玻璃发酵罐及微型生物反应器

不锈钢发酵罐(实验室标准型)

生物制药工艺模块单元

哺乳细胞生物反应器

疫苗生物反应器(GMP)

中试及生产型发酵罐

多联玻璃发酵罐

多联发酵罐(不锈钢)

多级发酵罐

气升式搅拌生物反应器

光生物反应器

磁力搅拌发酵罐

固体发酵罐

喷雾干燥器

酶反应器

 
华东理工大学
中国生物器材网
生物谷
上海百仑生物科技有限公司
江苏弗卢德流体设备有限公司
上海百仑生物工程有限公司
 
 
 
发酵罐结构组成及工艺流程
通气搅拌罐的结构特征
通气搅拌罐是好氧生物反应器的典型代表,其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。
反应器主体采用不锈钢材料,通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴,通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转,通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力,将鼓入的空气打碎成小气泡,并均匀分散在培养液中。这样,既提供了细胞生长所需氧,同时又使培养液浓度均匀。反应器的装料系数一般为70~80%。系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。 
通气搅拌罐适用于大多数的生物工程,它具有以下优点:pH值及温度易于控制;工业放大方法研究比较多;适合连续培养。不足之处是:搅拌消耗的功率较大;结构比较复杂,难以彻底拆卸清洗,易染菌;剪切力稍大,特别是培养丝状菌体时,对细胞有较大损伤,等等。
经过半个多世纪的发展,现在通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化,列举了通气搅拌罐一些主要相对尺寸的范围。
通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围
相对尺寸 符号 范围 典型值
罐体的高径比 H/D 1~3 
搅拌桨直径与罐体直径之比 Di/D 1/3~1/2 1/3(Rushton桨)
挡板宽度与罐体直径之比 Wb/D 1/8~1/12(4块挡板) 1/10
最下层搅拌桨高度与罐体直径之比  0.8~1.0 
相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比  1~2.5 
机械搅拌系统
作为通气搅拌罐的主要特征之一,机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
机械搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。下面做简要的介绍。
1.电机和变速箱
电机和变速箱置于罐体之外。对小型反应器,可以采用单相电驱动的电机,而大型反应器所用的一般均为三相电机。对大型反应器,由于电机的转速一般远高于搅拌转速,必须通过变速箱降低转速。实验室小型反应器可以采用无级变速,不需要变速箱。在间歇培养时,细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求,为了降低功耗,最好采用可调速电机。
2.搅拌轴
搅拌轴既可以从顶部伸入罐体,也可以从底部伸入罐体,前者称为上搅拌,后者称为下搅拌。一般而言,上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是,采用下搅拌时,培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封,使其维护成本增加。不同尺寸的通气搅拌罐,其搅拌桨层数也不同,小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨,而大型通气搅拌罐一般具有2~4层搅拌桨以改善混合和传质。
3.轴封
轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一,因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏,应尽可能采用无菌密封材料。
4.挡板
为防止搅拌时液面上产生大的旋涡,并促进罐内流体在各个方向的混合,与搅拌桨相对应,在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件,是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时,搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为4~6块,其宽度为0.1~0.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。
5.搅拌桨
根据搅拌所产生的流体运动的初始方向,可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进,遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返,产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。一般而言,带轴向流搅拌桨的反应器,其功率准数较低,达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨,这有利于打碎气泡,从而增大总括氧传递速率常数,但会对有些细胞产生伤害。因此,径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养,而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐,可采用这两类搅拌桨混合配置的设计,以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨,这种桨具有优良的气泡破碎效果,这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验,一直沿用至今。
  
 通气系统
通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除菌系统组成。无菌空气制备系统是一套相对独立的复杂系统,这里不做介绍。
细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中。空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方。为保证气泡的分散,多采用带小孔的环状空气分布管,环的直径一般等于搅拌桨的直径。在大型通气搅拌罐中,搅拌桨尖附近的剪切力非常大,一般足以达到充分打碎气泡的目的,为防止培养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管,对某些特殊的发酵体系有时采用向下开口的单孔管。
在一些简单的反应器中,气体的排出只是通过一个简单的阀门控制的。为避免染菌,必须调节空气的排出阀以保证反应器内始终处于高于大气压的正压状态。一些精密的反应器则配备了出口气体冷凝装置和过滤装置
温度控制系统
为了保证为细胞生长和代谢提供合适的温度,温度控制系统也是通气搅拌罐所必备的。温度控制系统由温度测量电极、热交换装置及相应的控制装置组成。
由于生物反应和机械搅拌都是放热过程,多数生物反应体系在运行期间需要冷却,就地灭菌后的培养基更要求快速泠却。对大型通气搅拌罐,通常采用罐内安装的冷却盘管或采用夹套式发酵罐进行温度控制;而对5m3以下的小型通气搅拌罐,热交换器多采用夹套作为换热装置。对大型反应器,盘管的冷却效率要远高于夹套,而且传热面积可以根据需要设计,但它要占用反应器空间,并使反应器清洗和灭菌更加困难。为了强化传热,夹套可以设计成蜂窝状以增加冷却介质的流速,这样可以弥补传热面积不足的限制。
培养基的就地灭菌需要加热装置。有时细胞培养的开始阶段和结束阶段由于细胞产生的代谢热不足以维持生物反应器内的最适温度,需要通过热交换器加热。大型反应器培养基的就地灭菌一般采用直接向反应器中通入高压水蒸汽的方法实现快速加热。小型反应器则通常采用夹套加热或电加热。
 pH值和溶氧测量与控制系统
细胞生长都有最适pH值,因此需要对培养介质的pH进行检测和控制。
pH控制系统包括pH电极、酸及碱储罐、耐酸或碱的管道和泵及相应的控制系统组成。根据不同生物反应体系的实际需要,可以只加酸或加碱系统,也可以两者都具备。在流加培养时,通过碳源或/和氮源的补料也能起到调节pH的作用。
溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。传统的工业发酵罐只是简单地通过人工调节空气流量来实现溶氧控制,可灭菌的溶氧电极改变了这种情况,使溶解氧浓度也可以实现在线检测和控制,为及时了解发酵过程的进程及提高产物产量创造了条件。有些先进的发酵罐还配备了发酵罐尾气分析装置,可在线分析尾气中的氧及二氧化碳浓度,以协助判断发酵的过程的正常与否,对发酵动力学及代谢流分析等都很有帮助。有些发酵过程是微好氧过程,要求反应体系保持很低的溶氧值;还有一些高好氧过程的氧消耗速率很快,造成发酵液中的溶解氧浓度很低,这些过低的溶氧值都可能是溶氧电极无法精确测量的。这种情况就需要安装氧化还原电极以检测细胞培养的正常与否。
消泡系统
消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的。通气搅拌罐的装液量一般不能超过容器容积的70~80%,一方面,这是由于通气后液面会有所上升;更重要的原因是,预留部分空间可以避免泡沫马上冲出罐体,为消除泡沫提供一段缓冲的时间。一般对越容易产生泡沫的体系,装液量要越少。图9-4中,通气搅拌罐顶部有一个额外的搅拌桨,称为消泡桨,其作用就是通过机械作用消除泡沫。在多数情况下,仅凭消泡桨还不足以及时破坏所有的泡沫,因此通常还须进一步采用添加化学消泡剂的方法消泡。
植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化学消泡,它们可以直接在配制在培养基中,也可以在发酵过程中根据需要加入,或者两种策略同时使用。为了及时检测泡沫是否达到预警高度,通常在反应器上方装有液位电极,一旦泡沫达到相应的高度,就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加消泡剂。
发酵罐每个结构的作用

