工业传感器在发酵生产中的应用：如何通过设备管理提高生产效率

hwyzw

    ｜ 产品在线

    如果你能做到，你就能做到

    “如果你能管理，你就能进步。”

    介绍

    在发酵生产和实验研究过程中，为了消除细菌污染，除了对培养基进行彻底灭菌和对好氧发酵进入空气进行过滤和灭菌外，还必须对设备和管道进行彻底清洗和灭菌。细菌也非常重要。首先，设备和管道的清洁度可以最大限度地减少潜在的污染危害。例如，杂菌可以利用培养基储罐中残留的营养物质作为良好的营养源来快速繁殖。另外，设备管道内的污垢也是噬菌体藏身的地方。因此，清洗设备管道是发酵生产中重要且必要的步骤。

    发酵生产中的污垢来源

    中等的

    由于培养基储罐内的培养液富含糖、蛋白质等成分，容易结垢、变脏。如果培养基在罐内加热灭菌，很容易形成焦糖，焦糖会与变性的蛋白质发生反应，粘附在罐壁上，更难以去除。如果使用的水质量不合适，就会逐渐形成水垢。因此，需要对水进行软化或使用去离子水，以避免出现上述不良情况。

    发酵罐

    发酵罐还容易受到污染和结垢，尤其是当培养基在罐中实际消耗时。对于有氧发酵或其他泡沫产生过程，泡沫会将生物细胞和变性蛋白质夹带在罐顶部。放置鱼缸后，底部会残留大量细菌，这些细菌及产物将成为主要污染物。对于需氧量高、培养基中微生物细胞浓度高的生产过程，或高粘度的真菌发酵和植物细胞培养，往往会有大量的生物细胞附着在管壁上生长，因此不可避免大量的生物细胞会残留在槽内。

    设备管道

    用于分离回收产品的设备和管道也会因营养物质的积累而导致高度污染。例如，板框过滤器和转鼓过滤器往往会积聚大量生物细胞。如果目标产物不是细胞而是其代谢物，那么发酵液中除了产物和副产物外，还含有在后续分离和纯化步骤中人为添加的化学试剂。蛋白质是最常见的污染源，但当蛋白质未因热而变性时，它们相对容易通过清洁去除。细胞和蛋白质等残留物的积累和结垢将导致发酵培养物中交叉感染的可能性。设备和管道的彻底清洗是消除交叉感染风险的根本途径。发酵培养液经常泄漏到设备外部。应及时清洗，清除泄漏的营养物质，造成污染，并保持设备外部及管道等外壁清洁，以保证发酵生产的正常进行。

    发酵设备材质选择

    为了更好地完成设备和管道的清洗、消毒和蒸汽灭菌的作业任务，设备和管道的设计、材料和制造工艺也是整个生产过程中的重要环节之一。设备、管道所用材料在清洗消毒环境下应无明显腐蚀。

    清洁剂的选择

   

    发酵工业清洗污物所用的化学制剂一般应符合下列技术要求：

    理想的清洗剂应具有分散固体物质和溶解或分解有机物的能力，并具有漂洗和多价螯合作用，以及一定的杀菌作用。发酵设备需要能够很好溶解蛋白质和脂肪的洗涤剂。烧碱溶液是较好的溶液之一，而硅酸钠是良好的水溶液分散剂，可以去除细胞等厚垢。残留物的分散非常有效。另外，磷酸三钠也常用，因为它具有良好的分散性和乳化性，因此具有良好的漂洗性能。在发酵设备的清洗过程中，酸用量较少，仅用于溶解碳酸盐垢和某些金属盐垢。当然，如果使用去离子水清洗，酸的用量就会减少。硝酸可以钝化金属表面，可用于防止焊接表面腐蚀。分散剂，例如 EDTA 和葡萄糖酸钠，可以防止离子在水中形成沉淀。在微藻培养等培养基制备中，需要添加适量的EDTA来络合和分散微量金属离子。

