原料藥發酵車間工程設計關鍵要素分析

李向科 姚雪坤

（1.中核第四研究設計工程有限公司，石家莊 050021；2.石藥集團中奇制藥技術（石家莊）有限公司，石家莊 050035）

傳統發酵[1]指利用自然界存在的微生物或用傳統方法（如：輻照或化學誘變）改良的微生物來生產原料藥的工藝。用“傳統發酵”生產的原料藥通常是小分子產品，如：抗生素、氨基酸、維生素和糖類。

傳統發酵原料藥工程發酵車間的一般工藝流程為：

原料藥發酵車間在工程設計中要從車間布局、種子制備、發酵罐、接種方式、補料、壓縮空氣系統及排氣系統等方面抓住一些關鍵要素，才能使后續的生產更加符合技術先進、節能環保的新要求。

1 車間布局

大中型發酵車間一般為三層框架結構建筑物，生產的火災危險性類別一般為丁類。按照功能可分為配料區、種子及發酵罐區、補料消毒罐區、種子制備區、霉菌及化驗區以及其它輔助區域。

1.1 布局原則

在滿足安全、衛生等規范要求下，充分考慮如下幾點：

（1）設備布置按照工藝流程要求，充分考慮廠房內物料的聯系，并結合輔助廠房的位置，力求線路最短，物料走向流暢。

（2）設備布置盡量按工藝流程順序分區，生產類別相同的區域集中布置，以便管理。

（3）廠區和車間內的動力設施靠近負荷中心布置，以減少能耗。

1.2 垂直布局

發酵車間各層層高的確定應遵循的原則：以發酵罐的高度確定三層樓板的標高，以二級種子罐的高度確定二層樓板的標高，以發酵罐的電機和檢修行車高度確定車間的總高。

車間各層高度按原則初步確定后，還應進一步核實層高是否與補料消毒罐、配料罐以及液體貯罐等其它較大設備的高度相適宜；另外，主管廊和大管道的安裝也要考慮；如果層高不合適，可以通過微調發酵罐、種子罐或其它罐體的高徑比來調整。

所有罐體上封頭和操作面在三層。另外，考慮到發酵車間一般濕熱蒸汽較多，發酵罐區域經常設天窗用于車間通風。發酵車間一般垂直布置示意圖見圖1。

1.3 平面布局

發酵車間三層為主要操作面，除了種子罐、發酵罐和補料消毒罐區域外，還應設有控制室、變頻器室、種子組和值班室等輔助房間?？刂剖覒O在視野開闊的區域，并開設大窗，便于觀察生產區的情況；變頻器室用于放置發酵罐為了節能和控制的需要而設置的變頻系統。

發酵罐的取樣口一般設在車間二層，因此，霉菌室和化驗室宜設置在該層。為充分利用廠房空間，配料區一般布置在位于種子罐垂直方位下方的一層區域。發酵車間一般平面布置圖見圖2。

2 種子組及霉菌化驗

2.1 種子組

工作菌種的種子制備一般包括兩個過程，即將砂土孢子或冷凍孢子在固體培養基上生產大量孢子的孢子制備過程和在液體培養基中生產大量菌絲的種子制備過程。前者是在種子組完成的；后者是通過種子罐擴大培養完成的。

種子組一般包括：菌種間、培養基準備間、清洗消毒間、接種間、培養間或恒溫室等房間。按照《藥品生產質量管理規范》（GMP）的要求，培養基準備間和清洗消毒間可在一般環境下進行；接種間在C級潔凈環境下設置層流工作臺完成接種操作；菌種間、培養間可在D 級潔凈環境或恒溫恒室環境。種子組一般平面布置見圖2。

