1、生物发酵系统与设备的URS生物发酵系统与设备的URS 随着我国生物医药技术的蓬勃进展，生物发酵系统（也称为生物培养）项目越来越多，不管是工业化大发酵，如抗生素原料药的发酵、氨基酸和有机酸（柠檬酸，乳酸）的发酵、酶制剂、酵母或淀粉糖的发酵，依旧各种生物疫苗、动植物细胞的发酵等。品种众多，生产规模大小也不一，大到几百立方米容积，小到几千升容积的发酵罐，在项目的实施过程中都要系统或设备的需求标准的建立。对URS而言，生物发酵系统设备的URS编写就越显其重要性。 因此，如何切合生产实际、结合发酵的品种和培养工艺的要求，编写出既合理又有用的URS是生物发酵系统项目能够顺利实施的第一步，这也是生物发酵项目
2、的招投标、设备制造、工程系统安装调试的差不多依据条件。 1 生物发酵系统设备URS的范畴 生物发酵系统设备的URS文件能够分两个部分，即生物发酵主系统设备和与之配套的辅助系统设备（亦称发酵支持系统）组成。其中，生物发酵主系统由菌种储存、解冻复活、移种、生物培养器（发酵罐）及其支持操纵系统、培养基的配制与灭菌以及输送系统组成；生物发酵的辅助系统是由与之相关联的工艺用水系统（纯化用水及注射用水）、无菌压缩气体系统（空气，氮气，CO2气体等）、固液分离系统（如离心分离、膜过滤、板框过滤等）、发酵液的收集系统、发酵液的贮存与冷藏等组成。2生物发酵主系统设备URS的编制依据2.1发酵流程 生物发酵的过程
3、是一组涉及多相、多组分、非线性的生物化学反应，也是一组群体性的生物生长过程，是人们把预先选定的微生物或动植物细胞在一组密闭的系统中按其生长规律与生长发育条件的代谢过程，常见的流程见图1 。2.2 GMP对生物发酵设备的要求 结合GMP对设备的要求以及生物发酵本身的特点,在编制生物发酵系统设备URS文件时应具备下列几个条件： (1)设备(发酵罐)的材质要求。与培养基(包括补料物质) 、发酵液(微生物、细菌、疫苗、细胞等)相接触的材质必须是无毒性、耐腐蚀、不吸取上述物质、不与上述物质发生化学反应的材料制成。经常选用的材料是316L、304L、304、316； (2)生物发酵罐因整个生物培养需在无菌
4、条件下进行,罐体要有SIP过程,因此在制作过程中应符合钢制压力容器(150-1998)、钢制压力容器焊接规程(JB/T4709-2000)、承压设备无损检测(JB/T4730-2005)以及压力容器安全技术监察规程等标准。同时，发酵罐的内表面应光滑、无死角,防止积沉物料,发酵终止后易清洗灭菌； (3)生物发酵罐的外接件应坚持三个方便，即安装拆卸、清洗灭菌与操作修理方便,并能承担高压蒸汽灭菌； (4)生物发酵罐在培养过程中涉及活性物质,因此须符合生物安全标准,既要做到防止一切外界微生物的污染，也要能防止发酵罐内的培养物质不污染周围环境。因而，生物发酵罐应该是一个密封性能良好的系统装置,其放空、排
5、放罐内气体与液体等需通过滤装置除去活性物质； (5)生物发酵罐应具备优良的传质/传热成效、优良的物料混合性能，以便于提供培养物的最佳生长温度。在进行动物细胞培养时，除了能充分混合平均外，又要做到不能打碎动物细胞，以保证生物发酵培养过程的顺利进行。2.3培养工艺对生物发酵系统的要求2.3.1培养基的配制、灭菌和输送方式 生物发酵是一群生物体的生长繁育过程，而培养基是提供给微生物或细胞生长、繁育并按一定比例配制而成的一组营养物质。 一个良好的合适的培养基配比是通过不断实践、调整与改进而选择出来的最优化组合，它的差不多组分是由碳源、氮源、无机盐类（微量元素）等组成。培养基（包括发酵过程中的补料物质）
