CN109331192A - 一种高效、全营养保护连续灭菌系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连续灭菌设备技术领域，具体公开了一种高效、全营养保护连续灭菌系统及工艺，系统包括配料罐、预热器、加热器、维持器、分配站、热水罐、水罐、CIP酸罐和CIP碱罐，其特征在于：所述的配料罐通过进料泵与预热器相连，预热器通过增压泵A与加热器相连，加热器通过增压泵B与维持器相连，维持器的出口经预热器与分配站相连，所述热水罐的入口分别与预热器和维持器相连，热水罐的出口一方面连接增压泵A，另一方面通过热水循环泵与维持器连接形成回路，所述水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的底部通过管道与进料泵相连，水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的顶部通过管道与分配站相连；相比传统灭菌系统更加节能，而且灭菌彻底，营养破坏少。
Description
技术领域
本发明涉及连续灭菌设备技术领域，具体涉及一种高效、全营养保护连续灭菌系统及工艺。
背景技术
在生物制药、食品化工、生物化工等行业，为了避免微生物滋生，常常需要对流体原料或制成品进行高温灭菌。特别是在发酵企业，为了定向培养微生物发酵，需要对微生物赖以生存的“口粮”——培养基，进行百分百无菌化处理。
目前通行的方式不外乎实消和连消两种方式。
实消是在将培养基加入发酵罐内，先利用高温蒸汽长时间“煮熟”，然后利用盘管冷却水慢慢降到常温的过程。这个过程类似家庭“煲粥”的过程，时间极其漫长。这段漫长的“煮熟”过程，培养基中的多种无机盐、蛋白质及其他有机营养物质，会发生无法预知的复杂的化学反应。这些化学反应不仅破坏了菌种所需的营养成分，甚至会产生抑制微生物生长的毒害物质。这种灭菌方式，在上世纪七八十年代，我们国家采用的比较多。随着发酵工业技术的不断进步，实消早已被专业发酵人士所摒弃。
连消是将配料罐的培养基通过泵输送进发酵罐的管路过程中，同时完成升温、高温维持、降温等单元操作。连续灭菌时，培养基能在短时间内加热到保温温度，并能很快被冷却。因此，可以在更高的温度下分批灭菌，而保温时间则很短，这样就有利于减少营养物质的破坏，提高发酵指数。
所以，一种高效、全营养保护连续灭菌系统是生物发酵行业的核心，直接关系到发酵工程的成败。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效、全营养保护连续灭菌系统及工艺，以解决现有的连消系统存在于工艺、设备这两方面的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效、全营养保护连续灭菌系统，包括配料罐、预热器、加热器、维持器、分配站、热水罐、水罐、CIP酸罐和CIP碱罐，其特征在于：所述的配料罐通过进料泵与预热器相连，预热器通过增压泵A与加热器相连，加热器通过增压泵B与维持器相连，维持器的出口经预热器与分配站相连，所述热水罐的入口分别与预热器和维持器相连，热水罐的出口一方面连接增压泵A，另一方面通过热水循环泵与维持器连接形成回路，所述水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的底部通过管道与进料泵相连，水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的顶部通过管道与分配站相连。
作为优选的，所述的预热器为管壳式结构，管是由10-1000股φ10-φ16的细管组成，管长径比为1000:1-10000:1。
优选的，所述的加热器为高压蒸汽喷射器或者低压蒸汽喷射器。
优选的，所述的增压泵A和增压泵B为离心泵或者管道泵。
优选的，所述的维持器为管壳式结构，管是由10-1000股φ10-φ16的细管组成，管长径比为1000:1-10000:1。
本发明一种高效、全营养保护连续灭菌工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a.启动热水空消程序；按照设定程序，系统开关好相关阀门组合，进而启动增压泵A，将高温热水罐的热水抽出，进入加热器连续不断地进行温度补偿，得到设定的高温热水；高温热水经过增压泵B加压后，进入维持器，在维持器中保温后，进入预热器的管程通道，高温热水被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器，最后回到高温热水罐；