    为了有效地发挥洗涤剂的作用，有时会加入表面活性剂来降低水合物的表面张力，使其分离。

    具有分散、乳化性能。表面活性剂分子同时具有亲水性极性基团和亲油性非极性基团。少量添加时，可大大降低溶剂（通常是水）的表面张力和液/液界面张力，具有润滑、增溶、乳化、分散、洗涤等作用。表面活性剂有多种分类方式，通常根据其在溶剂中的电离状态和亲水基团的离子类型来分类。最常用的是阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂。前三类为离子型表面活性剂，可根据需要去除的污垢类型选择不同的表面活性剂。

    用于清洗储罐或管道的清洗剂配方浓度一般控制在0.2%~0.5%。各种有效成分的配比会根据不同的使用场合适当改变。对于某些设备，如某些材料制成的膜不能承受强力清洁剂，可以使用含有酶（通常是碱性蛋白酶）的清洁剂。如果使用此类含蛋白酶的清洗剂，则在分离纯化蛋白质产品时必须彻底冲洗清洗剂。有时，需要分离和洗脱与有机物表面紧密结合的蛋白质，例如色谱分离柱树脂的处理。这些树脂是很容易被苛性钠等强洗涤剂破坏的物质。因此，在这些情况下可以使用尿素和氯化胍等化合物。然而，需要高浓度（约6mol/L）才能洗脱蛋白质。例如，常用6 mol/L氯化胍溶液清洗 A亲和层析柱。与填充柱介质结合的免疫球蛋白和白蛋白可以很容易地清洗。达到不损坏分离介质的效果。

    去离子水可以提供更好的清洗效果，因此在某些场合应使用去离子水。一般来说，在装备上

    并且在管道的最后冲洗步骤中使用去离子水可以达到更好的清洗效果。

    设备、阀门、管道及其他管件的清洗

    传统的设备清洗方法是将设备拆开，然后采用手工或半机械的方法进行清洗。但这也有很多缺点，如：劳动强度大、效率低、不易保证操作人员的安全、清理和装拆时间长、还容易影响产品的质量等。如今工业大规模现代化生产普遍采用CIP清洗系统（就地清洗），使清洗剂在设备内循环。清洗过程可以自动化或半自动化，但一些特殊设备仍然需要人工。已清洁。

    洗舱

    生物发酵设备有一系列罐式容器，但无论是无菌还是非无菌、耐压还是开放式，都需要具有一定的清洁度。罐头的清洗通常是通过填充一定浓度的洗涤剂并浸泡来进行的。此方法适用于小罐。对于大型罐体的清洗，通常将洗涤剂喷洒在罐体顶部，通过洗涤剂对罐壁固体残留物的撞击和碰撞来达到清洗效果。使用较低浓度的洗涤剂即可达到良好的清洁效果。节省大量洗涤剂。

    常用的喷射清洗设备有两种类型：旋转喷射器和球形静态喷头。旋转喷雾器能以较低的喷雾流量实现较大的有效喷雾半径，冲击清洗速度也远大于球形静态喷雾器。但由于其喷嘴容易堵塞，运行稳定性不如静态喷头，且不能自洁。由于旋转注射器具有旋转密封装置，制造和维护技术要求较高，设备投资较大。球形静态喷头结构相对简单，设备成本较低。它没有旋转部件，可以提供连续的表面喷涂。即使一两个喷孔被堵塞，对喷涂作业影响也很小，还可以自洁；但由于喷射压力不高且喷射距离有限，对血管壁的冲洗并不是射流冲击效应。

    典型的储罐清洗过程与管道清洗类似。如果罐体上装有对清洁剂敏感的pH值、溶解氧电极等传感器，为避免这些传感器损坏，应将这些传感器单独拆卸清洗，待罐体清洗干净后再重新安装。储罐或管道清洗过程必须严格按照操作规程仔细进行，避免腐蚀性清洁剂溅到头部、手部和其他身体上。更要注意设备的热胀冷缩以及是否会产生真空。当由热洗切换到冷洗时，会产生真空，因此罐内应安装真空泄压装置。

    配件和阀门

    通常，清洗过程中容器内液体流速为1.5m/s即可获得满意的清洗效果。如果清洗液的流速高于1.5m/s，就会产生副作用；清洗时间不需要太长，超过20分钟也不会明显提高清洗效果。

