生物反應器半自動化滅菌系統及其應用的製作方法

2024-03-02 13:26:15

專利名稱：生物反應器半自動化滅菌系統及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種滅菌系統及其應用，尤其涉及生物反應器半自動化滅菌系統及其應用，屬於生物反應器滅菌領域。
背景技術：
生物反應器是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統。它是一種生物功能模擬機，如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等。生物反應器的作用就是要為生物體代謝提供一個優化的物理及化學環境，使其能夠更快更好的生長，從而得到更多需要的生物量或代謝產物。只有保證生物反應器中的環境符合生物體繁殖的要求，才能得到更多的生物量或代謝產物，為此必須對進氣過濾器(包括濾殼和濾芯)、反應器、培養基、相關管路以及接口進行徹底滅菌。對於培養基的滅菌，目前通常採用的方法是讓工業蒸汽通過反應器罐體的夾層對反應器內的培養基進行高溫加熱滅菌，於此同時，待反應器內溫度升到100°C或以上時，將高溫純蒸汽通過進氣/汽管道210通入到反應器內，對培養基直接進行高溫滅菌。圖1示出了現有的一種生物反應器的滅菌系統，在該系統中，工業高溫蒸汽通過手動閥門411送入反應器罐體的夾層並流經夾層最 終通過手動閥門412經出汽管道排出，通過熱傳遞的方式對反應器內的培養基進行加熱滅菌，同時伴有純蒸汽通過進氣/汽管道210及進氣過濾器310通入到反應器內，對培養基直接進行高溫滅菌；完成以上操作需手動開啟閥門411、412、415、410、413和414，反應器內的高溫蒸汽或冷凝水經過閥門413或414排出(排氣過濾器311附有冷凝水排出裝置)；需要向反應器內補充空氣時，手動開啟閥門415、410和413，空氣經過過濾器過濾後進入到反應器內。根據現有的生物反應器滅菌系統的工作過程可見，在對反應器內的培養基進行滅菌時，均需要進行人工手動操作，其後果是失誤次數增多、對培養基溫度的控制極不穩定，最終導致產品出現批間差；此外，對於多批次的發酵而言，由於人為操作勞動強度增大，不僅使失誤次數增多無法保證最終產品的質量，還會增加操作人員高溫燙傷的機率。因此，在生產實踐中亟待開發一種能夠克服上述缺陷的生物反應器滅菌系統，該滅菌系統能夠對培養基的滅菌進行半自動化的精確控制，降低操作人員的勞動強度和高溫燙傷機率，提高產品的穩定性和均一性。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有的生物反應器滅菌系統所存在的需要人工操作控制生物反應器對培養基的滅菌，導致滅菌溫度不穩定、失誤次數多、產品質量不均一的缺陷，從而提供一種生物反應器半自動化滅菌系統。本發明所要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的—種生物反應器半自動化滅菌系統，包括控制面板；生物反應器，所述生物反應器包括反應器罐體和包覆在反應器罐體外周的夾層；各自獨立與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置和補料裝置；與反應器罐體的夾層上端相連通的工業蒸汽進汽裝置以及與夾層的下端相連通的工業蒸汽出汽裝置。所述進氣/汽裝置包括進氣/汽管道、進氣過濾器以及兩個手動閥門，進氣過濾器位於兩個手動閥門之間；其中，在所述進氣/汽裝置中設有受電動閥門控制的進氣/汽支管道；優選的，所述進氣/汽支管道位於進氣過濾器和反應器罐體之間；所述排氣/汽裝置包括排氣/汽管道、排氣過濾器以及手動閥門，所述手動閥門位於排氣過濾器和反應器罐體之間；其中，在所述排氣/汽裝置中設有受電動閥門控制的排氣/汽支管道；優選的，所述排氣/汽支管道位於排氣過濾器和反應器罐體之間；所述的工業蒸汽進汽裝置包括進汽管道和手動閥門，其中，在所述工業蒸汽進汽裝置中設有受電動閥門控制的進汽支管道；所述的工業蒸汽出汽裝置包括排汽管道和手動閥門，其中，在所述工業蒸汽出汽裝置中設有受電動閥門控制的出汽支管道；所述的進氣過濾器或排氣過濾器由濾殼和濾芯組成；所述補料裝置包括補料管道、活接頭以及手動閥門，其中，活接頭位於手動閥門和反應器罐體之間。