0 引言
面對日益激烈的市場競爭，許多企業(yè)都在尋求生產(chǎn)工藝的改進，如在發(fā)酵過程中引入操作自動化控制系統(tǒng)，采用測試技術(shù)、傳感技術(shù)和預測模糊控制技術(shù)，對溫度、壓力、pH值、溶解氧、風量、補料、轉(zhuǎn)速和電機顯示進行數(shù)字化自動控制，不僅節(jié)省了大量人力，而且提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對于工業(yè)發(fā)酵來說，發(fā)酵工程的首要任務是選擇合適的菌種進行培養(yǎng)和繁殖，同時需要保持最佳的生長條件和參數(shù)控制，發(fā)酵罐的選擇以及微生物的接種、分離和純化。生物發(fā)酵是產(chǎn)品制備的生化反應過程，涉及生活和生產(chǎn)的方方面面。生物發(fā)酵參數(shù)是發(fā)酵過程及其菌種生理生化特性的數(shù)據(jù)，也是人們控制發(fā)酵過程的主要依據(jù)。生物制藥發(fā)酵過程中與微生物生長和代謝相關的控制參數(shù)包括溫度、壓力、溶解氧、pH、液位、流量等，參與全過程自動控制的測量儀表和控制閥也是生物發(fā)酵的重要組成部分。
生物發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)不僅特殊，而且對產(chǎn)品的衛(wèi)生要求也很高。雖然生物發(fā)酵工程中的儀器和閥門是發(fā)酵設備智能化不可或缺的一部分，但除了常規(guī)規(guī)范和標準外，它們還需要滿足良好生產(chǎn)規(guī)范（GMP）或GAMP指南的要求。除衛(wèi)生和無菌要求外，與藥品質(zhì)量相關的物料和環(huán)境直接接觸的儀表或控制閥也有嚴格的滅菌、密封和隔離等要求。根據(jù)近年來在生物發(fā)酵工程中自動控制選型和使用的經(jīng)驗，主要介紹了生物發(fā)酵工程中各種儀表的選型要點。
圖1 發(fā)酵系統(tǒng)圖
1 生物發(fā)酵工藝流程
某公司新建50萬噸/年農(nóng)副產(chǎn)品深加工綜合利用項目，將基礎作物加工成亮氨酸、透明質(zhì)酸等數(shù)十種高附加值氨基酸、發(fā)酵產(chǎn)品，提升當?shù)亟?jīng)濟效益。該項目引入發(fā)酵過程全程自動化生產(chǎn)，打造高效、節(jié)能、衛(wèi)生、綠色的無人智能車間。發(fā)酵過程參數(shù)的測量與控制直接影響發(fā)酵效果，發(fā)酵部分包括種子培養(yǎng)過程和發(fā)酵過程。
1）種子培養(yǎng)工序
將種子罐清洗完畢后加入玉米漿并攪拌均勻，用蒸汽進行消毒，消毒完成后用循環(huán)水降溫，調(diào)整pH，將儲存在種子室中的菌種加入種子罐，空氣經(jīng)過濾、蒸汽消毒后，并將其送入種子罐進行種子培養(yǎng)，種子培養(yǎng)達到指標后，靠壓差進入發(fā)酵罐。
2）發(fā)酵工序
發(fā)酵罐中通入經(jīng)過濾、蒸汽滅菌后的無菌空氣進行發(fā)酵，通過添加氨水調(diào)節(jié)pH值，通入低壓蒸汽、循環(huán)水、冷凍水調(diào)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)物料溫度，在引入生產(chǎn)菌并用活性種子擴大培養(yǎng)后，將它們加入發(fā)酵罐中，并進行約60h的好氧發(fā)酵以制取發(fā)酵液。發(fā)酵液通過出料管送至發(fā)酵液儲罐，后送至下一工段。圖1是某個發(fā)酵系統(tǒng)設計的測量參數(shù)情況。