1.1 精密过滤器,一般使用期限为一年。如果过滤阻力太大或失去过滤能力致影响正常生产,则需清洗或更换(建议直接更换,不作清洗,因清洗操作后不能可靠保证过滤器的性能)。
1.2 清洗发酵罐时,请用软毛刷进行刷洗,不要用硬器刮擦,以免损伤发酵罐表面。
1.3 配套仪表应每年校验一次,以确保正常使用。
1.4 电器、仪表、传感器等电气设备严禁直接与水、汽接触,防止受潮。
1.5 设备停止使用时,应及时清洗干净,排尽发酵罐及各管道中的余水;松开发酵罐罐盖及手孔螺丝,防止密封圈产生永久变形。
1.6 操作平台、恒温水箱等碳钢设备应定期(一年一次)刷油漆,防止锈蚀。

1.7如果发酵罐暂时不用,则需对发酵罐进行空消,并排尽罐内及各管道内的余水。
2. 注意事项
2.1 必须确保所有单件设备能正常运行时使用本系统。
2.2 在消毒过滤器时,流经空气过滤器的蒸汽压力不得超过0.17MPa,否则过滤器滤芯会被损坏,失去过滤能力。
2.3 在发酵过程中,应确保罐压不超过0.17MPa。
2.4 在实消过程中,夹套通蒸汽预热时,必须控制进汽压力在设备的工作压力范围内(不应超过0.2MPa),否则会引起发酵罐的损坏。
2.5 在空消及实消时,一定要排尽发酵罐夹套内的余水。否则可能会导致发酵罐内筒体压扁,造成设备损坏;在实消时,还会造成冷凝水过多导致培养液被稀释,从而无法达到工艺要求。
2.6 在空消、实消结束后冷却过程中,严禁发酵罐内产生负压,以免造成污染,甚至损坏设备。
2.7 在发酵过程中,罐压应维持在0.03~0.05MPa之间,以免引起污染。
2.8 在各操作过程中,必须保持空气管道中的压力大于发酵罐的罐压,否则会引起发酵罐中的液体倒流进入过滤器中,堵塞过滤器滤芯或使过滤器失效。
2.9 如果遇到自己解决不了的问题请直接与公司售后服务部门联系。请勿强行拆卸或维修。
   
