一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置及使用方法与流程

1.本发明涉及实验装置技术领域，尤指一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置及使用方法。


背景技术：

2.生物制药培养过程都需要纯种培养，就需要对反应器及培养基进行灭菌操作。对实罐原位灭菌(sip)而言，基本要求之一是所有液面以下的管路都要进蒸汽，所有液面以上的管路都要排蒸汽，以达到所有管路及反应器液面以上空腔都有活蒸汽，达到饱和蒸汽压下对应的灭菌温度，保证灭菌效果。
3.现有技术中，中小规模生物反应器系统的常规蒸汽灭菌方式，通常采用蒸汽自蒸汽进管通入，经空气过滤器进入反应器内(顺带对过滤器内滤芯进行灭菌)，再经排气阀排出不凝性气体。灭菌保压过程中，受进汽压强、罐体散热、旁路排凝等影响，通过检测反应器内罐压或温度，反馈调节排气阀开度，调节反应器内蒸汽压强，维持设定的灭菌温度。
4.通常进气管采用标准不锈钢卫生管，管径偏大，使进气量过大，造成大流量蒸汽在过滤芯有限的过滤面积上产生较大过滤阻力，滤芯承受压强及对应的温度较高，使滤芯有效使用寿命降低；
5.带入反应器内的较大蒸汽量，需要同样较大的排气量才能维持罐压平衡，一来产生较大蒸汽浪费，二来进汽压强的波动会造成罐压及排气量的波动，甚至会影响灭菌过程的蒸汽冷凝量的变化，对灭菌后的培养液浓度带来影响；
6.培养过程中自动控制罐压的排气调节阀只需要常温型，而灭菌时的要求是高温型，常规灭菌方式提高了对排气调节阀耐高温性能的要求，增加了材料成本。如果培养过程不需要自动控制罐压，只需手动阀就能满足培养过程控压要求，常规灭菌方式则更是增加了调节阀的费用。
7.因此，是否存在一种蒸汽浪费少、过滤器使用寿命长、阀门成本低廉的生物反应器原位蒸汽灭菌装置，是本领域技术人员所期待解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置及使用方法，实现灭菌装置的稳定使用，提高整个装置的使用寿命，避免由于进气量过大，带来的排气阀易损坏和排气阀口液体的吹出。
9.通过在第一蒸汽进管上设置限流装置，使进入罐内的蒸汽量略小于维持管路、罐体外表面热量散失、排气管增设的疏水管路等所需的蒸汽冷凝量；同时通过罐温与设定值比较(或通过罐温与夹套温度的串级控制)，控制向夹套间歇补充蒸汽，最终达到维持罐内温度稳定在设定温度的灭菌要求。
10.本发明提供的技术方案如下：
11.一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置，用于对反应罐灭菌，包括：
12.第一蒸汽进管、空气进管、第三疏水管、排气管、空气阀、第一蒸汽阀、空气过滤器、限流装置、反应罐、第三开关阀、排气阀；
13.其中，所述反应罐上装设有所述第一蒸汽进管、所述空气进管、所述第三疏水管和所述排气管，
14.所述第一蒸汽进管上设置有所述限流装置和所述第一蒸汽阀，所述空气进管上设置有所述空气阀和所述空气过滤器；所述第三疏水管上设置有所述第三开关阀，所述排气管上设置有所述排气阀。
15.本技术方案，将限流装置通过第一蒸汽进管和第一蒸汽阀连接的方式，从源头限制了进入的蒸汽量，降低了蒸汽流经过滤器内滤芯的阻力，进而降低了空气过滤器内的压力，增加了滤芯的使用寿命。同时，在排气阀前增设疏水管路及相应阀门，使灭菌时的蒸汽及不凝性气体通过此管路排走，不需要排气阀参与控制罐压，降低了对排气阀的耐温要求，降低了材料成本。
16.更进一步的，所述反应罐外设置有夹套，该夹套上设置有第二蒸汽进管，所述第二蒸汽进管上设置有第二蒸汽阀，所述反应罐上安装有温度检测装置，所述温度检测装置与所述第二蒸汽阀形成反馈，以调控所述第二蒸汽阀的开度。当反应器内温度偏低，可以适当加大夹套进汽量、提升反应器内温度；当反应器内温度偏高，可适当减少甚至关闭夹套进汽量、降低反应器内温度。