從圖1可以看出發(fā)酵過程測量參數(shù)主要有：入罐溫度TT（細菌生長的合適溫度）、進氣流量FT（罐中二氧化碳和氧氣的生產(chǎn)和消耗）、罐壓力PT（壓力影響溶解氧和細菌生長）、進料流量FT（微生物生產(chǎn)和代謝的必需營養(yǎng)素），變頻電機轉(zhuǎn)速（確保營養(yǎng)物質(zhì)與細菌均勻接觸）、溶解氧、pH（細菌代謝條件）等。
2 測量儀表閥門的選型要點分析
2.1 溫度檢測儀表
溫度對發(fā)酵的影響：
1）對細胞生長的影響：溫度升高，從酶反應動力學來看，生長代謝加快，但由于酶很容易熱失活，所以高溫時菌體易于衰老。
2）對產(chǎn)物形成的影響：菌體生長速率、呼吸強度和代謝產(chǎn)物形成速率的最適溫度往往是不同的；溫度升高，一般產(chǎn)物生成提前。
因此，發(fā)酵過程中的罐溫是一個十分重要的微生物生長的環(huán)境參數(shù)，發(fā)酵中常采用熱電阻溫度計檢測罐內(nèi)溫度。由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，因而對無菌、潔凈要求很高，故發(fā)酵罐、種子罐等設備上的溫度檢測儀表常采用衛(wèi)生型，以下是衛(wèi)生型溫度變送器的選擇要求：
(1)符合3A衛(wèi)生標準[5];(2)整體不銹鋼結(jié)構(gòu)；(3)工藝連接部分采用整體焊接拋光工藝，衛(wèi)生連接（焊接、符合ISO 2852的卡盤、符合DIN11851的螺紋等）；(4)溫度傳感器敏感元件采用高精度鉑熱電阻，輸出4mA～20mA電流信號，二線制+Hart或其他協(xié)議信號；(5)精度等級：0.25%FS或0.5%FS;(6)衛(wèi)生一體化溫度變送器一般選用熱電阻溫度計+衛(wèi)生型溫度套管。
2.2 壓力檢測儀表
壓力主要用于發(fā)酵罐調(diào)節(jié)進氣量或排氣量，維持發(fā)酵過程中所需的壓力。發(fā)酵罐中的氣體壓力測量必須滿足清潔度、除塵和交叉污染保護的要求，并符合制藥和生物技術(shù)指南的最高標準[。因此，發(fā)酵罐、種子罐等設備及純化水管線上的壓力檢測儀表采用衛(wèi)生型壓力變送器。以下是衛(wèi)生型壓力變送器的選擇要求：
(1)符合3A衛(wèi)生標準；(2)整體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)；(3)過程連接形式選用卡盤連接，衛(wèi)生卡盤壓力接口：316L平膜片，采用膜片結(jié)構(gòu)方便快速拆裝清洗，防止結(jié)垢，不應有無菌死角；(4)常采用擴散硅或單晶硅傳感器，帶現(xiàn)場顯示功能，同時輸出4mA～20mA+Hart信號，精度可達0.075%。
2.3 在線檢測儀表
在線檢測需要在發(fā)酵系統(tǒng)中采用專門的傳感器（也叫電極或探頭），以傳輸一些發(fā)酵信息并為發(fā)酵測量提供基礎。由于微生物培養(yǎng)過程是一個無菌要求很高的純培養(yǎng)過程，因而對傳感器有特殊要求：
(1)插入儲罐的傳感器必須能夠承受高壓蒸汽滅菌；(2)傳感器結(jié)構(gòu)不應有無菌死角，以防染菌（密封性好）；(3)傳感器對測量參數(shù)要敏感，相應時間要短（響應快、靈敏）；(4)傳感器性能要穩(wěn)定，受本應用環(huán)境影響小。
2.3.1 在線檢測儀表（pH)
發(fā)酵過程中培養(yǎng)基的pH值是在一定環(huán)境條件下微生物代謝活性的綜合指標，是重要的發(fā)酵參數(shù)。發(fā)酵罐、種子罐罐內(nèi)的pH檢測一般是使用復合pH電極，該電極結(jié)構(gòu)緊湊且可蒸汽滅菌。以下是pH檢測儀表的特點：
