭菌，在保证温度不变的情况下，使纯蒸汽通过进气过滤器的滤芯、培养基、补料管同步进行灭菌。灭菌完成后迅速关闭蒸汽阀门以及补料管、排气管阀门，打开冷却水的阀门，同时表层通气保压在0.1MPa左右。待温度降至37℃时，关闭冷却水，进行恒温保持，保压0.1MPa左右，过夜待用。 

根据发明提供的生物反应器进气与补料用无污染灭菌系统具有以下优点： 

①有效延长了进气过滤器的滤芯的使用寿命； 

②高压后，生物反应器内培养基不会由于滤芯的在线检测不合格而重新高压第二次，保证了培养基的营养成分； 

③对于细菌发酵罐可以进行半连续发酵。 

以上结合具体实施方案对本发明进行了说明。不过，这些实施方案仅是说明性的，其对本发明的保护范围并不构成任何限制。本领域技术人员理解，在不超出或偏离本发明保护范围的情况下，本发明的技术方案及其实施方式有多种修饰、改进或等价物，这些均应落入本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，包括：生物反应器（12），分别与生物反应器（12）相连通的进气装置和补料装置；所述进气装置包括有进气管道（23），进气阀门或进汽阀门（9）以及进气过滤器（10），进气过滤器（10）位于进气阀门或进汽阀门（9）和生物反应器（12）之间；所述补料装置包括补料管道（21）、排汽阀门（6）和活接头（30），活接头（30）将补料管道（21）和排汽阀门（6）相连接；其特征在于：在生物反应器（12）与进气过滤器（10）之间设有第一三通装置（22），该第一三通装置与生物反应器（12）、进气过滤器（10）及纯蒸汽进汽及排汽支路互通；在活接头（30）与生物反应器（12）之间设有另一个第二三通装置（34），该第二三通装置与生物反应器（12）、补料管道（21）及纯蒸汽进汽支路互通。

2.按照权利要求1所述的生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，其特征在于：所述第一三通装置（22）含有三个通道阀门；其中，第一通道阀门（22a）连通进气过滤器（10），第二通道阀门（22b）连通生物反应器（12），第三通道阀门（22c）连通纯蒸汽进汽及排汽支路。

3.根据权利要求2所述的生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，其特征在于：所述的纯蒸汽进汽及排汽支路包括相连通的纯蒸汽进汽管（40）和排汽管（7），其中，在排汽管（7）中设置排汽阀门（5）。

4.按照权利要求1所述的生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，其特征在于：所述第二三通装置（34）含有三个通道阀门；其中，第一通道阀门（34c）与生物反应器（12）相通，第二通道阀门（34a）与纯蒸汽进汽管道（41）相通，第三通道阀门（34b）与补料管道（21）相通。

5.根据权利要求1或2所述的生物反应器进气与补料用的无污染灭菌系统，其特征在于：所述进气装置的进气过滤器（10）包括滤壳和滤芯。

6.一种利用权利要求1所述的无污染灭菌系统对生物反应器中的培养基进行灭菌的方法，包括：

（A）开启进气阀门（9）、进气过滤器（10）、第一三通装置（22）中的第一通道阀门（22a）和第二通道阀门（22b）;关闭排汽管（7）中的排汽阀门（5）、第一三通装置（22）中的第三通道阀门（22c）和第二三通装置（34）中的第二通道阀门（34a）;

（B）将纯蒸汽通过进气过滤器通到生物反应器（12）内对培养基进行高温灭菌；

（C）开启第二三通装置（34）中第一通道阀门（34c）、第三通道阀门（34b）和与活接头（30）相连接的排汽阀门（6），通过补料管道（21）将蒸汽排出。

7.一种利用权利要求1所述的无污染灭菌系统对进气过滤器进行单独消毒的方法，包括：

（A）关闭第一三通装置（22）中的第二通道阀门（22b），打开进气阀门（9）、第一三通装置（22）中的第一通道阀门（22a）和第三通道阀门（22c）、排汽管（7）中的排汽阀门（5），使进气装置与生物反应器相隔绝形成一个单独的纯蒸汽回路；

（B）更换进气过滤器中的滤芯，通过进气阀门（9）通入蒸汽，通过排汽管（7）中的排汽阀门（5）排出蒸汽。

8.应用权利要求1所述的无污染灭菌系统在发酵过程中进行多次补料的方法，该方法包括：

（1）关闭第二三通装置（34）中第二通道阀门（34a）和与活接头（30）相连接的排汽阀门（6），将料液从活接头（30）经第二三通装置（34）中第三通道阀门（34b）和第一通道阀门（34c）加入到生物反应器（12）内；（2）如果所补料液不止一种或不止一次时，关闭第二三通装置（34）中第一通道阀门（34c），打开第二三通装置（34）中第二通道阀门（34a）、第三通道阀门（34b）和与活接头（30）相连接的排汽阀门（6），让纯蒸汽从纯蒸汽进汽管（41）进入到补料支路进行消毒；消毒之后关闭第二三通装置（34）中第二通道阀门（34a），打开第二三通装置（34）中第三通道阀门（34b）、第二三通装置（34）中的第一通道阀门（34c）和活接头（30）继续补充料液。

9.应用权利要求1所述的无污染灭菌系统进行微生物发酵的方法，该方法包括：

（A）将第一批合格的发酵产物从生物反应器（12）中移走，关闭进气阀门（9）和第一三通装置（22）中的第一通道阀门（22a）；

（B）将第二批发酵原料加入到生物反应器（12）中，关闭排汽管（7）中的排汽阀门（5）、第二三通装置（34）中第二通道阀门（34a），打开第一三通装置（22）中的第三通道阀门（22c）和第二通道阀门（22b）、第二三通装置（34）中的第三通道阀门（34b）、第二三通装置（34）中的第一通道阀门（34c）和与活接头（30）相连接的排汽阀门（6），纯蒸汽通过纯蒸汽进汽管（40）直接进入生物反应器（12）内，并经补料支路排出；

（C）待发酵需要通气时，关闭排汽管（7）中的排汽阀门（5）、第一三通装置（22）中的第三通道阀门（22c），打开进气阀门（9）、第一三通装置（22）中的第一通道阀门（22a）和第二通道阀门（22b），让气体通过进气阀门（9）、第一三通装置（22）中的第一通道阀门（22a）和第二通道阀门（22b）进入到生物反应器（12）内。

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