专利名称：生物反应器半自动化灭菌系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种灭菌系统及其应用，尤其涉及生物反应器半自动化灭菌系统及其应用，属于生物反应器灭菌领域。
背景技术：
生物反应器是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。生物反应器的作用就是要为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使其能够更快更好的生长，从而得到更多需要的生物量或代谢产物。只有保证生物反应器中的环境符合生物体繁殖的要求，才能得到更多的生物量或代谢产物，为此必须对进气过滤器(包括滤壳和滤芯)、反应器、培养基、相关管路以及接口进行彻底灭菌。对于培养基的灭菌，目前通常采用的方法是让工业蒸汽通过反应器罐体的夹层对反应器内的培养基进行高温加热灭菌，于此同时，待反应器内温度升到100°C或以上时，将高温纯蒸汽通过进气/汽管道210通入到反应器内，对培养基直接进行高温灭菌。图1示出了现有的一种生物反应器的灭菌系统，在该系统中，工业高温蒸汽通过手动阀门411送入反应器罐体的夹层并流经夹层最 终通过手动阀门412经出汽管道排出，通过热传递的方式对反应器内的培养基进行加热灭菌，同时伴有纯蒸汽通过进气/汽管道210及进气过滤器310通入到反应器内，对培养基直接进行高温灭菌；完成以上操作需手动开启阀门411、412、415、410、413和414，反应器内的高温蒸汽或冷凝水经过阀门413或414排出(排气过滤器311附有冷凝水排出装置)；需要向反应器内补充空气时，手动开启阀门415、410和413，空气经过过滤器过滤后进入到反应器内。根据现有的生物反应器灭菌系统的工作过程可见，在对反应器内的培养基进行灭菌时，均需要进行人工手动操作，其后果是失误次数增多、对培养基温度的控制极不稳定，最终导致产品出现批间差；此外，对于多批次的发酵而言，由于人为操作劳动强度增大，不仅使失误次数增多无法保证最终产品的质量，还会增加操作人员高温烫伤的几率。因此，在生产实践中亟待开发一种能够克服上述缺陷的生物反应器灭菌系统，该灭菌系统能够对培养基的灭菌进行半自动化的精确控制，降低操作人员的劳动强度和高温烫伤几率，提高产品的稳定性和均一性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有的生物反应器灭菌系统所存在的需要人工操作控制生物反应器对培养基的灭菌，导致灭菌温度不稳定、失误次数多、产品质量不均一的缺陷，从而提供一种生物反应器半自动化灭菌系统。本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的—种生物反应器半自动化灭菌系统，包括控制面板；生物反应器，所述生物反应器包括反应器罐体和包覆在反应器罐体外周的夹层；各自独立与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置和补料装置；与反应器罐体的夹层上端相连通的工业蒸汽进汽装置以及与夹层的下端相连通的工业蒸汽出汽装置。所述进气/汽装置包括进气/汽管道、进气过滤器以及两个手动阀门，进气过滤器位于两个手动阀门之间；其中，在所述进气/汽装置中设有受电动阀门控制的进气/汽支管道；优选的，所述进气/汽支管道位于进气过滤器和反应器罐体之间；所述排气/汽装置包括排气/汽管道、排气过滤器以及手动阀门，所述手动阀门位于排气过滤器和反应器罐体之间；其中，在所述排气/汽装置中设有受电动阀门控制的排气/汽支管道；优选的，所述排气/汽支管道位于排气过滤器和反应器罐体之间；所述的工业蒸汽进汽装置包括进汽管道和手动阀门，其中，在所述工业蒸汽进汽装置中设有受电动阀门控制的进汽支管道；所述的工业蒸汽出汽装置包括排汽管道和手动阀门，其中，在所述工业蒸汽出汽装置中设有受电动阀门控制的出汽支管道；所述的进气过滤器或排气过滤器由滤壳和滤芯组成；所述补料装置包括补料管道、活接头以及手动阀门，其中，活接头位于手动阀门和反应器罐体之间。本发明的另一目的是将所述的生物反应器灭菌系统应用于培养基的灭菌及灭菌后的发酵，包括(I)通过控制面板设定系统的控制参数；(2)关闭手动阀门 41 0、411、412、413、414 和 415;电动阀门 510、511、512 和 513 为关闭状态；(3)将培养基加入到反应器罐内后灭菌开始，电动阀门511和512自动打开；工业蒸汽由进汽管道211进入到生物反应器夹层120后通过电动阀门512经出汽支管道712排出；(4)当反应器内温度升110°C时，手动开启进气/汽阀门415和排汽阀门414，待反应器内温度升至115°C时电动阀门510自动开启；(5)当反应器内温度彡116°C时，控制面板开始自动计时；(6)当反应器内温度彡116. 