生物发酵系统与设备的URS

随着我国生物医药技术的蓬勃发展，生物发酵系统（也称为生物培养）项目越来越 多，无论是工业化大发酵，如抗生素原料药的发酵、氨基酸和有机酸（柠檬酸，乳酸）的发 酵、酶制剂、酵母或淀粉糖的发酵，还是各种生物疫苗、动植物细胞的发酵等。品种众多， 生产规模大小也不一，大到几百立方米容积， 小到几千升容积的发酵罐， 在项目的实施过程 中都要系统或设备的需求标准的建立。 对 URS 而言， 生物发酵系统设备的 URS 编写就越显其 重要性。 因此，如何切合生产实际、结合发酵的品种和培养工艺的要求，编写出既合理又实 用的 URS 是生物发酵系统项目能够顺利实施的第一步， 这也是生物发酵项目的招投标、 设备 制造、工程系统安装调试的基本依据条件。 1 1 生物发酵系统设备生物发酵系统设备 URSURS 的范围的范围 生物发酵系统设备的URS 文件可以分两个部分，即生物发酵主系统设备和与之配套 的辅助系统设备 （亦称发酵支持系统） 组成。 其中， 生物发酵主系统由菌种保存、 解冻复活、 移种、生物培养器（发酵罐）及其支持控制系统、培养基的配制与灭菌以及输送系统组成； 生物发酵的辅助系统是由与之相关联的工艺用水系统 （纯化用水及注射用水） 、无菌压缩气 体系统（空气，氮气，CO2气体等）、固液分离系统（如离心分离、膜过滤、板框过滤等）、 发酵液的收集系统、发酵液的贮存与冷藏等组成。 2 2 生物发酵主系统设备生物发酵主系统设备 URSURS 的编制依据的编制依据 2.1 发酵流程 生物发酵的过程是一组涉及多相、多组分、非线性的生物化学反应，也是一组群体 性的生物生长过程， 是人们把预先选定的微生物或动植物细胞在一组密闭的系统中按其生长 规律与生长发育条件的代谢过程，常见的流程见图1 。 2.2 GMP 对生物发酵设备的要求 结合GMP对设备的要求以及生物发酵本身的特点,在编制生物发酵系统设备URS文件 时应具备下列几个条件： (1)设备(发酵罐)的材质要求。与培养基(包括补料物质) 、发酵液(微生物、细菌、 疫苗、细胞等)相接触的材质必须是无毒性、耐腐蚀、不吸收上述物质、不与上述物质发生 化学反应的材料制成。经常选用的材料是316L、304L、304、316； (2)生物发酵罐因整个生物培养需在无菌条件下进行,罐体要有 SIP 过程,所以在制 作过程中应符合 《钢制压力容器》 (150-1998)、 《钢制压力容器焊接规程》 (JB/T4709-2000)、 《承压设备无损检测》(JB/T4730-2005)以及《压力容器安全技术监察规程》 等标准。同时， 发酵罐的内表面应光滑、无死角,防止积沉物料,发酵结束后易清洗灭菌； (3)生物发酵罐的外接件应坚持三个方便，即安装拆卸、清洗灭菌与操作维修方便, 并能承受高压蒸汽灭菌； (4)生物发酵罐在培养过程中涉及活性物质,因此须符合生物安全标准,既要做到防 止一切外界微生物的污染， 也要能防止发酵罐内的培养物质不污染周围环境。 因而，生物发 酵罐应该是一个密封性能良好的系统装置,其放空、排放罐内气体与液体等需经过滤装置除 去活性物质； (5)生物发酵罐应具备优良的传质/传热效果、优良的物料混合性能，以便于提供培 养物的最佳生长温度。在进行动物细胞培养时， 除了能充分混合均匀外， 又要做到不能打碎 动物细胞，以保证生物发酵培养过程的顺利进行。 2.3 培养工艺对生物发酵系统的要求 2.3.1 培养基的配制、灭菌和输送方式 生物发酵是一群生物体的生长繁殖过程，而培养基是提供给微生物或细胞生长、繁 殖并按一定比例配制而成的一组营养物质。 