一种制药发酵罐及发酵控制系统的制作方法

1.本发明属于微生物制药发酵领域，具体涉及一种制药发酵罐及发酵控制系统。


背景技术：

2.发酵制药工程是采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，以微生物细胞（动物细胞和植物细胞）作为生产工厂，利用细菌体内的酶催化底物（如葡萄糖）生产得到最终化合物（如抗生素、维生素等药品）。发酵制药的工艺过程包括菌种的选育、培养基的配制、培养基的灭菌、扩大培养和接种、种子罐扩大培养、发酵生产和药品的分离、提纯、干燥、包装等。
3.对发酵培养基的灭菌和接种等操作可以在制药发酵罐中进行。其中，对发酵培养基进行彻底地灭菌处理是较为关键的步骤，常用方式是向制药发酵罐内的发酵培养基中通入高温蒸汽，利用高温蒸汽的强穿透能力，通过蒸汽释放热能，使各种细菌、真菌蛋白质、酶和核酸分子内部的化学键（特别是氢键）受到破坏，引起不可逆的变性，使微生物死亡。
4.在上述灭菌处理过程中，传统的操作过程是通过手动操作制药发酵罐上的阀门和机械监测仪表，人工进行蒸汽加入，或者通过人工远程控制阀门的开闭，然后根据固定的经验灭菌时间判断操作结果，然而，这些方式由于控制的不确定性，可能存在操作滞后、误操作、阀门开度单一等缺陷，容易造成罐内压力和温度过高，产生设备损坏和人身安全风险；或者造成局部升温过快，破坏物料有效成分；或者升温效果不佳，造成消毒灭菌的效果不可控；同时，由于现有控制方式的不确定性较大，而为了追求完全灭菌的效果，容易造成蒸汽过量使用，导致发酵培养基被大幅度破坏，营养成分损失，不仅造成能源的大量浪费，而且灭菌时间过长，造成生产效率低下。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的制药发酵罐，该制药发酵罐能够在保证灭菌效果的基础上兼具降低对发酵培养基的破坏、所需加热能源少、灭菌生产效率高，适于工业自动化大规模应用。
6.本发明同时还提供了一种包括上述制药发酵罐的发酵控制系统。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制药发酵罐，该制药发酵罐包括：发酵罐体；第一加热机构，其部分设置在所述发酵罐体的外壁上且用于向所述发酵罐体的内部热传导；压力保持与换气机构，其与所述发酵罐体连通；第二加热机构，该第二加热机构包括第一子加热组件、第二子加热组件，所述第一子加热组件与所述发酵罐体连通，所述第二子加热组件通过所述压力保持与换气机构与所述发酵罐体连通；冷却机构，其部分设置在所述发酵罐体的外壁上且用于使所述发酵罐体的内部降
温；控制模块，该控制模块分别与所述第一加热机构、所述压力保持与换气机构、所述第二加热机构和所述冷却机构通信连接；所述第一加热机构的加热热源、所述第一子加热组件的加热热源、所述第二子加热组件的加热热源分别为蒸汽；所述制药发酵罐包括灭菌状态，当所述制药发酵罐处于灭菌状态时，向所述发酵罐体内加入发酵培养基，并根据如下工序进行灭菌处理：工序（
ⅰ
）：由公式（1）求得理论灭菌时间t，t=（1/k）
×
ln(m0/m
t
) 公式（1），m0为灭菌前细菌个数；m
t
为灭菌结束残留细菌个数，k为反应速度常数；工序（
ⅱ
）：分别独立地控制所述第一加热机构、所述第一子加热组件、所述第二子加热组件在单位时间内的加热量，当使所述发酵罐体内部的温度升高至第一温度时，启动所述压力保持与换气机构，并使所述发酵罐体内部的压力保持在第一压力；当使所述发酵罐体内部的温度升高至第二温度时，分别调低所述第一加热机构、所述第一子加热组件在单位时间内的加热量；当使所述发酵罐体内部的温度升高至第三温度时，通过调节所述第二子加热组件在单位时间内的加热量，以使所述发酵罐体内部的温度保持在所述第三温度；所述第三温度为灭菌温度，所述第一温度相对所述第三温度小10-30℃，所述第二温度相对所述第三温度小2-8℃；工序（
ⅲ
）：当所述第三温度连续保持所述理论灭菌时间t之后，灭菌结束，通过所述冷却机构进行降温。
8.根据本发明的一些优选且具体的方面，工序（
ⅰ
）中，反应速度常数k通过如下公式（2）求得：k=ae-ea/rta
ꢀꢀ
公式（2），a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数，ta为绝对温度。
9.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅰ
）中，灭菌处理时，采用强化灭菌时间t1代替所述理论灭菌时间t进行灭菌处理以强化灭菌效果，t1为t的1.05-1.25倍。
10.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅰ
）中，当所述发酵培养基中含有多个细菌时，每个细菌均具有一个理论灭菌时间，以其中时长最长的理论灭菌时间作为对所述发酵培养基进行灭菌时实际采用的理论灭菌时间。