2.2 霉菌化驗

霉菌化驗區域主要負責生產過程中所取發酵液樣品的菌絲形態、菌濃、雜菌、有效成分效價、糖氮含量等指標的分析測定。

圖1 發酵車間一般垂直布置示意圖

圖2 發酵車間一般平面布置示意圖

霉菌區一般包括：準備間、清洗消毒間、接種間和恒溫室；化驗區一般包括：生測室、儀器室、天平室、鏡檢室和高溫間等。按照GMP的要求，準備間、清洗消毒間和化驗區可在一般環境下進行；接種間需在D 級潔凈環境下設置層流工作臺完成接種操作；恒溫室可在D 級潔凈環境或恒溫恒室環境。霉菌化驗區域一般平面布置見圖2。

3 發酵罐

3.1 罐體

3.1.1 罐體結構要點

根據菌種生理特性和培養基性質，發酵可分為厭氧固體發酵、厭氧液體發酵、好氧固體發酵及好氧液體發酵。傳統發酵原料藥大多屬于好氧液體發酵。

好氧液體發酵罐的結構要點是：

（1）適宜的高徑比

一般情況下，發酵罐的高徑比（H/D）一般取1.8～2.8，常用的為2～2.5。對于細菌發酵罐來說，高徑比宜為2.2～2.5；對于放線菌發酵罐高徑比宜為1.8～2.2。容積較小時，高徑比宜取上限，容積較大時宜取偏下限[2]。

（2）能夠承受一定的壓力

發酵罐除了要維持正常培養的罐壓，還要承受設備及培養基滅菌時的蒸汽壓力，一般為壓力容器。

（3）合理的通氣攪拌方式

要使通入罐內的無菌空氣均勻分布，加強氣液接觸效果，提高氧的利用率；保證發酵液充分混合，料液濃度均一。

（4）足夠的換熱面積

發酵培養基的加熱、滅菌、冷卻，以及培養過程中發酵熱的及時移除，都要求設備有足夠的換熱面積。

（5）無菌效果的保證

發酵罐材質一般為不銹鋼，內壁有光潔度要求。罐體內件盡量減少死角，攪拌裝置要有嚴密的軸封，防止泄漏，以保證設備能夠滅菌徹底。

應用較廣泛的好氧液體發酵設備主要分為以下兩類：

（1）機械攪拌通氣式發酵罐

機械攪拌通氣式發酵罐電機一般采用380V 無級調速電機，配合低壓變頻器，實現電機的無級調速，目前也有一些發酵產品使用690V 或10kV 電機。變頻器可使發酵罐電機降低啟動電流，保證電機的安全啟動，生產過程中還可根據發酵進程調整電機轉速，在保證發酵生產工藝需求的前提下盡量節省能耗。

由于電機轉速一般高于攪拌轉速，因此，必須通過減速機降速。常用的減速機有皮帶傳動和齒輪傳動兩種類型。攪拌軸常用機械密封型式，密封可靠，易滅菌徹底。

機械攪拌通氣式發酵罐能夠保證無菌空氣與發酵液充分混合，提高發酵液溶氧量，利于傳熱，特別適合通氣比要求較高、發熱量大的發酵反應；但其內部結構較為復雜，操作要求較高，而且機械攪拌對于絲狀細胞的培養發酵有不利影響。

（2）氣升式發酵罐

氣升式發酵罐屬于非機械攪拌發酵罐，以氣體攪拌代替了傳統的機械攪拌。罐內設有導流筒，罐底高速噴入的氣流在導流筒內外形成發酵液密度差，從而產生壓力差，使發酵液在罐內循環流動。

氣升式發酵罐節省動力，降低了產品成本，設備投資比機械攪拌發酵罐約能降低30%；結構簡單，裝料系數高，設備內死區較少，而且沒有動密封裝置，無泄漏，無菌操作可靠性大大提高；氣升式發酵罐以氣體為動力，既能使發酵液混合均勻，又沒有機械剪切力，特別適合于動植物細胞、維生素C的培養；但是對于黏度較大的發酵液溶氧率較低，不適合固形物含量高、黏度大的發酵液。

