某氨基酸發酵裝置工藝設計

王超(江蘇省醫藥設計院有限公司，江蘇 無錫 214064)

0 引言

在工業生產中，發酵是利用微生物的機能獲得工業產品的泛稱，通過微生物的培養，使某種特定的代謝產物得以大量積累，如各種維生素發酵、氨基酸發酵、酶制劑發酵、有機酸發酵、核酸發酵以及抗生素發酵等[1]。

氨基酸生產方法有水解提取法、化學合成法、微生物發酵法以及酶轉化法等。微生物發酵法生產氨基酸的基本過程包括培養基配制與滅菌處理，菌種誘變與選育，菌種培養、滅菌及接種發酵，產品提取及分離純化等步驟[2]。

本次工程設計內容為某氨基酸發酵裝置的工藝設計，配合使用微生物發酵與酶轉化法進行生產，對pH值與溫度的精準調節，是能否獲得目標產物的關鍵環節。該裝置涉及2臺主要生產設備，分別為2000L的發酵罐與5000L的轉化罐。依據建設方要求，該生產裝置能滿足至少2個氨基酸品種的生產過程；本次工程裝置的稀氨水進料方式的自控過程具有一定的實用性與可操作性；另外，發酵過程中涉及多種冷卻與加熱介質，如何進行精確控制與調節，本次工程的處理方式具有借鑒意義。

隨著我國生物醫藥產業的蓬勃發展，多品種、多規模的發酵裝置正成為常規的生產模式，要求使用的生產裝置靈活機動，可滿足多種產品的生產需求。故通過本文的詳細介紹，可供類似的發酵生產裝置的設計過程提供參考。

1 裝置主要生產設備簡介

1.1 裝置主要生產設備參數

本次工程裝置所涉及的各生產設備選型以生產性能穩定實用、安全可靠為原則，著重注意消聲、減震；各種物料轉運過程均采用隔膜泵輸送或壓縮空氣壓料，結構簡單，便于清洗，主要設備參數與說明，見表1。

表1 主要生產設備參數與說明

1.2 裝置主要生產設備說明

本次工程裝置主要為氨基酸發酵生產裝置，依據現行GB 50457《醫藥工業潔凈廠房設計規范》的要求[3]，所有的主要生產設備均選用304不銹鋼，其中氨水罐、補料罐、發酵罐、轉化罐及以其相連的管路、閥門等均可在線清洗、在線滅菌，滿足發酵生產的要求。依據現行GB 50016《建筑設計防火規范》的要求[4]，本裝置所在區域確定為丙類生產區域，涉及的氨水濃度＜10%。

2 工藝流程與裝置平面設計

2.1 工藝流程簡述

依據建設方的使用要求，在該套生產裝置上能同時發酵生產A、B兩個氨基酸品種，2000L發酵罐與5000L轉化罐的功能可相互轉換。

生產A品種使用的稀氨水由氨水輸送隔膜泵送至V101氨水罐；培養基通過手孔直接加入V102補料罐。R103的發酵液通過壓縮空氣送至V104洗酶罐，經F106超濾設備后，進入R107轉化罐，完成轉化過程后，料液去后續生產過程。

生產B品種使用的稀氨水、培養基的加料與A相同。R107作為發酵罐使用，發酵液經洗酶、超濾后去R103完成轉化過程，料液去后續生產過程。

2.2 裝置平面布置與管路設計

本次工程的裝置位于原有車間的二層，層高為6m，為兼顧設備操作與管道布置的便利性，在車間內局部設置了2.75m高的鋼平臺；同時充分利用空間，在鋼平臺上設置操作室與控制室，鋼平臺下設置人員更衣、工器具清洗、物料存放等功能間，滿足2010年版《藥品生產質量管理規范》的要求[5]。

詳細裝置平面布置見圖1，工藝設備平面布置圖。

圖1 工藝設備平面布置圖

本次工程裝置涉及的各公用工程管路水平布置于鋼平臺下0.5m處，物料管線布置位于公用工程管路與鋼平臺之間，鋼平臺上僅留必須的連接管路與閥門。經此種布置方式，管路布置整潔美觀且易于檢維修。因2000L發酵罐與5000L轉化罐的功能可相互轉換，故兩個設備的公用工程管路系統完全按照發酵罐的標準進行配置，不銹鋼管路相互連接，通過壓縮空氣進行轉料。