11.根据本发明的一些优选且具体的方面，工序（
ⅱ
）中，当所述发酵培养基中的细菌包括枯草芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、嗜热脂肪肝菌中的一个或多个时，所述第一温度为100-110℃，所述第二温度为115-125℃，所述灭菌温度为120-130℃。
12.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅱ
）中，所述第一压力为0.12-0.3mpa。
13.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述第一加热机构包括加热夹套、第一蒸汽导入管、排水管、设置在所述第一蒸汽导入管上的第一蒸汽调节阀、设置在所述排水管上的排水调节阀，所述加热夹套分别与所述第一蒸汽导入管、所述排水管连通，所述加热夹套设置在所述发酵罐体的外壁上，所述第一蒸汽调节阀、所述排水调节阀分别与所述控制模块通信连接。
14.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述压力保持与换气机构包括：与所述发
酵罐体的下部连通的压缩空气进气管，以及分别依次设置在所述压缩空气进气管上的压缩空气流量计、压缩空气调节阀，所述压缩空气流量计、所述压缩空气调节阀分别与所述控制模块通信连接。
15.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述第一子加热组件包括：与所述发酵罐体的底部连通的第二蒸汽导入管，以及分别依次设置在所述第二蒸汽导入管上的蒸汽流量计、第二蒸汽调节阀；所述第二子加热组件包括第三蒸汽导入管、设置在所述第三蒸汽导入管上的第三蒸汽调节阀，所述第三蒸汽导入管的一端与所述第二蒸汽导入管连通，另一端与所述压缩空气进气管连通，且所述第三蒸汽导入管与所述第二蒸汽导入管的连通连接处位于所述蒸汽流量计、所述第二蒸汽调节阀之间，所述第三蒸汽导入管与所述压缩空气进气管的连通连接处位于所述压缩空气调节阀、所述发酵罐体之间；所述蒸汽流量计、所述第二蒸汽调节阀、所述第三蒸汽调节阀分别与所述控制模块通信连接。
16.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述制药发酵罐还包括：分别与所述控制模块通信连接的罐内温度传感器、罐内压力传感器，以及分别设置在所述发酵罐体的上部且与所述发酵罐体的内部连通的消毒排气调节阀、培养排气调节阀。
17.本发明中，消毒排气调节阀、培养排气调节阀分别与外部不同的处理环境连通。
18.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅱ
）的具体步骤包括：打开所述排水调节阀，开度为20-40%，打开所述第一蒸汽调节阀，开度为20-40%；延时20-40s后分别关闭所述排水调节阀、所述第一蒸汽调节阀；打开所述第二蒸汽调节阀，开度为20-40%，延时20-40s后关闭；打开所述第三蒸汽调节阀，开度为50-70%，且控制每5s开4-6%；当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度升高到第四温度时，将所述第三蒸汽调节阀的开度调整为75-85%，且控制每5s开4-6%；当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度升高到第五温度时，分别打开所述第二蒸汽调节阀、所述第一蒸汽调节阀，开度分别为75-85%，且分别控制每5s开4-6%，并将所述消毒排气调节阀的开度调整至80-100%；当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度升高到第一温度时，将所述压缩空气调节阀打开，开度为80-100%，并且通过调节所述消毒排气调节阀的开度大小以使所述发酵罐体内部的压力保持在所述第一压力；当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度升高到第二温度时，分别将所述第二蒸汽调节阀、所述第一蒸汽调节阀的开度调至20-40%，且分别控制每10s关1-3%；当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度升高到所述灭菌温度时，通过控制所述第三蒸汽调节阀的开度大小以使所述发酵罐体内部的温度保持在所述灭菌温度。
19.进一步地，工序（
ⅱ
）中，所述第四温度为85-95℃，所述第五温度为95-105℃，所述第五温度大于所述第四温度且小于所述第一温度。
20.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅲ
）中，当通过所述罐内温度传感器监测到所