圖3 機械攪拌通氣式發酵罐

3.1.2 罐體容積計算

發酵罐容積可按下式計算：

式中：V1—發酵罐公稱容積（m3）；

G — 生產規模（t/a）；

Up— 成品效價（U/mg）；

Um— 發酵單位（U/mL）；

λ — 染菌率（%）；

y — 總收率（%）；

A —年工作日（d/a）；

η1— 發酵罐裝料系數（%）；

n — 每天放罐數量（臺/d），根據每天放罐體積與發酵周期綜合考慮。

種子罐容積可按下式計算：

式中：V2— 種子罐公稱容積（m3）；

α1— 發酵罐接種比（%）；

V1— 發酵罐公稱容積（m3）；

η1— 發酵罐裝料系數（%）；

η2— 種子罐裝料系數（%）。

綜合考慮各個因素，取定高徑比，就可得出發酵罐和種子罐的外形尺寸及全容積。

圖4 氣升式發酵罐

3.2 滅菌方式

液體培養基的滅菌方式主要有分批滅菌法和連續滅菌法[3]。

3.2.1 分批滅菌

分批滅菌也稱實罐滅菌或實消（以下簡稱實消），指將配制好的培養基全部輸送至發酵反應器后，通入蒸汽直接加熱，再冷卻至接種溫度的滅菌過程。實消一般控制罐溫在119℃～121℃，罐壓維持在0.09 MPa～0.1MPa（表壓）后，保溫30min 左右。

實消無需其他滅菌設備，操作簡單，染菌機會少，對蒸汽穩定性的要求較低，一般在0.3 MPa～0.4MPa（表壓）就可滿足要求。但是實消滅菌時發酵罐不能用于發酵生產，設備利用率較低；滅菌時間長，培養基的營養成分由于過熱易遭到破壞，易產生糊化等現象。這些優缺點決定了實消主要適用于小型發酵罐或種子罐的培養基以及容易產生泡沫的培養基的滅菌。

3.2.2 連續滅菌

連續滅菌也稱連消，指將培養基在發酵反應器外，通過專門滅菌裝置，連續在不同設備中分別進行加熱、維持保溫和冷卻，然后進入發酵反應器的滅菌過程。

連消的滅菌溫度多在130℃～140℃。培養基由泵打進加熱器，在15s～30s 之內被快速加熱至滅菌溫度，進入維持器維持5min～8min，然后在冷卻器中冷卻至40℃～50℃，最后輸送至已滅菌的發酵反應器中。由于連消系統要求連消泵出口壓力在0.6MPa（表壓）左右，所以，蒸汽壓力要求達到0.5MPa～0.6 MPa（表壓）以上，以使兩者壓力接近，滿足培養基流速均勻穩定的要求，避免因流速波動影響滅菌的質量。

連消主要用于大規模發酵生產的液體培養基的滅菌，已在維生素C、谷氨酸等工業中廣泛應用。另外，由于糖和氮源物質在高溫下會發生美拉德反應而變質，在7-ACA、紅霉素等發酵生產過程中，把葡萄糖和氮源分開滅菌，葡萄糖單獨進行連消后送入發酵罐。

3.3 循環水冷卻方式

3.3.1 循環水種類選擇

發酵車間冷卻循環水用于發酵罐、種子罐及補料罐培養基滅菌后的降溫，以及培養過程中發酵熱的移除，分為循環水和制冷水。

根據發酵過程溫度控制要求和一年四季循環水溫度的變化，冷卻循環水的一般選擇原則為：當循環水溫度低于18℃時，消后降溫和發酵過程溫度控制全部使用循環水；當循環水溫度高于18℃時，發酵過程溫度控制全部使用制冷水，消后降溫的高溫段（121℃～60℃）使用循環水，低溫段（60℃～30℃）冷卻使用制冷水。

