1 无菌下游工艺问题
发酵产品的下游工艺通常要求所用的设备能满足特殊的需要,尤其是在浓缩和洗涤病原微生物或对感染敏感的微生物的过程中,要求所使用的工艺是密闭的和绝对安全的。
一方面,工艺必须确保产品不被外部的细菌感染;另一方面,工艺必须保证病原微生物不致释放出来。
食品工业所需细菌、放线菌培养物的大规模生产,以及类毒素或活病毒疫苗的工业化提取都是密闭蒸汽灭菌分离系统的实例。这类系统近年来已越来越广泛被应用,这就对离心机提出了更严格的要求。[1～3]
离心机对于分离和浓缩微生物的优点在于它有紧凑的结构,能连续地、完全自动化地操作,可以适应安全、可靠、迅速地处理变化多端的产品。图1列举了可用离心分离的发酵产品,包括饲料酵母、胞内酶、胞外酶和抗生素等。这些大规模工业化生产的发酵产品,对于离心机的要求仅局限在操作简便快捷上,如无需拆开机器清洗就能再投入使用(仅需“在位清洗”),但对于生产那些经过基因改造而得到的产品,要求要复杂得多,无菌离心机就因此而投入使用。
在提取这些培养物时,需要系统完全密闭,并经121℃蒸汽灭菌以确保无外界细菌污染。最新设计的离心机成套系统可以满足疫苗等产品生产的这些需求,它由自动控制的在位清洗(ＣＩＰ)清除残液,随后自动进行的蒸汽灭菌组成。
2 无菌分离机系统的设计
用于密闭无菌处理的离心分离机设计是以现有自动操作的高性能碟片式转鼓离心机为基础的。图2是该离心机的机构剖面图。
进料方式有两种:Ａ型是非气密性的,它带有出口向心泵将清液带压排出;Ｂ型为气密型或机械式密封型。Ａ型没有机械密封带来的磨损现象,并能依靠清液带压排出来阻止或减少泡沫的产生;Ｂ型机可在高气密压力下(0 588～0 686ＭＰａ)运行,因此可隔绝任何气体排出。两种进料方式均能保证物料处理时与外界隔绝。
离心机转鼓有一组为数众多的锥型碟片,每个碟片上有0 3～0 5ｍｍ厚的隔片。转鼓以一定的转速旋转时,体积为1～20Ｌ的转鼓可提供相当于1000～20000ｍ2的澄清面积。这样连续分离微生物的处理能力可以达到30～8000Ｌ/ｈ(以大肠杆菌为参考标准)。
转鼓底部有一水压操纵的滑动活塞,可周期性地开启关闭,收集分离出来的沉淀物从储存腔排出转鼓。这样的排渣可以不停进料,仅是作部分排渣,即不会破坏固液分离界面,液体不会被排出。
由于进料中的固体含量不可避免地会有所波动,使用定时排渣可能有局限性,因此在清液出口加装一光电管进行监测,利用该装置来控制转鼓的开启排渣可确保排渣及时合理。
无菌操作离心机除了要满足压力设计外,其驱动轴上还设计有双效机械密封,利用它提供安全保证,将齿轮传动室(即动力区)和转鼓外围的沉淀物收集器以及其它与物料接触部件(即物料区)完全隔开。两个滑动环间的间隙同时起到冷却和密封室的作用。因此在分离机运行时,每小时约需要有200Ｌ左右的无菌水通过该间隙室,该水流有自动监测报警装置,防止其泄漏或发生故障。
使用无菌水的目的是一旦上部滑动环密封损坏,也不会有细菌进入系统。
离心分离机所有与物料接触的部位均由高合金铬镍不锈钢制作,并精抛光处理以防止物料黏结。
由于分离机是高速运行的,难免与空气摩擦而使处理的物料温度升高,因此分离机的机壳和沉淀物收集器作双层夹套设计,可通冷却水或保温液,这样能直接冷却沉淀物或间接冷却转鼓至5～10℃,保证热敏性物料的性能。
为了确保可靠的操作和管路安全验收程序,无菌分离机的正常设计生产过程中都有严格的验收和测试,出厂带有相应的安全、卫生、无菌证书。以下为模块化设计的分离机实例。
3 无菌分离机系统工艺特征
为保证在可靠的无菌条件下操作分离机,在工艺流程系统中设有生产结束后进行的在位清洗和不必拆卸该系统(ＳＩＰ)的情况下进行的有效蒸汽杀菌。因此除了分离机外,该系统还需添加许多辅助设备,以便能用饱和蒸汽对所有的进出料管路、阀门、设备进行可靠的消毒,当然包括机械密封的所有部件。为了消除死角,所有管路连接时要有排汽口,以便冷凝水和蒸汽自由排出系统,同时要确保在正常操作下,物料、控制介质、冷却液及密封液能进入和排出。
为了配合不同的蒸汽灭菌阶段,该系统配备有大约40个手动或自动隔膜阀,使用0 196ＭＰａ左右的饱和蒸汽。管路诸如冷凝液和冷却介质在流过蒸汽阀进入杀菌装置前安装安全视镜。当离心机运转时,进出机器的空气都需经过一灭菌过滤器。第一阶段排气约15ｍｉｎ,之后升温使系统在127℃,0 147ＭＰａ压力进行灭菌,维持60～90ｍｉｎ,然后进入冷却阶段。此时用0 049ＭＰａ压缩无菌空气导入系统吹扫,避免形成真空防止外部细菌进入,这时分离机已完成无菌处理。
分离机的操作间与外界空气交换时也必须经过无菌过滤器。
与分离机系统所有的管路连接件和系统内的连接件一样,都必须用无菌接头。无菌接头可避免与产品接触部位产生缝隙和死角,将感染机率降到最低。所有管路管件均需牢固固定。
4 放大设计
当围绕所用的不同规模的离心机设计一个流程时,必须考虑下列指标:所需流程的流量,微生物的类别及性质,相应的培养介质连同固型物含量和与此相关联的转鼓排渣频率。
一般来讲很难了解发酵物料的物理特性,需要设计专用装置,首先需要进行小试来积累经验。
一台碟片离心机的澄清能力主要参数是通常所说的等效沉降面积。等效沉降面与转鼓分离因数和碟片数等有关。若已知物料参数,在小规模试验的结果基础上很容易利用等效沉降面积计算出放大参数。等效沉降面积参数也能用于比较不同类型和尺寸的离心机。选择按比例放大离心机时还需注意转鼓沉淀物贮存腔的大小。该空间的大小决定了每小时30～60次部分排渣情况下分离机能处理的最大固含量。
如果部分排渣太频繁,则转鼓中固渣不能充分压紧,而且转鼓频繁开启也影响澄清效果和使用寿命。
发酵罐清空通常限制在3～4ｈ,无菌离心机的处理量一般在5～3000Ｌ/ｈ。
以试验室规模设备所做的研究处理工作为基础,按比例放大不存在任何问题。
5 分离机无菌操作实例
分离机无菌操作实例主要在疫苗生产上比较多。表1例举了一些细菌浓缩净化的实例[4]。指定的分离机规模得到200～300Ｌ/ｈ的处理能力和97%～99%的分离机效果。
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