述发酵罐体内部的温度大于等于所述灭菌温度时，开始计时，当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度小于所述灭菌温度且大于等于所述第二温度时，计时暂停，当通过所述罐内温度传感器监测到所述发酵罐体内部的温度小于所述第二温度时，计时清零，然后根据监测到的所述发酵罐体的内部的温度达到对应温度要求后重新开始计时操作，直至所述第三温度连续保持所述理论灭菌时间。
21.根据本发明的一些优选方面，工序（
ⅲ
）中，当灭菌结束后，将所述压缩空气调节阀的开度调整至20-40%，将所述消毒排气调节阀的开度固定在40-60%，分别关闭所述第二蒸汽调节阀、所述第三蒸汽调节阀；然后在20-40s之后，将所述第一蒸汽调节阀的开度调整至80-100%，然后打开并调整所述消毒排气调节阀的开度大小以使所述发酵罐体内部的压力保持在第二压力；通过所述冷却机构将温度降低，当降低至第六温度并保持时，关闭所述消毒排气调节阀，打开所述培养排气调节阀，并通过调整所述培养排气调节阀的开度大小以使所述发酵罐体内部的压力保持在所述第二压力。
22.根据本发明的一些优选方面，所述第二压力为0.01-0.1mpa。
23.根据本发明的一些优选方面，所述第六温度为40-50℃。
24.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述蒸汽为温度在140-160℃的高温过饱和蒸汽。
25.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述冷却机构采用工艺水作为冷源。
26.本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的制药发酵罐在制药用发酵培养基的灭菌中的应用。
27.本发明提供的又一技术方案：一种包括上述制药发酵罐的发酵控制系统，采用该发酵控制系统进行发酵制药。
28.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明基于现有制药发酵罐在对发酵培养基进行灭菌的过程中存在的多种不确定性问题进而导致的灭菌效果不可控、灭菌时间过长、能源浪费大、对发酵培养基伤害较大等缺陷，创新地提供了一种改进的制药发酵罐，该制药发酵罐结合多种加热方式和加热位置，并结合压力保持与换气机构、控制模块等部件，实现了对发酵培养基全面且均衡的加热升温灭菌，尤其是结合改进的升温与控温步骤、由公式推导的有依据的理论灭菌时间，摒弃了现有根据固定的经验灭菌时间判断操作结果以及不确定性的控制方式，本发明能够同时实现对灭菌过程的粗调和微调，不仅获得了优异的灭菌效果，而且还降低了加热升温以及控温灭菌过程对发酵培养基的破坏，并且灭菌时间可以相应减少，对加热能源的需求降低，极大地节约了能源，灭菌生产效率高，能够自动化控制，生产过程更安全。
附图说明
29.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
30.图1为本发明实施例中采用的制药发酵罐的结构示意图；
其中，11、第一蒸汽导入管；12、排水管；13、第一蒸汽调节阀；14、排水调节阀；21、压缩空气进气管；22、压缩空气流量计；23、压缩空气调节阀；31、第二蒸汽导入管；32、蒸汽流量计；33、第二蒸汽调节阀；41、第三蒸汽导入管；42、第三蒸汽调节阀；5、发酵罐体；51、罐内温度传感器；52、罐内压力传感器；53、消毒排气调节阀；54、培养排气调节阀；55、培养基进液调节阀；56、罐底出液调节阀；6、控制模块；71、循环冷却水进水调节阀；72、循环冷却水回水调节阀。
具体实施方式
31.本发明的构思主要包括：依托特定结构的制药发酵罐，变传统的固定经验灭菌时间为由公式理论推导的灭菌时间，结合多种加热方式（例如间接热传导、直接接触）和不同的加热位置，然后以特定的升温和控温过程，不仅使得加热过程有效可控，既能够粗调又能够微调，而且使得发酵培养基在变动的加热方式以及不同位置的作用力的存在下不易形成包裹微生物的阻挡膜或者隔热层等，进而使得灭菌效果更好，同时还极大地避免了对发酵培养基的破坏，此外，灭菌时间极大地缩短，减少了对蒸汽资源的消耗，尤其是整个过程有序可控，不确定性因素少，利于智能控制与大规模应用。
32.进一步地，本发明提供了一种制药发酵罐，该制药发酵罐包括：发酵罐体；第一加热机构，其部分设置在所述发酵罐体的外壁上且用于向所述发酵罐体的内部热传导；压力保持与换气机构，其与所述发酵罐体连通；第二加热机构，该第二加热机构包括第一子加热组件、第二子加热组件，所述第一子加热组件与所述发酵罐体连通，所述第二子加热组件通过所述压力保持与换气机构与所述发酵罐体连通；冷却机构，其部分设置在所述发酵罐体的外壁上且用于使所述发酵罐体的内部降温；控制模块，该控制模块分别与所述第一加热机构、所述压力保持与换气机构、所述第二加热机构和所述冷却机构通信连接；所述第一加热机构的加热热源、所述第一子加热组件的加热热源、所述第二子加热组件的加热热源分别为蒸汽；所述制药发酵罐包括灭菌状态，当所述制药发酵罐处于灭菌状态时，向所述发酵罐体内加入发酵培养基，并根据如下工序进行灭菌处理：工序（
