生物发酵系统与设备的用户需求URS.docx
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生物发酵系统与设备的用户需求URS
生物发酵系统与设备的URS
撰摘人:
周立法改編E注:
原作周立法发苟时刻:
2009年4月12H阅渎次敎:
386
摘要:
从GMP要求和生物培育工艺的要求两个方面动身,论述丁生物发酵系统与设缶的URS,从而引申出URS编制要点,供生物发醉工程项目的技术同行参誇。
关键词:
生物发酵;系统设爸;URS(用户雷求标准)
随着我国生物医药技术的蓬勃进展,生物发酵系统(也称为生物培冇)项目愈来愈多,无论是工业化大发酵,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,仍是各类生物疫苗、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,在项目的实施进程中都要系统或设备的需求标准的成立。
对URS而言,生物发酵系统设备的URS编写就越显苴重要性。
因此,如何符合生产实际、结合发酵的品种和培育工艺的要求,编写出既合理又实用的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的招投标、设备制造、工程系统安装调试的大体依据条件。
1生物发酵系统设备URS的范围
生物发酵系统设备的URS文件能够分两个部份,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保留、解冻复活、移种、生物培育器(发酵罐)及苴支持控制系统、培育基的配制与灭菌和输送系统组成:
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)、无菌紧缩气体系统(空气,氮气,C0:
气体等)、固液分离系统(如离心分离、膜过滤、板框过滤等)、发酵液的搜集系统、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
发酵流程
生物发酵的进程是一组涉及多相、多组分、非线性的生物化学反映,也是一组群体性的生物生长进程,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进程,常见的流程见图1°
13生物繇(生物发酵)工艺瀧(图一)
菌种斜面也手
摇床
培养
三角烧瓶
生物培养器
生物培养器
1000ml
#
一级种予罐
——»
二级沖f罐
低温冰箱
-70'C
三角烧瓶
250^500mI
生物培养器生产罐
压缩空气
无油无水
初过滤
O.』5nm
糙过滤
0.22girt
|培养基]一[热力灭茵|配制||过滤除菌
培养基储罐
己灭菌
图1生物培养(发酵)二艺流程图
GMP对生物发酵设备的要求
结合GMP对设备的要求和生物发酵本身的特点,在编制生物发酵系统设备URS文件时应具有下列几个条件:
(1)设备(发酵罐)的材质要求。
与培育基(包括补料物质)、发酵液(微生物、细菌、疫苗、细胞等)相接触的材质必需是无毒性、耐侵蚀、不吸收上述物质、不与上述物质发生化学反映的材料制成。
常常选用的材料是316L、304L、304、316;
(2)生物发酵罐因整个生物培冇需在无菌条件下进行,罐体要有SIP进程,所以在制作进程中应符合《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)和《压力容器安全技术监察规程》等标准。
同时,发酵罐的内表面应滑腻、无死角,避免积沉物料,发酵结束后易淸洗灭菌:
(3)生物发酵罐的外接件应坚持三个方便,即安装拆卸、淸洗火菌与操作维修方便,并能经受高压蒸汽灭菌;
(4)生物发酵罐在培育进程中涉及活性物质,因此须符合生物安全标准,既要做到避免一切外界微生物的污染,也要能避免发酵罐内的培冇物质不污染周围环境。