各部分结构说明:
    三部分结构:罐体和控制箱,空气压缩机(空压站),蒸汽发生器(锅炉房),主要介绍罐体和控制箱。
    罐体为一不锈钢,容积为30 L,罐体结构:主体材质为全不锈钢316L罐体,罐内无死角;带发酵罐专用取样、放料阀,移种管道。采用大视角罐内液位观察视镜,12V安全视灯,带有温度、PH DO,罐顶有排气口1个,压力表1个,安全阀1个,泡沫传感器接口1个,菌种接种口1个,消泡液接口1个,酸(碱)接口1个,补料接口2个,视灯口1个
罐侧接口:进气口,取样阀接口1个,温度、PH、DO接口各1个。
罐底接口:排料接口1个。
取样阀、放料阀设计上无死角,可以单独灭菌
罐体:设计压力0.3Mpa   夹套 :设计压力0.35Mpa 采用优化导流设计
所有与物料接触的金属零部件、管道材质均不锈钢,非金属零部件要求耐高温、防腐、无毒、环保,针阀、球阀和隔膜阀(标准膜片,耐高温、耐酸碱)
    罐可配置不同性能的控制器。控制器能完成最基本的功能,它由下列几部分构成:   
(1)参数输入及显示装置,用以输入控制发酵条件的各种参数及显示发酵过程中罐内培养液的温度,pH、DO(溶氧)的测定数值。
(2) 电极校正装置用以校正pH电极和DO电极等。
(3)酸、碱泵用以向发酵罐加入酸液或碱液以调节培养液中的pH。
(4) 消泡剂加入泵  用以向发酵罐加入消泡剂,以消除发酵过程中产生过多的泡沫。
(5) 报警灯及蜂音器按钮  当发酵过程中,电路上发生故障,如显示屏上显示温度或DO为闪动,即超出本机的测定值,则报警红灯亮并发出“嘀、嘀……”声。
 (6) 自动或人工控制按钮用以决定本控制器是处在自动控制或人工控制状态。
(7) 电极连接导线:连接导线,分别与pH、和温度电极连接。
发酵罐机械方面使用操作
安装好电极。灭菌前检查各接口,各管线外观是否正常,出蒸汽管是否牢固。各阀门应由两人检查是否处于完全关闭状态。
灭菌
灭菌时至少要求两人在场,一人负责操作各种阀门,另一人负责观察报告各项参数。
确认各阀门处于关闭状态后,打开蒸汽发生器进水阀,启动蒸气发生器,蒸气发生器开始自动进水,此时应打开蒸气发生器下部的排水阀,尽量放去水锈后关闭排水阀。注意观察蒸汽发生器内水量液位,防止事故。此时完全打开夹套出气阀阀门,缓慢打开蒸汽发生器总阀门,缓慢部分打开夹套进气阀,开始对夹套通入水蒸气。开始时可能蒸汽压力不稳,压力表指针剧烈摆动,可以适当关小夹套进气阀,然后依次打开取样阀出蒸汽阀,取样阀进蒸汽阀,底阀出蒸汽阀,底阀进蒸汽阀,对取样阀和底阀灭菌,同时排尽压力不稳的水蒸气。水蒸气压力不剧烈变化时再依次关闭、底阀出气阀。罐内温度逐渐上升,至所设置90°温度时,搅拌电机停止转动,此时打开罐体总进气阀,打开罐体出气管阀,依次打开以下阀门:打开出气调节阀,缓慢打开罐体进蒸汽阀对罐内通入蒸汽,空气滤器表压开始上升,超过0.1MP时打开冷凝水阀门疏水,继续开大罐体进蒸汽阀,除尽罐内空气后,罐内压缓慢上升,调整出气调节阀,使之达到灭菌所要求温度压力,达到灭菌温度时计时开始。调整夹套进气阀、罐体进蒸汽阀和出气调节阀,使温度、罐压保持所设温度。灭菌时间到后,依次关闭已开的各进汽阀门,关闭蒸汽总阀门,完全放开罐内尾气排气阀放掉罐内压力,关闭蒸汽发生器电源。打开空气压缩机,等罐压降至0.05MP时,缓慢打开进气调节阀,维持罐内正压。
灭菌过程中,操作员应穿长衣长裤,带防护手套,防止烫伤。灭菌过程中如果蒸汽发生器自动进水,蒸汽总压将迅速下降,必要时可以适当开大蒸汽总阀门,保持压力,但要小心观察压力变化。对罐内通蒸汽时,灭菌后罐压下降较快,注意通无菌空气时机。尽量不要使空气压缩机和蒸汽发生器同时工作。灭菌过程中空气滤器压力不应超过0.2MP。冷凝水的大小将影响罐内液体灭菌后浓度,要考虑蒸汽冷凝水增加量。
发酵
控制进气阀排气阀的大小可以调整通气量和罐压,控制搅拌转数使发酵溶氧满足工艺要求。发酵时打开罐体进水总阀,打开夹套出水阀和夹套进水阀,此时系统自动通过控制夹套水温控制发酵温度。由于罐内正压,接菌时关小进气阀,适当降低罐压至0.01—0.02MP,用火焰圈保护将接种口快速打开(防止气流将火焰熄灭),接种后快速关闭接种口。将补料系统的各个瓶及附属胶管灭菌后联入主机(注意方向),在火焰圈保护下刺破硅胶垫,安装好补料系统。此时工作站上应显示有系统的各个参数实时监控。注意做好参数记录工作。
发酵进行到后期时,可能会有菌体堵塞出气管,现象为通气量下降,罐压略有增高。此时人为左右旋转出气阀,可以使堵塞缓解。
 
常见问题及排除
  温度控制失灵
可能原因:
罐体总水阀未开。  解决:开大罐体总水阀
  通气量下降
可能原因:菌体堵塞出气管  解决:人为旋转排气阀
  空气滤器压力异常增高
可能原因:空气滤器内存水  解决:打开过滤器疏水阀
  事故应急处理方法
 停电
首先关闭空气压缩机,防止突然送电。关闭主机控制单元和主机。尽量维持罐压和温度。电力恢复后,依次打开主机、控制单元和工作站,待空气压缩机压力降为零后打开空气压缩机

灭菌过程中尾气管甩出或管线接口破裂
设法关闭蒸汽总阀、关闭蒸汽发生器,关闭电源。人员撤至安全地带,冷却后重新固定尾气管或更换相应管线。


维护保养

1. 保养与维护
1.1 精密过滤器,一般使用期限为一年。如果过滤阻力太大或失去过滤能力致影响正常生产,则需清洗或更换(建议直接更换,不作清洗,因清洗操作后不能可靠保证过滤器的性能)。
1.2 清洗发酵罐时,请用软毛刷进行刷洗,不要用硬器刮擦,以免损伤发酵罐表面。
1.3 配套仪表应每年校验一次,以确保正常使用。
1.4 电器、仪表、传感器等电气设备严禁直接与水、汽接触,防止受潮。
1.5 设备停止使用时,应及时清洗干净,排尽发酵罐及各管道中的余水;松开发酵罐罐盖及手孔螺丝,防止密封圈产生永久变形。
1.6 操作平台、恒温水箱等碳钢设备应定期(一年一次)刷油漆,防止锈蚀。
1.7 经常检查减速器油位,如润滑油不够,需及时增加。
1.8 定期更换减速器润滑油,以延长其使用寿命。
1.9 如果发酵罐暂时不用,则需对发酵罐进行空消,并排尽罐内及各管道内的余水。
2. 注意事项
2.1 必须确保所有单件设备能正常运行时使用本系统。
2.2 在消毒过滤器时,流经空气过滤器的蒸汽压力不得超过0.17MPa,否则过滤器滤芯会被损坏,失去过滤能力。
2.3 在发酵过程中,应确保罐压不超过0.17MPa。
2.4 在实消过程中,夹套通蒸汽预热时,必须控制进汽压力在设备的工作压力范围内(不应超过0.2MPa),否则会引起发酵罐的损坏。
2.5 在空消及实消时,一定要排尽发酵罐夹套内的余水。否则可能会导致发酵罐内筒体压扁,造成设备损坏;在实消时,还会造成冷凝水过多导致培养液被稀释,从而无法达到工艺要求。
2.6 在空消、实消结束后冷却过程中,严禁发酵罐内产生负压,以免造成污染,甚至损坏设备。
2.7 在发酵过程中,罐压应维持在0.03~0.05MPa之间,以免引起污染。
2.8 在各操作过程中,必须保持空气管道中的压力大于发酵罐的罐压,否则会引起发酵罐中的液体倒流进入过滤器中,堵塞过滤器滤芯或使过滤器失效。
2.9 如果遇到自己解决不了的问题请直接与公司售后服务部门联系。请勿强行拆卸或维修
 
