生物發(fā)酵工藝系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循的幾項指導(dǎo)原則——ASME BPE SD-5“工藝系統(tǒng)”的介紹與解讀

金永保 曹燕秋 周立法

（森松集團(tuán)（中國），上海201323）

0 引言

隨著近20年來我國醫(yī)藥工業(yè)的蓬勃發(fā)展，“生物醫(yī)藥”作為一門新興產(chǎn)業(yè)早已為人們所重視。生物發(fā)酵（反應(yīng)）指的是從工程菌或工程細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)，一直到產(chǎn)品的分離、純化的過程。其中，生物發(fā)酵罐（器）作為設(shè)備是化學(xué)工程的一個分支，它涉及到“潔凈流體的輸送與混合”、“熱量的傳遞”、“物質(zhì)的傳遞”等一系列化工原理和過程。在發(fā)酵（培養(yǎng)）的過程中，無論是懸浮培養(yǎng)，還是采用微載體培養(yǎng)，既要保持一個無污染的純種培養(yǎng)環(huán)境，又要充分保證培養(yǎng)過程中氧的供給。不管使用的是機(jī)械攪拌，還是氣升式攪拌，都要使罐內(nèi)的流體充分均勻混合，既保障“傳熱”、“傳質(zhì)”過程的順利進(jìn)行，又不損傷嬌嫩的工程菌或工程細(xì)胞。

在生物培養(yǎng)界定的潔凈無菌區(qū)范圍內(nèi)所有的設(shè)備、零部件、系統(tǒng)等都應(yīng)按衛(wèi)生級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、制造和安裝調(diào)試。本文依據(jù)ASME BPE SD-5對其應(yīng)遵循的幾項準(zhǔn)則作一介紹與描述。

1 生物發(fā)酵工藝上游系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 生物反應(yīng)器和發(fā)酵罐

在本文中，“發(fā)酵罐”和“生物反應(yīng)器”兩詞可互換。生物反應(yīng)器或發(fā)酵罐是一套用于微生物、植物、哺乳動物或昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)的罐體系統(tǒng)。

在生物反應(yīng)器的無菌范圍或區(qū)域內(nèi)，應(yīng)被設(shè)計成可清洗和能夠控制生物負(fù)荷的系統(tǒng)。生物反應(yīng)器界定的無菌范圍或區(qū)域應(yīng)至少包括以下范圍，如圖1、圖2所示。

圖1 發(fā)酵罐的無菌界定范圍

圖2 生物反應(yīng)器的無菌界定范圍

（1）罐體內(nèi)部。

（2）從過濾元件到罐體及任何已安裝的隔斷閥之間的進(jìn)氣管道。當(dāng)有串聯(lián)的冗余無菌級過濾器時，離反應(yīng)器罐體最遠(yuǎn)入口的過濾器元件作為無菌區(qū)域的分界面。

（3）從罐側(cè)的排放過濾器到罐體及任何已安裝的隔斷閥之間的排氣管道。當(dāng)有串聯(lián)的冗余無菌級過濾器時，離反應(yīng)器罐體最遠(yuǎn)的排放過濾器元件作為無菌區(qū)域的分界面。

（4）攪拌組合件，包括槳葉的所有表面以及攪拌軸和直接與物料接觸的機(jī)械密封部件。

（5）供料及補(bǔ)料系統(tǒng)，包括從罐體到離生物反應(yīng)器罐體最近的隔斷閥閥座。如果原材料是經(jīng)過過濾除菌的，則應(yīng)包括從罐體到無菌級過濾元件。

（6）取樣系統(tǒng)。

（7）產(chǎn)品收獲系統(tǒng)，包括從罐體到離生物反應(yīng)器罐體最近的隔斷閥閥座。

生物反應(yīng)器由若干零部件組合構(gòu)成。對于可能與工藝物料接觸的零部件，在設(shè)計時需要考慮可以清洗和對生物負(fù)荷的控制。

生物反應(yīng)器的潔凈和無菌設(shè)計需要考慮系統(tǒng)的生物安全等級要求。在進(jìn)行生物反應(yīng)器設(shè)計時，需遵從國家衛(wèi)生機(jī)構(gòu)規(guī)定的生物安全等級要求，而遵從生物安全等級要求需基于微生物、工藝、產(chǎn)品以及使用者的選擇。對于特定的生物安全等級要求，需在生物反應(yīng)器的部件設(shè)計時考慮到某些特殊工況（如蒸汽保壓）。如果生物反應(yīng)器是用于培養(yǎng)具有生物危害性的有機(jī)物，則需采取措施，在CIP之前凈化物料接觸表面，或抑制及凈化CIP用過的流體。

生物反應(yīng)器罐體應(yīng)根據(jù)業(yè)主提供的設(shè)計參數(shù)確定壓力、真空度以及溫度等級。罐體需根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆睢⒁?guī)程及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計制造、測試、檢查和蓋章驗收。