本發明的另一目的是將所述的生物反應器滅菌系統應用於培養基的滅菌及滅菌後的發酵，包括(I)通過控制面板設定系統的控制參數；(2)關閉手動閥門 41 0、411、412、413、414 和 415;電動閥門 510、511、512 和 513 為關閉狀態；(3)將培養基加入到反應器罐內後滅菌開始，電動閥門511和512自動打開；工業蒸汽由進汽管道211進入到生物反應器夾層120後通過電動閥門512經出汽支管道712排出；(4)當反應器內溫度升110°C時，手動開啟進氣/汽閥門415和排汽閥門414，待反應器內溫度升至115°C時電動閥門510自動開啟；(5)當反應器內溫度彡116°C時，控制面板開始自動計時；(6)當反應器內溫度彡116. 8°C時，電動閥門511和512關閉，而電動閥門513開啟;(7)當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門511和512開啟，而電動閥門513關閉；(8)培養基滅菌40分鐘結束後，電動閥門510、511、512和513自動關閉，手動關閉進氣/汽閥門415 ；(9)根據控制面板的設定，啟動冷卻水對高溫培養基的降溫程序，當反應器內壓力(0.1Mpa時,手動關閉閥門414 ；(10)當反應器內溫度< 37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37 37. 5 °C，直至發酵結束。其中，步驟(I)中所述控制參數的設定如下(I)培養基滅菌溫度設為116 117°C，滅菌時間為40分鐘；(2)培養基發酵溫度設為37 37. 5°C ；
(3)當反應器內溫度彡115°C時，電動閥門510開啟；(4)當反應器內溫度彡116. 8 °C,電動閥門511和512關閉；當反應器內溫度(116. 5°C時，電動閥門511和512開啟；(5)當反應器內溫度彡116. 8°C，電動閥門513開啟，當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門513關閉；(6)培養基滅菌40分鐘計時結束後，啟動冷卻水降溫程序；當反應器內的溫度彡37. 5°C時，設定電動閥門511和512開啟；(7)當反應器內溫度< 37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37 37. 5 °C直至發酵結束。本生物反應器滅菌系統在與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置以及與反應器罐體的夾層相連接的進汽裝置和出汽裝置中分別設置了由電動閥門控制管道開啟的進氣/汽支管道、排氣/汽支管道、進汽支管道和出汽支管道，通過所增加的這些裝置能夠實現對生物反應器內培養基的滅菌溫度以及滅菌時間進行半自動化精確控制，基本解決了由於人為操作導致的溫度不穩、容易失誤、培養基高壓不徹底帶來汙染等問題，最大程度降低了操作人員的勞動強度與高溫燙傷的機率，對於規模化生產而言，可提高產品的穩定性、均一性，減少批間差；本發明生物反應器滅菌系統對於未來全自動滅菌、發酵系統的研發奠定了堅實的基礎。


圖1示出為現有的生物反應器滅菌系統結構示意圖；圖2示出根據本發明優選實施方式的生物反應器半自動化滅菌系統的結構示意圖。

附圖標號說明110-生物反應器罐體120-反應器罐體外周的夾層210-進氣/汽管道211-進汽管道212-出汽管道213-排氣/汽管道214-補料管道310-進氣過濾器311-排氣過濾器410-手動閥門411-手動閥門412-手動閥門413-手動閥門414-手動閥門415-手動閥門510-電動閥門