搅拌机构维护:
1.1   本搅拌机构由马达、搅拌轴、搅拌浆、联轴机构共同构成。在搅拌轴的上端采用特殊设计的联轴器,起到了既将搅拌轴挂起来,又保证轴的正常运转
1.2   搅拌器的维护:
1)   每次开罐盖后应检查并旋紧安装在搅拌轴上各部件中的止动螺钉。                                                                          
2)   轴承的调换:经过一至两年的使用后,轴承噪声明显增大或搅拌轴明显摆动须更换轴承。卸去轴承座端盖、卸去轴头螺钉及轴承压盖、卸去轴承座下端盖、移去轴承座下端轴承处的卡簧,由上向下取出搅拌轴,取出轴承并更换,再依次安装。
过滤器滤的更换:
1.1过滤滤芯的更换
由于空气含有大量尘埃,经过一定时间,滤芯上的微孔会渐渐地堵塞。这样一方面引起空气的流量严重不足和空气压降增大,同时可能引起染菌。此时就需要更换。由于各地空气质量差异较大,因此无一准确使用寿命,建议消毒次数为20批次。
 
电磁阀的维护:
       在保证循环泵运转及循环管路通畅情况下,温度只降不升最大的原因
       是电磁阀泄漏或阀芯卡死
1.1电磁阀是用于发酵罐的冷却,电磁阀的阀芯卡死,阀芯密封圈失效及电磁线圈的损坏都可引起电磁阀的失效。
1.2   故障判断:
冷却阀失效:
1)按注水开关,注水开关指示灯亮而电磁阀上端面无磁性,无冷却水排出,线圈坏;注水开关指示灯不亮,控制箱内F1(Realy)保险丝烧毁。
2)关电磁阀,排水口有冷却水漏出,阀芯密封失效或杂物卡住阀心;
         其它维护:
球阀的维护:由于球阀内的密封件是又两个半球状四氟乙烯制作成的,长时间使用后,密封件与阀芯之间可能会泄漏。维修方法:旋松阀两端的卡套接头螺帽,然后旋紧阀两端的圆柱状接头,即可。(正常情况下:转动阀柄应有一定的阻力)
 
      卡套接头的泄露:旋紧接头上的压帽即可。
空气软管:为了防止连接于空气流量计两端的软管的意外爆裂,建议每两年更换一切软管。
蒸汽发生器的维护:参照蒸汽发生器使用手册。
空气压缩机维护:参照压缩机使用手册
  DO电极的使用、保养与维护
1. 使用前的准备

1.2 打开包装前请检查包装是否有损坏。如果外包装已破损,请不要继续打开包装物,立即与运输部门和梅特勒-托利多公司联系,运输方代表到场后共同打开包装检验探头是否损坏,建议拍照取证。
1.3 如外包装完好但探头损坏请立即和梅特勒-托利多公司联系。并将探头连同质保卡、说明书以及原包装寄回梅特勒-托利多公司。
1.4 使用前请仔细阅读探头的使用说明书。由于溶氧探头可能已经储存了一段时间,建议在第一次使用前更换电解液(更换方法见4.2.2)。
1.5 溶氧探头在使用前须通电极化6小时以上(极化方法见2.1)。
1.6 安全警示:溶氧探头中的电解液为强碱性溶液(pH13),如果有少量电解液溅在皮肤上,应及时用水冲洗。电解液不可接触眼睛,如果电解液进入眼睛,立即用大量清水冲洗眼部。如眼睛出现异常(例如红肿、疼痛、视线模糊等),马上到医院就医。
2. 探头的极化
2.1 极化方法:将电缆线和变送器和探头连接,变送器通电后探头即开始极化。
2.2 下列情况探头需要进行极化:
◇ 探头第一次使用,极化6小时以上;
◇ 更换膜或电解液,极化6小时以上;
◇ 变送器断电,或探头与电缆线断开,极化时间见表1;
2.3 极化时间(表1)

探头/变送器断电时间t(min)
最短极化时间t(min)
t>30
360
30≥t>15
6×t
15≥t>5
4×t
t≤5
2×t

2.4 极化电压
测量高浓度的介质(生化发酵、废水处理)时,极化电压为 -675mV。测量低浓度介质(<500ppb)时,极化电压为 -500mV。
3. 探头校准时的注意事项
3.1 校准介质可以是空气或饱和介质。
◇ 如果以空气为校准介质,将探头放在空气中,擦干膜上的水迹,待读数稳定后即可开始校准。
◇ 在生化发酵过程中,一般是以饱和介质为校准介质。在实消后、接种前、搅拌开至最大、通最大量饱和空气时进行校准。建议在统一的通气时间后进行校准,以统一不同罐批和不同发酵罐的饱和状态。
3.2 探头校准前必须充分极化。
4. 更换膜和电解液
4.1 一般来说,建议客户每三个月进行一次更换电解液的操作。但也可根据具体情况自行决定。
4.2 如果电极信号不正常(响应时间长,机械损坏,在无氧介质中电流增大等),就需要更换膜。
 图1 溶氧探头的结构

