發酵罐的操作是一個嚴謹的工作,如何控制發酵罐工藝過程中的參數十分重要。而工藝參數有很多,今天我們來說說發酵罐工藝過程中的罐溫控制及PH值控制。
一、罐溫控制
參數作用罐溫會影響發酵過程中酶反應的速率及氧在培養液中的溶解度,其與菌體生長、抗生素合成及溶解氧都有密切關系。
罐溫控制罐溫控制主要包括控制加熱量與冷卻量。其中,加熱量是由工藝計算而得;冷卻量是指在加熱或滅菌后,且在規定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個加熱器和冷卻水電磁閥組成,當發酵罐內溫度低于(或高于)某個設定值時,系統將自動開啟加熱器(或冷卻水電磁閥),以達到控制發酵罐溫度的目的。
通過計算在規定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量,通過計算在規定的加熱時間下所需的熱量得出加熱量。通過焓值計算和換熱速率,得出換熱面積,也就是發酵罐的夾套或盤管的面積。
通過對管路長度、介質壓力及壓力損失的計算,才能確定換熱管的管徑,進而確定控制閥的通徑,控制閥通徑是以培養溫度的控制波動量為主要參數。若以培養溫度的控制波動量為參數來計算,往往可設定60%~80%的開度為穩定值;若要兼顧滅菌升溫時間,那么取值可以低些,此時培養溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統中,如果上述工藝參數計算取值恰當,則參數控制相對精確,其中工藝參數可采用飛升曲線計算或經驗法等方法獲得。在兼顧培養和滅菌的罐溫控制中,采用PID自動控制,其培養溫度的波動控制范圍在±0.1 ℃。
其中,微分作用能提高動態響應速度,積分作用能有效消除靜態誤差,使環境溫度不對罐溫控制產生影響。當然,換熱夾套的設計要盡可能薄,以減少溫控滯后所帶來的波動。
滅菌控制按照工藝與GMP要求,對發酵設備應當進行清潔、消毒或滅菌。發酵罐通常采用的滅菌方法是濕熱滅菌。在滅菌溫度控制中,先進的發酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統的疏水閥,但對所滅菌系統與蒸汽管路及閥門通徑的設計有一定要求。
在滅菌程序設計中,通蒸汽時間和疏水時間間隔應相匹配,在疏水隔膜閥打開的瞬間,其罐體壓力幾乎不變,且冷凝水被有效疏掉,此過程沒有冷點出現。在滅菌溫度控制中,應考慮升溫曲線中的溫度波動周期,一般設定為到達設定溫度的1 min后才正式計時,以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
二、pH值控制
參數作用發酵液的pH值是發酵過程中各種生化反應的酸堿性的綜合反映。
pH值控制pH值補料形式有流加、滴加兩種,pH值控制與補料系統主要由蠕動泵(或其他輸送系統)及稱重系統組成。除稱重系統外,這些控制系統受罐間的壓差影響較大,其中還有液位引起的壓力變化,稱重系統還受液面波動的影響,所以要視罐的大小、徑高比和使用情況綜合考慮。
目前,pH控制裝置由一個加酸蠕動泵和一個加堿蠕動泵組成。當pH值高于設定值時,系統自動啟動加酸蠕動泵,以時間比例方式向發酵罐通入酸液,直至設定值;當pH小于設定值時,則啟動加堿蠕動泵進行調節。
另外,我們還需注意一些問題。比如發酵罐的滅菌問題。
發酵罐初次使用及排空后使用要注意:夾套注滿水,檢查浮球排氣閥及其他排氣管路裝置的排氣狀態,以保證夾套的高液位。否則,易導致滅菌的升溫時間滯后,且升溫不正常。滅菌升溫不正常還與以下幾方面有關:(1)進水閥是否正常,是否堵塞;(2)疏水閥是否堵塞,換熱夾套高溫高壓時是否內漏,升溫時的內漏不一定伴有巨大撞擊聲,只有在降溫時才會出現這種現象。
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