因此,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)生物发酵罐应具有优良的传质/传热效果、优良的物料混合性能,以便于提供培冇物的最佳生长温度。
在进行动物细胞培冇时,除能充分混合均匀外,又要做到不能打坏动物细胞,以保证生物发酵培育进程的顺利进行。
培冇工艺对生物发酵系统的要求
2.3.1培育基的配制、火菌和输送方式
生物发酵是一群生物体的生长繁衍进程,而培育基是提供给微生物或细胞生长、繁衍并按必然比例配制而成的一组营养物质。
一个良好的适合的培育基配比是通过不断实践、调整与改良而挑选出来的最优化组合,它的大体组分是由碳源、氮源、无机盐类(微量元素)等组成。
培冇基(包括发酵进程中的补料物质)的理化性质、配制方式都应描述淸楚,作为制订URS文件的依据。
培弃基配制后的火菌方式是采用热力火菌仍是过滤除菌、配料罐的大小、搅拌型式等也应一一描述出来。
另外,配比后的贮存方式和输送到下工序(种子罐,发酵罐)的方式是用紧缩气体输送、真空输送,仍是采用泵输送,这些须在URS文件中描述。
2.3.2生物发酵进程
编制生物发酵系统技术文件的基础是为了解生物发酵的进程。
影响发酵进程的主要因素如下,其应在URS文件中详细注明其控制范围和控制方式。
(1)温度对生物发酵进程的影响。
温度是影响微生物或细胞生长发育的主要因素之一,大多数微生物或细胞的培冇温度都是嗜中性的,这要求对培冇进程中发酵液的温度加以控制。
按照不同品种及不同的生长阶段对发酵罐内的温度加以控制调右,从而选择最适合的培育温度,以利发酵进程的顺利进行。
(2)pH对发酵进程的影响。
发酵液的pH值会直接影响微生物或细胞的生长与繁衍。
培冇基的种类、微生物或细胞的代谢进程都会影响发酵液的pH值。
为了保障生物发酵的正常进行,必需随时对发酵液中pH进行调节与控制。
方式有多种,能够直接加入酸碱进行调节,也能够选择适合的培育基,或加入某些不影响发酵的缓冲剂进行调肖。
另外,pH调巧方式及pH值控制范囤的描述关系到生物发酵系统中pH调节装置的配备。
(3)通气搅拌(溶解氧)对发酵进程的影响。
对培育液进行通气搅拌直接关系到氧在培育液中的溶解量,并影响发酵物的产量。
对需氧发酵的品种而言,必需在有氧的条件下才能正常生长繁衍,为了增加培冇液中氧的含量,须对培冇液进行通气搅拌加速氧在培育液中的溶解和传递。
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节含氧量均应描述淸楚。
一般能够通过调节搅拌的转速和通气的流量,来加以控制。
(4)泡沫的产生对发酵的影响。
由于大量空气的通入并与培育液进行气液混合,发酵进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,通气效果下降,抑制了生物的生长与繁衍。
而这种以无菌空气和生物代谢时产生的气体为分散相,以培弃液为持续相形成的泡沫,能够用机械方式或加入化学消泡剂办法加以消除,在编制文件时也应注明用什么方式消除泡沫。
(5)中间补料对生物发酵系统的影响。
中间补料指的是在发酵进程中,针对生物生长的不同时期补充某些营养物质,其能够知足生物生长繁衍的需要,提多发酵的产量。
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、蛋白腺、尿素等)及微量元素(如磷酸盐,ZnSO’、Cod等),固然中间也有补水或补全料
(按培育基配比)。
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利用。
(6)培育物(生物)的代谢对发酵进程的影响。
微生物或细胞在培冇进程中在一系列酶的作用下,不断地生长、发冇、繁衍与增大,培育液中的成份也不断地转变。
如何去掌握这些因生物代谢而发生的转变?