在劃定的無菌區(qū)域范圍內(nèi)需考慮CIP設(shè)計。對于無法進(jìn)行CIP的部件，則應(yīng)設(shè)計為離線手工清洗或更換。

在劃定的無菌區(qū)域范圍內(nèi)需考慮SIP設(shè)計。對于無法進(jìn)行SIP的部件，則應(yīng)設(shè)計為可以放進(jìn)滅菌柜內(nèi)進(jìn)行蒸汽滅菌，并且在零部件重新與生物反應(yīng)器系統(tǒng)連接時，采取額外的措施對界面進(jìn)行滅菌（如蒸汽保壓）。放入滅菌柜滅菌的零部件，應(yīng)能夠耐受蒸汽滅菌，零部件上的橡膠或聚合物不會因此發(fā)生老化。

1.2 進(jìn)氣組合件

進(jìn)氣組合件是指能夠?qū)M(jìn)入生物反應(yīng)器的濾后氣體進(jìn)行定量輸送的管道組合件。該組合件包含但不限于以下的內(nèi)容。

1.2.1 氣體流量控制裝置

（1）流量控制裝置（如轉(zhuǎn)子流量計、質(zhì)量流量控制器以及調(diào)節(jié)控制閥）盡量安裝在無菌區(qū)域外部。在設(shè)計時需考慮防護(hù)措施，以避免在進(jìn)行SIP時或氣體回流時造成儀表損壞。

（2）流量控制裝置應(yīng)量程合適，避免造成真空，或者設(shè)置旁路，以維持罐內(nèi)正壓。

1.2.2 進(jìn)氣過濾組合件

（1）進(jìn)氣過濾器是指安裝在合適材質(zhì)濾殼內(nèi)的濾芯，安裝進(jìn)氣過濾器應(yīng)盡量靠近生物反應(yīng)器。

（2）在SIP時，進(jìn)氣過濾組件應(yīng)能排出殘留空氣及冷凝物。

（3）如果有進(jìn)氣過濾器組合件串聯(lián)，則最靠近生物反應(yīng)器的過濾器應(yīng)視為無菌過濾器。

（4）過濾器應(yīng)能進(jìn)行在線或離線完整性測試。

（5）如果濾殼設(shè)計在清洗循環(huán)內(nèi)，在清洗介質(zhì)進(jìn)入前應(yīng)把濾芯拆除。

（6）氣體過濾器應(yīng)安裝在生物反應(yīng)器液位以上的位置。

1.2.3 氣體分布噴射組件

（1）噴射器通常指安裝在攪拌槳葉以下，用于在帶料的生物反應(yīng)器內(nèi)將氣體分布均勻的機(jī)械裝置。適用于安裝在生物反應(yīng)器內(nèi)，為了工藝所需將一些氣流引入罐內(nèi)的噴槍、噴桿、噴環(huán)以及其他裝置，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

（2）氣體分布噴射器應(yīng)設(shè)計成能與罐體一起進(jìn)行SIP的結(jié)構(gòu)型式。

圖3 氣體分布噴射組件——噴氣桿

圖4 氣體分布噴射組件——燒結(jié)式氣體分布頭

圖5 氣體分布噴射組件——環(huán)形氣體噴射環(huán)

圖6 氣體分布噴射組件——單孔式氣體噴射桿

（3）氣體分布噴射器應(yīng)能CIP。如果噴射組件不能被CIP，則該噴射裝置應(yīng)能移出反應(yīng)器外做離線清洗或替換。

（4）可移出氣體分布噴射器應(yīng)確保安裝方位與設(shè)計時一致。

（5）如果生物反應(yīng)器是帶料滅菌（即實罐滅菌），則SIP蒸汽應(yīng)通過噴射裝置進(jìn)入。

（6）對于多孔的噴射裝置的CIP需要格外重視。應(yīng)評估該裝置能否被CIP，以及在CIP不可行時，該裝置能被移出罐外進(jìn)行清洗或替換。

（7）所有能被浸濕的表面應(yīng)有坡度，能夠通過自重排凈。

（8）如果在無菌區(qū)域內(nèi)的管道上安裝了止回閥，該止回閥也應(yīng)能CIP和SIP。

1.2.4 進(jìn)氣管道

（1）氣封管道是指將過濾后的氣體引入罐體頂部空間的管道。

（2）在無菌區(qū)域內(nèi)的進(jìn)氣管道（用于噴射或氣封）應(yīng)滿足SD-3.1.2要求。

（3）在無菌區(qū)域內(nèi)的進(jìn)氣管道應(yīng)滿足ASME BPE中GSD3等級的坡度要求。

1.3 排氣組合件

排氣組合件是指用于維持無菌區(qū)域內(nèi)的無菌和壓力完好性的管道組合件。該組合件包含但不限于以下的內(nèi)容。

1.3.1 排氣過濾器

（1）排氣過濾器是指安裝在合適材質(zhì)的濾殼內(nèi)的過濾元件。

（2）排氣過濾器應(yīng)能進(jìn)行SIP。濾殼的安裝應(yīng)能SIP，且避免冷凝物聚集在濾芯內(nèi)。

（3）如果有冗余無菌級排氣過濾器串聯(lián)，則離生物反應(yīng)器最遠(yuǎn)的過濾器級別不得低于0.2 μm。另外，兩級過濾器之間應(yīng)有排放冷凝的裝置。