3.3.2 消后降溫過程

連續滅菌的消后降溫多為換熱器間接換熱過程，屬穩態傳熱；冷卻循環水平均溫升一般控制在10℃～20℃。

分批滅菌的消后降溫屬非穩態傳熱；一般控制高溫段（121℃～60℃）降溫時間約1h～1.5h。冷卻循環水平均溫升一般在20℃～30℃。

3.3.3 發酵培養過程

發酵培養過程中通過溫度計測得的信號，經自動控制系統，反饋調節循環水管道系統的氣動閥門，實現冷卻循環水流量的自動控制，從而維持罐溫的穩定。

4 接種方式

4.1 一級種子罐

接種是發酵過程中逐級擴大培養的前提，如何保證接種過程的無菌性是關鍵。一級種子罐所用種子是在種子組里經搖瓶培養完成的。

一級種子罐的接種在生產現場進行。受接種量和搖瓶等設備的限制，無法實現在線無菌管道接種；因此常采用以下接種方式[4]：

4.1.1 火焰保護接種法

火焰保護接種法適用性較強，既適用于搖瓶種子（種子帶有菌絲）或米孢子或斜面種子（種子有孢子顆粒）的種子接種，也適用于孢子懸浮液接種。接種時，打開蓋帽，在接種口圓盤或另設的圓環盤上加酒精點燃，對接種口周圍的空氣進行消毒，種子液則在酒精火焰的保護下倒入一級種子罐?；鹧姹Ｗo接種法接種管口如圖5所示。

圖5 火焰保護接種法接種管口結構

4.1.2 微孔壓差接種法

微孔壓差接種法主要適用于種子液為懸浮液，不含孢子顆粒和菌絲的情況，接種時將接種口上的接種帽或膠布揭開，用酒精等試劑對瓶塞（可用膠塞或丁基塞）進行擦拭消毒后接種，接種量較小時可采用大號注射器注射接種，接種量較大時可采用蠕動泵接種。微孔壓差接種法接種管口如圖6所示。

圖6 微孔壓差接種法接種管口結構

4.1.3 無菌車接種法

隨著空調潔凈技術的發展，無菌車是在生產過程中新發展的一種比較成熟的技術；將一個自帶風機和高效過濾器的移動無菌車，在接種時推到接種口附近，利用A 級層流使接種口周圍空間達到無菌狀態，再進行接種。此法適用于各種類型種子的接種，特別適用于接種量較大的場合；接種口既可以是種子罐上專用的接種口，也可以利用設備上的手孔或人孔兼作接種口，但對無菌車與罐體對接的密封性要求較高。無菌車接種法如圖7所示。

圖7 無菌車接種法示意圖

4.2 二級種子罐和發酵罐

二級種子罐和發酵罐是通過滅菌后的接種管道，利用壓差法實現現場在線無菌移種操作的。根據操作方式，接種管道可分為公用管道和接種站兩種方式。

4.2.1 公用管道

公用管道移種是利用一根總管將一級種子罐和二級種子罐，或二級種子罐和發酵罐連接在一起進行移種操作。平時沒有移種操作時，總管處于汽封狀態。公用管道移種流程如圖8所示。

圖8 公用管道移種流程

公用管道移種方式總管較長，但各個支管較短，管道總用量較少，車間管道布置也簡單；但是非端頭罐體移種時種子液易存留在總管中，造成種子液的浪費；各個閥門相距較遠，人員走動較多，操作不很方便；在進行滅菌操作時，所有支管根部與總管連接處易形成存料死角，若支管根部均設小排氣閥，則車間易有蒸汽彌漫現象。

4.2.2 接種站

接種站移種是將罐與罐之間的移種閥門集中在一起，各個移種支管均連接在一段較短的母管上進行移種操作。平時沒有移種操作時，母管處于汽封狀態。接種站移種流程如圖9所示。

圖9 接種站移種流程

接種站實現了移種的集中操作，減少了人員走動，操作更加方便；母管較短，種子液很少浪費，滅菌效果比較可靠；但每根支管都比較長，管道總用量較大，管道布置較為復雜，占用空間較多；接種站所有閥門應裝在母管上方，否則支管根部易存留種子液，造成污染。