4.2.1 更换膜的操作步骤(本操作仅限于InPro6000系列,不适用于Φ12mm溶氧探头):

1) 将探头与电缆断开;
2) 旋下探头前端的膜保护套(此时溶氧膜在保护套内);
3) 将溶氧膜内的电解液倒在废液缸中;
4) 把溶氧膜保护套(连同溶氧膜)倒放在工作台上;
5) 取一把小号一字螺丝刀,用刀尖部抵住溶氧膜的保护圈上(见图2)。
   轻轻用力将膜从保护套管中压下,用力方向为垂直略向外倾斜。
★ 注意:刀口不能抵住膜片,否则将损坏溶氧膜。
6) 取一个待换的溶氧膜,添加电解液。以下操作与4.2.2更换电解液相同
 
图2 溶氧膜的拆卸


4.2.2 更换电解液的操作

 
图3 更换电解液
1) 将膜内的残余电解液倒掉,用去离子水冲洗膜体内部,用吸水纸吸干;
2) 将膜倾斜,电解液垂直向下,如图3a所示;
3) 轻轻挤压电解液瓶,使电解液缓慢的流入膜体内;
4) 电解液加入量见图3b;
5) 确认膜体内部没有气泡,如有气泡可轻弹膜体,排除气泡;
6) 将膜体缓慢的旋转套入内电极上,再小心的旋紧不锈钢套管。


5. 探头在空气中的电流值异常

5.1 探头在空气中的电流值指的是把探头暴露在空气中的电流值,一般用绝对值表示。不同类型的溶氧探头在空气中的电流值范围不同,详见探头使用说明书。

5.2 空气中的电流值偏低,通常的原因和处理方法如下:

5.2.1 铂阴极表面有氧化物质覆盖(见图4),此时可以把内电极的头部对着亮光观察阴极,可以看到阴极的表面为黑色。可用标号1000目以上的砂纸轻轻地在铂丝头部来回打磨数次,只要铂丝表面发亮即可。切不可打磨过度,否则内电极头部会受损。

5.2.2 铂阴极未能接触到溶氧膜(见图5)。
1) 检查溶氧膜是否旋紧、到位,如果属于这种情况,应旋紧膜保护套直至图1中所示的黑色密封圈看不到为止。
2) 检查溶氧膜膜片,如果有过度的突起,使阴极不能接触到膜片,必须更换溶氧膜。


5.3 空气中的电流值偏高,常见的原因和处理方法如下(表2):
原 因
处 理 方 法
探头极化不充分
确认极化时间是否符合表1
探头受到污损
清洗探头(应采用去离子水,不能采用含乙醇的清洗液)
电解液老化
更换电解液
膜老化或损坏
更换膜
电缆损坏
更换电缆(不接探头时变送器应显示很低且稳定的电流值)
变送器损坏
尝试更换变送器

6. 溶氧探头的保存
6.1 探头较长时间不用时应将保护帽套好,放置在空气中保存。
PH电极的使用、保养与维护
1. 使用前的准备
1.1 本说明适用于梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司过程检测部销售的在线pH电极。
1.2 打开包装前请检查包装是否有损坏。如果外包装已破损,请不要继续打开包装物,立即与运输部门和梅特勒-托利多公司联系,运输方代表到场后共同打开包装检验电极是否损坏,建议拍照取证。
1.3 如外包装完好但电极损坏请立即和梅特勒-托利多公司联系。并将电极连同质保卡、说明书以及原包装寄回梅特勒-托利多公司。
1.4 使用前请仔细阅读电极的使用说明书。如果电极的隔膜有硅胶覆盖,在使用前用电极附带的小刀小心的将硅胶刮掉,方向应从前向后,以免刮坏敏感膜。注意应将隔膜上的硅胶全部刮掉(直到刀尖碰到隔膜上的多孔陶瓷)。
1.5 观察pH电极敏感膜球泡内是否有液体,如没有充满液体或有气泡应轻轻甩动电极使球泡内充满液体,没有气泡。
1.6 电极使用前可先在酸性缓冲液(pH4.00)中浸泡数分钟,然后在中性缓冲液(pH6.86或7.00等)中浸泡数分钟。然后再开始校准。

2. 电极校准时的注意事项
2.1 校准时请注意采用新鲜的缓冲液。如使用由梅特勒-托利多生产的缓冲液,当缓冲液褪色后即失效,不可使用。如使用NIST系列(用户自配的国标系列)缓冲液,建议配制后一周内使用。其余缓冲液请参照具体使用说明。
2.2 电极在缓冲液中放置1分钟再进行后续操作。
2.3 注意在变送器中选择正确的缓冲液系列,参见仪表使用说明书。
2.4 冲洗电极后只能用柔软的纸巾吸干水分,切勿摩擦pH敏感膜。
2.5 电极的校准周期根据不同的使用环境和精度要求而定,在保证精度的前提下确定适当的校准周期。

3. pH电极的日常维护保养
3.1 一般性污染:用水、0.1mol/lNaOH或0.1mol/lHCl清洗电极数分钟。
3.2 油脂或有机物污染:用丙酮或乙醇清洗电极数秒钟。
3.3 硫化物污染(隔膜发黑):用9892清洗液处理(见5所附使用说明)。
3.4 蛋白质污染(隔膜发黄):用9891清洗液处理(见5所附使用说明)。
3.5 电极的再生:用9895再生液处理(见5所附使用说明)。再生只能有限的延长电极的寿命。
3.6 添加电解液:对于465和InPro2000系列电极使用时应注意及时添加电解液。
3.7 护套保压:对于需要加压的465和InPro2000系列电极使用时应注意经常观察护套上的压力表读数。原则上护套内的压力应比反应器内压力高1.5Bar以上。
注:当被测介质对电极有硫化物污染或蛋白质污染时,应及时处理。