（4）設(shè)計時需考慮CIP。在無法CIP時，要考慮移除做離線清洗。

（5）需考慮對排氣過濾器進(jìn)行完整性測試。

（6）在清洗介質(zhì)進(jìn)入排氣組合件前應(yīng)把濾芯拆除。

（7）為了避免排氣過濾器被冷凝物堵塞，排氣組合件有時需要增設(shè)排氣冷凝器（圖7）、排氣加熱器（圖8）、蒸汽夾套和濾殼帶電加熱護(hù)套（圖9）。這些部件需要考慮SIP和CIP。

圖7 排氣過濾器系統(tǒng)中的冷凝器

圖8 排氣過濾器系統(tǒng)中的加熱器

圖9 濾殼帶電加熱護(hù)套

1.3.2 排氣管道

（1）在無菌區(qū)域內(nèi)的排氣過濾器應(yīng)滿足SD-3.1.2的相關(guān)要求。

（2）在無菌區(qū)域內(nèi)的排氣管道應(yīng)滿足ASME BPE中GSD3的坡度等級要求。

（3）生物反應(yīng)器的排氣管道的設(shè)計，應(yīng)確保工藝系統(tǒng)下游管道無冷凝物沉積。

1.4 生物發(fā)酵的管道系統(tǒng)

1.4.1 進(jìn)料管道

進(jìn)料管道指適用于液體物料（如pH調(diào)節(jié)劑、消泡劑、培養(yǎng)液、營養(yǎng)液以及接種物等）進(jìn)入生物反應(yīng)器的管道系統(tǒng)。

（1）進(jìn)料管道應(yīng)設(shè)計合適的管道系統(tǒng)，以便生物反應(yīng)器和進(jìn)料管道自身的CIP和SIP。進(jìn)料管道的CIP和SIP既可以與生物反應(yīng)器分開單獨進(jìn)行，也可以同時進(jìn)行。

（2）在發(fā)酵過程中若對進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行CIP，則應(yīng)考慮有效措施可以避免CIP液體和物料間的交叉污染。

（3）閥門和管道的方位應(yīng)能滿足在CIP和SIP過程中的全排凈。

1.4.2 內(nèi)伸管（內(nèi)置管道）

內(nèi)伸管指所有生物反應(yīng)器管口在罐內(nèi)的管道延伸部分。

（1）生物反應(yīng)器內(nèi)伸管應(yīng)滿足SD-3.4.2的要求。

（2）可移出的內(nèi)伸管應(yīng)用衛(wèi)生級管件連接，可移出的內(nèi)伸管應(yīng)確保安裝方位與設(shè)計時一致。

（3）所有能被物料浸濕的表面應(yīng)有坡度，能夠進(jìn)行重力排凈。

（4）SIP操作應(yīng)引導(dǎo)或平衡蒸汽分配，以便管道內(nèi)達(dá)到滅菌溫度，在滅菌保壓階段能維持該溫度。

（5）如果生物反應(yīng)器帶料滅菌（指實罐滅菌），內(nèi)伸管道應(yīng)插入到工作液位以下，SIP操作應(yīng)通過內(nèi)伸管將蒸汽通入罐內(nèi)。

（6）生物反應(yīng)器的內(nèi)伸管應(yīng)能進(jìn)行CIP或COP。

（7）如果進(jìn)行CIP時，內(nèi)伸管裝在罐內(nèi)，則內(nèi)伸管的內(nèi)外表面都應(yīng)能被清洗干凈。

1.4.3 出料閥/罐底出口閥

出料閥/罐底出口閥指所有安裝在罐體底部封頭的閥門。

（1）罐底出口閥應(yīng)可排凈，安裝后可確保生物反應(yīng)器內(nèi)物料的完全排空。

（2）生物反應(yīng)器出料閥應(yīng)能SIP以及CIP或COP。

1.5 發(fā)酵罐體內(nèi)的其他組合件

1.5.1 攪拌組合部件

攪拌組合部件指安裝在生物反應(yīng)器內(nèi)的機(jī)械攪拌組合部件，用以實現(xiàn)單一或多重混合單元操作（如物料混合、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞以及固體懸浮）。