接種管道閥門常選用帶小排氣閥的抗生素閥，或使用金屬閥體的隔膜閥，通過在底部打孔安裝小排氣閥實現無死角操作。另外，目前常在移種管道各個分支處使用三通隔膜閥或三通抗生素閥，這樣能較好解決支管根部死角的問題。

圖10 移種管道常用閥門

5 補料系統

5.1 補料管道系統

補料管道與移種管道類似，也可根據操作方式的不同，分為公用管道和補料分配站兩種方式。因為正常情況下補料系統管道內是一直充滿無菌物料的，所以補料系統總管或母管上不用專設滅菌蒸汽管道。補料系統一般隔一段時間利用補料罐底蒸汽大消一次，在管道末端設有排氣閥，保證滅菌時無死角，從而滿足補料系統的整體無菌要求。

圖11 公用管道補料流程

5.2 自動化補料執行機構

發酵罐流加補料系統一般通過自動化控制系統，在發酵培養周期內定時定量控制補料量。

流加補料系統采用專用的補料執行機構，該機構由具有耐酸堿、耐高溫消毒、不染菌、可靠性高等特點的入料開關閥、出料開關閥和計量罐組成。補料方式為由操作員在計算機上設置補料速率（如糖、油等的補料速率），計算機根據補料速率自動計算并轉化為等間隔的時間，完成入料、出料等一系列相關動作。補料執行機構示意圖圖12。

圖12 補料執行機構示意圖

圖13 現場補料架安裝圖

補料執行機構常用計量罐方式進行物料的計量，也有采用氣動閥門加流量計方式的。

大多數發酵生產過程是一個產酸過程，一般通過流加堿性物質，如氨水、液堿等來調節發酵液的pH 值。所加堿性物質經計量后通過進罐空氣管道壓入罐中，經過壓縮空氣的噴射作用，可以更均勻的分布到發酵液中。

6 壓縮空氣系統

根據發酵對壓縮空氣質量的要求，發酵用壓縮空氣制備工藝流程如下：

大氣→空氣過濾器→離心式空氣壓縮機（含中間冷卻器）→末冷卻器（除水去濕）→氣水分離器→廠區壓縮空氣管線→空氣加熱器→工藝用氣點前過濾器→工藝用氣點

發酵用壓縮空氣的制備常在專門的空壓站內進行?？諝饧訜崞靼惭b在發酵車間壓縮空氣入口處。

6.1 常用規格

壓力：0.22 MPa（表壓）～0.3MPa（表壓）；

相對濕度：<60%；

最大粒子尺寸：≤1.0μm；

最大含油量：≤0.01mg/m3；

溫度：40℃。

從空壓機出來的供發酵用壓縮空氣，壓力一般為0.22MPa（表壓）～0.3MPa（表壓），經過末級冷卻后，可認為是20℃的飽和濕空氣，進發酵車間之前一般要用0.3MPa（表壓）～0.6MPa（表壓）的飽和水蒸汽加熱，以降低壓縮空氣的相對濕度（一般要求小于60%），有利于過濾除菌。

空氣加熱器常用套管式和翅片式換熱器。套管式換熱器結構簡單，不易結垢，有利于發酵用壓縮空氣的潔凈要求，但傳熱系數較小，所需換熱面積較大，設備也較大；翅片式換熱器，相同換熱面積下設備體積較小，內部結構復雜，空氣阻力損失較大。

