離心分離機(jī)的無菌設(shè)計(jì)與操作
1 無菌下游工藝問題
發(fā)酵產(chǎn)品的下游工藝通常要求所用的設(shè)備能滿足特殊的需要,尤其是在濃縮和洗滌病原微生物或?qū)Ω腥久舾械奈⑸锏倪^程中,要求所使用的工藝是密閉的和絕對安全的。
一方面,工藝必須確保產(chǎn)品不被外部的細(xì)菌感染;另一方面,工藝必須保證病原微生物不致釋放出來。
食品工業(yè)所需細(xì)菌、放線菌培養(yǎng)物的大規(guī)模生產(chǎn),以及類毒素或活病毒疫苗的工業(yè)化提取都是密閉蒸汽滅菌分離系統(tǒng)的實(shí)例。這類系統(tǒng)近年來已越來越廣泛被應(yīng)用,這就對離心機(jī)提出了更嚴(yán)格的要求。[1～3]
離心機(jī)對于分離和濃縮微生物的優(yōu)點(diǎn)在于它有緊湊的結(jié)構(gòu),能連續(xù)地、完全自動化地操作,可以適應(yīng)安全、可靠、迅速地處理變化多端的產(chǎn)品。圖1列舉了可用離心分離的發(fā)酵產(chǎn)品,包括飼料酵母、胞內(nèi)酶、胞外酶和抗生素等。這些大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品,對于離心機(jī)的要求僅局限在操作簡便快捷上,如無需拆開機(jī)器清洗就能再投入使用(僅需“在位清洗”),但對于生產(chǎn)那些經(jīng)過基因改造而得到的產(chǎn)品,要求要復(fù)雜得多,無菌離心機(jī)就因此而投入使用。
在提取這些培養(yǎng)物時(shí),需要系統(tǒng)完全密閉,并經(jīng)121℃蒸汽滅菌以確保無外界細(xì)菌污染。最新設(shè)計(jì)的離心機(jī)成套系統(tǒng)可以滿足疫苗等產(chǎn)品生產(chǎn)的這些需求,它由自動控制的在位清洗(ＣＩＰ)清除殘液,隨后自動進(jìn)行的蒸汽滅菌組成。
2 無菌分離機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
用于密閉無菌處理的離心分離機(jī)設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有自動操作的高性能碟片式轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)為基礎(chǔ)的。圖2是該離心機(jī)的機(jī)構(gòu)剖面圖。
進(jìn)料方式有兩種:Ａ型是非氣密性的,它帶有出口向心泵將清液帶壓排出;Ｂ型為氣密型或機(jī)械式密封型。Ａ型沒有機(jī)械密封帶來的磨損現(xiàn)象,并能依靠清液帶壓排出來阻止或減少泡沫的產(chǎn)生;Ｂ型機(jī)可在高氣密壓力下(0 588～0 686ＭＰａ)運(yùn)行,因此可隔絕任何氣體排出。兩種進(jìn)料方式均能保證物料處理時(shí)與外界隔絕。
離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓有一組為數(shù)眾多的錐型碟片,每個(gè)碟片上有0 3～0 5ｍｍ厚的隔片。轉(zhuǎn)鼓以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),體積為1～20Ｌ的轉(zhuǎn)鼓可提供相當(dāng)于1000～20000ｍ2的澄清面積。這樣連續(xù)分離微生物的處理能力可以達(dá)到30～8000Ｌ/ｈ(以大腸桿菌為參考標(biāo)準(zhǔn))。
轉(zhuǎn)鼓底部有一水壓操縱的滑動活塞,可周期性地開啟關(guān)閉,收集分離出來的沉淀物從儲存腔排出轉(zhuǎn)鼓。這樣的排渣可以不停進(jìn)料,僅是作部分排渣,即不會破壞固液分離界面,液體不會被排出。
由于進(jìn)料中的固體含量不可避免地會有所波動,使用定時(shí)排渣可能有局限性,因此在清液出口加裝一光電管進(jìn)行監(jiān)測,利用該裝置來控制轉(zhuǎn)鼓的開啟排渣可確保排渣及時(shí)合理。
無菌操作離心機(jī)除了要滿足壓力設(shè)計(jì)外,其驅(qū)動軸上還設(shè)計(jì)有雙效機(jī)械密封,利用它提供安全保證,將齒輪傳動室(即動力區(qū))和轉(zhuǎn)鼓外圍的沉淀物收集器以及其它與物料接觸部件(即物料區(qū))完全隔開。兩個(gè)滑動環(huán)間的間隙同時(shí)起到冷卻和密封室的作用。因此在分離機(jī)運(yùn)行時(shí),每小時(shí)約需要有200Ｌ左右的無菌水通過該間隙室,該水流有自動監(jiān)測報(bào)警裝置,防止其泄漏或發(fā)生故障。
使用無菌水的目的是一旦上部滑動環(huán)密封損壞,也不會有細(xì)菌進(jìn)入系統(tǒng)。