17.更进一步的，所述夹套上还设置有第二疏水管，该第二疏水管上设置有第二开关阀和第二疏水阀。
18.本技术方案，夹套内由于蒸汽的通入会产生少量凝结水，如果不及时排出，会损坏夹套，所以设置的第二开关阀和第二疏水阀能够将凝结水快速从夹套中排出。
19.更进一步的，所述空气过滤器上还设置有第一疏水管，该第一疏水管上设置有第一开关阀和第一疏水阀。
20.本技术方案，空气过滤器内由于蒸汽的通入会产生少量凝结水，如果不及时排出，会损坏空气过滤器，所以设置的第一疏水阀和第一疏水阀能够将凝结水快速从空气过滤器中排出。
21.更进一步的，所述限流装置为限流阀、限流片或者细管道。
22.更进一步的，所述排气管上设置有压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述反应罐内的气体压力。
23.一种原位灭菌方法，所述反应罐内具有液体，包括以下步骤：
24.步骤s100：打开所述第二蒸汽阀、所述第三开关阀、所述排气阀以及所述第二开关阀，所述第二蒸汽阀向所述夹套内通入蒸汽，对所述反应罐内液体进行间接预热，蒸汽冷凝后经所述第二开关阀、所述第二疏水阀排出冷凝水；
25.步骤s200：在所述液体温度接近沸点后，保持所述空气阀关闭，打开所述第一蒸汽阀，蒸汽经所述第一蒸汽管上设置的所述限流装置，向所述反应罐内通入蒸汽；打开所述第一开关阀，经第一疏水阀排出蒸汽冷凝水；
26.步骤s300：调控第二蒸汽阀的开关，使所述反应罐内的温度和压力稳定在预定温度和预定压力下维持所需灭菌时间；
27.步骤s400：将罐内液体间接冷却，冷却过程中维持罐压降低至维持略高于大气压。
28.本技术方案，能够避免在反应罐温度降低时，出现的空气过滤器及进气管路冷却而造成培养液倒流、污损空气过滤器，而且能够通过调控限流装置和第二蒸汽阀的开关，使得整个反应罐内始终处于稳定的状态，避免液体剧烈波动，导致液体吹出反应罐外。s100中，空气阀105可以设置为微开备用状态。s200中，空气阀105需要保持关闭状态，以避免蒸汽倒灌入用于进气的空气管路102，导致空气管路102的寿命缩短或其上设置的各设备损坏。
29.更进一步的，步骤s300包括以下步骤：
30.步骤s310：所述液体温度达到沸点后，逐步调小至关闭所述排气阀，使所述反应罐内温度和压力上升至预定温度和预定压力；
31.步骤s320：根据所述温度检测装置显示的温度和/或所述压力检测装置显示的压力对所述第二蒸汽阀进行开闭，将所述反应罐内温度和压力稳定在所述预定温度和预定压力下维持所需灭菌时间。
32.更进一步的，步骤s400包括以下步骤：
33.步骤s410：维持所述预定温度和预定压力达到预定时间后，关闭所述第三开关阀、所述第二蒸汽阀和所述第一蒸汽阀、所述第一开关阀，同时打开所述空气阀；向夹套内通入冷却水，将液体冷却，冷却过程中维持罐压降低至高于大气压。
34.更进一步的，所述预定温度为110℃
‑
130℃；和/或；所述预定时间为20
‑
40分钟。
35.一种生物反应器，包括所述反应罐和前述生物反应器原位蒸汽灭菌装置。
36.本发明提供的一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置及使用方法，能够带来以下至少一种有益效果：
37.1、可选择的，限流装置可选择为限流阀、限流片或者细管道，将限流装置安装在第一蒸汽进管上，限制了进入的蒸汽量，节约了蒸汽用量，避免蒸汽导致培养液液面波动引发的逃液现象；
38.2、低蒸汽量降低了蒸汽流经过滤器内滤芯的阻力，进而降低了空气过滤器内的压力，增加了滤芯的使用寿命；
39.3、由于进入的蒸汽量收到了控制，若培养过程中，不需要对罐压进行自动控制，排气阀可以采用手动调节阀，即使增设了排气管的疏水旁路的切断阀及疏水阀，阀门总体成本仍可减少相当比例。
附图说明