8°C时，电动阀门511和512关闭，而电动阀门513开启;(7)当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门511和512开启，而电动阀门513关闭；(8)培养基灭菌40分钟结束后，电动阀门510、511、512和513自动关闭，手动关闭进气/汽阀门415 ；(9)根据控制面板的设定，启动冷却水对高温培养基的降温程序，当反应器内压力(0.1Mpa时,手动关闭阀门414 ；(10)当反应器内温度< 37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37 37. 5 °C，直至发酵结束。其中，步骤(I)中所述控制参数的设定如下(I)培养基灭菌温度设为116 117°C，灭菌时间为40分钟；(2)培养基发酵温度设为37 37. 5°C ；
(3)当反应器内温度彡115°C时，电动阀门510开启；(4)当反应器内温度彡116. 8 °C,电动阀门511和512关闭；当反应器内温度(116. 5°C时，电动阀门511和512开启；(5)当反应器内温度彡116. 8°C，电动阀门513开启，当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门513关闭；(6)培养基灭菌40分钟计时结束后，启动冷却水降温程序；当反应器内的温度彡37. 5°C时，设定电动阀门511和512开启；(7)当反应器内温度< 37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37 37. 5 °C直至发酵结束。本生物反应器灭菌系统在与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置以及与反应器罐体的夹层相连接的进汽装置和出汽装置中分别设置了由电动阀门控制管道开启的进气/汽支管道、排气/汽支管道、进汽支管道和出汽支管道，通过所增加的这些装置能够实现对生物反应器内培养基的灭菌温度以及灭菌时间进行半自动化精确控制，基本解决了由于人为操作导致的温度不稳、容易失误、培养基高压不彻底带来污染等问题，最大程度降低了操作人员的劳动强度与高温烫伤的几率，对于规模化生产而言，可提高产品的稳定性、均一性，减少批间差；本发明生物反应器灭菌系统对于未来全自动灭菌、发酵系统的研发奠定了坚实的基础。
图1示出为现有的生物反应器灭菌系统结构示意图；图2示出根据本发明优选实施方式的生物反应器半自动化灭菌系统的结构示意图。
附图标号说明110-生物反应器罐体120-反应器罐体外周的夹层210-进气/汽管道211-进汽管道212-出汽管道213-排气/汽管道214-补料管道310-进气过滤器311-排气过滤器410-手动阀门411-手动阀门412-手动阀门413-手动阀门414-手动阀门415-手动阀门510-电动阀门
511-电动阀门512-电动阀门513-电动阀门610-活接头710-进气/汽支管道711-进汽支管道712-出汽支管道713-排气/汽支管道
具体实施方式
以下结合附图，参照优选的示例性具体实施方式
来进一步说明本发明。本发明的特点和优点将随着这些说明变得更为清楚。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。图2所示为本发明优选的一种生物反应器半自动化灭菌系统，包括生物反应器，所述生物反应器包括反应器罐体110和包覆在反应器罐体外周的夹层120 ;各自独立与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置和补料装置；与反应器罐体的夹层120上端相连通的工业蒸汽进汽装置以及与夹层的下端相连通的工业蒸汽出汽装置。所述进气/汽装置包括进气/汽管道210、进气过滤器310以及两个手动阀门415和410，进气过滤器位于两个手动阀门415和410之间；在所述进气/汽装置中设有受电动阀门510控制的进气/汽支管道710 ;所述进气/汽支管道710位于进气过滤器310和反应器罐体110之间;所述排气/汽装置包括排气/汽管道213、排气过滤器311以及手动阀门413，所述手动阀门413位于排气过滤器311和反应器罐体110之间；在所述排气/汽装置中设有受电动阀门513控制的排气/汽支管道713 ;所述排气/汽支管道713位于排气过滤器311和反应器罐体110之间；所述工业蒸汽进汽装置包括进汽管道211和手动阀门411 ;其中，在工业蒸汽进汽装置中设有受电动阀门511控制的进汽支管道711;所述工业蒸汽出汽装置包括排汽管道212和手动阀门412 ;在所述工业蒸汽出汽装置中设有受电动阀门512控制的出汽支管道712;所述补料装置包括补料管道214、活接头610以及手动阀门414，其中，活接头610位于手动阀门414和反应器罐体110之间。发酵需补料时，通过蠕动泵将料液从活接头610经补料管道214通入生物反应器内，此时阀门414关闭；如果反应器内的温度过高或压力过大，也可以开启手动阀门414，反应器内的蒸汽可通过补料管道214经过手动阀门414排出。实验例I本发明生物反应器半自动化灭菌系统在培养基灭菌及发酵的应用实验1、在灭菌开始前，通过灭菌系统控制面板设定以下的控制参数(I)培养基灭菌温度设为116 117°C，时间为40分钟；(2)培养基发酵温度设为37 37. 5°C ；