4. pH电极的保存
4.1 电极较长时间不用时应按说明书要求保存在合适的液体中。
4.2 电极不能长期干放,不能在表面附有干燥介质时贮存电极。干放的电极应先放在合适的保存液中活化后才能使用。
4.3 InPro3030/3100系列在pH4的缓冲液中活化,其余可在3MHCl(或饱和KCl)中活化。
4.4 电极不可放在蒸馏水中保存。

5. 电极处理液使用说明
5.1 电极清洗液(9891)
胃液素/HCl用来去除蛋白质污染(隔膜发黄)。用法:将电极头部放入溶液中,确保隔膜浸没在溶液中(至少1个小时)。然后用蒸馏水冲洗,重新校准。订货号:51340068。
5.2 隔膜清洗液(9892)
硫脲/HCl用来清洗发黑的隔膜,它是由含硫溶液引起的。使用方法:将电极头部浸泡在溶液中(隔膜应没入溶液中),直到隔膜无色(至少1小时),然后浸泡在3M的KCl中过夜,完全冲洗,重新校准后可使用。订货号:51340070。
 

5.3 电极再生液(9895)
敏感膜向下手持电极,把电极再生液滴在敏感膜上,沿轴线不断旋转电极,建议保持3分钟左右,然后立即用去离子水彻底冲洗电极并将电极贮存在电极使用说明书指定的保存液中12小时。重新校准后使用。
             发酵罐排除设备染菌隐患
          在发酵罐及其附属设备(空气净化系统,温度、压力流量等控制系统及相应的管道阀门)中,哪一个环节出现问题都可能造成发酵失败。因此,企业首先应树立“预防为主”的观念,从设备入手杜绝可能引起发酵染菌的各种隐患。
  ■保证发酵罐密封性
  发酵罐是发酵生产的主要设备。在使用之前,需要对发酵罐进行认真检查,如检查其搅拌系统转动有无异常,机械密封是否严密,罐内的螺丝是否松动,罐内的管道有无堵塞,夹层或罐内盘管是否泄漏,以及罐体连接阀门是否严密等。
  目前,机械密封在发酵罐上得到广泛应用,其取代了以前搅拌轴的填料密封形式,但是如果安装精度不高或选用的机械密封系统不合适,仍然会发生轴封泄露,造成染菌。因此,在安装搅拌轴时要注意对中。据了解,新疆某发酵车间采用拉杆固定可调的中间轴承,通过调整中间轴承位置来减少搅拌轴的摆动,并采用多弹簧平衡型机械密封,利用不同方向的弹簧弹力抵消搅拌轴的部分偏移,有效地实现了密封。
  ■去除视镜冲洗管道
  为了便于观察发酵罐内的发酵情况,在大型发酵罐内一般都设置了冲洗视镜的蒸汽管道。但是,蒸汽一旦冷凝在管道中,就无法完全保证冷凝水的无菌,因此应该去除冲洗视镜的蒸汽管道,减少染菌隐患。如果因罐内雾气大看不清楚,可以采用更高亮度的视镜灯。
  ■PVDF膜净化效果可靠
  传统的空气净化系统使用活性炭、棉花、超细玻璃纤维纸作为过滤芯,其过滤效果差,且操作复杂。目前,国内的膜过滤技术已比较成熟,如用偏二氟乙烯(PVDF)制成的折叠微孔滤膜滤芯不仅过滤精度高,且流量大。使用时技术人员只要注意对过滤器前压缩空气进行除湿脱油,并按规范对过滤器进行灭菌,即可保证空气无菌。另外,由于PVDF膜对压缩空气中的水分不敏感,膜本身的疏水性强,因此可解决以往当空气湿度过大时棉花过滤器等不能使用的问题。新疆某发酵车间对10吨发酵罐采用PVDF过滤器的净化效果进行了考察。技术人员在过滤器后挂了一个测样瓶,测样瓶用灭菌后不接种的LB通用细菌培养基,连续通入过滤后的压缩空气以监测过滤器效果(只要LB通用细菌培养基保持清澈,就说明过滤器运行正常)。结果表明,该车间10吨发酵罐的过滤器在连续使用3个月后,测样瓶镜检表明LB细菌培养基无菌,因此微孔滤膜(PVDF)的净化效果是可靠的。
  ■定期检测监控系统
  对发酵培养基进行彻底的灭菌处理是利用高温过饱和蒸汽使各种细菌、真菌蛋白质凝固而死亡。在医药工业灭菌中,对预热时间、蒸汽阀门的开度、灭菌温度、灭菌压力和泡沫控制等都有严格要求,其中任何一个环节出现问题都很容易导致染菌。一般工业上灭菌温度在110℃,灭菌压力在0.5兆帕以上,而保证灭菌温度和压力的准确依赖于各种温度探头、压力传感器等监控系统。因此,定期对这类探头、传感器等进行检测十分重要。另外,随着发酵罐体积增大,相同罐压对应的罐温有所降低,因此当发现温度与压力的相关性发生变化时,应以温度为准。
  ■阀门宜采用软密封
  阀门是在发酵设备中使用最多的附属设备,其中使用最多的是截止阀。阀门对介质的密封性可分为4级,即公称级、低漏级、蒸汽级和原子级。公称级与低漏级密封适用于关闭要求不严密的阀门,例如用于控制流量的阀门。蒸汽级密封适用于蒸汽和大部分其他工业用阀门的阀座、阀杆和阀体连接部的密封。原子级密封适用于介质密封性要求极高的场合,如宇宙飞船和原子能动力设备等。由于发酵工业中使用高温蒸汽对发酵设备进行灭菌,因此阀门对介质的密封性要求是蒸汽级密封。
  由于在发酵过程中阀门开启频繁,经常受介质腐蚀、冲刷和气蚀的损害,因此对于阀门副结构,即阀座与关闭件互相接触进行关闭的部分的选择较为关键。阀门副结构的密封分为软密封和硬密封两种。硬密封的密封副结构是靠阀座与关闭件互相挤压发生微小弹塑性变形而形成一条闭合的圆形密封接触线。虽然这类阀门在应用初期密封效果良好,但是发酵阀门开启比较频繁,容易磨损先前形成的接触线,或者由于管道不清洁而使密封面产生压痕而损坏。而硬密封的密封副结构弹性变形量很小,形成新的密封接触线很困难,因此长期使用可能导致阀门泄漏,使发酵失败。软密封的阀门关闭件一般采用软质垫片,利用垫片较大的弹塑性形变形成较宽的环形密封接触带,以添塞密封面上的不平、消除间隙形成密封。其加工精度一般要求不高,如有特殊要求,阀体材料可采用不锈钢,软密封关闭件用可更换的聚四氟乙烯垫片,这样可通过经常更换聚四氟乙烯垫片来保证阀门的密封性。
  ■重视阀门上密封检查
  如果截止阀的阀杆和阀体内孔的加工质量不好,或因长期使用导致磨损而使填料与阀杆的配合间隙增大,都会导致介质由阀杆处泄漏,这种现象被称为阀门“上密封泄露”。然而,在发酵生产中,阀门的上密封检查经常被忽视。2003年,阀门的上密封泄漏事故就曾使新疆某虫草发酵车间连续1个月染菌倒罐,企业经济损失很大。因此,对发酵用的阀门不仅要重视密封副结构的泄漏,更要重视上密封泄漏。
  在发酵生产中,由于发酵工艺的要求,一些阀门并不是按流体流向安装的,如在一些发酵罐中,取样阀门是靠近发酵罐的第一阀门,为了在取样前对该阀门进行灭菌,阀门的安装和发酵液流向是相反的,这样才能在取样阀底部加装一个小的附加阀门使蒸汽流通。该取样阀的上密封结构的密封要求非常高,否则发酵液可能渗入该取样阀的上密封结构中甚至从上密封结构中泄漏,从而造成发酵染菌。
  目前,国产截止阀多为多层填料结构,且填料结构中还附加了硬质隔环,或密封环上部具有碟形弹簧,从而提高了密封力自调节的能力,改善了密封性能。如发生上密封泄漏,而改动国产阀门的上密封结构比较困难,可以通过更换填料种类来解决泄漏问题。例如,用目前新型膨胀聚四氟乙烯密封填料替代常规的石棉和膨胀石墨填料,其耐磨、耐腐蚀,密封效果很好。主要的是空气系统和罐内死角,其次才是种子、操作和设备系统。如果是芽孢的话多可能是死角,大面积的多为空气系统。你可以跟踪无菌检验,看染菌时间及菌型关系,最好把种子制备到发酵罐都有无菌跟踪。
无菌操作。
种子不能有杂菌。
空气过滤器要保质。
注意泡沫不要太多。
  保证空气系统的无菌程度;
    罐体的密闭性,尤其是一些死角要特别注意;
 如果要移种,也要保证管路的无菌程度以及死角;
 要保证种子的正常,没有染菌,无变异;
如果有中期补料,补料系统一定要保证以无菌。