（1）攪拌裝置推薦使用雙端面機(jī)械密封或磁力連接型式，用于將罐內(nèi)物料與外界隔離。

（2）攪拌密封或磁力連接部件應(yīng)可被CIP和SIP。

（3）設(shè)計時應(yīng)考慮攪拌槳葉與物料接觸面的清洗，可考慮增加噴射元件，以實現(xiàn)清洗全覆蓋。

（4）罐底安裝的攪拌應(yīng)不會對罐內(nèi)物料的完全排盡造成影響。

1.5.2 機(jī)械消泡組合件

機(jī)械消泡組合件指安裝在罐內(nèi)的用于減少或消除在生物反應(yīng)器內(nèi)所產(chǎn)生泡沫的機(jī)械消泡裝置。

（1）消泡裝置推薦使用雙端面機(jī)械密封或磁力連接型式，用于將罐內(nèi)物料與外界隔離。

（2）消泡裝置密封或磁力連接部件應(yīng)可被CIP和SIP。

1.5.3 罐體內(nèi)部盤管組件和擋板

（1）應(yīng)盡量避免內(nèi)部盤管的使用。

（2）如使用內(nèi)部盤管，盤管的物料接觸界面應(yīng)可被CIP和SIP。

1.5.4 噴淋球/裝置/桿

噴淋球/裝置/桿指安裝在生物反應(yīng)器罐體內(nèi)，用于在進(jìn)行CIP時分配清洗液的清洗球/裝置/桿。

（1）如果生產(chǎn)時不取出，則需考慮噴淋裝置可以被SIP。

（2）SIP操作應(yīng)引導(dǎo)或平衡蒸汽分配，以便在噴淋裝置內(nèi)達(dá)到滅菌溫度，以及在滅菌保壓階段維持該溫度。

（3）噴淋裝置應(yīng)安裝在生物反應(yīng)器內(nèi)的操作液位以上，除非該噴淋裝置同時作為氣體分布噴射頭使用。

（4）如果生物反應(yīng)器是帶料滅菌（指實罐滅菌），并且噴淋裝置延伸到液位以下或是安裝在液位以下，則SIP蒸汽應(yīng)通過噴淋裝置進(jìn)入罐內(nèi)。

1.5.5 儀表

（1）安裝在無菌區(qū)域內(nèi)的儀表應(yīng)可被SIP。同時，儀表應(yīng)能被移出校驗。

（2）無菌區(qū)域內(nèi)的儀表應(yīng)可被CIP或移出COP。如果采用COP，則應(yīng)使用盲板或塞子使系統(tǒng)與外界隔斷，以保證系統(tǒng)的完整性。

（3）溫度感應(yīng)元件應(yīng)安裝在套管內(nèi)。帶在線套管的管道應(yīng)尺寸適中，以保證足夠的蒸汽和冷凝流量。

1.6 細(xì)胞破碎器

（1）與工藝物料接觸的材料應(yīng)不影響物料的品質(zhì)或完整性。

（2）該裝置需充分考慮排凈能力。

（3）部件應(yīng)不會有脫落。

（4）在保證系統(tǒng)的完整性和安全性的同時，安全爆破片的安裝應(yīng)確保排凈能力。

（5）細(xì)胞破碎裝置應(yīng)便于拆卸，以便進(jìn)行COP。

1.7 離心機(jī)

（1）離心機(jī)內(nèi)部所有與物料接觸的表面應(yīng)都可以很容易被CIP和SIP的流體全覆蓋，并且容易進(jìn)行檢查。

（2）對于無法進(jìn)行CIP或SIP的離心機(jī)，應(yīng)便于拆卸和安裝以便清洗和檢查。

（3）使用者應(yīng)告知制造商清洗要求以及生物負(fù)荷控制方法（如溫度、壓力、化學(xué)物）。

（4）所有的縫隙和角落等應(yīng)能易于目視檢查及清洗。

（5）凡與工藝物料接觸的地方，不應(yīng)使用內(nèi)六角圓柱頭螺釘。

（6）物料接觸區(qū)域不允許使用潤滑軸承。

（7）離心機(jī)制造商應(yīng)盡量減少不必要的積塵區(qū)域，這些區(qū)域是指螺紋、部件區(qū)間、縫隙等。同時，離心機(jī)制造商應(yīng)指明所有經(jīng)常及偶爾需要額外手動清洗的區(qū)域。

1.8 與物料接觸表面的處理（工藝接觸/潤濕表面）

（1）表面處理說明應(yīng)遵從ASME BPE的SF和MJ部分的規(guī)定。

（2）使用者和制造商應(yīng)對不同部分的表面處理要求達(dá)成一致。機(jī)械零件或部件的表面處理應(yīng)由制造商說明，并得到使用者的認(rèn)可。

（3）在小零部件裝配進(jìn)入大部件之前，應(yīng)確保可以進(jìn)行檢查。應(yīng)采取措施加強(qiáng)機(jī)械表面的可清潔能力，如傾斜、排凈、電拋或其他方法。

2 生物發(fā)酵下游工藝系統(tǒng)