ⅰ
）：由公式（1）求得理论灭菌时间t，t=（1/k）
×
ln(m0/m
t
) 公式（1），m0为灭菌前细菌个数；m
t
为灭菌结束残留细菌个数，k为反应速度常数；当发酵培养基中含有多个细菌时，每个细菌均具有一个理论灭菌时间，以其中时长最长的理论灭菌时间作为对发酵培养基进行灭菌时实际采用的理论灭菌时间；工序（
ⅱ
）：分别独立地控制所述第一加热机构、所述第一子加热组件、所述第二子加热组件在单位时间内的加热量，当使所述发酵罐体内部的温度升高至第一温度时，启动所述压力保持与换气机构，并使所述发酵罐体内部的压力保持在第一压力；当使所述发酵罐体内部的温度升高至第二温度时，分别调低所述第一加热机构、所述第一子加热组件在单位时间内的加热量；当使所述发酵罐体内部的温度升高至第三温度时，通过调节所述第二子加热组件在单位时间内的加热量，以使所述发酵罐体内部的温度保持在所述第三温度；所述第三温度为灭菌温度，所述第一温度相对所述第三温度小10-30℃，所述第二温度相对所述第三温度小2-8℃；
工序（
ⅲ
）：当所述第三温度连续保持所述理论灭菌时间t之后，灭菌结束，通过所述冷却机构进行降温。
33.进一步地，在本发明对发酵培养基的灭菌过程中，创新地结合阿伦尼乌斯定律计算反应速度常数k，k=ae-ea/rta ，a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数，ta为绝对温度，并且实践证明，计算出来的反应速度常数k应用于公式（1）求得理论灭菌时间t能够符合灭菌要求。
34.本发明中，多个加热结构的设置，并且与发酵罐体的结合方式具有差异性，同时以蒸汽作为加热热源，通过蒸汽既能够间接热传导又能够直接热传导的特性，使各个加热结构具有不同的加热能力以及加热方式，赋予了加热过程的可变性，还可通过控制模块精细调控，进而可以结合特定的升温以及控温工序，在由公式推导出的理论灭菌时间的指导下，代替固定经验灭菌时间这种不确定性因素太大的灭菌时间控制，通过在升温以及控温过程中采用粗调与微调相结合的方式，使升温过程更平缓，发酵培养基内部的升温速度更均衡，而且还能够利用蒸汽的不同作用方式（间接传热、与气体共同导入和单独导入），使得发酵培养基不易形成包裹微生物的阻挡膜或者隔热层等，进而使得灭菌效果更好，同时灭菌时间相对缩短，对蒸汽能源的消耗减少，整个过程更可控，安全性更好。
35.下面结合附图对本发明做进一步说明。参见图1所示，该制药发酵罐包括发酵罐体5、第一加热机构、压力保持与换气机构、第二加热机构、冷却机构和控制模块6、罐内温度传感器51、罐内压力传感器52，以及分别设置在发酵罐体5的上部且与发酵罐体5的内部连通的消毒排气调节阀53、培养排气调节阀54、罐底出液调节阀56。
36.其中，第一加热机构包括加热夹套、第一蒸汽导入管11、排水管12、设置在第一蒸汽导入管11上的第一蒸汽调节阀13、设置在排水管12上的排水调节阀14，加热夹套分别与第一蒸汽导入管11、排水管12连通，加热夹套设置在发酵罐体5的外壁上；第一加热机构通过间接传热的方式从外部热传导至发酵罐体5的内部，对内部的发酵培养基进行加热或保温；压力保持与换气机构包括与发酵罐体5的下部连通的压缩空气进气管21以及分别依次设置在压缩空气进气管21上的压缩空气流量计22、压缩空气调节阀23；第一子加热组件包括与发酵罐体5的底部连通的第二蒸汽导入管31以及分别依次设置在第二蒸汽导入管31上的蒸汽流量计32、第二蒸汽调节阀33；第二子加热组件包括第三蒸汽导入管41、设置在第三蒸汽导入管41上的第三蒸汽调节阀42，第三蒸汽导入管41的一端与第二蒸汽导入管31连通，另一端与压缩空气进气管21连通，且第三蒸汽导入管41与第二蒸汽导入管31的连通连接处位于蒸汽流量计32、第二蒸汽调节阀33之间，第三蒸汽导入管41与压缩空气进气管21的连通连接处位于压缩空气调节阀23、发酵罐体5之间；第一蒸汽调节阀13、排水调节阀14、压缩空气流量计22、压缩空气调节阀23、蒸汽流量计32、第二蒸汽调节阀33、第三蒸汽调节阀42、罐内温度传感器51、罐内压力传感器52、消毒排气调节阀53、培养排气调节阀54、培养基进液调节阀55、罐底出液调节阀56分别与控制模块6通信连接，实现自动化调节。
37.进一步地，本发明中，为避免引入新的细菌，优选采用洁净的压缩空气，同时第二子加热组件的设置还可以对压缩空气具有灭菌作用。
38.进一步地，当所述制药发酵罐处于灭菌状态时，向发酵罐体5内加入发酵培养基，并根据如下工序进行灭菌处理：工序（1）：由公式（1）求得理论灭菌时间t，t=（1/k）
×
ln(m0/m
t
) 公式（1），k=ae-ea/rta