6.2 壓力確定

發酵用壓縮空氣的壓力根據培養罐壓、液位高度、過濾器（初效過濾、預過濾、精過率）壓降、空氣加熱器壓降、空壓站設備以及廠區輸送管路的壓降以及一定的富余量確定。

p=p罐+p位+p初+p預+p精+p加熱器壓降+p其它壓降+△p

6.3 用量

好氧發酵時發酵罐的通氣比常在（0.8～2）V/V/min，視品種而定。

Vm=γ·V1·η1

式中：Vm— 發酵罐壓縮空氣通氣量（Nm3/min）；

γ — 標準狀態下發酵罐的通氣比（V/V/min），一般取0.8～2；

V1— 發酵罐公稱容積（m3）；

η1— 發酵罐裝料系數（%），一般取75%～80%。

7 排氣系統

7.1 排氣流程

發酵排氣分為消毒排氣和培養排氣。

消毒排氣主要是在實消或空消時，滿足滅菌壓力要求后排掉的水蒸汽。另外，可能含有微量的培養基成分。

培養排氣主要是發酵培養過程的排氣。

傳統做法是發酵排氣經旋風分離器氣液分離后，液相經沉淀收集池打入污水處理設施，氣相認為已滿足環保要求，經旋風分離器的排氣口高空排放。

旋風分離器在發酵排氣系統中應用很廣泛。能夠較好的將發酵排氣進行氣液分離。旋風分離器進口氣速保持在10m/s～25m/s 范圍內為宜[5～6]。

7.2 尾氣處理裝置

在環保要求越來越高的今天，傳統的排氣流程也要逐漸改進。

微生物發酵過程中，需要通入大量的無菌空氣以提供微生物氧化消耗和帶走生長代謝過程中產生的少量二氧化碳、極少量的代謝廢氣和特有的異味氣體，另外，不可避免的會帶出微量發酵液成分。除氮氣和氧氣外，這些氣體大都是可溶于水的。將排氣收集后通過吸收裝置，能有效減少異味氣體的排放，減少對環境的污染。

常見的發酵尾氣處理流程如圖14所示。

圖14 發酵尾氣處理流程

根據排氣量和有害成分處理的難易程度，也可將氣體吸收裝置延伸為兩級。較常見的吸收裝置是噴淋塔，流程簡單，操作方便，只要根據發酵排氣性質選定吸收劑即可，但這種方法廢水量較大。

目前已有一些尾氣處理設備廠家開始研究活性炭吸附、低溫等離子催化以及光催化氧化等技術在發酵尾氣排放中的應用。此項技術的最大難點在于，一般的發酵排氣量都比較大，從每分鐘幾百立方米到幾千立方米都有，而且發酵排氣壓力一般較低，表壓在0.05 MPa～0.08 MPa，對設備的處理能力和動力要求較高。

8 結論

根據前文所述，可以得知傳統發酵原料藥工程發酵車間的一般特點：

（1）設備種類較多，為避免無菌物料染菌，對設備材質、內部拋光度等要求較高。

（2）工藝流程比較復雜，關鍵點的自動化程度較高。

（3）管道布置要求較高，管道穿越樓層較多；閥門及管件的選擇和設置要盡量減少死角與盲管。

（4）能耗較高，蒸汽、冷卻循環水、壓縮空氣及電等公用工程用量較大。

（5）產生廢水、廢氣較多，需經污水處理和洗氣處理之后再排放。

基于以上特點，在原料藥發酵車間工程設計中要合理確定車間布局，充分考慮發酵罐型式、管道布置、公用工程及三廢等各方面的細節要求，以減少物料染菌風險，提高勞動效率，降低生產能耗。

[1]中華人民共和國衛生部.藥品生產質量管理規范（2010年修訂），附錄2，第四十九條.

[2]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊.（第四版，上冊）[M].北京：化學工業出版社，2012,387.

[3]李向科,等.抗生素發酵液體培養基的滅菌動力學及工藝研究[J].醫藥工程設計，2013,34(1):8-16.

[4]高朋杰.生物發酵生產中一級種子罐接種方式設計[J].工程勘察設計與監理，2010,31(4):17-20.

[5]姚玉英.化工原理.（上冊）[M].天津：天津大學出版社，1999，152.

[6]俞俊棠.抗生素生產設備[M].北京：化學工業出版社，1982,61-77.