40.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置及使用方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
41.图1是本发明生物反应器原位蒸汽灭菌装置的结构图；
42.图2是本发明原位灭菌方法的流程图。
具体实施方式
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图，并获得其他的实施方式。
44.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
45.本发明公开一种生物反应器原位蒸汽灭菌装置的实施例，参照图1所示，生物反应器原位蒸汽灭菌装置100包括：第一蒸汽进管101、空气进管102、第三疏水管103、排气管104、空气阀105、第一蒸汽阀106、空气过滤器107、限流装置108、反应罐109、第三开关阀110、排气阀111。
46.蒸汽从第一蒸汽进管101装置，依次经过限流装置108和空气过滤器107，进入反应罐109；第一蒸汽进管101上安装有限流装置108和第一蒸汽阀106；空气进管102上安装有空气阀105和空气过滤器107；空气过滤器107下方的第一疏水管118上，装有第一开关阀119及第一疏水阀120。
47.可选择的，限流装置108可选择为限流阀、限流片或者细管道。
48.出反应罐109的排气管104至排气阀111前分路出第三疏水管103；第三疏水管103上安装有第三开关阀110及疏水阀121；排气管104上安装有排气阀111和压力检测装置124。第三开关阀110可以为隔膜阀或电磁阀等常用阀。
49.将限流装置108安装在第一蒸汽进管101上，从源头限制了进入灭菌装置的蒸汽量，使得灭菌过程中，仅有极少数或者无蒸汽经由排气阀111排出，降低了对排气阀111的调节能力要求，从而降低了排气阀111的成本，延长排气阀11的寿命。同时，经由第一蒸汽进管101进入装置的蒸汽量降低，降低了空气过滤器107内的气体阻力，以及经过空气过滤器107的蒸汽温度，利于延长空气过滤器107的使用寿命，同时可以减轻蒸汽流过时对装置内液体的扰动，提升装置内液体液面的稳定性。限流装置108可以采取限流阀、限流片或细管道等常用限流件，且这些方案均在本专利的保护范围之内。
50.反应罐109内设有进气管122，灭菌前反应罐109内装有待灭菌液体，进气管122的一端连接空气过滤器107，另一端为连通空气过滤器107的环形管，且环形管浸没于液体下用于进气。灭菌时空气阀105关闭，蒸汽从第一蒸汽进管101经限流装置108、打开的第一蒸汽阀106、空气过滤器107(其下方第一开关阀119打开，蒸汽前段及积聚在过滤器107底部的冷凝水，经第一疏水阀120排空)进入反应罐109，从空气分布管122进入待灭菌液体中。
51.一般情况下，对反应罐109内液体进行蒸汽灭菌的过程中，需要控制反应罐109内液体温度，并维持在121℃左右一定时间，这就需要进出反应罐109内的蒸汽量达到一定平衡；由于进气管122的一端浸没于反应罐109内液面以下，因此需要自第一蒸汽进管101进入反应罐109内的蒸汽不能暂停(一旦暂停，由于空气过滤器107及管路会冷却而导致反应罐109内液体快速倒压、进入滤芯造成滤芯失效)；进反应罐109蒸汽总量在克服管路、罐体外表面的散热而冷凝后，剩余的蒸汽量需要及时自排气管104排出，才能维持罐压在灭菌要求范围内。
52.通常情况下，是在排气管104上设置一个排气调节阀111，由自控系统根据压力检测装置124检测的压力值与设定值比较，调节排气调节阀111的开度，维持一定的罐压、进而维持一定的灭菌温度。