，m0为灭菌前细菌个数；m
t
为灭菌结束残留细菌个数，k为反应速度常数，a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数，ta为绝对温度；采用强化灭菌时间t1代替所述理论灭菌时间t进行灭菌处理以强化灭菌效果，t1为t的1.05-1.25倍，也即t1=（1.05-1.25）t=（1.05-1.25）
×
（1/k）
×
ln(m0/m
t
)=（1.05-1.25）
×
（2.7636/k）
×
log
10
(m0/m
t
)；其中，当发酵培养基中含有多个细菌时，每个细菌均具有一个理论灭菌时间，以其中时长最长的理论灭菌时间作为对发酵培养基进行灭菌时实际采用的理论灭菌时间；工序（2）：打开培养基进液调节阀55，向发酵罐体5内加入发酵培养基；工序（3）：关闭所有阀门；工序（4）：打开循环冷却水回水调节阀72，开度100%（即可在需要时随时打开循环冷却水进水调节阀71进行冷却水循环降温）；打开培养排气调节阀54，开度100%，延时100-120s关闭；工序（5）：打开排水调节阀14，开度为20-40%，打开第一蒸汽调节阀13，开度为20-40%，两者分别延时20-40s后关闭；工序（6）：打开第二蒸汽调节阀33，开度为20-40%，延时20-40s后关闭；工序（7）：慢慢打开第三蒸汽调节阀42，开度为50-70%，且控制每5s开4-6%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第四温度时，将第三蒸汽调节阀42的开度慢慢调整为75-85%，且控制每5s开4-6%；其中，第四温度为85-95℃；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第五温度时，分别慢慢打开第二蒸汽调节阀33、第一蒸汽调节阀13，开度分别为75-85%，且分别控制每5s开4-6%，并将消毒排气调节阀53的开度调整至80-100%；其中，第五温度为95-105℃，第五温度大于第四温度且小于第一温度；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第一温度时，将压缩空气调节阀23打开，开度为80-100%，并且通过调节消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体5内部的压力保持在第一压力，第一压力为0.12-0.3mpa，可以使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小，即该处联锁是指通过控制消毒排气调节阀53的开度大小进而使发酵罐体5内部的压力保持在第一压力，而该第一压力通过罐内压力传感器52实时监测获得；下述中，当涉及某个调节阀与罐内压力传感器52联锁时，同样是指通过控制某个调节阀的开度大小进而使发酵罐体5内部的压力保持在某个设定压力；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第二温度时，分别将第二蒸汽调节阀33、第一蒸汽调节阀13的开度慢慢调至20-40%，且分别控制每10s关1-3%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到灭菌温度时，通过控制第三蒸汽调节阀42的开度大小以使发酵罐体5内部的温度保持在灭菌温度，可以使第三蒸汽调节阀42与罐内温度传感器51联锁，实时调整第三蒸汽调节阀42的开度大小，即该处联锁是指通过控制第三蒸汽调节阀42的开度大小进而使发酵罐体5内部的温度保持在灭
菌温度，而该灭菌温度通过罐内温度传感器51实时监测获得；下述中，当涉及某个调节阀与罐内温度传感器51联锁时，同样是指通过控制某个调节阀的开度大小进而使发酵罐体5内部的温度保持在某个设定温度。
39.工序（8）：当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度大于等于灭菌温度时，开始计时，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于灭菌温度且大于等于第二温度时，计时暂停，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于第二温度时，计时清零，然后根据监测到的发酵罐体5的内部的温度达到对应温度要求后重新开始计时操作，直至第三温度连续保持理论灭菌时间t，该方式可以确保极佳的灭菌效果；当灭菌结束后，将压缩空气调节阀23的开度调整至20-40%，将消毒排气调节阀53的开度固定在40-60%，分别关闭第二蒸汽调节阀33、第三蒸汽调节阀42；然后在20-40s之后，将第一蒸汽调节阀13的开度调整至80-100%，然后打开并调整消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