    用洗涤剂清洗时，注意温度不要太高，因为较高的温度容易导致蛋白质变性、残留糖类焦糖化、酯类聚合反应等。这些反应形成的产物难以清洁和去除。实践证明，最高工作温度应控制在75℃。发酵或生物反应过程结束后应立即清洗设备、管道和配件。否则，残留物干燥后将更难以清洁和去除，造成不必要的清洁困难。另外，设备清洗后，要避免残留的水没有及时排出，导致设备某处积水，从而导致微生物繁殖。

    微滤系统的清洗

   

    随着清洗微滤或超滤系统的频率和时间增加，膜表面会形成坚硬的胶体层，这些胶体分子可以进入膜孔。这时就需要用洗涤剂和清水进行循环清洗。非常有必要。最好对膜分离系统进行逆流清洗，以便在泵的作用下使用清洗剂将残留物从膜孔中洗脱出来。当然，能否反冲洗取决于膜能否承受反冲洗压力。此外，还必须考虑某些膜是否能够承受腐蚀性化学品或更高的清洗温度。设备的内径和长径比是影响洗涤效果的重要参数。例如，长而细的设备往往比短而粗的设备洗涤效果好得多。

    泵、过滤器、热交换器和其他设备的清洁

    泵、过滤器、换热器等辅助设备的清洗比较简单，但也必须注意以下两个问题：①如果换热器用于加热或冷却培养液，其上会结垢或结垢。将出现热交换表面。结焦难以避免且不易清洁。为了减少这个问题，可以适当增加介质的流量； ②空气过滤器经常被发酵罐的泡沫污染，难以清洗。必要时需要进行人工清洁。

    清洁度验证

    为了检查设备和管道及其他管件的灭菌是否符合标准，需要对其效果进行测试，以确保设备的卫生水平符合要求，包括蛋白质污染物清洗检查、清洗后残留细胞检查、表面清洁规范和清洁度定量检验。

    蛋白质污染物清洁测试

    首先用标准浓度蛋白质溶液润湿待测物体表面，然后干燥。将其放置在容器或管道中作为测试表面。然后按工艺程序清洗装有测试面的容器或管道，取出测试面甩干除去水分，然后将硝化棉纸压在表面，检查有无蛋白质残留。最后将硝化棉纸浸入考马斯亮蓝溶液中，然后放入醋酸溶液中过夜。观察蓝色的深度可以显示剩余的蛋白质数量。

    清洗后残留细胞检测

    首先，将已知的微生物细胞涂覆在测试表面上并干燥，然后将其放入容器或管道中，并按工艺流程进行清洁操作。将测试表面从罐或管道中取出并甩掉水分，置于充足的营养条件下进行恒温培养，最后计算表面剩余活菌数。

    表面清洁规范

    表面清洁规范包括：①触摸表面无明显粗糙或滑溜的感觉；

    ② 无残留固体污垢或水垢； ③表面打印白纸，无异常颜色出现； ④用波长340~380nm的光检查，无荧光物质出现； ⑤ 良好光线下无可见污染物，且在潮湿或干燥条件下表面无明显气味。

    清洁度定量检测

    清洁度的检查包括清除设备不同部位的残留污垢，执行清洁程序，然后分析这些地方污垢的各种残留成分。但由于上述检测大多是主观的，因此还应该进行一些定量检测，主要是检查蛋白质和细胞残留。将已知数量的测试微生物细胞和污垢混合并铺在待测表面上，即可进行清洁操作。然后可以在表面涂抹营养琼脂。培养后，可计算清洗前后的活菌数，从而得出清洗效果。

    概括

    在生产过程中对管道进行清洁是非常有必要的，以尽量减少潜在的污染风险。例如，有害微生物可能会利用管道中残留的营养物质作为自己的有益营养物质，从而造成食品安全风险。此外，管道内污垢的堆积还会降低传质、传热效率，直接增加生产成本，严重时甚至危及生产。安全。因此，定期清洗生产管道是非常有必要的。根据污垢的特性，应根据清洗表面的特点，合理选择清洗剂和清洗方法。所选用的清洗剂还需要满足环境排放要求。