53.优选的，反应罐109外焊接有夹套112(大型反应罐可采用盘管)，该夹套112上安装有第二蒸汽进管113，第二蒸汽进管113上安装有第二蒸汽阀114，反应罐109上安装有温度检测装置123，温度检测装置123与第二蒸汽阀114通讯连接，用来调控第二蒸汽阀114的开度。增设的夹套112能够满足前期预热反应罐109内液体的作用，还能够在反应罐109内温度低时通过打开第二蒸汽阀114对反应罐109进行加热，在反应罐109内温度高时关闭第二蒸汽阀114。夹套112在预设以及灭菌过程中起到主要的对反应罐109的加热作用，使得灭菌过程中反应罐109内仅需要通入少量的蒸汽即可，进一步降低经由第一蒸汽进管101进入装置的蒸汽气体量，从而进一步延长空气过滤器107、排气阀111的寿命，并提升反应罐109内液面的稳定性。夹套112上也可以设置温度检测装置123，以串级控制方式控制第二蒸汽阀114的开关，使对罐温或压力控制更为平稳。
54.具体的，夹套112上还安装有第二疏水管115，该第二疏水管115上安装有第二开关阀116和第二疏水阀117。空气过滤器107底部还安装有第一疏水管118，该第一疏水管118上安装有第一开关阀119和第一疏水阀120。
55.在夹套112上安装的第二疏水管115和在第二疏水管115上安装的第二开关阀116和第二疏水阀117能够将夹套112内由于水蒸气凝结产生的水排出。在空气过滤器107底部安装的第一疏水管118和在第一疏水管118上安装的第一开关阀119和第一疏水阀120能够将空气过滤器107内由于水蒸气凝结产生的水排出。
56.本发明还公开一种原位灭菌方法的实施例，参照图2所示，一种原位灭菌方法的流程图。其基于前述实施例中的生物反应器原位蒸汽灭菌装置实现。其包括以下步骤：
57.步骤s100：打开第二蒸汽阀114、第三开关阀110、排气阀111以及第二开关阀116，第二蒸汽阀114向夹套112内通入蒸汽，对反应罐内液体进行间接预热，蒸汽冷凝后经第二开关阀116、第二疏水阀117排出冷凝水；
58.步骤s200：在液体温度接近沸点后，保持空气阀105关闭，打开第一蒸汽阀106，蒸汽经限流装置108，向反应罐109内通入蒸汽；打开所述第一开关阀，经第一疏水阀排出蒸汽冷凝水；
59.步骤s300：调控第二蒸汽阀114的开关，使反应罐109内的温度和压力稳定在预定温度和预定压力下维持所需灭菌时间；
60.步骤s400：将罐内液体间接冷却，冷却过程中维持罐压降低至维持略高于大气压。
61.能够避免在反应罐109温度降低时，出现的空气过滤器107及进气管路冷却而造成培养液倒流、污损空气过滤器107，而且能够通过调控限流装置108和第二蒸汽阀114的开关，使得整个反应罐109内始终处于稳定的状态，避免液体剧烈波动，导致液体吹出反应罐109外。
62.步骤s300中，第二蒸汽阀114的调节可以参照排气管路104上的压力检测装置124、以及温度检测装置123的检测值与标准值的差异。
63.具体的，步骤s300还包括以下步骤：
64.步骤s310：液体温度达到沸点后，逐步调小至关闭排气阀111，使反应罐109内温度和压力上升至预定温度和预定压力；
65.步骤s320：根据温度检测装置123显示的温度和/或压力检测装置124显示的压力，对第二蒸汽阀114进行开闭，将反应罐109内温度和压力稳定在预定温度和预定压力下维持
所需灭菌时间。
66.具体的，步骤s400包括以下步骤：
67.步骤s410：维持预定温度和预定压力达到预定时间后，关闭所述第三开关阀、所述第二蒸汽阀和所述第一蒸汽阀、所述第一开关阀，同时打开所述空气阀；向夹套内通入冷却水(不细述)，将液体冷却，冷却过程中维持罐压降低至略高于大气压。
68.其中，预定温度为110℃
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130℃。优选的，预定温度为121℃。具体的，预定时间为20
‑
40分钟。优选的，预定时间为30分钟。
69.本发明还公开一种生物反应器的实施例，包括反应罐109和前述实施例中的生物反应器原位蒸汽灭菌装置100。
70.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。