第十四章設備和管道的清洗與殺菌第一節設備與管道的清洗與殺菌的目的和意義一、工業污垢的來源生產原料介質和產品冷卻介質微生物腐蝕產物…二、工業污垢的危害影響生產的正常運行：嚴重結垢、生產設備利用率低或富含營養物質的發酵液的殘留導致雜菌污染。雜菌消耗大量消耗營養基質和產物，使生產效率和收率下降。雜菌污染及其代謝產物會改變發酵液的物化及流變特性，妨礙產物的分離純化。雜菌直接以產物為基質，造成產物生成量銳減而導致發酵失敗。增加生產成本三、設備和管道清洗的目的維持正常生產，延長設備壽命提高生產能力，改善產品質量減少能耗，降低生產成本較少生產事故，利于身體健康改善設備外觀，凈化、美化環境第二節常用清洗方法與設備一、常用清洗劑工業用清洗劑絕大多數都是水溶液，生物工業及食品、制藥等行業所用溶劑水水質要求較高。

1．清洗劑理想的清洗劑應能溶解或分解有機物，分散固型物，具漂洗和多價螯合作用，而且還有一定的殺菌作用。但是至今仍未有一種單一的洗滌劑具有上述的所有性質，所以目前的清洗劑都是由堿或酸、表面活性劑、磷酸鹽或螯合劑等復配而成。

（1）堿和酸，燒堿溶液是很好的蛋白質和脂肪洗滌劑。硅酸鈉是良好的水溶液分散劑，對積垢的分散十分有效。另外，磷酸三鈉因為有良好的分散性和乳化性，使用也較普遍。（2）表面活性劑，為了有效發揮洗滌劑的作用，需添加表面活性劑以減小污垢的表面張力，使污垢物更易去除。表面活性劑可分成陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型等類型。表13-1列舉了一些用于清洗罐或管道的清洗劑配方。典型洗滌劑溶液配方應用場合罐CIP清洗系統用管道清洗用應用場合罐CIP清洗系統用管道清洗用0.1mol/LNaOH4.0硅酸鈉0.4磷酸三鈉0.2碳酸鈉1.2表面活性劑0.1硫酸鈉1.2三聚磷酸鈉1.0

2．消毒殺菌劑最常用的化學消毒劑是次氯酸鈉，近幾年，二氧化氯逐漸取代次氯酸鈉。雖然，次氯酸溶液對許多金屬包括不銹鋼都有腐蝕作用，但在PH=8.0～10.5的溶液中，及較低的溫度下，用50～200mg/L的氯濃度并盡量縮短與設備的接觸時間，可使腐蝕作用降到最小。

3．特殊清洗試劑在某些場合，需要把與有機物表面緊密結合的蛋白質分離洗脫出來，例如色譜分離柱樹脂的處理。這些樹脂易被燒堿等破壞。二、設備、管路、閥門等管件的清洗傳統的設備清洗方法是將設備拆卸后進行人工或半機械法清洗。這種方法勞動強度大，效率低。現代化生產已普遍采用CIP清洗系統（在位清洗），使清洗過程達到自動化或半自動化。但有些特殊設備還需用人工清洗。

1．管件和閥門下表是典型的管件清洗操作程序。

管件清洗的操作程序操作步驟清洗時間/min溫度℃操作步驟清洗時間/min溫度℃1．清水漂洗5～10常溫4．消毒劑處理15～20常溫2．洗滌劑洗滌15～20常溫～75℃5．清水漂洗5～10常溫3．清水漂洗5～10常溫

2．罐的洗滌對于小型罐，常用的方法是在罐內放入洗滌劑浸泡。對于大型罐，通常是在罐頂以一定的速度噴灑洗滌劑，通常使用的兩類噴射洗滌設備為球形靜止噴灑器和旋轉式噴射器。球形靜止噴灑器結構較簡單，價格較低，可提供連續的表面噴射，即使有一兩個噴孔被堵塞，對噴洗操作影響不大，還可自我清洗，但噴射壓力不高，噴射距離有限，所以對器壁的沖洗主要是沖洗作用而非噴射沖擊作用。

3．生物加工下游過程設備的清洗色譜分離柱的清洗有其特殊性。通常，填充的PHLC介質對堿較敏感，不能耐受NaOH等堿性洗滌劑，這時可用硅酸鈉代替。若色譜系統使用的是軟性介質，則只能在低壓力和流速下進行清洗。某些情況下（如在位沖洗）不能提供充足的清洗度時，應將填充基質卸下來再用洗滌劑浸泡洗滌。對錯流的微濾或超濾系統常使用CIP系統清洗。