(1)選用可以在生物過程蒸汽消毒等高溫環(huán)境中反復使用的pH電極；pH電極采用螺紋接口Pg13.5，護套主體采用316L不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)需堅固穩(wěn)定。
(2)參比電極采用抗污染能力強的雙鹽橋結(jié)構(gòu)，可消除液接部分的堵塞。液接部材質(zhì)：玻璃，陶瓷或316L。
2.3.2 在線檢測儀表（溶解氧）
溶解氧是指測量罐內(nèi)培養(yǎng)液中氧含量的比例，氧氣是菌種生長和生化反應所必需的物質(zhì)之一。根據(jù)目前發(fā)酵行業(yè)自身的特點，溶解氧表示采用空氣百分飽和度的表示方法。一般在接種前，模擬正常培養(yǎng)的條件（攪拌，溫度，罐壓，通氣），進行滿刻度標定，此時溶解氧視為100%，調(diào)好后不再對其校正，直到發(fā)酵結(jié)束。以下是溶解氧檢測儀表的選擇要求：
(1)可采用電化學測量原理，適用于各種生物發(fā)酵設備中含氧量檢測。
(2)電極采用螺紋接口Pg13.5，主體采用316L不銹鋼材質(zhì)材料。
(3)需配耐壓不銹鋼結(jié)構(gòu)膜片，抗形變能力強，耐受高溫滅菌使用。
(4)測量范圍0mg/L～20mg/L,0%～200%。
2.4 流量檢測儀表
發(fā)酵車間對無菌化潔凈化要求很高，經(jīng)常性高溫消毒，故發(fā)酵罐或種子罐的蒸汽、空氣管道流量檢測一般采用衛(wèi)生型渦街流量計，發(fā)酵罐或種子罐的料液、純水流量檢測一般采用衛(wèi)生型電磁流量計等。電磁流量計主要用于檢測能導電的流體（如循環(huán)水等）的測量，因此選用電磁流量計需確定物料介質(zhì)的導電性。以下是以衛(wèi)生型(電磁)流量變送器為例，選用特點說明：
(1)符合3A衛(wèi)生標準。
(2)過程連接形式有多種衛(wèi)生型連接，可選用（焊接、卡箍、螺紋）連接。
(3)衛(wèi)生型流量計選用衛(wèi)生型襯里材料（PFA內(nèi)襯），這樣防止了介質(zhì)殘余物堆積在測量管中；選用不銹鋼傳感器外殼，電極SS316L。
(4)光潔度要求：接液材質(zhì)表面光潔度Ra≤0.8um或高拋光度Ra≤0.38μm。
(5)密封圈材質(zhì)可選用EPDM/FKM等要符合3A、EHEDG認證，并滿足各類衛(wèi)生型應用場合要求。
2.5 液位檢測儀表
發(fā)酵罐、種子罐等設備內(nèi)體積的檢測一般采用壓差法，因此發(fā)酵罐上設置差壓變送器來檢測罐內(nèi)體積。該液位計利用發(fā)酵罐上下兩點或三點間不同壓強可計算出料液體積和頁面高度。發(fā)酵設備內(nèi)不允許存在雜菌，對無菌，潔凈要求很高，因此液位檢測儀表常選用衛(wèi)生型，衛(wèi)生差壓變送器的特性與衛(wèi)生壓力變送器的特性相似。
2.6 控制閥
在發(fā)酵過程中，罐體內(nèi)和管道中不允許存在其他雜菌。雜菌可能產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，影響發(fā)酵質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴重時可能導致整罐發(fā)酵失敗。因此，在接種菌種之前，有必要對發(fā)酵罐、管道和培養(yǎng)基溶液進行高溫蒸汽滅菌處理。故在生物發(fā)酵工程中，經(jīng)常使用衛(wèi)生閥作為控制閥，如衛(wèi)生蝶閥、衛(wèi)生球閥、隔膜閥、抗生素閥、角座閥。衛(wèi)生級閥門指的是用于生物制藥行業(yè)中的對衛(wèi)生等級要求很高的場所所使用的閥門管件；衛(wèi)生級閥門通常由304或316不銹鋼制成，在生產(chǎn)加工后經(jīng)過特殊處理。在許多方面，工業(yè)閥門無法與之相比，例如清潔度和簡單的安裝方法。生物制藥的生產(chǎn)設備是需要沒有死角，光滑，沒有縫隙，要足夠的高清潔度以保證完整的質(zhì)量。生物反應器的無菌要求很高，可能與樣品接觸的閥門以隔膜閥或抗生素閥為主。