離心分離機(jī)所有與物料接觸的部位均由高合金鉻鎳不銹鋼制作,并精拋光處理以防止物料黏結(jié)。
由于分離機(jī)是高速運(yùn)行的,難免與空氣摩擦而使處理的物料溫度升高,因此分離機(jī)的機(jī)殼和沉淀物收集器作雙層夾套設(shè)計(jì),可通冷卻水或保溫液,這樣能直接冷卻沉淀物或間接冷卻轉(zhuǎn)鼓至5～10℃,保證熱敏性物料的性能。
為了確保可靠的操作和管路安全驗(yàn)收程序,無菌分離機(jī)的正常設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中都有嚴(yán)格的驗(yàn)收和測試,出廠帶有相應(yīng)的安全、衛(wèi)生、無菌證書。以下為模塊化設(shè)計(jì)的分離機(jī)實(shí)例。
3 無菌分離機(jī)系統(tǒng)工藝特征
為保證在可靠的無菌條件下操作分離機(jī),在工藝流程系統(tǒng)中設(shè)有生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行的在位清洗和不必拆卸該系統(tǒng)(ＳＩＰ)的情況下進(jìn)行的有效蒸汽殺菌。因此除了分離機(jī)外,該系統(tǒng)還需添加許多輔助設(shè)備,以便能用飽和蒸汽對所有的進(jìn)出料管路、閥門、設(shè)備進(jìn)行可靠的消毒,當(dāng)然包括機(jī)械密封的所有部件。為了消除死角,所有管路連接時(shí)要有排汽口,以便冷凝水和蒸汽自由排出系統(tǒng),同時(shí)要確保在正常操作下,物料、控制介質(zhì)、冷卻液及密封液能進(jìn)入和排出。
為了配合不同的蒸汽滅菌階段,該系統(tǒng)配備有大約40個(gè)手動或自動隔膜閥,使用0 196ＭＰａ左右的飽和蒸汽。管路諸如冷凝液和冷卻介質(zhì)在流過蒸汽閥進(jìn)入殺菌裝置前安裝安全視鏡。當(dāng)離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),進(jìn)出機(jī)器的空氣都需經(jīng)過一滅菌過濾器。第一階段排氣約15ｍｉｎ,之后升溫使系統(tǒng)在127℃,0 147ＭＰａ壓力進(jìn)行滅菌,維持60～90ｍｉｎ,然后進(jìn)入冷卻階段。此時(shí)用0 049ＭＰａ壓縮無菌空氣導(dǎo)入系統(tǒng)吹掃,避免形成真空防止外部細(xì)菌進(jìn)入,這時(shí)分離機(jī)已完成無菌處理。
分離機(jī)的操作間與外界空氣交換時(shí)也必須經(jīng)過無菌過濾器。
與分離機(jī)系統(tǒng)所有的管路連接件和系統(tǒng)內(nèi)的連接件一樣,都必須用無菌接頭。無菌接頭可避免與產(chǎn)品接觸部位產(chǎn)生縫隙和死角,將感染機(jī)率降到最低。所有管路管件均需牢固固定。
4 放大設(shè)計(jì)
當(dāng)圍繞所用的不同規(guī)模的離心機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)流程時(shí),必須考慮下列指標(biāo):所需流程的流量,微生物的類別及性質(zhì),相應(yīng)的培養(yǎng)介質(zhì)連同固型物含量和與此相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)鼓排渣頻率。
一般來講很難了解發(fā)酵物料的物理特性,需要設(shè)計(jì)專用裝置,首先需要進(jìn)行小試來積累經(jīng)驗(yàn)。
一臺碟片離心機(jī)的澄清能力主要參數(shù)是通常所說的等效沉降面積。等效沉降面與轉(zhuǎn)鼓分離因數(shù)和碟片數(shù)等有關(guān)。若已知物料參數(shù),在小規(guī)模試驗(yàn)的結(jié)果基礎(chǔ)上很容易利用等效沉降面積計(jì)算出放大參數(shù)。等效沉降面積參數(shù)也能用于比較不同類型和尺寸的離心機(jī)。選擇按比例放大離心機(jī)時(shí)還需注意轉(zhuǎn)鼓沉淀物貯存腔的大小。該空間的大小決定了每小時(shí)30～60次部分排渣情況下分離機(jī)能處理的最大固含量。
如果部分排渣太頻繁,則轉(zhuǎn)鼓中固渣不能充分壓緊,而且轉(zhuǎn)鼓頻繁開啟也影響澄清效果和使用壽命。
發(fā)酵罐清空通常限制在3～4ｈ,無菌離心機(jī)的處理量一般在5～3000Ｌ/ｈ。
以試驗(yàn)室規(guī)模設(shè)備所做的研究處理工作為基礎(chǔ),按比例放大不存在任何問題。
5 分離機(jī)無菌操作實(shí)例
分離機(jī)無菌操作實(shí)例主要在疫苗生產(chǎn)上比較多。表1例舉了一些細(xì)菌濃縮凈化的實(shí)例[4]。指定的分離機(jī)規(guī)模得到200～300Ｌ/ｈ的處理能力和97%～99%的分離機(jī)效果。