511-電動閥門512-電動閥門513-電動閥門610-活接頭710-進氣/汽支管道711-進汽支管道712-出汽支管道713-排氣/汽支管道
具體實施方式
以下結合附圖，參照優選的示例性具體實施方式
來進一步說明本發明。本發明的特點和優點將隨著這些說明變得更為清楚。在這裡專用的詞「示例性」意為「用作例子、實施例或說明性」。這裡作為「示例性」所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。儘管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪製附圖。圖2所示為本發明優選的一種生物反應器半自動化滅菌系統，包括生物反應器，所述生物反應器包括反應器罐體110和包覆在反應器罐體外周的夾層120 ;各自獨立與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置和補料裝置；與反應器罐體的夾層120上端相連通的工業蒸汽進汽裝置以及與夾層的下端相連通的工業蒸汽出汽裝置。所述進氣/汽裝置包括進氣/汽管道210、進氣過濾器310以及兩個手動閥門415和410，進氣過濾器位於兩個手動閥門415和410之間；在所述進氣/汽裝置中設有受電動閥門510控制的進氣/汽支管道710 ;所述進氣/汽支管道710位於進氣過濾器310和反應器罐體110之間;所述排氣/汽裝置包括排氣/汽管道213、排氣過濾器311以及手動閥門413，所述手動閥門413位於排氣過濾器311和反應器罐體110之間；在所述排氣/汽裝置中設有受電動閥門513控制的排氣/汽支管道713 ;所述排氣/汽支管道713位於排氣過濾器311和反應器罐體110之間；所述工業蒸汽進汽裝置包括進汽管道211和手動閥門411 ;其中，在工業蒸汽進汽裝置中設有受電動閥門511控制的進汽支管道711;所述工業蒸汽出汽裝置包括排汽管道212和手動閥門412 ;在所述工業蒸汽出汽裝置中設有受電動閥門512控制的出汽支管道712;所述補料裝置包括補料管道214、活接頭610以及手動閥門414，其中，活接頭610位於手動閥門414和反應器罐體110之間。發酵需補料時，通過蠕動泵將料液從活接頭610經補料管道214通入生物反應器內，此時閥門414關閉；如果反應器內的溫度過高或壓力過大，也可以開啟手動閥門414，反應器內的蒸汽可通過補料管道214經過手動閥門414排出。實驗例I本發明生物反應器半自動化滅菌系統在培養基滅菌及發酵的應用實驗1、在滅菌開始前，通過滅菌系統控制面板設定以下的控制參數(I)培養基滅菌溫度設為116 117°C，時間為40分鐘；(2)培養基發酵溫度設為37 37. 5°C ；
(3)當反應器內溫度彡115°C時，電動閥門510開啟；(4)當反應器內溫度彡116. 8 °C,電動閥門511和512關閉，當反應器內溫度(116. 5°C時，電動閥門511和512開啟；(5)當反應器內溫度彡116. 8°C，電動閥門513開啟；當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門513關閉；(6)培養基滅菌40分鐘計時結束後，啟動冷卻水降溫程序；當反應器內的溫度彡37. 5°C時，設定電動閥門511、512開啟；(7)當反應器內溫度< 37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37 37. 5 °C直至發酵結束。注當培養基溫度116°C時開始計時，40分鐘後電動閥門510、511、512和513自動關閉，滅菌結束，此時啟動冷卻水對高溫培養基的降溫程序；當反應器內溫度< 37. 5°C時，關閉冷卻水降溫程序，啟動恆溫水保溫程序直至發酵結束。2、對於本生物反應器滅菌系統，如果電動閥門損壞或是停電導致閥門不能正常開啟，可以立即啟用手動裝置，完成滅菌過程。