2.1 過濾液的過濾

（1）所有能被液體潤濕的表面應(yīng)易于清洗和檢查。

（2）過濾器的濾殼應(yīng)可被完全排空和排凈。T型液體過濾器濾殼應(yīng)垂直安裝，I型放空過濾器濾殼應(yīng)垂直安裝，并應(yīng)有向下的冷凝/排放口（圖10）。

圖10 發(fā)酵罐/反應(yīng)器的排空過濾器安裝圖

（3）所有管口連接應(yīng)采用衛(wèi)生級設(shè)計。

（4）當(dāng)使用擋板時，其應(yīng)可清洗和SIP。

（5）濾殼、管板、端板的連接設(shè)計應(yīng)防止物料繞道流通。

（6）部件的內(nèi)部縫隙應(yīng)能輕易拆卸，以便進(jìn)行清洗。

（7）用于熱工藝的排空過濾器應(yīng)帶伴熱或蒸汽夾套。應(yīng)考慮其他措施，如放空加熱或冷凝，以防止水汽在排空過濾器內(nèi)聚集。

2.1.1 過濾系統(tǒng)的清洗

（1）設(shè)計有在線清洗功能的過濾系統(tǒng)應(yīng)按照SD-2.4.2進(jìn)行設(shè)計。

（2）切向流過濾元件應(yīng)能隨系統(tǒng)一起重復(fù)使用和清洗。

（3）直流過濾元件通常不重復(fù)使用，并且在清洗操作時不安裝。

2.1.2 消毒與滅菌

使用者負(fù)責(zé)基于單元操作需要的生物負(fù)荷控制，并提出滅菌要求。所有的部件和過濾元件要么可以與選定的無菌消毒劑或工況相容，要么可以在滅菌工藝中蒸汽流經(jīng)系統(tǒng)時移出或隔離。

（1）化學(xué)消毒：化學(xué)消毒時設(shè)備應(yīng)確保凡與物料接觸的表面能與消毒劑接觸。

（2）高溫消毒或滅菌：使用者應(yīng)指定高溫消毒或滅菌時的溫度、流向以及不同的壓力。應(yīng)考慮到過濾元件的特性不會受到高溫滅菌工藝的影響。

2.2 微濾/超濾系統(tǒng)

（1）應(yīng)確保過濾模塊中的泵在生產(chǎn)和CIP時都可以處于湍流狀態(tài)；所有的工藝管道部件，包括管道、管件以及流體部件都應(yīng)有坡度以便排凈；對于系統(tǒng)的所有低點都應(yīng)設(shè)置排放口；推薦在系統(tǒng)模塊中采用集中排放。

（2）管道和設(shè)備的截留量應(yīng)最小。

（3）超濾濾殼應(yīng)能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全排凈。

2.3 層析系統(tǒng)

層析系統(tǒng)是指層析管道模塊，并不包含相關(guān)的層析柱。

2.3.1 清洗與滅菌

層析系統(tǒng)應(yīng)能在線清洗，系統(tǒng)應(yīng)按照SD-3.1進(jìn)行設(shè)計，除非得到使用者和制造商的認(rèn)可。

化學(xué)消毒（滅菌）：化學(xué)消毒工藝用來降低生物負(fù)荷。系統(tǒng)部件的所有與物料接觸的表面，要么可以與選定的無菌消毒劑相容，要么可以在滅菌時移出或隔離。層析系統(tǒng)通常是通過浸泡消毒液的方式來維持對生物負(fù)荷的控制。

2.3.2 高溫消毒滅菌

層析系統(tǒng)也有可能進(jìn)行高溫滅菌。然而，因為層析柱一般不能耐高溫消毒，所以通常層析系統(tǒng)也不具備高溫滅菌的條件。如果系統(tǒng)需進(jìn)行高溫消毒，則部件需據(jù)此工況設(shè)計，或在進(jìn)行消毒工藝時移出或隔離。注意當(dāng)部件在消毒時被移出，則這些部件應(yīng)分別滅菌，并在可控環(huán)境下重新安裝，以避免污染系統(tǒng)。

3 工藝支持系統(tǒng)

3.1 蒸汽滅菌機(jī)/高壓蒸汽滅菌器

高壓蒸汽滅菌器和蒸汽滅菌機(jī)是同義詞。本章節(jié)描述的要求是針對使用在生物工藝領(lǐng)域，用于硬質(zhì)、干包裝以及液體材料的蒸汽滅菌的高壓蒸汽滅菌器。高壓蒸汽滅菌器的腔體是壓力容器，根據(jù)使用者的設(shè)計條件確定壓力和溫度，最小壓力設(shè)定為0.17 MPa、130℃，腔體也需耐受真空。

對于在歐洲市場使用的系統(tǒng)，高壓蒸汽滅菌器也要遵從壓力容器規(guī)程PED 97/23/EC或EN-285。當(dāng)高壓蒸汽滅菌器在BSL-3和BSL-4應(yīng)用時，可能會對生物密封有特殊要求。對于這些特殊情況請參考微生物和醫(yī)學(xué)實驗室生物等級（BMBL）和疾病控制中心（CDC）指南。