体内部5的压力保持在第二压力，第二压力为0.01-0.1mpa，可以使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小；通过调整循环冷却水回水调节阀72的开度大小将温度降低，当降低至第六温度并保持时（保持的方式可以使循环冷却水回水调节阀72与罐内温度传感器51联锁，实时调整循环冷却水回水调节阀72的开度大小），关闭消毒排气调节阀53，打开培养排气调节阀54，并通过调整培养排气调节阀54的开度大小以使发酵罐体5内部的压力保持在第二压力，可以使罐内压力传感器52与培养排气调节阀54联锁，实时调整培养排气调节阀54的开度大小；同时，还可以通过控制压缩空气调节阀23的开度大小以使压缩空气的流量保持在流量设定值，流量设定值可以为400-500nm3/h，流量设定值可以实时通过压缩空气流量计22进行监控并反馈，进而实时调节压缩空气调节阀23的开度大小，维持压力有利于保持发酵罐体5内部的正压，避免外部不干净的空气等含有细菌的杂质进入影响发酵培养基的灭菌成果。
40.蒸汽为温度在140-160℃的高温过饱和蒸汽，冷却机构采用工艺水作为冷源。
41.在一些实施方式中，当发酵培养基中的细菌包括枯草芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、嗜热脂肪肝菌中的一个或多个时，第一温度为100-110℃，第二温度为115-125℃，灭菌温度为120-130℃。
42.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
43.下述实施例中未作特殊说明，所有原料均来自于商购或通过本领域的常规方法制备而得。
44.实施例1本例提供了一种上述图1所示结构的制药发酵罐，并按照上述灭菌处理工序对发酵培养基（采用的培养基为市售获得，其主要营养成分包括α-氨基丁酸、d-苏氨酸等）进行灭菌处理。
45.其中，制药液体发酵罐15m3，灭菌温度为128℃，换算为绝对温度401.15开式度。
46.工序（1）中，根据阿伦尼乌斯定律计算反应速度常数k=ae-ea/rta
，a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数8.314j/(mol
·
k)，ta为灭菌绝对温度401.15开式度；理论灭菌时间t=1/k*ln(m0/m
t
)；强化灭菌时间t1=t*1.2=1.2/k*ln(m0/m
t1
)=2.7636/k*log
10
(m0/m
t1
)，其中m0=1.0168*104，m
t1
=10-3
。
47.工序（2）：打开培养基进液调节阀55，向发酵罐体5内加入发酵培养基；工序（3）：关闭所有阀门；工序（4）中，延时110s；工序（5）：打开排水调节阀14，开度为30%，打开第一蒸汽调节阀13，开度为30%，两者分别延时28s后关闭；工序（6）：打开第二蒸汽调节阀33，开度为30%，延时28s后关闭；工序（7）：慢慢打开第三蒸汽调节阀42，开度为60%，且控制每5s开5%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第四温度（90℃）时，将第三蒸汽调节阀42的开度慢慢调整为80%，且控制每5s开5%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第五温度（100℃）时，分别慢慢打开第二蒸汽调节阀33、第一蒸汽调节阀13，开度分别为80%，且分别控制每5s开5%，并将消毒排气调节阀53全开；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第一温度（105℃）时，将压缩空气调节阀23打开，开度为100%，并且通过调节消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体5内部的压力保持在第一压力，第一压力为0.17mpa，可以使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第二温度（125℃）时，分别将第二蒸汽调节阀33、第一蒸汽调节阀13的开度慢慢调至30%，且分别控制每10s关2%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到灭菌温度（128℃）时，通过控制第三蒸汽调节阀42的开度大小以使发酵罐体5内部的温度保持在灭菌温度，可以使第三蒸汽调节阀42与罐内温度传感器51联锁，实时调整第三蒸汽调节阀42的开度大小。