3、滅菌過程(I)關閉手動閥門410、411、412、413、414和415;如未特別說明，電動閥門510、511,512和513均為關閉狀態；(2)待培養基加入 反應器罐內後滅菌開始，電動閥門511和512自動打開(當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門511、512開啟；當反應器內溫度彡116.8°C，電動閥門511,512關閉)；工業蒸汽由進汽管道211進入生物反應器夾層120後通過電動閥門512經出汽支管道712排出；(3)當反應器內溫度升至110°C時，手動開啟進氣/汽閥門415和排汽閥門414 ；待反應器內溫度彡115°C時電動閥門510自動開啟；(4)當反應器內溫度彡116°C時，控制面板開始自動計時；(5)當反應器內溫度彡116. 8°C時，電動閥門511和512關閉，而電動閥門513開啟;(6)當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門511和512開啟，而電動閥門513關閉；(7)培養基滅菌40分鐘結束後，電動閥門510、511、512和513自動關閉，此時手動關閉進氣/汽閥門415 ；(8)用冷卻水通過生物反應器夾層降溫。根據控制面板的設定，此時啟動冷卻水對高溫培養基的降溫程序(反應器內溫度彡37. 5°C時，電動閥門511和512開啟)。由於降溫，反應器內壓力逐漸降低，當壓力彡0.1Mpa時，手動關閉閥門414 ；(9)當反應器內溫度< 37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37°C 37. 5 °C，直至發酵結束。根據上述生物反應器滅菌系統的結構說明及使用過程可見，通過在與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置以及與反應器罐體的夾層相連接的進汽裝置和出汽裝置中分別設置了由電動閥門控制管道開啟的進氣/汽支管道、排氣/汽支管道、進汽支管道和出汽支管道，本生物反應器的滅菌系統能夠實現對反應器內培養基的滅菌溫度和滅菌時間進行半自動化的精確控制，基本解決了由於人為操作造成的溫度不穩、容易失誤、培養基高壓不徹底導致汙染等問題，最大程度降低了操作人員的勞動強度與高溫燙傷機率，對於規模化生產而言，能有效提 高產品的穩定性、均一性，減少批間差。
權利要求
1.一種生物反應器半自動化滅菌系統，包括控制面板；生物反應器，所述生物反應器包括反應器罐體(110)和包覆在反應器罐體外周的夾層(120);各自獨立與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置和補料裝置；與反應器罐體的夾層(120)上端相連通的工業蒸汽進汽裝置以及與反應器罐體的夾層(120)的下端相連通的工業蒸汽出汽裝置；所述進氣/汽裝置包括進氣/汽管道(210)、進氣過濾器(310)以及兩個手動閥門(415)和(410)，進氣過濾器位於兩個手動閥門(415)和(410)之間；所述排氣/汽裝置包括排氣/汽管道(213)、排氣過濾器(311)以及手動閥門(413)，所述手動閥門(413)位於排氣過濾器(311)和反應器罐體(110)之間；所述的工業蒸汽進汽裝置包括進汽管道(211)和手動閥門(411);所述的出汽裝置包括排汽管道(212)和手動閥門(412);其特徵在於在所述進氣/汽裝置中設有受電動閥門(510)控制的進氣/汽支管道(710);在所述排氣/汽裝置中設有受電動閥門(513)控制的排氣/汽支管道(713);在所述工業蒸汽進汽裝置中設有受電動閥門(511)控制的進汽支管道(711);在所述工業蒸汽出汽裝置中設置受電動閥門(512)控制的出汽支管道(712)。
2.按照權利要求1所述的生物反應器半自動化滅菌系統，其特徵在於所述進氣/汽支管道(710)位於進氣過濾器(310)和反應器罐體(110)之間。
3.按照權利要求1所述的生物反應器半自動化滅菌系統，其特徵在於所述排氣/汽支管道(713)位於排氣過濾器(311)和反應器罐體(110)之間。