本章節(jié)不包含巴氏消毒器、ETO（環(huán)氧乙烷）、VHP（汽化過氧化氫）或者ClO2（二氧化氯）類型的滅菌設(shè)備。

3.2 生物發(fā)酵工藝系統(tǒng)的C I P設(shè)計

本章節(jié)包含以下定義：

（1）在線清洗（CIP）系統(tǒng)：用于向待清洗的設(shè)備配制、分配、運輸和隨后排出清洗劑的系統(tǒng)。

（2）CIP周期：包含潤濕、清洗和氣吹步驟的用于清洗待清洗設(shè)備的執(zhí)行方案。

（3）CIP線路：在一個工藝單元操作中作為單獨CIP循環(huán)部分的路徑的總和。

（4）CIP路徑：在一個CIP循環(huán)過程中，與清洗劑/潤濕水接觸的具體目標(biāo)（如噴射裝置路徑、接種管線路徑、添加管線路徑）。在一個環(huán)路中的多條路徑可以同時被清洗。

所有CIP系統(tǒng)環(huán)路中的零部件（如過濾器濾殼、泵、罐、換熱器、轉(zhuǎn)移板、儀表、閥門、管道）應(yīng)可清洗、可排凈，應(yīng)按照ASME BPE的相應(yīng)章節(jié)來對所有與物料接觸的地方進(jìn)行合理的衛(wèi)生級設(shè)計。

3.2.1 生物發(fā)酵CIP系統(tǒng)運行能力的描述

（1）CIP系統(tǒng)應(yīng)能以一種可驗證且可重復(fù)的方法，將清洗劑輸送至待清洗的設(shè)備后可全排盡。

（2）CIP系統(tǒng)應(yīng)能按照使用者確定的驗收標(biāo)準(zhǔn)將工藝污染物清除。

（3）CIP系統(tǒng)應(yīng)能將清洗化學(xué)物清除至最終潤洗溶液的可驗證的數(shù)值。

3.2.2 生物發(fā)酵CIP系統(tǒng)功能性的描述

CIP系統(tǒng)是一個能正確地包含以下集成部件的分配系統(tǒng)：

（1）CIP模塊（CIP配制設(shè)備）用來配制清洗劑。CIP模塊應(yīng)能向待清洗設(shè)備輸送清洗水、注入清洗化學(xué)物、加熱和供應(yīng)清洗劑。該模塊也能將清洗周期中加入的所有殘留清洗化學(xué)物清除。

（2）CIP分配設(shè)備能夠向待清洗設(shè)備輸送清洗劑。分配設(shè)備也能根據(jù)需要將清洗劑送回至CIP模塊。

（3）噴淋裝置（如需）用來使清洗劑覆蓋被清洗工藝設(shè)備的表面。

（4）儀表和控制架構(gòu)（如需）用來通訊、檢測和同步記錄CIP周期以及顯示CIP可變量。

以下清洗可變量在CIP系統(tǒng)和CIP周期的設(shè)計中應(yīng)充分考慮：

（1）與清洗和潤濕劑的暴露時間（接觸時間）；

（2）清洗和潤濕劑的溫度；

（3）清洗劑的化學(xué)成分；

（4）流體力學(xué)及流場分析。

CIP系統(tǒng)應(yīng)能直接或間接（檢測和記錄）控制以下CIP變量：

（1）CIP周期計時的測定、記錄與控制；

（2）清洗中的路徑（如閥門位置顯示、壓力/流量證明、手動設(shè)置證明）；

（3）CIP供應(yīng)溫度（或回流溫度）；

（4）電導(dǎo)率、添加的清洗化學(xué)物的量或清洗劑的清洗化學(xué)物成分；

（5）最終沖洗的電導(dǎo)或殘留的清洗化學(xué)物成分；

（6）CIP供應(yīng)流量；

（7）總計流量（如果未檢測時間）；

（8）CIP供應(yīng)壓力；

（9）噴淋裝置旋轉(zhuǎn)（如使用）；

（10）對清洗路徑的流量中斷或不可接受的減少；

（11）潔凈壓縮空氣供應(yīng)的壓力（如果使用氣吹）。

3.2.3 CIP模塊化設(shè)計

（1）一個CIP模塊包含一個清洗和/或潤洗罐以及所有必須的閥門、泵以及儀表。應(yīng)考慮清洗水和清洗劑的區(qū)分。CIP模塊應(yīng)放置在一個固定的中心位置或能移動并靠近被清洗設(shè)備的位置。

（2）CIP模塊設(shè)計應(yīng)考慮CIP循環(huán)過程中水的消耗量、公用工程的位置（如固定）、化學(xué)品消耗量、廢水排放以及清洗一個特定循環(huán)所需的能量。