使生物发酵朝着有利于提髙产量的方向进展,能够通过度析监控与调节细胞的数量(含虽:
,效价,表达率等)、pH值、糖的含量、氨基酸与氨氮的含量、磷的含量和细胞浓度与形态来加以控制。
(7)特殊要求对生物发酵进程的影响。
在生物发酵系统中,还有一些特殊方式常被采用,尤英是在哺乳动物细胞的发酵培育进程中,常常利用微载体发酵的方式进行生物培冇,在URS文件中也必需加以描述。
微载体顾纪思义指的是直径50-250ixm,能够适合细胞贴壁生长繁衍的一种微珠,微载体发酵是常常利用的一种细胞培冇方式。
在生物发酵中常常利用的培育方式有二种:
一种是悬浮培育(培冇对象悬浮于发酵培育液中生长繁衍):
另一种是贴壁培育(培育物附着于固体表而生长繁衍),如某些哺乳动物细胞的培育能够利用微载体比表而积大、均匀性好、表而滑腻,利于细胞贴壁附着生长,采用微载体贴壁培育加悬浮培育的方式进行发酵。
由于微载体对细胞无迫害作用,与动物细胞相容性好,更利于这种表而比较脆弱的细胞的生长与繁衍。
(8)对进行微载体发酵的项目在发酵罐、工艺管道、泵、配料罐等装豊都要与之相适应。
另外,还有气升式发酵,若培育工艺有此要求也应列出加以说明。
2.3.3发酵液分离方式与搜集
生物发酵结朿后,有的品种搜集发酵液的上淸液,有的品种搜集固形物(如菌幺幺•体或细胞),无论搜集液体或固体发酵后都要进行固液分离。
常采用的方式有离心分离、板框过滤、碟式过滤器及膜分离等几种。
可按照发酵液的物理性状,如黏度、固含量、菌丝体的形态来选择一项适合的分离方式。
分离后需进行贮存,选择适合的搜集罐,把分离后的淸夜或细胞搜集贮藏,备下工序提取纯化利用。
3生物发酵系统工程设备URS文件要点发酵工艺流程和主设备的URS要点
3.1.1工艺流程
生物发酵系统无论项目大小,其工艺流程均要描述淸楚,是采用单级(单罐),仍是采用多级(二级、三级发酵)。
一般视发酵品种,生产规模大小而左。
单级(单罐)常常利用在小规模的项目,多级发酵指的是常被采用的三级发酵(见图2所示)。
发酵工艺流程肯立后再对主体设备(发酵罐)进行技术要求的描述。
图2单级、二级、三级生物发酵工艺流程图
3.1.2.发酵罐(生物培冇器)的组成及技术要求
第一按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
配料雄
收获罐
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映器,或生物培育罐。
先左罐体的规格大小,如有效工作容积、全容积、最小工作容积、径高比例(常常利用2:
1〜3:
1)、工作环境(如温度、湿度、电源配宜)、罐内工作状况、工作温度(常常利用35°C〜37°C)、火菌温度(121°C,30分钟)、最高设汁温度(135°C)、设计压力〜、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。
另外,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/补料口和火菌蒸汽口等;
(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)、混合气体加入口和条型视镜等:
(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/冷却水入口;
(4)发酵罐下封头工艺管接口,搅拌机口(下搅拌用)出料口:
G)发酵罐内附件,如挡流板(或冷却蛇管)、空气散布器、喷淋球:
(6)发酵罐的操作架台。
3.1.2.3发酵罐的搅拌装苣
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(双端而机械密封)、桨叶型式(有效选择)、搅拌功率、搅拌转速和涮节方式等。
另外还有材质与表而处置的要求(RaWum),特殊要求电抛Ra£nm°苴桨叶选择见图3。
直叶式桨叶
斜叶式桨叶
聖切力较大
推进式叶轮
弟切力较小特别式桨叶
竖向流动形式
剪切力小
图3常用的搅拌桨叶
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,避免打坏动物细胞。
有特殊要求的,还能够按照细胞脆弱程度实验设计特殊结构桨叶的搅拌装程,既能使发酵液充分混合均匀,又不打坏动物细胞。
桨叶的层数能够按照发酵罐的大小及发酵工艺对搅拌要求选择单层、双层或三层搅拌装置的调卩转速,宜选用变频器进行变频调速,并与控制系统相关联。
3.1.3生物发酵系统工艺参数的检测与控制
3.1.3.1生物发酵的进程控制