(3)当反应器内温度彡115°C时，电动阀门510开启；(4)当反应器内温度彡116. 8 °C,电动阀门511和512关闭，当反应器内温度(116. 5°C时，电动阀门511和512开启；(5)当反应器内温度彡116. 8°C，电动阀门513开启；当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门513关闭；(6)培养基灭菌40分钟计时结束后，启动冷却水降温程序；当反应器内的温度彡37. 5°C时，设定电动阀门511、512开启；(7)当反应器内温度< 37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37 37. 5 °C直至发酵结束。注当培养基温度116°C时开始计时，40分钟后电动阀门510、511、512和513自动关闭，灭菌结束，此时启动冷却水对高温培养基的降温程序；当反应器内温度< 37. 5°C时，关闭冷却水降温程序，启动恒温水保温程序直至发酵结束。2、对于本生物反应器灭菌系统，如果电动阀门损坏或是停电导致阀门不能正常开启，可以立即启用手动装置，完成灭菌过程。3、灭菌过程(I)关闭手动阀门410、411、412、413、414和415;如未特别说明，电动阀门510、511,512和513均为关闭状态；(2)待培养基加入 反应器罐内后灭菌开始，电动阀门511和512自动打开(当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门511、512开启；当反应器内温度彡116.8°C，电动阀门511,512关闭)；工业蒸汽由进汽管道211进入生物反应器夹层120后通过电动阀门512经出汽支管道712排出；(3)当反应器内温度升至110°C时，手动开启进气/汽阀门415和排汽阀门414 ；待反应器内温度彡115°C时电动阀门510自动开启；(4)当反应器内温度彡116°C时，控制面板开始自动计时；(5)当反应器内温度彡116. 8°C时，电动阀门511和512关闭，而电动阀门513开启;(6)当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门511和512开启，而电动阀门513关闭；(7)培养基灭菌40分钟结束后，电动阀门510、511、512和513自动关闭，此时手动关闭进气/汽阀门415 ；(8)用冷却水通过生物反应器夹层降温。根据控制面板的设定，此时启动冷却水对高温培养基的降温程序(反应器内温度彡37. 5°C时，电动阀门511和512开启)。由于降温，反应器内压力逐渐降低，当压力彡0.1Mpa时，手动关闭阀门414 ；(9)当反应器内温度< 37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37°C 37. 5 °C，直至发酵结束。根据上述生物反应器灭菌系统的结构说明及使用过程可见，通过在与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置以及与反应器罐体的夹层相连接的进汽装置和出汽装置中分别设置了由电动阀门控制管道开启的进气/汽支管道、排气/汽支管道、进汽支管道和出汽支管道，本生物反应器的灭菌系统能够实现对反应器内培养基的灭菌温度和灭菌时间进行半自动化的精确控制，基本解决了由于人为操作造成的温度不稳、容易失误、培养基高压不彻底导致污染等问题，最大程度降低了操作人员的劳动强度与高温烫伤几率，对于规模化生产而言，能有效提 高产品的稳定性、均一性，减少批间差。
权利要求
1.一种生物反应器半自动化灭菌系统，包括控制面板；生物反应器，所述生物反应器包括反应器罐体(110)和包覆在反应器罐体外周的夹层(120);各自独立与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置和补料装置；与反应器罐体的夹层(120)上端相连通的工业蒸汽进汽装置以及与反应器罐体的夹层(120)的下端相连通的工业蒸汽出汽装置；所述进气/汽装置包括进气/汽管道(210)、进气过滤器(310)以及两个手动阀门(415)和(410)，进气过滤器位于两个手动阀门(415)和(410)之间；所述排气/汽装置包括排气/汽管道(213)、排气过滤器(311)以及手动阀门(413)，所述手动阀门(413)位于排气过滤器(311)和反应器罐体(110)之间；所述的工业蒸汽进汽装置包括进汽管道(211)和手动阀门(411);所述的出汽装置包括排汽管道(212)和手动阀门(412);其特征在于在所述进气/汽装置中设有受电动阀门(510)控制的进气/汽支管道(710);在所述排气/汽装置中设有受电动阀门(513)控制的排气/汽支管道(713);在所述工业蒸汽进汽装置中设有受电动阀门(511)控制的进汽支管道(711);在所述工业蒸汽出汽装置中设置受电动阀门(512)控制的出汽支管道(712)。