b.启动物料连续灭菌程序;启动进料泵，关闭高温热水进入系统的阀门，打开配料罐底阀，配料罐内准备好的待灭菌的流体物料被抽出，进入预热器的壳程通道，与预热器管程通道内的高温热水进行换热，再经过增压泵A加压，进入加热器连续不断地进行温度补偿，达到设定的灭菌温度140℃-145℃后，经过增压泵B加压，进入维持器的管程通道，维持器的壳程通道循环流动的高温热水，不断地对在维持器中流动的灭菌物料进行温度补偿式保温，保温20-40秒后，进入预热器的管程通道，高温灭菌物料被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器管程通道的同时，与预热器的壳程待灭菌物料进行热量交换，被冷却后的消后无菌物料，通过消毒灭菌好的分配站，进入预先准备好的无菌发酵罐或者包装车间;
c .配料罐的待灭菌物料被连消系统处理完后，打开水罐的底阀，关闭配料罐的底阀，水罐中的工艺水可以走上述灭菌通道，将连消系统设备和管道内的物料全部顶出分配站，单批物料连消完成;
d .通过切换阀门，进行系统的CIP清洗程序。
作为优选的，所述步骤d中的CIP清洗程序包括步骤：
d1.进入CIP碱洗，关闭水罐的底阀，开启CIP碱罐的底阀，CIP碱罐内的弱碱溶液，经过进料泵的加压，依次经过预热器的壳程通道、增压泵A、加热器、增压泵B、维持器的管程通道、预热器的管程通道、回到CIP碱罐，形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP碱洗后，切换阀门，利用水罐中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱碱溶液全部顶回CIP碱罐。
d2.再进入CIP酸洗，通过切换阀门，关闭水罐的底阀，开启CIP酸罐的底阀，CIP酸罐内的弱酸溶液，经过进料泵的加压，依次经过预热器的壳程通道、增压泵A、加热器、增压泵B、维持器的管程通道、预热器的管程通道、回到CIP酸罐，形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP酸洗后，切换阀门，利用水罐中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱酸溶液全部顶回CIP酸罐。
本发明的与现有技术相比：
节能：采用热水作为系统灭菌介质，可回收循环使用；预热器也兼作冷凝器，换热系数高，热回收95%以上；
灭菌彻底，营养破坏少：百分百保证了原料或者制成品的无菌化，为稳定发酵生产保驾护航，减少企业的直接损失；营养破坏少，全营养保护，可提高单罐发酵指数，如：转化率提高，产酸率提高等等，无形中，大幅提高企业的经济效益；
设备安全可靠，不会因为高温高压带来的应力破坏，导致设备在短周期内出现疲劳、裂纹、穿漏、乃至报废，造成灭菌失败的问题，杜绝因物料灭菌不彻底带来的污染；优良的设备结构，保证设备安全运行的同时，保障了发酵工程稳定开展，直接提高企业经济效益。
附图说明
图1是现有普通连消系统的工艺流程图。
图2是本发明主要组成构件流程图。
图3是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图与实施例，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，现有普通连消系统，基本工艺流程及组成如下：
其灭菌方法是先用蒸汽进入连消系统进行空消灭菌，疏导出冷凝水。以一定的温度持续一段时间后，利用进料泵将配料罐中的物料泵入加热器，使物料加热到一定的温度，并在维持罐内维持一定时间，再冷却到一定的温度，进入分配站，完成连消流程。
普通连消系统不足之处分别从工艺和设备两方面阐述如下：
一、工艺方面的不足
通入高温高压蒸汽进行系统空消灭菌，容易烧焦设备、管道内残留的物料，留下灭菌死角；蒸汽比热小，死角位无渗透性，难保消毒彻底；蒸汽直接冷凝排走，热量消耗大，不节能。
加热温度低，维持时间太长，营养破坏多，不利于发酵生产上水平。现行典型的工艺参数如下：
最传统的工艺——加热温度：121℃，维持时间：1800秒；
改进的工艺——加热温度：135℃，维持时间：300秒。
换批连消物料，不能有效清洗系统。
二、设备方面不足
预热设备与冷却设备，普遍采用板式换热器或者螺旋板换热器。板式换热器的密封条耐高温能力差，易老化，容易泄露； 螺旋板换热器，体积大，两侧压力不平衡，易产生应力破坏，一般半年到一年就会出现穿漏，导致发酵污染，且无法修复，设备报废率高，使用成本高。