3 自控設計說明

3.1 稀氨水進料方式的自控過程設計說明

在氨基酸發酵生產過程中需要使用稀氨水調節發酵液的pH值。

傳統方式為設置氨水高位罐，將罐底出料閥門與發酵罐的pH監測儀表聯鎖，當pH值降低至設定的數值，打開出料閥門，調節發酵液pH值；當pH值升高至設定數值時，關閉出料閥門。此種方式被廣泛采用，實際生產過程中，被調節的pH值存在著滯后，往往需要反復調節或手工調節，影響生產過程，最終可能導致產品收率下降。

本裝置所生產的氨基酸品種A、B生產工藝均較為成熟，pH值的調節是生產過程中的重要環節。經與建設方討論、溝通，采用下述方法對pH值進行分計量、定量調節：

(1)發酵罐上稀氨水進料的調節閥后設置轉子流量計，同時將該進料調節閥與發酵罐的pH值監測儀表聯鎖，通過設定的pH值調節閥門開啟度大小。

(2)稀氨水通過隔膜泵經過濾器后，接至氨水進料閥，在隔膜泵出口設置壓力表，并與壓縮空氣(用于啟動隔膜閥)進氣閥聯鎖。

(3)生產過程中，pH值降低，進料調節閥開啟，稀氨水進入發酵罐中，導致管路內壓力降低，壓力＜0.6MPa，隔膜泵啟動，將稀氨水泵入發酵罐中；當pH值升至定值時，進料調節閥關閉，導致管路內壓力升高，壓力≥0.6MPa，壓縮空氣進氣閥關閉，隔膜泵停泵。

上述過程與傳統方式相比，通過增加自動控制氨水輸送隔膜泵的啟停，實現了pH值的精確調節，可以滿足實際生產的需求，該方式可為設計類似的生產裝置時提供參考。

3.2 循環水系統的自控過程設計說明

本裝置需要生產氨基酸品種A、B，R103與R107設備可互換使用，故涉及到上述2個設備的夾套中需要配置不同溫度的介質，且隨著發酵生產的進行，溫度需要進行微調。鑒于此生產工況，設計2000L循環水系統一套，儲水罐上配置蒸汽加熱，同時在循環回水管路上配置板式換熱器一臺，介質為5℃冷卻水。罐體上的溫度計與蒸汽調節閥與冷卻水回水閥聯鎖。通過監測循環水的溫度，調節蒸汽量、冷卻水量；同時在P110循環水輸送泵出口處設計DN20的旁通管路返回儲水罐，以確保儲水罐內溫度均勻，以滿足發酵生產上對溫度調節的嚴苛需求。

該設計說明見圖2，循環水系統與自控過程示意圖。

圖2 循環水系統與自控過程示意圖

3.3 其它設備的自控過程設計說明

本次裝置的R103與R107同時發酵罐與轉化罐，互換使用，各設備的夾套中除配置3.2節中的循環水外，還配置自來水管路，在不同生產階段調節罐體溫度。將罐體溫度與夾套底部的進水調節閥聯鎖；同時進入夾套的自來水閥門與循環水閥門設置開關閥(手動控制)，該開關閥后串聯截止閥用于調節閥門開度(手動控制)。通過上述二級閥門的調控，達到更加精確控制發酵生產過程溫度的目的，利于生產準確、順利進行。

4 結語

根據我國生物醫藥產業當前的發展趨勢，滿足多品種、多規格的發酵裝置正成為主流的生產裝置。本文分析了某氨基酸發酵裝置的設備選型、平面與管路布置和生產自控過程(涉及稀氨水進料方式的自控過程、循環水系統的自控過程以及其它設備的自控過程(主要為調節罐體溫度))；上述的自控過程已在該項目的生產過程中得以順利實施。通過全文的分析與介紹，以上各種自控方式可供類似的多品種發酵裝置的設計提供參考。