6、的理化性质、配制方式都应描述清晰，作为制订URS文件的依据。 培养基配制后的灭菌方式是采纳热力灭菌依旧过滤除菌、配料罐的大小、搅拌型式等也应一一描述出来。此外，配比后的贮存方式以及输送到下工序（种子罐，发酵罐）的方式是用压缩气体输送、真空输送，依旧采纳泵输送，这些须在URS文件中描述。 2.3.2生物发酵过程 编制生物发酵系统技术文件的基础是为了解生物发酵的过程。阻碍发酵过程的要紧因素如下，其应在URS文件中详细注明其操纵范畴和操纵方式。 (1)温度对生物发酵过程的阻碍。温度是阻碍微生物或细胞生长发育的要紧因素之一，大多数微生物或细胞的培养温度差不多上嗜中性的，这要求对培养过程中发酵液的温度加
7、以操纵。依照不同品种及不同的生长时期对发酵罐内的温度加以操纵调剂，从而选择最适合的培养温度，以利发酵过程的顺利进行。 (2)pH对发酵过程的阻碍。发酵液的pH值会直截了当阻碍微生物或细胞的生长与繁育。培养基的种类、微生物或细胞的代谢过程都会阻碍发酵液的pH值。为了保证生物发酵的正常进行，必须随时对发酵液中pH进行调剂与操纵。方式有多种，能够直截了当加入酸碱进行调剂，也能够选择合适的培养基，或加入某些不阻碍发酵的缓冲剂进行调剂。此外，pH调剂方式及pH值操纵范畴的描述关系到生物发酵系统中pH调剂装置的配备。 (3)通气搅拌（溶解氧）对发酵过程的阻碍。对培养液进行通气搅拌直截了当关系到氧在培养液中
8、的溶解量，并阻碍发酵物的产量。对需氧发酵的品种而言，必须在有氧的条件下才能正常生长繁育，为了增加培养液中氧的含量，须对培养液进行通气搅拌加速氧在培养液中的溶解和传递。微生物或细胞在不同的生长期对氧的需求量也不同，用什么方式与如何调剂含氧量均应描述清晰。一样能够通过调剂搅拌的转速和通气的流量，来加以操纵。 (4)泡沫的产生对发酵的阻碍。由于大量空气的通入并与培养液进行气液混合，发酵过程中的通气加上机械搅拌，极易产生泡沫。大量泡沫的产生不仅使发酵罐的装填系数降低，而且能使发酵液从排气管或轴封处产生逃液现象，相应产量减少，通气成效下降，抑制了生物的生长与繁育。而这种以无菌空气和生物代谢时产生的气体为
9、分散相，以培养液为连续相形成的泡沫，能够用机械方式或加入化学消泡剂方法加以排除，在编制文件时也应注明用什么方式排除泡沫。 (5)中间补料对生物发酵系统的阻碍。中间补料指的是在发酵过程中，针对生物生长的不同时期补充某些营养物质，其能够满足生物生长繁育的需要，提高发酵的产量。中间补料以补充碳源和能量物质，如糖类(液化淀粉、麦芽糖、葡萄糖、乳糖等)、氮源（如酵母粉、蛋白胨、尿素等）及微量元素（如磷酸盐，ZnSO4、CoCl2等），因此中间也有补水或补全料（按培养基配比）。另外，中间补料方式有流加式或滴加式，这种方式兼用或单独使用。 (6)培养物（生物）的代谢对发酵过程的阻碍。微生物或细胞在培养过程中
10、在一系列酶的作用下，不断地生长、发育、繁育与增大，培养液中的成分也不断地变化。如何去把握这些因生物代谢而发生的变化？使生物发酵朝着有利于提高产量的方向进展，能够通过分析监控与调剂细胞的数量（含量，效价，表达率等）、pH值、糖的含量、氨基酸与氨氮的含量、磷的含量以及细胞浓度与形状来加以操纵。 (7)专门要求对生物发酵过程的阻碍。在生物发酵系统中，还有一些专门方式常被采纳，专门是在哺乳动物细胞的发酵培养过程中，常用微载体发酵的方式进行生物培养，在URS文件中也必须加以描述。微载体顾名思义指的是直径50250m，能够适合细胞贴壁生长繁育的一种微珠，微载体发酵是常用的一种细胞培养方式。在生物发酵中常用