维持器设备结构有多种，现行中典型的有如下两种：
（1）高径比（10:1）圆柱形维持罐。维持罐体积大，物料返混厉害，不能保证先进先出，维持时间长短不一，从而导致部分物料高温时间很长，营养成分破坏大；且死角多，置换时间长，容易结焦碳化；
（2）管道维持。一是热量容易散失，不能维持稳定温度；二是用安装空间大；三是由于边界效应，也会出现维持时间长短不一的问题。
如图2-3所示，本发明主要由配料罐（1）、进料泵（2）、预热器（3）、增压泵A（4）、加热器（5）、增压泵B（6）、维持器（7）、分配站（8）、热水循环泵（9）、高温热水罐（10）、水罐（11）、CIP酸罐（12）、CIP碱罐（13）等组成，再辅以工业自动化控制技术进行一键式启停。
第一步，启动热水空消程序。按照设定程序，系统开关好相关阀门组合，进而启动增压泵A（4），将高温热水罐（10）的热水抽出，进入加热器（5）连续不断地进行温度补偿，得到设定的145℃高温热水；145℃的高温热水，经过增压泵B（6）加压后，进入维持器（7），在维持器（7）中保温20秒，进入预热器（3）的管程通道，高温热水被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器（3），最后回到高温热水罐（10）。持续20分钟的闭路循环，高温热水经过的每台设备、仪表、阀门、管道内的所有细菌全部被消灭，同时对系统进行了一次冲刷洗涤，保证了灭菌系统本身的洁净和无菌环境。相较于现行的蒸汽空消灭菌，高温热水空消不会烧焦系统残留的物料，避免了消毒死角的生成和累积。对比于蒸汽空消灭菌，蒸汽空消灭菌所用的蒸汽热能，随着蒸汽和冷凝水排出系统外，只有一次利用；而高温热水空消灭菌的热水，最终全部回到高温热水罐贮存，用于下一批次的系统空消，所以高效节能。
第二步，按照连消不同的工艺参数，可选三种工艺条件之一进行具体实施：
灭菌温度为140℃，维持时间40秒；系统热水空消完成后，接受指令可进入一键式切换，启动物料连续灭菌程序。启动进料泵（2），关闭高温热水进入系统的阀门，打开配料罐（1）底阀，配料罐（1）内准备好的待灭菌的流体物料被抽出，进入预热器（3）的壳程通道，与预热器（3）管程通道内的高温热水进行换热，再经过增压泵A（4）加压，进入加热器（5）连续不断地进行温度补偿，达到设定的灭菌温度140℃后，经过增压泵B（6）加压，进入维持器（7）的管程通道，维持器（7）的壳程通道循环流动的140℃的高温热水，不断地对在维持器（7）中流动的灭菌物料进行温度补偿式保温，保温40秒后，进入预热器（3）的管程通道，高温灭菌物料被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器（3）管程通道的同时，与预热器（3）的壳程待灭菌物料进行热量交换，被冷却后的消后无菌物料，通过消毒灭菌好的分配站（8），可进入预先准备好的无菌发酵罐或者包装车间。
灭菌温度为142℃，维持时间30秒；系统热水空消完成后，接受指令可进入一键式切换，启动物料连续灭菌程序。启动进料泵（2），关闭高温热水进入系统的阀门，打开配料罐（1）底阀，配料罐（1）内准备好的待灭菌的流体物料被抽出，进入预热器（3）的壳程通道，与预热器（3）管程通道内的高温热水进行换热，再经过增压泵A（4）加压，进入加热器（5）连续不断地进行温度补偿，达到设定的灭菌温度142℃后，经过增压泵B（6）加压，进入维持器（7）的管程通道，维持器（7）的壳程通道循环流动的142℃的高温热水，不断地对在维持器（7）中流动的灭菌物料进行温度补偿式保温，保温30秒后，进入预热器（3）的管程通道，高温灭菌物料被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器（3）管程通道的同时，与预热器（3）的壳程待灭菌物料进行热量交换，被冷却后的消后无菌物料，通过消毒灭菌好的分配站（8），可进入预先准备好的无菌发酵罐或者包装车间。
灭菌温度为145℃，维持时间20秒；系统热水空消完成后，接受指令可进入一键式切换，启动物料连续灭菌程序。启动进料泵（2），关闭高温热水进入系统的阀门，打开配料罐（1）底阀，配料罐（1）内准备好的待灭菌的流体物料被抽出，进入预热器（3）的壳程通道，与预热器（3）管程通道内的高温热水进行换热，再经过增压泵A（4）加压，进入加热器（5）连续不断地进行温度补偿，达到设定的灭菌温度145℃后，经过增压泵B（6）加压，进入维持器（7）的管程通道，维持器（7）的壳程通道循环流动的145℃的高温热水，不断地对在维持器（7）中流动的灭菌物料进行温度补偿式保温，保温20秒后，进入预热器（3）的管程通道，高温灭菌物料被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器（3）管程通道的同时，与预热器（3）的壳程待灭菌物料进行热量交换，被冷却后的消后无菌物料，通过消毒灭菌好的分配站（8），可进入预先准备好的无菌发酵罐或者包装车间。