（3）清洗/潤洗罐應(yīng)按照SD-3.4部分設(shè)計。罐體應(yīng)根據(jù)SD-5.3.3.4具有被清洗能力且根據(jù)SD-3.9安裝噴淋裝置。

（4）如果在清洗/潤洗罐上安裝疏水性放空過濾器，應(yīng)防止水汽聚積在過濾器中，并按照SD-5.2.1設(shè)計和安裝。

（5）換熱設(shè)備應(yīng)按照SD-3.6.1進(jìn)行設(shè)計和制造。

（6）CIP模塊應(yīng)有流量控制，或通過泵輸出，或通過流量控制閥。

（7）CIP供給泵應(yīng)按照SD-3.3.2設(shè)計和制造。泵的設(shè)計應(yīng)考慮氣/水混合物的工況。

（8）應(yīng)根據(jù)清洗化學(xué)品的性質(zhì)選擇考慮清洗周期的防爆操作。例如，化學(xué)品隔離、溢出控制、添加操作、材料相容性、二次安全以及個人防護(hù)都應(yīng)考慮。

3.2.4 對于在工藝管道中進(jìn)行的CIP流量指南的建議

（1）在清洗時管道應(yīng)全充滿，并確保湍流狀態(tài)。

（2）CIP應(yīng)在工藝管道充滿液體且確保湍流狀態(tài)的流量下進(jìn)行。

（3）流向、管道方位、管道尺寸以及分支、連接件和其他設(shè)備的存在和方位會對滿管的流量產(chǎn)生顯著的影響。因此，設(shè)計人員在確定合適的流程和CIP流量時應(yīng)考慮到這些因素。

（4）對CIP流量要求的同時，要考慮其他CIP工藝變量。

（5）表1為推薦的流量值，以確保直徑最大2 in的水平和豎直管道的氣體排盡。這些流量對應(yīng)的流速為1.52 m/s，適用于本章節(jié)范圍內(nèi)的所有CIP清洗劑以及ASME BPE DT部分的所有相關(guān)管道尺寸形成的湍流狀態(tài)。

3.2.5 對清洗工藝罐體的設(shè)計指南

（1）工藝罐體應(yīng)通過內(nèi)部噴淋裝置清洗，使所有的內(nèi)表面都能滿足本文中描述的清洗變量。

（2）由使用者確認(rèn)使用或應(yīng)用特殊的噴淋裝置的設(shè)計能滿足這些要求。噴淋裝置應(yīng)按照ASME BPE SD-3.9設(shè)計和制造。

表1 C I P流量推薦表

（3）碟形封頭的立式容器應(yīng)用大部分的清洗劑直接噴向上封頭以及過渡半徑端。臥式容器應(yīng)用大部分的清洗劑直接噴向該容器的上1/3部分。

（4）如果采用固定噴淋球，通過重力使清洗劑覆蓋側(cè)壁和下封頭（立式容器）或較低表面（臥式容器）。

（5）如果采用動態(tài)噴淋裝置，則可能直接噴射整個容器或通過覆蓋清洗。

（6）確保臥式工藝設(shè)備有效覆蓋的參數(shù)，其決定于該設(shè)備的形狀和尺寸。

（7）噴淋裝置的設(shè)計和位置能確保附件，如人孔、擋板、內(nèi)伸管、攪拌槳葉以及管口能夠跟清洗液接觸。一些部件則可能需要額外的清洗措施。

（8）清洗裝置僅能確保安裝附件和設(shè)備的外表面全覆蓋。如果在CIP時無法移出，清洗劑需流經(jīng)附件表面清洗。

（9）進(jìn)行CIP時，工藝容器的液位越低越好。應(yīng)通過CIP環(huán)路的合適的水力平衡（供應(yīng)和回流流量）以及罐底排放閥尺寸來使液位最低。

（10）進(jìn)行CIP時形成的渦流可能會對運行有負(fù)面影響，可考慮增加防渦流板。

（11）由使用者確定防渦流板設(shè)計。防渦流板的表面應(yīng)有坡度，以避免進(jìn)行CIP時產(chǎn)生積液，其安裝不得對CIP環(huán)路的水力平衡產(chǎn)生負(fù)面影響。

（12）對于帶攪拌的工藝容器，在CIP周期內(nèi)攪拌槳葉應(yīng)以適當(dāng)?shù)乃俣刃D(zhuǎn)。

3.2.6 CIP分配設(shè)計

3.2.6.1 CIP分配設(shè)計指南（供應(yīng)和回流）

（1）概要：

1）由使用者決定使用和采用特殊的分配設(shè)計或設(shè)計組合。

2）所有的CIP分配應(yīng)按照SD-2.4.3設(shè)計坡度排凈。推薦坡度設(shè)計GSD2。

3）環(huán)路、切換板、閥門類型（如轉(zhuǎn)移閥、防混閥、多通道閥、零死角閥和隔膜閥）的使用應(yīng)在CIP分配系統(tǒng)設(shè)計時考慮。