2.按照权利要求1所述的生物反应器半自动化灭菌系统，其特征在于所述进气/汽支管道(710)位于进气过滤器(310)和反应器罐体(110)之间。
3.按照权利要求1所述的生物反应器半自动化灭菌系统，其特征在于所述排气/汽支管道(713)位于排气过滤器(311)和反应器罐体(110)之间。
4.按照权利要求1所述的生物反应器半自动化灭菌系统，其特征在于所述补料装置包括补料管道(214)、活接头(610)以及手动阀门(414)。
5.按照权利要求4所述的生物反应器半自动化灭菌系统，其特征在于活接头(610)位于手动阀门(414)和反应器罐体(110)之间。
6.按照权利要求1所述的生物反应器半自动化灭菌系统，其特征在于所述的进气过滤器(310)或排气过滤器(311)由滤壳和滤芯组成。
7.权利要求1 6任何一项的生物反应器半自动化灭菌系统在培养基灭菌或发酵中的应用。
8.按照权利要求7所述的应用，其特征在于 (1)通过控制面板设定系统的控制参数； (2)关闭手动阀门(410)、(411)、(412)、(413)、(414)和(415);电动阀门(510)、(511)、(512)和(513)为关闭状态； (3)将培养基加入到反应器罐内后灭菌开始，电动阀门(511)和(512)自动打开；工业蒸汽由进汽管道(211)进入到生物反应器夹层(120)后通过电动阀门(512)经出汽支管道(712)排出； (4)当反应器内温度升至110°C时，手动开启进汽/气阀门(415)和排汽阀门(414)，待温度升至115°C时电动阀门(510)自动开启； (5)当反应器内温度≥116°C时，控制面板开始自动计时； (6)当反应器内温度≥116.8°C时，电动阀门(511)和(512)关闭，而电动阀门(513)开启; (7)当反应器内温度≤116.5°C时，电动阀门(511)和(512)开启而电动阀门(513)关闭；(8)培养基灭菌40分钟结束后，电动阀门(510)、(511)、(512)和(513)自动关闭，手动关闭进气/汽阀门(415)； (9)根据控制面板的设定，启动冷却水对高温培养基的降温程序，当反应器内压力≤0.1Mpa时,手动关闭阀门(414)； (10)当反应器内温度<37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37 37. 5 °C直至发酵结束。
9.按照权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤(I)中所述控制参数的设定如下 (1)培养基灭菌温度设为116 117°C，灭菌时间为40分钟； (2)培养基发酵温度设为37 37.50C ； (3)当反应器内温度彡115°C时，电动阀门510开启； (4)当反应器内温度彡116.8 °C,电动阀门(511)和(512)关闭；当反应器内温度(116. 5°C时，电动阀门(511)和(512)开启； (5)当反应器内温度彡116.8°C，电动阀门(513)开启；当反应器内温度彡116. 5°C时，电动阀门(513)关闭； (6)培养基灭菌40分钟计时结束后，启动冷却水降温程序；当反应器内的温度≥37. 5°C时，设定电动阀门(511)和(512)开启； (7)当反应器内温度<37. 5°C时，启动38°C恒温水保温程序，使得反应器内温度始终维持在37 37. 5 °C之间直至发酵结束。
全文摘要
本发明公开了一种生物反应器半自动化灭菌系统及其应用，包括控制面板；生物反应器；与反应器罐体相连通的进气/汽装置、排气/汽装置和补料装置；分别与反应器罐体的夹层上端、下端相连通的进汽装置、出汽装置；其中，进气/汽装置中设有受电动阀门控制的进气/汽支管道；排气/汽装置中设有受电动阀门控制的排气/汽支管道；进汽装置中设有受电动阀门控制的进汽支管道；出汽装置中设有受电动阀门控制的出汽支管道。本发明生物反应器灭菌系统能够对培养基的灭菌进行半自动化的精确控制，避免因人为操作失误导致的温度不稳、培养基高压不彻底造成的污染，降低了操作人员的劳动强度和高温烫伤几率，有效提高了产品的稳定性和均一性。
文档编号C12M1/12GK103060182SQ20121058419
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者杨国良, 梁爽, 张洪, 郑杰, 王文泉, 龙进学, 张红, 张坦, 孙丰廷, 王亚丽, 张凌云 申请人:北京华都诗华生物制品有限公司