11、的培养方式有二种：一种是悬浮培养（培养对象悬浮于发酵培养液中生长繁育）；另一种是贴壁培养（培养物附着于固体表面生长繁育），如某些哺乳动物细胞的培养能够利用微载体比表面积大、平均性好、表面光滑，利于细胞贴壁附着生长，采纳微载体贴壁培养加悬浮培养的方式进行发酵。由于微载体对细胞无毒害作用，与动物细胞相容性好，更利于这种表面比较脆弱的细胞的生长与繁育。 (8)对进行微载体发酵的项目在发酵罐、工艺管道、泵、配料罐等装置都要与之相适应。此外，还有气升式发酵，若培养工艺有此要求也应列出加以说明。2.3.3发酵液分离方式与收集 生物发酵终止后，有的品种收集发酵液的上清液，有的品种收集固形物（如菌丝体或细胞）
12、，不管收集液体或固体发酵后都要进行固液分离。 常采纳的方式有离心分离、板框过滤、碟式过滤器及膜分离等几种。可依照发酵液的物理性状，如黏度、固含量、菌丝体的形状来选择一项合适的分离方式。分离后需进行贮存，选择合适的收集罐，把分离后的清夜或细胞收集贮藏，备下工序提取纯化使用。3 生物发酵系统工程设备URS文件要点3.1发酵工艺流程和主设备的URS要点3.1.1工艺流程 生物发酵系统不管项目大小，其工艺流程均要描述清晰，是采纳单级（单罐），依旧采纳多级（二级、三级发酵）。一样视发酵品种，生产规模大小而定。单级（单罐）常用在小规模的项目，多级发酵指的是常被采纳的三级发酵(见图2所示）。发酵工艺流程确定
13、后再对主体设备（发酵罐）进行技术要求的描述。3.1.2.发酵罐（生物培养器）的构成及技术要求第一依照项目的生产规模列动身酵系统所需用的发酵罐的规格大小及数量。3.1.2.1可用下列表格形式明确标示出来：名称物料工作容积全容积台数说明一级种子培养罐二级种子培养罐三级生产发酵罐配料罐收成罐3.1.2.2发酵罐（种子罐与生产罐）本体 发酵罐又被称为生物反应器，或生物培养罐。先定罐体的规格大小，如有效工作容积、全容积、最小工作容积、径高比例（常用2：13：1）、工作环境(如温度、湿度、电源配置)、罐内工作状况、工作温度（常用35 37 ）、灭菌温度(121 ，30分钟)、最高设计温度(135 )、设计
14、压力(0.30 0.40MPa)、材质(本体316L、夹套及外保温层304）等。加工制造规范为中国压力容器规范。此外，还有与发酵罐相关联的工艺管接口种类与方位。 (1)发酵罐上封头工艺管接口。常有人/手孔、搅拌器口、压力表口、灯视镜、CIP接口、排气口、液位计探头、压力探头、泡沫剂加入口、进料/补料口以及灭菌蒸汽口等； (2)发酵罐筒身工艺管接口。常有取样口、检测口（pH、DO、T、浊度等）、混合气体加入口以及条型视镜等； (3)筒体夹套(如整体夹套、半管夹套、蜂窝夹套）接口。常有加热蒸汽/热水入口、冷却水出口、加热蒸汽出口/冷却水进口； (4)发酵罐下封头工艺管接口，搅拌机口（下搅拌用）出料
15、口； (5)发酵罐内附件，如挡流板（或冷却蛇管）、空气分布器、喷淋球； (6)发酵罐的操作架台。 3.1.2.3发酵罐的搅拌装置 搅拌装置在发酵罐中起重要作用，在技术文件中应重点描述。具体有：搅拌轴及连轴器、轴封（双端面机械密封）、桨叶型式（有效选择）、搅拌功率、搅拌转速以及调剂方式等。此外还有材质与表面处理的要求( Ra0.4m),专门要求电抛Ra0.3m。其桨叶选择见图3。 假若工程项目为动物细胞的话,发酵时宜选择剪切力小的桨叶,幸免打碎动物细胞。有专门要求的,还能够依照细胞脆弱程度试验设计专门结构桨叶的搅拌装置,既能使发酵液充分混合平均,又不打碎动物细胞。桨叶的层数能够依照发酵罐的大小及
16、发酵工艺对搅拌要求选择单层、双层或三层搅拌装置的调剂转速,宜选用变频器进行变频调速,并与操纵系统相关联。3.1.3生物发酵系统工艺参数的检测与操纵3.1.3.1生物发酵的过程操纵 在技术文件中对发酵的操纵要引入生物发酵系统过程操纵的概念，如此能够规避因为设备和管道系统的设计本身的缺陷，以及因为发酵过程中各种因素造成的失误带来的偏差和污染。 生物发酵的过程操纵，包括下列几个方面： (1)物料（培养基、发酵液）输送转移过程的操纵； (2)发酵接种，移种过程的操纵； (3)生物培养过程的操纵； (4)取样阀及管道的灭菌过程的操纵； (5)罐体与管道CIP过程的操纵； (6)罐体与管道SIP过程的操纵