 

经常遇到的小故障如何解决

故障一:自动控温时温度升不上去的原因?

1.加热器烧坏 (特别提示: 加热丝两端量不到电阻这叫是加热器烧坏了,但对于自动灭菌发酵罐来说:温保坏了再加上灭菌程序错误,在自动灭菌时加热器开启----换完新加热器后会使加热器会隔三岔五地坏掉)        

2.线路接错(一般在调试时容易发现这个问题)              

3.循环阀没开(对于新手使用发酵罐)

4.固态继电器坏            

5.温保调得太低或者温保调得太高,一般要求调到6070度之间。               

 6.止回阀卡住

 7.220V加热电源空开跳闸

8.循环泵坏了(加热器有工作时电流正常但罐温补升高)

9. 220V加热电源零线没接好

  解决步骤 

1、温度设定50度,按自动

 

2、冷却阀开,35分钟后开始加热           得出:水位控制是好的 

 

3、量固态继电器上的红色火线的电流,有电流   得出:加热器是好的

 

4、电流大小与空开和保险是否匹配?不匹配则需跟换。

 

5、温保调到0度,固态继电器的灯灭           得出:固态继电器是好的

 

6、温保调到65

 

7、温度自动控制1小时以上

 

故障二:只要开始加热电源就跳闸

检查方式:(1)检查plc、继电器和各接线柱上接线是否正确

         (2plc继电器灯和固态继电器是否亮

         (3)若plc继电器灯和固态继电器亮,则分别量加热器接线柱与加热器外壳的电阻,一般能量到有几欧姆到几十兆欧姆的电阻。

         (4)加热回路是否完整,一般会发现线路有地方断了与机器外壳接触(机器外壳都与底线连接,断了的线与机器外壳相连就等同于火线与零线直接相连而致短路,此种情况发生较少)

         

 

故障三:自动控温时时温度只升不降可能的原因

1)自来水管道不通(检查总水阀,管路等是否通畅)

另外配有冷水机的要检查冷水机上的阀门没开或者是冷水机缺水,水泵坏了等

2)电磁阀坏了

3)电磁阀的控制线路坏了(包括:plc,继电器,保险,变压器是否损坏)

4)自来水水压不足(打开电磁阀并关闭循环阀夹套压力为零或是很小)

     

我们这样来解决:

1、先需要检查发酵罐上与温度自动控制的阀门是否正确开启?总水源是否打开?总水压是否符合要求?

 

2、按手动冷却。

3、用铁质工具接触电磁阀上的螺丝,是否有震动感?     