4．輔助設備的清洗輔助設備（泵、過濾器、熱交換器）的清洗是比較簡單的，但也必須注意：（1）空氣過濾器和液體過濾裝置不易清洗干凈，必要時需用人工進行清洗。（2）無論何種熱交換設備，若是用于培養基的加熱或冷卻，換熱面上的結垢或焦化是很難避免的，也不易清洗。適當提高介質流速對減少此問題非常有效。

三、CIP清洗系統及設備CIP清洗系統有多種形式，傳統上是一種一次性洗滌系統，即消毒劑只供使用一次即舍去。一次性使用系統適用于那些貯存壽命短，易變質，不宜重復使用的消毒劑。一次性使用系統是較小型的固定的單元裝置，其結構示意圖如圖13-1所示。它包括一個含有進水孔及水平探針的罐和一臺離心泵用以驅動潔凈的洗滌劑的循環利用，并設有一噴射口以通入加熱蒸汽或添加經計量泵計量的洗滌劑。

一次性使用的CIP系統

1－過濾器；2－循環泵；3－噴射器；4－蒸汽進口；5－排污閥；6－洗滌劑貯罐若生產設備只用于生產單一產品，洗滌劑可重復利用，不僅節省洗滌劑用量，而且減少排污對環境的污染。洗滌劑重復利用系統如下圖所示。用循環回收水配置初洗滌液，可節省用水。配料罐內有換熱蛇管，用以加熱洗滌劑，用泵使洗滌劑循環。從貯罐中心取樣測量洗滌劑濃度以保證其正常值。需配置中和罐以備加酸中和堿性洗滌劑。洗滌劑重復利用的CIP系統1－濾器；2－環泵；3－鮮洗滌劑貯罐；4－用洗滌劑；5－水罐；6－回收水貯罐集一次性和循環使用于一體的混合系統是對罐和管道的CIP系統而設計的，由預定程式實行控制，如下圖。該系統包含洗滌劑及水的回收罐，循環泵，過濾器等。預洗用水使用回收水，用完后可直接排放或貯留一段時間以進行中間洗滌。洗滌劑可使用混合洗滌劑，如果需要，也可用化學洗滌劑。要確保洗滌溫度在預定的范圍內。洗滌劑及漂洗用水循環使用一定次數，當其所含的污臟物達到一定濃度后就不宜回收而需排放廢棄。

多次使用的CIP洗滌系統1－過濾器；2－循環泵；3－噴射器；4－混合加熱罐；5－洗滌劑罐；6－回用水回收罐清潔程度的確認

1．清潔程度的檢驗清潔程度檢驗系統和方法包括設備檢驗、操作檢驗和成效檢驗。設備安裝及操作期間的檢驗應是相應特定的，即處于手動狀態。執行清洗程序時進行檢驗，確證設備不同部位殘留的污臟物的去除、清洗程序的執行狀況，然后分析這些地方污臟物的各種殘留成分。

2．表面清潔規范無殘留固體污贓物或垢層；在良好光線下無可見污染物，且在潮濕或干燥的狀況下，表面均沒有明顯的氣味；手摸表面，無明顯的粗糙或滑溜感；把白紙印在表面后檢查無不正常顏色；在排干水后表面無殘留水跡；在波長340～380nm光線檢查表面無熒光物質。除上述檢驗外還應進行一些定量的檢查，主要是檢查蛋白質和細胞殘留物。蛋白質污臟物的檢測方法：先用標準濃度蛋白質溶液把表面潤濕后再干燥，置于某容器或管路中作試驗表面。然后按工藝規程對含上述試驗表面之容器或管路進行洗滌操作。洗滌過程結束后取出試驗表面并把水甩干去掉，把硝化纖維紙壓在表面上以吸收蛋白質殘留，把消化纖維紙浸入考馬斯亮藍溶液后放入醋酸溶液中，過夜，根據藍色的深淺，確定蛋白質殘留情況。