在技术文件中对发酵的控制要引入生物发酵系统进程控制的概念,如此能够规避因为设备和管道系统的设讣本身的缺点,和因为发酵进程中各类因素造成的失误带来的误差和污染。
生物发酵的进程控制,包括下列几个方而:
(1)物料(培冇基、发酵液)输送转移进程的控制;
(2)发酵接种,移种进程的控制;
(3)生物培冇进程的控制:
(4)取样阀及管道的火菌进程的控制:
(5)罐体与管道CIP进程的控制;
(6)罐体与管道SIP进程的控制。
3.1.3.2生物发酵常见的检测控制参数•常用的参数指标及控制范围见下表(供参考):
项目
指标范围
曲测口方位
温度
W巧(rc)±ci・5c
確体下半部
PH
(2.0-12.0)X
罐体下半部
DO
0—200%±0.5
確体下半部
压力
0.20—0.30MPa
確体上封头
液位
液位传感器
或侧面条型视镇
消沫
活除泡沫
机械或消泡剂
补料
流壘计或称重
按工艺
0~80r.p.m・
变频调谨
浊度
细胞浓度
罐体下半部
(1)温度,如发酵罐内培育液的温度(°C)、空罐火菌时的温度(°C)、排放管结尾(最冷点)的温度CC)等。
控制方式:
测定、显示与记录;
(2)pH值,发酵液pH值的测定、显示、记录与控制。
调节方式为调节酸碱的加入量;
(3)溶氧(DO),测定、记录与控制。
溶氧与通气流量的关联控制,溶氧与搅拌转速的关联控制;
(4)压力,发酵罐内压力显示、记
录与控制。
可用调节发酵罐的排气量来控制罐内压力,隔膜式压力表现场显示,压力传感器进行远程控制;
(5)搅拌转速,由变频器进行调盯与控制;
(6)气体(空气、氧气、CO:
等)流量的控制、显示、调节和监控:
(7)浊度的测定,以检测罐内细胞浓度;
(8)进料量的调节与控制,如对培冇基、补料等流量的控制,可利用流量计、流量传感器和控制系统:
(9)消泡控制,用控制化学消沫剂的加入捲进行控制,同时搅拌装置上的消沫桨叶也起消泡作用;
(10)发酵罐内液位控制,液位显示与记录;
(11)自动报警装苣。
常常利用参数指标及控制范用可参见表2o
3.1.3.3生物发酵控制系统的组成
(1)发酵现场控制(又称下位机)
数据显示与控制操作为图解式触摸屏,有中文菜单与界而,用于数据处置。
如:
1)当前数据的现场显示与运行状态的显示;2)发酵培冇曲线的显示;3)操作功能的切换,人工手动与自动操作的彼此切换;4)T、pH、DO、转速、液位、补料量等的实时记录与控制。
(2)发酵进程的远程控制(又称上位机)
发酵工艺参数的设泄、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,发酵历史培育曲线的显示与贮存。
对控制系统的要求:
性能先进,运行稳固,模块化组合设计,操作简便,保护方便。
(3)发酵控制系统的编程(又称软件包)
发酵系统中各工艺进程的数据显示与记录,远程控制接口,中央操作平台,符合GMP要求的工艺文件管理,操作人员与管理技术人员的授权,能够追踪的工艺参数记录。
网络通信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生物发酵项目控制的关键点
(1)搅拌。
搅拌转速的控制,变频调速,并与D0相关联,培冇基与生物之间的均匀混合,利用培育可增加产量;
预热阶段
ICO〜1059
加热阶段
1219
灭菌阶段
冷却阶段
121030分钟
竜及管道冷衣L干燥
维持阶段
鮒维持正压
表2常用SIP过程
(2)温度。
三个控制关键点。
1)培冇温度,按工艺要求进行调节控制;2)火菌温度121°C,30分钟:
3)排放管结尾温度:
(3)通气。
通过气体散布器进入罐体内,流量控制直接影响发酵液中氧的传送速度与泡沫的形成:
(4)溶氧。
与搅拌、通气相关联,
检测与控制发酵液中氧的含量:
⑸pHo以酸、碱缓冲剂的加入量调肖发酵液的pH值:
(6)补料。
各类补料品种的加入流呈、方式、时刻,控制生物的培育。
生物发酵的控制项目与参数视发酵品种的不同和培冇工艺的不冋而发生转变。
图4发酵罐中难渚洗的部位示意3・1.4发酵罐附屈部件的选择
调节pH用的酸碱罐及其输送泵,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。
生物发酵罐CIP与SIP部份的URS要点
3.2.1发酵系统的CIP工作站
设备的淸洗验证也是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利用喷淋球,在必然的温度、压力和时刻下,对发酵罐及管道系统的内表而进行喷淋淸洗,达到清洗的目的。