48.工序（8）：当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度大于等于灭菌温度（128℃）时，开始计时，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于灭菌温度且大于等于第二温度（125℃）时，计时暂停，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于第二温度时，计时清零，然后根据监测到的发酵罐体5内部的温度达到对应温度要求后重新开始计时操作，该方式可以确保极佳的灭菌效果；当灭菌结束后，将压缩空气调节阀23的开度调整至30%，将消毒排气调节阀53的开度固定在50%，分别关闭第二蒸汽调节阀33、第三蒸汽调节阀42；然后在30s之后，将第一蒸汽调节阀13的开度调整至100%，然后打开并调整消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体内部5的压力保持在第二压力（0.08mpa），使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小；
通过调整循环冷却水回水调节阀72的开度大小将温度降低，当降低至第六温度（45℃）并保持时（保持的方式通过使循环冷却水回水调节阀72与罐内温度传感器51联锁，实时调整循环冷却水回水调节阀72的开度大小），关闭消毒排气调节阀53，打开培养排气调节阀54，并通过调整培养排气调节阀54的开度大小以使发酵罐体5内部的压力保持在第二压力，使罐内压力传感器52与培养排气调节阀54联锁，实时调整培养排气调节阀54的开度大小；同时，还通过控制压缩空气调节阀23的开度大小以使压缩空气的流量保持在流量设定值，流量设定值为450nm3/h，流量设定值实时通过压缩空气流量计22进行监控并反馈，进而实时调节压缩空气调节阀23的开度大小，维持压力有利于保持发酵罐体5内部的正压，避免外部不干净的空气等含有细菌的杂质进入影响发酵培养基的灭菌成果。
49.蒸汽的温度为150℃的过饱和蒸汽，冷却机构采用工艺水作为冷源。
50.根据对发酵培养基的检测，计算其具有的如下特征细菌的相关参数，如表1所示：取灭菌最长时间1008.4s为本例实际采用的理论灭菌时间，经计算，强化灭菌时间为：1210.1s。
51.根据实验过程，检测实际灭菌时间及灭菌阶段蒸汽用量，如下表2所示：测得的实际灭菌时间与理论推导的强化灭菌时间相同，灭菌过程的温度基本无波动。
52.灭菌后发酵液体培养基取样，在发酵罐中对角线随机取样5瓶，恒温培养箱30度，培养时间7天后，检查无霉菌菌落，验证说明灭菌彻底完成。
53.对灭菌后的发酵培养基进行如下检测，营养成分损失情况如下表3：由上表3可知，营养成分α-氨基丁酸和d-苏氨酸损失率较低，营养成分灭菌后基本
得到有效保留。
54.实施例2基本同实施例1，其区别仅在于：制药液体发酵罐100m3，灭菌温度为121℃，换算为绝对温度394.15开式度。
55.其中，根据阿伦尼乌斯定律计算反应速度常数k=ae-ea/rta
，a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数8.314j/(mol
·
k)，ta为灭菌绝对温度394.15开式度。
56.理论灭菌时间t=1/k*ln(m0/m
t
)；强化灭菌时间t1=t*1.2=1.2/k*ln(m0/m
t1
)=2.7636/k*log(m0/m
t1
)，其中m0=1.0157*104，m
t1
=10-3
。
57.根据对发酵培养基的检测，计算其具有的如下特征细菌的相关参数，如表4所示：取灭菌最长时间1344.5s为本例实际采用的理论灭菌时间，经计算，强化灭菌时间为：1613.4s。
58.根据实验过程，检测实际灭菌时间及灭菌阶段蒸汽用量，如下表5所示：测得的实际灭菌时间与理论推导的强化灭菌时间相同，灭菌过程的温度基本无波动。
59.灭菌后发酵液体培养基取样，在发酵罐中对角线随机取样5瓶，恒温培养箱30度，培养时间7天后，检查无霉菌菌落，验证说明灭菌彻底完成。
60.对灭菌后的发酵培养基进行如下检测，营养成分损失情况如下表6：由上表6可知，营养成分α-氨基丁酸和d-苏氨酸损失率较低，营养成分灭菌后基本
得到有效保留。
61.对比例1制药液体发酵罐15m3，采用传统灭菌方式对与实施例1相同的发酵培养基进行灭菌，灭菌温度为128℃，灭菌时间固定为2400s。
62.传统的升温和加热方式为：蒸汽和放空等控制阀门采用手阀，温度和压力采用机械表现场检测，操作工人手工现场操作。
63.实际实验数据如下表7所示：蒸汽消耗量显著增加。
64.灭菌后发酵液体培养基取样，在发酵罐中对角线随机取样5瓶，恒温培养箱30度，培养时间7天后，检查无霉菌菌落，验证说明灭菌彻底完成。
65.对灭菌后的发酵培养基进行如下检测，营养成分损失情况如下表8：由上表8可知，营养成分α-氨基丁酸和d-苏氨酸损失率较高，营养成分灭菌后损失较大。
66.对比例2制药液体发酵罐100m3，灭菌温度为121℃，灭菌时间按照传统方式固定为2400s，对与实施例1相同的发酵培养基进行灭菌。