17、。3.1.3.2生物发酵常见的检测操纵参数 (1)温度，如发酵罐内培养液的温度()、空罐灭菌时的温度()、排放管末端(最冷点)的温度()等。操纵方式:测定、显示与记录； (2)pH值，发酵液pH值的测定、显示、记录与操纵。调剂方式为调剂酸碱的加入量； (3)溶氧(DO)，测定、记录与操纵。溶氧与通气流量的关联操纵，溶氧与搅拌转速的关联操纵； (4)压力，发酵罐内压力显示、记录与操纵。可用调剂发酵罐的排气量来操纵罐内压力,隔膜式压力表现场显示,压力传感器进行远程操纵； (5)搅拌转速，由变频器进行调剂与操纵； (6)气体（空气、氧气、CO2等）流量的操纵、显示、调剂和监控； (7)浊度的测定，以
18、检测罐内细胞浓度； (8)进料量的调剂与操纵，如对培养基、补料等流量的操纵，可使用流量计、流量传感器和操纵系统； (9)消泡操纵，用操纵化学消沫剂的加入量进行操纵，同时搅拌装置上的消沫桨叶也起消泡作用； (10)发酵罐内液位操纵，液位显示与记录； (11)自动报警装置。 常用参数指标及操纵范畴可参见表2。3.1.3.3生物发酵操纵系统的组成 (1)发酵现场操纵（又称下位机） 数据显示与操纵操作为图解式触摸屏，有中文菜单与界面，用于数据处理。如：1)当前数据的现场显示与运行状态的显示；2)发酵培养曲线的显示；3)操作功能的切换，人工手动与自动操作的相互切换；4)T、pH、DO、转速、液位、补料量
19、等的实时记录与操纵。 (2)发酵过程的远程操纵（又称上位机） 发酵工艺参数的设定、校正与修改，密码授权，数据的贮存，批极的形成，自动打印，越限报警，发酵历史培养曲线的显示与贮存。 对操纵系统的要求: 性能先进，运行稳固，模块化组合设计，操作简便，爱护方便。 (3)发酵操纵系统的编程(又称软件包) 发酵系统中各工艺过程的数据显示与记录，远程操纵接口，中央操作平台，符合GMP要求的工艺文件治理，操作人员与治理技术人员的授权，能够追踪的工艺参数记录。网络通讯系统能够自动形成符合要求的发酵生产批板，与其它仪器和部门的连结工作。3.1.3.4生物发酵项目操纵的关键点 (1)搅拌。搅拌转速的操纵，变频调速
20、，并与DO相关联，培养基与生物之间的平均混合，利用培养可增加产量； (2)温度。 三个操纵关键点。1)培养温度，按工艺要求进行调剂操纵；2)灭菌温度121，30分钟；3)排放管末端温度； (3)通气。通过气体分布器进入罐体内，流量操纵直截了当阻碍发酵液中氧的传送速率与泡沫的形成； (4)溶氧。与搅拌、通气相关联，检测与操纵发酵液中氧的含量； (5)pH 。以酸、碱缓冲剂的加入量调剂发酵液的pH值； (6)补料 。各类补料品种的加入流量、方式、时刻，操纵生物的培养。 生物发酵的操纵项目与参数视发酵品种的不同以及培养工艺的不同而发生变化。3.1.4发酵罐附属部件的选择 调剂pH用的酸碱罐及其输送泵
21、，排气过滤器及换热器，消泡剂贮罐及其输送泵，补料液贮罐及其输送泵，夹套加热用的热水罐及泵，夹套冷却用的冷水罐及泵。3.2生物发酵罐CIP与SIP部分的URS要点3.2.1发酵系统的CIP工作站 设备的清洗验证也是GMP规范中不可缺少的一环，对生物发酵系统也不例外。在不拆开或移位的状态下，对发酵罐及其工艺管道使用喷淋球，在一定的温度、压力和时刻下，对发酵罐及管道系统的内表面进行喷淋清洗，达到清洗的目的。常采纳设立移动式CIP工作站（对中小型发酵罐）及固定式CIP 工作站的方式来完成。 (1)发酵罐中难清洗的部位(见图4)。发酵罐中难清洗部位，如桨叶部位、档板部分、空气分布器、连轴器、上封头、配管
