生物工程设备：第十四章 设备和管道的清洗与杀菌

第十四章设备和管道的清洗与杀菌第一节设备与管道的清洗与杀菌的目的和意义一、工业污垢的来源生产原料介质和产品冷却介质微生物腐蚀产物…二、工业污垢的危害影响生产的正常运行：严重结垢、生产设备利用率低或富含营养物质的发酵液的残留导致杂菌污染。杂菌消耗大量消耗营养基质和产物，使生产效率和收率下降。杂菌污染及其代谢产物会改变发酵液的物化及流变特性，妨碍产物的分离纯化。杂菌直接以产物为基质，造成产物生成量锐减而导致发酵失败。增加生产成本三、设备和管道清洗的目的维持正常生产，延长设备寿命提高生产能力，改善产品质量减少能耗，降低生产成本较少生产事故，利于身体健康改善设备外观，净化、美化环境第二节常用清洗方法与设备一、常用清洗剂工业用清洗剂绝大多数都是水溶液，生物工业及食品、制药等行业所用溶剂水水质要求较高。

1．清洗剂理想的清洗剂应能溶解或分解有机物，分散固型物，具漂洗和多价螯合作用，而且还有一定的杀菌作用。但是至今仍未有一种单一的洗涤剂具有上述的所有性质，所以目前的清洗剂都是由碱或酸、表面活性剂、磷酸盐或螯合剂等复配而成。

（1）碱和酸，烧碱溶液是很好的蛋白质和脂肪洗涤剂。硅酸钠是良好的水溶液分散剂，对积垢的分散十分有效。另外，磷酸三钠因为有良好的分散性和乳化性，使用也较普遍。（2）表面活性剂，为了有效发挥洗涤剂的作用，需添加表面活性剂以减小污垢的表面张力，使污垢物更易去除。表面活性剂可分成阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型等类型。表13-1列举了一些用于清洗罐或管道的清洗剂配方。典型洗涤剂溶液配方应用场合罐CIP清洗系统用管道清洗用应用场合罐CIP清洗系统用管道清洗用0.1mol/LNaOH4.0硅酸钠0.4磷酸三钠0.2碳酸钠1.2表面活性剂0.1硫酸钠1.2三聚磷酸钠1.0

2．消毒杀菌剂最常用的化学消毒剂是次氯酸钠，近几年，二氧化氯逐渐取代次氯酸钠。虽然，次氯酸溶液对许多金属包括不锈钢都有腐蚀作用，但在PH=8.0～10.5的溶液中，及较低的温度下，用50～200mg/L的氯浓度并尽量缩短与设备的接触时间，可使腐蚀作用降到最小。

3．特殊清洗试剂在某些场合，需要把与有机物表面紧密结合的蛋白质分离洗脱出来，例如色谱分离柱树脂的处理。这些树脂易被烧碱等破坏。二、设备、管路、阀门等管件的清洗传统的设备清洗方法是将设备拆卸后进行人工或半机械法清洗。这种方法劳动强度大，效率低。现代化生产已普遍采用CIP清洗系统（在位清洗），使清洗过程达到自动化或半自动化。但有些特殊设备还需用人工清洗。

1．管件和阀门下表是典型的管件清洗操作程序。

管件清洗的操作程序操作步骤清洗时间/min温度℃操作步骤清洗时间/min温度℃1．清水漂洗5～10常温4．消毒剂处理15～20常温2．洗涤剂洗涤15～20常温～75℃5．清水漂洗5～10常温3．清水漂洗5～10常温

2．罐的洗涤对于小型罐，常用的方法是在罐内放入洗涤剂浸泡。对于大型罐，通常是在罐顶以一定的速度喷洒洗涤剂，通常使用的两类喷射洗涤设备为球形静止喷洒器和旋转式喷射器。球形静止喷洒器结构较简单，价格较低，可提供连续的表面喷射，即使有一两个喷孔被堵塞，对喷洗操作影响不大，还可自我清洗，但喷射压力不高，喷射距离有限，所以对器壁的冲洗主要是冲洗作用而非喷射冲击作用。

3．生物加工下游过程设备的清洗色谱分离柱的清洗有其特殊性。通常，填充的PHLC介质对碱较敏感，不能耐受NaOH等碱性洗涤剂，这时可用硅酸钠代替。若色谱系统使用的是软性介质，则只能在低压力和流速下进行清洗。某些情况下（如在位冲洗）不能提供充足的清洗度时，应将填充基质卸下来再用洗涤剂浸泡洗涤。对错流的微滤或超滤系统常使用CIP系统清洗。