致熱物質的檢測也是必要的，傳統試驗方法是動物試驗，通常往試驗兔子體內注入一定量的熱原試樣并檢測其體溫的升高，再根據預先繪制的標準曲線查出其濃度。近年，出現了LAL（Limulusamoebocytelysate）檢驗法，可檢出10-7低濃度的內霉素。最后，還必須檢查最終漂洗結果，常用方法是將一滴酚酞試劑滴在漂洗過的樣本表面，若試劑變紅則表明存在NaOH殘留。第三節設備及管路的殺菌一、概述蒸汽加熱滅菌方法是最普遍的殺菌方法，加熱滅菌可把微生物細胞及孢子全部殺死。對于一個優良的蒸汽滅菌系統，加熱時間和溫度是最重要的兩個參數，常用的經驗數據，如下表所示。實驗室常用的三角瓶等玻璃儀器及小量的培養基殺菌常用0.1的飽和蒸汽（表壓）即121℃下滅菌15min。管路的殺菌，一般用121℃、30min，而較小型的發酵罐約需45min，若是大型而復雜的發酵系統則需1小時。系統越大，其熱容量也越大，熱量傳遞到其中的每一點所需的時間也就越長。蒸汽殺菌溫度和時間（MRC建議）殺菌溫度121126134所需時間(min)15103設備用蒸汽滅菌，通常選擇0.15～0.2的飽和蒸汽，這樣即可較快使設備和管路達到所要求的滅菌溫度，又使操作較安全。當然，對于大型設備和較長管路，可用壓強稍高的蒸汽。此外，滅菌開始時，必須注意把設備和管路中存留的空氣充分排盡，否則造成假壓而實際滅菌溫度達不到工藝要求。對于哺乳動物細胞培養，蒸汽必須由特制的純蒸汽發生器產生，并經不銹鋼管道輸送，因普通的鋼制蒸汽設備有鐵銹等雜質，可能污染產品或成為微生物的營養源。為確保蒸汽加熱滅菌高效、安全，應確保設備的所有部件均能耐受130℃高溫。為減少死角，盡可能采用焊接并把焊縫打磨光滑要避免死角和縫隙。若管路死端無可避免，要保證死端的長度不大于管徑的6倍，且應裝置一蒸汽閥以用蒸汽滅菌。盡量避免在滅菌和非滅菌的空間只裝設一個閥門，以保證安全。所有閥門均應利于清洗、維護和殺菌，最常用的是隔膜閥。設備的各部分均可分開滅菌，且需有獨自的蒸汽進口閥。二、發酵罐及容器的滅菌發酵罐或容器的滅菌都有一定的耐壓耐溫要求，要求能承受0.15kPa飽和蒸汽的滅菌。罐和容器在使用前必須進行耐壓和氣密性實驗。檢查方法是：保持溫度不變，檢查壓強是否恒定，可檢查罐的壓強是否改變來確定是否存在滲透。檢測氣壓的壓力表罐體連接管應盡量短，同時盡可能裝置小蒸汽閥以確保滅菌徹底。1、空氣分布器的蒸汽

滅菌管路布置2、浸沒管路與旁路進口管的殺菌布管3、容器的排料系統蒸汽殺菌罐和容器的排料口設在最低點，首先能徹底干凈排出料液，同時便于清洗、排污及滅菌。罐排料管蒸汽滅菌管路配置如圖。罐內通氣滅菌過程時，閥門A、C和F開啟，閥門B、D和F關閉。此管路配置既可保證罐能正常通氣加熱殺菌又能使閥門A、B和C經受徹底的通氣殺菌，雜菌要侵入，必須經過兩個閥座才能進入罐中，這樣的配管有利于罐系統的無菌保證。

4、罐的CIP清洗體統蒸汽殺菌配管自動化清洗系統（CIP）清洗系統的蒸汽滅菌配管如圖所示。(CIP系統蒸汽滅菌管路配置)在蒸汽加熱滅菌過程中，閥門B和C打開，閥A關閉，故整套清洗噴灑頭裝置均可經受徹底的蒸汽加熱滅菌過程。

5、發酵罐攪拌器密封裝置的蒸汽滅菌配置三、空氣過濾器的殺菌空氣過濾器用來過濾除去空氣中的微生物為生物生產過程提供無菌空氣。空氣過濾器主要有兩大類，一種是纖維介質或帶有微孔的金屬、塑料等，另一種為膜式，現在膜式過濾器的應用越來越廣。過濾器的殺菌主要是采用飽和干蒸汽。

四、管道和閥門的殺菌隔膜式閥門如圖所示是使用最為廣泛的一種閥門，隔膜閥蒸汽加熱殺菌有3種方法。①蒸汽直接通過閥門，閥門與管路均充滿蒸汽，可保證殺菌徹底，這是最佳的方式。②利用隔膜閥上的取樣和排污小閥門，通入蒸汽或放出蒸汽冷凝水，使隔膜兩邊充分滅菌。③是確保閥門接管的盲端管長與管徑之比不大于6倍，且必須保證管內不積存冷凝水。這種方法容易發生滅菌不徹底。隔膜閥的結構簡圖在殺菌過程中每個罐及其管道盡可能分開滅菌，如圖13-10所示。滅菌時，關閉閥A和F，依次打開閥E、D、B和C，最后開啟蒸汽閥，通入蒸汽滅菌。滅菌結束，先關閉閥E然后關閉閥C