67.实际实验数据如下表9所示：蒸汽消耗量显著增加。
68.灭菌后发酵液体培养基取样，在发酵罐中对角线随机取样5瓶，恒温培养箱30度，培养时间7天后，检查无霉菌菌落，验证说明灭菌彻底完成。
69.对灭菌后的发酵培养基进行如下检测，营养成分损失情况如下表10：
由上表10可知，营养成分α-氨基丁酸和d-苏氨酸损失率较高，营养成分灭菌后损失较大。
70.对比例3基本同实施例1，其区别仅在于：第二加热机构不包括第二子加热组件，灭菌处理的工序中，其中，制药液体发酵罐15m3，灭菌温度为128℃，换算为绝对温度401.15开式度。
71.工序（a）中，根据阿伦尼乌斯定律计算反应速度常数k=ae-ea/rta
，a为阿伦尼乌斯常数，ea为实验活化能常数，r为摩尔气体常数8.314j/(mol
·
k)，ta为灭菌绝对温度401.15开式度。
72.理论灭菌时间t=1/k*ln(m0/m
t
)；强化灭菌时间t1=t*1.2=1.2/k*ln(m0/m
t1
)=2.7636/k*log
10
(m0/m
t1
)，其中m0=1.0168*104，m
t1
=10-3
。
73.工序（b）：打开培养基进液调节阀55，向发酵罐体5内加入发酵培养基；工序（c）：关闭所有阀门；工序（d）中，延时110s；工序（e）：打开排水调节阀14，开度为30%，打开第一蒸汽调节阀13，开度为30%，两者分别延时28s后关闭；工序（f）：慢慢打开第二蒸汽调节阀33，开度为60%，且控制每5s开5%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第四温度（90℃）时，将第二蒸汽调节阀33的开度慢慢调整为80%，且控制每5s开5%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第五温度（100℃）时，慢慢打开第一蒸汽调节阀13，开度为80%，且控制每5s开5%，并将消毒排气调节阀53全开；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第一温度（105℃）时，将压缩空气调节阀23打开，开度为100%，并且通过调节消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体5内部的压力保持在第一压力，第一压力为0.17mpa，可以使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到第二温度（125℃）时，将第一蒸汽调节阀13的开度慢慢调至30%，且控制每10s关2%；当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度升高到灭菌温度（128℃）时，通过控制第二蒸汽调节阀33的开度大小以使发酵罐体5内部的温度保持在灭菌温度，可以使第二蒸汽调节阀33与罐内温度传感器51联锁，实时调整第二蒸汽调节阀33的开度大小。
74.工序（g）：当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度大于等于灭菌温
度时，开始计时，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于灭菌温度且大于等于第二温度时，计时暂停，当通过罐内温度传感器51监测到发酵罐体5内部的温度小于第二温度时，计时清零，然后根据监测到的发酵罐体5内部的温度达到对应温度要求后重新开始计时操作；当灭菌结束后，将压缩空气调节阀23的开度调整至30%，将消毒排气调节阀53的开度固定在50%，关闭第二蒸汽调节阀33；然后在30s之后，将第一蒸汽调节阀13的开度调整至100%，然后打开并调整消毒排气调节阀53的开度大小以使发酵罐体内部5的压力保持在第二压力（0.08mpa），可以使消毒排气调节阀53与罐内压力传感器52联锁，实时调整消毒排气调节阀53的开度大小；其他同实施例1。
75.检测实际灭菌时间及灭菌阶段蒸汽用量，本例中，在发酵罐体内部的温度达到128℃之后出现了2次温度下降至125℃以下的情况，而每次下降之后均需要将灭菌时间清零，使得实际灭菌时间达到了1524.3s，远远大于理论推导出的强化灭菌时间，灭菌阶段蒸汽用量为77.56kg。
76.灭菌后发酵液体培养基取样，在发酵罐中对角线随机取样5瓶，恒温培养箱30度，培养时间7天后，检查无霉菌菌落，验证说明灭菌彻底完成。
77.对灭菌后的发酵培养基进行如下检测，营养成分损失情况如下表11：由上述可知，相较于实施例1，灭菌稳定性降低，灭菌时间显著增加，蒸汽用量显著增加，营养成分损失率相对增大。
78.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
79.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。