表1 發(fā)酵工藝過程測量儀表和控制閥數(shù)據(jù)表
衛(wèi)生閥采用卡盤連接、快裝法蘭連接和焊接連接的形式進行連接。以抗生素閥為例，介紹了控制閥的選型要求：(1)應具有較強的殺菌、清毒功能，防止產(chǎn)品污染；(2)密封墊采用耐高溫聚四氟乙烯復合材料制成；(3)密封墊、閥體中間密封圈、閥桿填料均采用優(yōu)質(zhì)聚四氟乙烯材料；(4)要求耐高溫，使用壽命長，無死角，零泄漏。
衛(wèi)生控制閥系統(tǒng)解決了生產(chǎn)過程中的缺陷，快速提高了發(fā)酵罐的安全性。準確的儀表選型設計避免了染菌產(chǎn)品而造成不必要的后果，同時與工業(yè)普通閥門相比，衛(wèi)生控制閥更緊湊輕便，可節(jié)省大量空間，滿足CIP/SIP需求。
生物發(fā)酵工藝對殺菌、消毒、密封和隔離等要求很高。因此，在一般的生物發(fā)酵生產(chǎn)工程中，工藝設備、測量儀器和控制閥往往選用衛(wèi)生型。從上述各類測量儀表選型要求分析可以看出，衛(wèi)生型儀表和普通儀表的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾點：
(1)材質(zhì)方面：根據(jù)不同條件工況要求選用不同等級的不銹鋼材料（304L、316L等）。
(2)結(jié)構(gòu)方面：表面光滑干凈（表面光澤度最好小于0.8μm），無死角，不易結(jié)垢，不易污染，易于沖洗。
(3)在認證方面：衛(wèi)生儀器通常需要獲得3A級衛(wèi)生認證，或者能夠獲得第三方衛(wèi)生檢測報告，以滿足GMP/FDA的要求。
(4)外觀方面：衛(wèi)生儀表和閥門從外觀上看有一個顯著的特點，即卡箍式連接和衛(wèi)生級快裝法蘭連接等。
生物工程中的制劑車間、發(fā)酵車間等有潔凈要求的場合需選擇衛(wèi)生型儀表。對于有滅菌要求的發(fā)酵系統(tǒng)，衛(wèi)生儀表可以同時滿足在線滅菌的要求。在防染菌防污染，防止有毒、有害和污染物進入和泄出、耐高溫消毒滅菌方面，要求嚴格密封和隔離。在選擇儀表時，要綜合考慮儀表的安裝條件，是否能滿足安裝過程中無死角，易清洗，無殘留的衛(wèi)生要求。
3 測量儀表閥門的選型應用
根據(jù)上文的發(fā)酵工藝流程描述及選型要點分析，提供了幾種典型的測量儀表和控制閥的選擇參數(shù)。
從表1中典型測量儀表和控制閥的選型可以看出，生物發(fā)酵工程和化工行業(yè)的儀表及控制閥的選型有許多差異，原因是生物發(fā)酵旨意培養(yǎng)出更好的菌種。生物工程對生產(chǎn)過程的環(huán)境和設備有著嚴格的要求，這使得衛(wèi)生儀表和閥門的選擇更加關注設備本身（部件材料、結(jié)構(gòu)）以及環(huán)境因素是否會對生物發(fā)酵生產(chǎn)過程產(chǎn)生不利影響。
4結(jié)語
目前，自動化測量儀器和控制閥在生物發(fā)酵行業(yè)的應用越來越多。然而，行業(yè)內(nèi)對衛(wèi)生儀表的選型沒有系統(tǒng)的標準支持，導致設計師在選擇衛(wèi)生儀表時缺乏概念。同時，中國沒有衛(wèi)生標準，也缺乏權(quán)威的認證機構(gòu)。本文介紹的衛(wèi)生儀表的選用要點，希望對大家在生物發(fā)酵工程中的儀表閥門選型有所幫助。