22、末端等。 (2)常用的清洗方法。一样先用7090热水清洗，再用10 20%浓度的碱液清洗，最后用纯化水冲洗洁净。关于难清洗的物料或者大型发酵罐，除了在罐顶部安装喷淋球外，还应考虑在罐体的侧面或底部安装喷淋球清洗装置。 (3)一个有用性的CIP工作站的组成：1)水罐（热水）,夹套加热或换热器加热；2)酸罐（清洗剂）,夹套加热或换热器加热；3)碱罐（清洗剂）,夹套加热或换热器加热；4)纯水罐 ,夹套加热或换热器加热；5)管道、泵、阀和切换板；6)电气自控系统。 用于生物发酵工程上典型CIP工作站(见图5、图6)。依据发酵系统生产的规模、罐体大小、管道构成等来选择合适的CIP工作站。 3.2.2发酵
23、系统SIP过程3.2.2.1常用SIP过程(见表2) 3.2.2.2常用SIP操纵要求 可进行PLC人机对话界面，触摸屏图示，操作平台,操纵参数有：T、P、时刻、电导率、液位、流量、流速等。3.2.2.3SIP注意点 SIP灭菌后，发酵系统的罐及管道在规定的有效待用时刻使用,越时需重新灭菌。3.3生物发酵辅助系统URS的要点3.3.1生物发酵系统工程的辅助系统组成 生物发酵系统工程的辅助系统又称为支持系统，要紧方面见表3。4.3.2辅助系统的URS要点 依据生物发酵生产规模的大小选择合适的上面三个辅助系统的材料、用量和指标。 (1)工艺管道系统。包括管道、管接件、泵、阀等。按用途分类列表，说明
24、材质、规格大小、数量以及品牌； (2)工艺用水系统。运算三种工艺用水的耗用量，以确定管径大小，且描述用水的质量标准。专门是纯化水及蒸馏水，应符合相关规范的规定； (3)工艺用气系统。在业主提供无油、无水的压缩空气后，能够按不同的用途配置相应的过滤装置，供给发酵系统使用； (4)许多生物发酵项目涉及生物活性物质的排放，为了不污染环境，凡生物发酵的排放液或放空气体均需灭活处理后，才能够向外排放。因此，在项目实施过程中必需配置一套灭活装置，可用间歇式灭活罐处理，也能够用连续式灭活装置。放空向大气排放时应在排放管末端加装0.2m过滤器。4其它文件要求4.1生物发酵系统工程项目竣工文件 发酵系统中各个设
25、备，如种子罐、发酵罐、配料罐、收成罐、灭活罐等。在安装后均应按中国钢制压力容器(150-1998)有关规范，提供全套罐体的竣工资料。同时，按机械设备安装工程施工验收通用规范(50231-1998)所规定的全部安装竣工文件资料。4.2竣工图纸 (1)各种罐体的设备竣工图；(2)发酵系统的设备平面布置图；(3)发酵系统的设备立面布置图；(4)发酵系统工艺管道的平面布置图；(5)发酵系统工艺管道的轴侧图；(6)发酵系统工艺管道的带操纵点的工艺流程图；(7)发酵系统工艺管道的自控原理图；(8)发酵系统的电气接线图；(9)各类设备(如泵、过滤器)的结构图；(10)各类设备(如泵、过滤器)的使用说明书；(
26、11)CIP工作站管道流程图；(12)CIP工作站操纵原理图；(13)CIP工作站操作手册；(14)各类操纵、检测文件、零部件的合格证书。5结语 本文从GMP要求和生物培养工艺的要求两个方面动身，阐述了生物发酵系统设备的URS，从而引申出URS编制要点，供生物发酵工程项目的技术同行参考。能够说，URS工作是一项涉及面广的系统工程，也是一项科学化、系统化的工作。假如想希望哪一家设备制造商或工程安装公司来完成生物发酵工程的URS工作是一种不切合实际的方法。制造商或安装公司只能依据相关规范、法规和业主的URS去制造加工设备和安装，并提供与之相关联的符合要求的技术文件供给业主进行GMP认证工作时使用。