4．辅助设备的清洗辅助设备（泵、过滤器、热交换器）的清洗是比较简单的，但也必须注意：（1）空气过滤器和液体过滤装置不易清洗干净，必要时需用人工进行清洗。（2）无论何种热交换设备，若是用于培养基的加热或冷却，换热面上的结垢或焦化是很难避免的，也不易清洗。适当提高介质流速对减少此问题非常有效。

三、CIP清洗系统及设备CIP清洗系统有多种形式，传统上是一种一次性洗涤系统，即消毒剂只供使用一次即舍去。一次性使用系统适用于那些贮存寿命短，易变质，不宜重复使用的消毒剂。一次性使用系统是较小型的固定的单元装置，其结构示意图如图13-1所示。它包括一个含有进水孔及水平探针的罐和一台离心泵用以驱动洁净的洗涤剂的循环利用，并设有一喷射口以通入加热蒸汽或添加经计量泵计量的洗涤剂。

一次性使用的CIP系统

1－过滤器；2－循环泵；3－喷射器；4－蒸汽进口；5－排污阀；6－洗涤剂贮罐若生产设备只用于生产单一产品，洗涤剂可重复利用，不仅节省洗涤剂用量，而且减少排污对环境的污染。洗涤剂重复利用系统如下图所示。用循环回收水配置初洗涤液，可节省用水。配料罐内有换热蛇管，用以加热洗涤剂，用泵使洗涤剂循环。从贮罐中心取样测量洗涤剂浓度以保证其正常值。需配置中和罐以备加酸中和碱性洗涤剂。洗涤剂重复利用的CIP系统1－滤器；2－环泵；3－鲜洗涤剂贮罐；4－用洗涤剂；5－水罐；6－回收水贮罐集一次性和循环使用于一体的混合系统是对罐和管道的CIP系统而设计的，由预定程式实行控制，如下图。该系统包含洗涤剂及水的回收罐，循环泵，过滤器等。预洗用水使用回收水，用完后可直接排放或贮留一段时间以进行中间洗涤。洗涤剂可使用混合洗涤剂，如果需要，也可用化学洗涤剂。要确保洗涤温度在预定的范围内。洗涤剂及漂洗用水循环使用一定次数，当其所含的污脏物达到一定浓度后就不宜回收而需排放废弃。

多次使用的CIP洗涤系统1－过滤器；2－循环泵；3－喷射器；4－混合加热罐；5－洗涤剂罐；6－回用水回收罐清洁程度的确认

1．清洁程度的检验清洁程度检验系统和方法包括设备检验、操作检验和成效检验。设备安装及操作期间的检验应是相应特定的，即处于手动状态。执行清洗程序时进行检验，确证设备不同部位残留的污脏物的去除、清洗程序的执行状况，然后分析这些地方污脏物的各种残留成分。

2．表面清洁规范无残留固体污赃物或垢层；在良好光线下无可见污染物，且在潮湿或干燥的状况下，表面均没有明显的气味；手摸表面，无明显的粗糙或滑溜感；把白纸印在表面后检查无不正常颜色；在排干水后表面无残留水迹；在波长340～380nm光线检查表面无荧光物质。除上述检验外还应进行一些定量的检查，主要是检查蛋白质和细胞残留物。蛋白质污脏物的检测方法：先用标准浓度蛋白质溶液把表面润湿后再干燥，置于某容器或管路中作试验表面。然后按工艺规程对含上述试验表面之容器或管路进行洗涤操作。洗涤过程结束后取出试验表面并把水甩干去掉，把硝化纤维纸压在表面上以吸收蛋白质残留，把消化纤维纸浸入考马斯亮蓝溶液后放入醋酸溶液中，过夜，根据蓝色的深浅，确定蛋白质残留情况。