4、如果没有的话,那就要检查plc 输出端的灯和继电器灯是否亮。

若正常则需要检查检变压器的电压是否正常;

若正常则需要检查保险。

5、温度自动控制1小时以上,调试合格,调试人员签字

 

 

 故障四:确定搅拌的好坏(交流)

1、 搅拌电机如果直接月电源连接看电机与电源见是否有与电机功率匹配的空开或保险,没有的话需要加上。

2、 检查电机里的接线方式是否正确?

3、 首先得转,看是正传还是反转?

 4、 转动时无异响

 5、 从轴坐孔观察联轴器的接触是否完好

 6、 轴封是否有异响

 7、 轴是否晃动情况

 8、 PV值与设定值是否偏差在5转以内

9、 转速自动控制在50转一小时以上,看电机是否停?

10、转速自动控制在500转(最大转数)一小时以上,看搅拌轴是否发烫,电机温度是否正常?

与此同时要检查温度与phdo等显示值是否有很大的波动?

 

 

 

 

 

 故障五:直流电机的好坏

 

1、电机与联轴器是否连好,电机或轴是否晃动

     2、机封无异响

     3、轴不晃

     4PV值与设定值是否相配

转速自动控制在500转(最大转数)一小时以上,看搅拌轴是否发烫,电机温度是否正常?

5、转速自动控制在50转看搅拌是否连续?持续一小时以上。

6、与此同时要检查温度与phdo等显示值是否有很大的波动?

 

故障六:补料与消泡是否正常

1)手动打开补料泵和消泡泵能否转

   (2)看下补料各个参数关联控制是否正常

   (3)看下消泡泵和消泡高能否关联

 

 

故障七:检漏

1)通气分段保压。及有一定压力后,关闭进气阀,关闭排气阀。观察有无漏点。用肥

        皂水检测

   (2)若为蒸汽管路。通蒸汽排尽冷凝水。关闭排污阀。观察漏电

七.PH校正

答:校正,若不准。看校正页面上的红色字体,如是0更换变送器,如显示值飘忽不定,更换电极或导线,检查接地,排除变频器等强电干扰。

一.加热器,不加热的原因?

答:有以下几点!

(5)加热器烧坏         2.线路接错              3.循环阀没开

三.固态继电器坏            5.温保没开                6.止回阀卡住

7.线路有短路情况

检查方式:(1)看下CPU上对应

         (2)继电器灯和固态继电器是否亮

         (3)若①②灯亮。采用电阻法,断开接线柱上线,测量加热器电阻

         (4)在③的基本上可测加热器是否形成通路。检查加热器是否构成通路

        &am, p;nb, sp;(5)看下循环阀是否打开

二.保温时只升不降可能的原因

答:有以下几点可能

1)冷水管道不通

2)电磁阀线路不通

3)自来水供应不足

436V的熔断丝熔断

(5)测接线2端电压

解决方案:开冷却,看CPU灯。继电器灯是否亮。若正常,检测阀门的通闭情况

&, lt;, SPAN style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体">三.确定搅拌的好坏(交流)

答:(1)首先得转

   (2)抽转动时无异响

   (3)从轴坐孔观察联轴器的接触是否完好

   (4)轴封是否有异响

   (5)轴的晃动情况

   (6PV值与设定值是否偏差在5转以内

四:直流电机的好坏

答:(1)电机与联轴器是否连好,电阻是否晃动

   (2)机封无异响

   (3)轴不晃

   (4PV值与设定值是否相配

五.补料与消泡是否正常

答:(1)打开补料泵和消泡泵能否转

   (2)看下补料各个参数关联控制是否正常

   (3)看下消泡泵和消泡高能否关联

六.捡漏

答:(1)通气分段保压。及有一定压力后,关闭进气阀,关闭排气阀。观察有无漏点。用肥

        皂水检测

   (2)若为蒸汽管路。通蒸汽排尽冷凝水。关闭排污阀。观察漏电

七.PH校正

答:校正,若不准。看校正页面上的红色字体,如是0更换变送器,如显示值飘忽不定,更换电极或导线。

其他.加热器,不加热的原因?

答:有以下几点!

1.加热器烧坏         2.线路接错              3.循环阀没开

4.固态继电器坏            5.温保没开                6.止回阀卡住

7.线路有短路情况

检查方式:(1)看下CPU上对应

         (2)继电器灯和固态继电器是否亮

         (3)若①②灯亮。采用电阻法,断开接线柱上线,测量加热器电阻

         (4)在③的基本上可测加热器是否形成通路。检查加热器是否构成通路

         (5)看下循环阀是否打开

二.保温时只升不降可能的原因

答:有以下几点可能

1)冷水管道不通

2)电磁阀线路不通

3)自来水供应不足

436V的熔断丝熔断

(6)测接线2端电压

解决方案:开冷却,看CPU灯。继电器灯是否亮。若正常,检测阀门的通闭情况

四.确定搅拌的好坏(交流)

答:(1)首先得转

   (2)抽转动时无异响

   (3)从轴坐孔观察联轴器的接触是否完好

   (4)轴封是否有异响

   (5)轴的晃动情况

   (6PV值与设定值是否偏差在5转以内

四:直流电机的好坏

答:(1)电机与联轴器是否连好,电阻是否晃动

   (2)机封无异响

   (3)轴不晃

   (4PV值与设定值是否相配

五.补料与消泡是否正常

答:(1)打开补料泵和消泡泵能否转

   (2)看下补料各个参数关联控制是否正常

   (3)看下消泡泵和消泡高能否关联

六.捡漏

答:(1)通气分段保压。及有一定压力后,关闭进气阀,关闭排气阀。观察有无漏点。用肥

        皂水检测

   (2)若为蒸汽管路。通蒸汽排尽冷凝水。关闭排污阀。观察漏电

七.PH校正

答:校正,若不准。看校正页面上的红色字体,如是0更换变送器,如显示值飘忽不定,更换电极或导线。

 
 
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