一个良好的合适的培养基配比是经过不断实践、调整与改进而筛选出来的最优化组 合，它的基本组分是由碳源、氮源、无机盐类（微量元素）等组成。培养基（包括发酵过程 中的补料物质）的理化性质、配制方式都应描述清楚，作为制订URS 文件的依据。 培养基配制后的灭菌方式是采用热力灭菌还是过滤除菌、配料罐的大小、搅拌型式 等也应一一描述出来。此外，配比后的贮存方式以及输送到下工序（种子罐，发酵罐）的方 式是用压缩气体输送、真空输送，还是采用泵输送，这些须在URS 文件中描 述。 2.3.2 生物发酵过程 编制生物发酵系统技术文件的基础是为了解生物发酵的过程。影响发酵过程的主要 因素如下，其应在 URS 文件中详细注明其控制范围和控制方式。 (1)温度对生物发酵过程的影响。温度是影响微生物或细胞生长发育的主要因素之 一， 大多数微生物或细胞的培养温度都是嗜中性的， 这要求对培养过程中发酵液的温度加以 控制。 根据不同品种及不同的生长阶段对发酵罐内的温度加以控制调节， 从而选择最适合的 培养温度，以利发酵过程的顺利进行。 (2)pH 对发酵过程的影响。发酵液的pH 值会直接影响微生物或细胞的生长与繁殖。 培养基的种类、微生物或细胞的代谢过程都会影响发酵液的pH 值。为了保障生物发酵的正 常进行，必须随时对发酵液中pH 进行调节与控制。方式有多种，可以直接加入酸碱进行调 节，也可以选择合适的培养基，或加入某些不影响发酵的缓冲剂进行调节。此外，pH 调节 方式及 pH 值控制范围的描述关系到生物发酵系统中pH 调节装置的配备。 (3)通气搅拌（溶解氧）对发酵过程的影响。对培养液进行通气搅拌直接关系到氧在 培养液中的溶解量，并影响发酵物的产量。对需氧发酵的品种而言， 必须在有氧的条件下才 能正常生长繁殖， 为了增加培养液中氧的含量， 须对培养液进行通气搅拌加速氧在培养液中 的溶解和传递。 微生物或细胞在不同的生长期对氧的需求量也不同， 用什么方式与如何调节 含氧量均应描述清楚。一般可以通过调节搅拌的转速和通气的流量，来加以控制。 (4)泡沫的产生对发酵的影响。 由于大量空气的通入并与培养液进行气液混合， 发酵 过程中的通气加上机械搅拌， 极易产生泡沫。 大量泡沫的产生不仅使发酵罐的装填系数降低， 而且能使发酵液从排气管或轴封处产生逃液现象， 相应产量减少，通气效果下降，抑制了生 物的生长与繁殖。 而这种以无菌空气和生物代谢时产生的气体为分散相， 以培养液为连续相 形成的泡沫， 可以用机械方式或加入化学消泡剂办法加以消除， 在编制文件时也应注明用什 么方式消除泡沫。 (5)中间补料对生物发酵系统的影响。 中间补料指的是在发酵过程中， 针对生物生长 的不同时期补充某些营养物质， 其可以满足生物生长繁殖的需要， 提高发酵的产量。中间补 料以补充碳源和能量物质， 如糖类(液化淀粉、麦芽糖、葡萄糖、乳糖等)、氮源（如酵母粉、 蛋白胨、尿素等）及微量元素（如磷酸盐，ZnSO4、CoCl2等），当然中间也有补水或补全料 （按培养基配比）。另外，中间补料方式有流加式或滴加式，这种方式兼用或单独使用。 (6)培养物（生物）的代谢对发酵过程的影响。 微生物或细胞在培养过程中在一系列 酶的作用下，不断地生长、发育、繁殖与增大，培养液中的成分也不断地变化。如何去掌握 这些因生物代谢而发生的变化？使生物发酵朝着有利于提高产量的方向发展， 可以通过分析 监控与调节细胞的数量（含量，效价，表达率等）、pH 值、糖的含量、氨基酸与氨氮的含 量、磷的含量以及细胞浓度与形态来加以控制。 (7)特殊要