4.按照權利要求1所述的生物反應器半自動化滅菌系統，其特徵在於所述補料裝置包括補料管道(214)、活接頭(610)以及手動閥門(414)。
5.按照權利要求4所述的生物反應器半自動化滅菌系統，其特徵在於活接頭(610)位於手動閥門(414)和反應器罐體(110)之間。
6.按照權利要求1所述的生物反應器半自動化滅菌系統，其特徵在於所述的進氣過濾器(310)或排氣過濾器(311)由濾殼和濾芯組成。
7.權利要求1 6任何一項的生物反應器半自動化滅菌系統在培養基滅菌或發酵中的應用。
8.按照權利要求7所述的應用，其特徵在於 (1)通過控制面板設定系統的控制參數； (2)關閉手動閥門(410)、(411)、(412)、(413)、(414)和(415);電動閥門(510)、(511)、(512)和(513)為關閉狀態； (3)將培養基加入到反應器罐內後滅菌開始，電動閥門(511)和(512)自動打開；工業蒸汽由進汽管道(211)進入到生物反應器夾層(120)後通過電動閥門(512)經出汽支管道(712)排出； (4)當反應器內溫度升至110°C時，手動開啟進汽/氣閥門(415)和排汽閥門(414)，待溫度升至115°C時電動閥門(510)自動開啟； (5)當反應器內溫度≥116°C時，控制面板開始自動計時； (6)當反應器內溫度≥116.8°C時，電動閥門(511)和(512)關閉，而電動閥門(513)開啟; (7)當反應器內溫度≤116.5°C時，電動閥門(511)和(512)開啟而電動閥門(513)關閉；(8)培養基滅菌40分鐘結束後，電動閥門(510)、(511)、(512)和(513)自動關閉，手動關閉進氣/汽閥門(415)； (9)根據控制面板的設定，啟動冷卻水對高溫培養基的降溫程序，當反應器內壓力≤0.1Mpa時,手動關閉閥門(414)； (10)當反應器內溫度<37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37 37. 5 °C直至發酵結束。
9.按照權利要求8所述的應用，其特徵在於，步驟(I)中所述控制參數的設定如下 (1)培養基滅菌溫度設為116 117°C，滅菌時間為40分鐘； (2)培養基發酵溫度設為37 37.50C ； (3)當反應器內溫度彡115°C時，電動閥門510開啟； (4)當反應器內溫度彡116.8 °C,電動閥門(511)和(512)關閉；當反應器內溫度(116. 5°C時，電動閥門(511)和(512)開啟； (5)當反應器內溫度彡116.8°C，電動閥門(513)開啟；當反應器內溫度彡116. 5°C時，電動閥門(513)關閉； (6)培養基滅菌40分鐘計時結束後，啟動冷卻水降溫程序；當反應器內的溫度≥37. 5°C時，設定電動閥門(511)和(512)開啟； (7)當反應器內溫度<37. 5°C時，啟動38°C恆溫水保溫程序，使得反應器內溫度始終維持在37 37. 5 °C之間直至發酵結束。
全文摘要
本發明公開了一種生物反應器半自動化滅菌系統及其應用，包括控制面板；生物反應器；與反應器罐體相連通的進氣/汽裝置、排氣/汽裝置和補料裝置；分別與反應器罐體的夾層上端、下端相連通的進汽裝置、出汽裝置；其中，進氣/汽裝置中設有受電動閥門控制的進氣/汽支管道；排氣/汽裝置中設有受電動閥門控制的排氣/汽支管道；進汽裝置中設有受電動閥門控制的進汽支管道；出汽裝置中設有受電動閥門控制的出汽支管道。本發明生物反應器滅菌系統能夠對培養基的滅菌進行半自動化的精確控制，避免因人為操作失誤導致的溫度不穩、培養基高壓不徹底造成的汙染，降低了操作人員的勞動強度和高溫燙傷機率，有效提高了產品的穩定性和均一性。
文檔編號C12M1/12GK103060182SQ20121058419
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者楊國良, 梁爽, 張洪, 鄭傑, 王文泉, 龍進學, 張紅, 張坦, 孫豐廷, 王亞麗, 張凌雲 申請人:北京華都詩華生物製品有限公司