（2）環(huán)路（圖11）：

圖11 生物發(fā)酵系統(tǒng)C I P環(huán)路圖（供給與回流）

1）CIP分配環(huán)路是指通過環(huán)狀的隔離閥組圍成的管道環(huán)，整個環(huán)形路經(jīng)在一個CIP周期內(nèi)清洗。

2）從環(huán)路到隔斷閥的閥堰或閥座的尺寸應(yīng)遵從SD-3.1.2.2。短口三通或零死角閥的使用由使用者決定。

3）環(huán)路上預(yù)留的連接（如有）應(yīng)使用帶帽的短口三通或帶帽安裝的零死角閥。

4）在CIP回流使用環(huán)路連接時應(yīng)水平安裝。

5）CIP供給環(huán)路應(yīng)為平行的清洗路徑提供充足的流速（如環(huán)路管徑的減少）。

（3）切換板：

切換板應(yīng)按照ASME BPE SD-3.7.1設(shè)計和制造。

（4）多通道閥：

CIP分配多通道閥是指一個閥體安裝的多極閥門組合，以使間距最小化、排凈最大化。

（5）零死角管路（圖12）：

1）CIP分配零死角管路是指使用零死角閥的多條支管。

圖12 零死角管道圖

2）零死角管路的分支管都應(yīng)沖洗到。

（6）旋轉(zhuǎn)彎頭和短管（圖13）：

圖13 CIP系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)彎頭布置圖

1）旋轉(zhuǎn)彎頭或短管是指管道的一段可移動部分，用于2條清洗路徑的有效割斷。

2）旋轉(zhuǎn)彎頭或短管應(yīng)與支撐牢固的管道連接，以維持管道坡度和連接同軸度。

3.2.6.2 CIP分配管道

（1）CIP循環(huán)線路的分配管道和部件應(yīng)按照SD-3.1.2和SD-2.4.3進(jìn)行衛(wèi)生級設(shè)計。

（2）對于一次經(jīng)過（非循環(huán)）的CIP線路和路徑上的分配管道和部件，應(yīng)按照SD-3.1.2和SD-2.4.3清洗性能驗證位置的上游來進(jìn)行設(shè)計和制造。

（3）CIP供給管道應(yīng)尺寸合適，以確保流體流動滿足或超過SD-5.3.2.3和SD-5.3.2.4的規(guī)定。

（4）分配線路的設(shè)計應(yīng)使流體流動的壓力高于工藝排放，以防止倒灌。

（5）CIP回流管道應(yīng)維持CIP線路的水力平衡（供給和回流流體）。

3.2.6.3 CIP回流泵

（1）CIP回流泵（如需）應(yīng)按照SD-3.3.2進(jìn)行設(shè)計和制造。CIP回流應(yīng)首選離心泵，如果有氣液混合工況，則推薦使用衛(wèi)生級液環(huán)泵。

（2）當(dāng)容器在CIP線路中，CIP回流泵的安裝應(yīng)在盡可能靠近罐底出口且在線路低點處。

（3）應(yīng)沖洗CIP回流泵的外殼排放。

（4）CIP回流泵應(yīng)維持CIP線路的水力平衡（供給和回流流體）。

3.2.6.4 CIP回流噴射器

CIP回流噴射器是指使用動態(tài)流體創(chuàng)造壓差使CIP液回流的裝置。

（1）CIP回流噴射器的設(shè)計和安裝應(yīng)能排凈。

（2）CIP回流噴射器應(yīng)能移出進(jìn)行檢查。

（3）當(dāng)使用CIP回流噴射器時，應(yīng)考慮特殊的設(shè)計因素（如水汽壓、回流管尺寸）。

3.3 生物發(fā)酵系統(tǒng)的輔助工藝支持系統(tǒng)

生物發(fā)酵系統(tǒng)的輔助工藝支持系統(tǒng)有高壓滅菌系統(tǒng)、超高溫瞬間滅菌系統(tǒng)、培養(yǎng)基配制和滅菌系統(tǒng)，在此不一一列述，讀者可參閱GMP中的相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)語

依據(jù)ASME BPE SD-5“工藝系統(tǒng)”的內(nèi)容，重點介紹了生物發(fā)酵上游工程、下游工程及其工藝支持系統(tǒng)設(shè)計的幾項指導(dǎo)原則，尤其是生物發(fā)酵罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)、附屬部件的配置以及在已界定的無菌控制區(qū)內(nèi)的CIP/SIP，以供生物制藥行業(yè)的技術(shù)人員在工程設(shè)計、制造、安裝調(diào)試時參考。以期使我們的設(shè)計與制造標(biāo)準(zhǔn)與國際上使用的標(biāo)準(zhǔn)接軌，為中國的制藥裝備走向國際市場打下良好的基礎(chǔ)。

［參考文選］

［1］劉國詮.生物工程下游技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2 0 0 3

［2］ A S M EB P E［S］