致热物质的检测也是必要的，传统试验方法是动物试验，通常往试验兔子体内注入一定量的热原试样并检测其体温的升高，再根据预先绘制的标准曲线查出其浓度。近年，出现了LAL（Limulusamoebocytelysate）检验法，可检出10-7低浓度的内霉素。最后，还必须检查最终漂洗结果，常用方法是将一滴酚酞试剂滴在漂洗过的样本表面，若试剂变红则表明存在NaOH残留。第三节设备及管路的杀菌一、概述蒸汽加热灭菌方法是最普遍的杀菌方法，加热灭菌可把微生物细胞及孢子全部杀死。对于一个优良的蒸汽灭菌系统，加热时间和温度是最重要的两个参数，常用的经验数据，如下表所示。实验室常用的三角瓶等玻璃仪器及小量的培养基杀菌常用0.1的饱和蒸汽（表压）即121℃下灭菌15min。管路的杀菌，一般用121℃、30min，而较小型的发酵罐约需45min，若是大型而复杂的发酵系统则需1小时。系统越大，其热容量也越大，热量传递到其中的每一点所需的时间也就越长。蒸汽杀菌温度和时间（MRC建议）杀菌温度121126134所需时间(min)15103设备用蒸汽灭菌，通常选择0.15～0.2的饱和蒸汽，这样即可较快使设备和管路达到所要求的灭菌温度，又使操作较安全。当然，对于大型设备和较长管路，可用压强稍高的蒸汽。此外，灭菌开始时，必须注意把设备和管路中存留的空气充分排尽，否则造成假压而实际灭菌温度达不到工艺要求。对于哺乳动物细胞培养，蒸汽必须由特制的纯蒸汽发生器产生，并经不锈钢管道输送，因普通的钢制蒸汽设备有铁锈等杂质，可能污染产品或成为微生物的营养源。为确保蒸汽加热灭菌高效、安全，应确保设备的所有部件均能耐受130℃高温。为减少死角，尽可能采用焊接并把焊缝打磨光滑要避免死角和缝隙。若管路死端无可避免，要保证死端的长度不大于管径的6倍，且应装置一蒸汽阀以用蒸汽灭菌。尽量避免在灭菌和非灭菌的空间只装设一个阀门，以保证安全。所有阀门均应利于清洗、维护和杀菌，最常用的是隔膜阀。设备的各部分均可分开灭菌，且需有独自的蒸汽进口阀。二、发酵罐及容器的灭菌发酵罐或容器的灭菌都有一定的耐压耐温要求，要求能承受0.15kPa饱和蒸汽的灭菌。罐和容器在使用前必须进行耐压和气密性实验。检查方法是：保持温度不变，检查压强是否恒定，可检查罐的压强是否改变来确定是否存在渗透。检测气压的压力表罐体连接管应尽量短，同时尽可能装置小蒸汽阀以确保灭菌彻底。1、空气分布器的蒸汽

灭菌管路布置2、浸没管路与旁路进口管的杀菌布管3、容器的排料系统蒸汽杀菌罐和容器的排料口设在最低点，首先能彻底干净排出料液，同时便于清洗、排污及灭菌。罐排料管蒸汽灭菌管路配置如图。罐内通气灭菌过程时，阀门A、C和F开启，阀门B、D和F关闭。此管路配置既可保证罐能正常通气加热杀菌又能使阀门A、B和C经受彻底的通气杀菌，杂菌要侵入，必须经过两个阀座才能进入罐中，这样的配管有利于罐系统的无菌保证。

4、罐的CIP清洗体统蒸汽杀菌配管自动化清洗系统（CIP）清洗系统的蒸汽灭菌配管如图所示。(CIP系统蒸汽灭菌管路配置)在蒸汽加热灭菌过程中，阀门B和C打开，阀A关闭，故整套清洗喷洒头装置均可经受彻底的蒸汽加热灭菌过程。

5、发酵罐搅拌器密封装置的蒸汽灭菌配置三、空气过滤器的杀菌空气过滤器用来过滤除去空气中的微生物为生物生产过程提供无菌空气。空气过滤器主要有两大类，一种是纤维介质或带有微孔的金属、塑料等，另一种为膜式，现在膜式过滤器的应用越来越广。过滤器的杀菌主要是采用饱和干蒸汽。

四、管道和阀门的杀菌隔膜式阀门如图所示是使用最为广泛的一种阀门，隔膜阀蒸汽加热杀菌有3种方法。①蒸汽直接通过阀门，阀门与管路均充满蒸汽，可保证杀菌彻底，这是最佳的方式。②利用隔膜阀上的取样和排污小阀门，通入蒸汽或放出蒸汽冷凝水，使隔膜两边充分灭菌。③是确保阀门接管的盲端管长与管径之比不大于6倍，且必须保证管内不积存冷凝水。这种方法容易发生灭菌不彻底。隔膜阀的结构简图在杀菌过程中每个罐及其管道尽可能分开灭菌，如图13-10所示。灭菌时，关闭阀A和F，依次打开阀E、D、B和C，最后开启蒸汽阀，通入蒸汽灭菌。灭菌结束，先关闭阀E然后关闭阀C