常采用设立移动式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)发酵罐中难淸洗的部位(见图4)。
发酵罐中难淸洗部位,如桨叶部位、档板部份、空气散布器、连轴器、上封头、配管结尾等。
(2)常常利用的淸洗方式。
一般先用70〜90°C热水淸洗,再用10〜20%浓度的碱液淸洗,最后用纯化水冲洗「净。
对于难淸洗的物料或大型发酵罐,除在罐顶部安装喷淋球外,还应考虑在罐体的侧而或底部安装喷淋球淸洗装置。
(3)—个实用性的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(淸洗剂),夹套加热或换热器加热:
3)碱罐(淸洗剂),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(见图五、图6)。
依据发酵系统生产的规模、罐体大小、管道组成等来选择适合的CIPI作站。
3.2.2发酵系统SIP进程
3.2.2.1常常利用SIP进程(见表2)
蔻$生物发酵系统工程的辅助系统组
生物发酵辅助系统
工艺管道系统
物料管道管接件
用水管道管接件
用气管道管接件
排放管道管接件
工艺用水系统
城市自来水
纯化水
注射用水(蒸谄水)
工艺用气系统
蒸汽
工业藝汽
纯淨藝汽
空气
仪表用气
发酵用气
■1[
其它气体
氮气(%1二氧化碳(COJ
因5典型的nr站流程
閨&典型的cif站
3.2.2.2常常利用SIP控制要求
可进行PLC人机对话界面,触摸屏图示,操作平台,控制参数有:
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历时刻利用,越时需从头火菌。
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,主要方而见表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适合的上而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,说明材质、规格大小、数量和品牌:
(2)工艺用水系统。
计算三种工艺用水的耗用量,以肯泄管径大小,且描述用水的质
量标准。
尤其是纯化水及蒸馆水,应符介相关规范的规左;
(3)1艺用气系统。
在业主提供无油、无水的紧缩空气后,能够按不同的用途配程相应的过滤装置,供给发酵系统利用:
(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火活处置后,才能够向外排放。
因此,在项目实施进程中必需配置一套火活装置,可用间歇式灭活罐处置,也能够用持续式火活装宜。
放空向大气排放时应在排放管结尾加装Um过滤器。
4其它文件要求
生物发酵系统工程项目完工文件
发酵系统中各个设备,如种子罐、发酵罐、配料罐、收获罐、火活罐等。
在安装后均应按中国《钢制压力容器》(150-1998)有关规范,提供全套罐体的完工资料。
同时,按《机械设备安装工程施工验收通用规范》(50231-1998)所规沱的全数安装完工文件资料。
完工图纸
(1)各类罐体的设备完工图:
(2)发酵系统的设备平而布宜图;(3)发酵系统的设备立而布置图;(4)发酵系统工艺管道的平而布巻图;(5)发酵系统工艺管道的轴侧图:
(6)发酵系统工艺管道的带控制点的工艺流程图;(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)-?
$类设备(如泵、过滤器)的利用说明书;(ll)CIPI作站管逍流程图;(12)CIP工作站控制原理图:
(13)CIP工作站操作手册:
(14)各类控制、检测文件、零部件的合格证书。
5结语
本文从GHP要求和生物培育工艺的要求两个方而动身,论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。
若是想指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工作是一种不符合实际的想法。
制造商或安装公司只能依据有关规范、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认证工作时利用。
本文改编于:
周立法•生物发酵系统标书技术文件的要点.总31期.2007(11)
周立法,髙级工程师,中国制药装备协会专家委员会委员,现九芝堂药业顾问,原上海森松公司顾问
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