第三步，配料罐的待灭菌物料被连消系统处理完后，打开水罐（11）的底阀，关闭配料罐（1）的底阀，水罐（11）中的工艺水可以走上述灭菌通道，将连消系统设备和管道内的物料全部顶出分配站，单批物料连消完成。
第四步，经过一定批次或时间周期后，可以通过切换阀门，进行系统的CIP清洗程序。
首先，进入CIP碱洗，关闭水罐（11）的底阀，开启CIP碱罐（13）的底阀，CIP碱罐（13）内的弱碱溶液，经过进料泵（2）的加压，依次经过预热器（3）的壳程通道、增压泵A（4）、加热器（5）、增压泵B（6）、维持器（7）的管程通道、预热器（3）的管程通道、回到CIP碱罐（13），形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP碱洗后，切换阀门，利用水罐（10）中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱碱溶液全部顶回CIP碱罐（13）。
其次，再进入CIP酸洗，通过切换阀门，关闭水罐（11）的底阀，开启CIP酸罐（12）的底阀，CIP酸罐（12）内的弱酸溶液，经过进料泵（2）的加压，依次经过预热器（3）的壳程通道、增压泵A（4）、加热器（5）、增压泵B（6）、维持器（7）的管程通道、预热器（3）的管程通道、回到CIP酸罐（12），形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP酸洗后，切换阀门，利用水罐（10）中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱酸溶液全部顶回CIP酸罐（12）。
CIP清洗工作全部完成，系统内的设备、管道内壁恢复到最佳的工作状态，为始终如一的灭菌效果保驾护航。
一、工艺方面的改进及可达到的效果
（1）采用高温热水进行系统空消灭菌，消毒同时可以顺带清洗系统，不会在设备、管道壁上残留烧焦物料，不存在灭菌死角；高温热水，相较于水蒸气，比热大，充满设备、管道每一个间隙，渗透性强，消毒彻底；高温热水回收，循环利用，节能。总之，达到的效果可概括为：物料不会结焦碳化，无灭菌死角，有自动清洗，灭菌彻底，节能、高效；
（2）优化工艺参数，加热温度PLC恒定控制在某一温度（温度选择在140℃-145℃之间），维持时间调整为X秒(时间范围为：20-40秒，根据温度确定)，大大缩短了高温维持时间，可达到全营养保护的目的。
二、设备方面的改进及可达到的效果
（1）选用新型换热器，全焊接密封，不产生任何泄露；耐高温（400℃）、耐高压（40Mpa）,不产生应力破坏，充分保护了设备安全；
（2）采用新型维持器，可将物料分成多股，如：50股，100股，……等，保证高温物料的先进先出，边界效益可完全忽略。达到理想的均等灭菌时间。且维持器，有高温热水的持续温度补偿，有效的保证了灭菌的维持温度的准确性，大大提高灭菌的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换和改进等，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高效、全营养保护连续灭菌系统，包括配料罐、预热器、加热器、维持器、分配站、热水罐、水罐、CIP酸罐和CIP碱罐，其特征在于：所述的配料罐通过进料泵与预热器相连，预热器通过增压泵A与加热器相连，加热器通过增压泵B与维持器相连，维持器的出口经预热器与分配站相连，所述热水罐的入口分别与预热器和维持器相连，热水罐的出口一方面连接增压泵A，另一方面通过热水循环泵与维持器连接形成回路，所述水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的底部通过管道与进料泵相连，水罐、CIP酸罐和CIP碱罐的顶部通过管道与分配站相连。
2.根据权利要求1所述的一种高效、全营养保护连续灭菌系统，其特征在于：所述的预热器为管壳式结构，管是由10-1000股φ10-φ16的细管组成，管长径比为1000:1-10000:1。
3.根据权利要求1所述的一种高效、全营养保护连续灭菌系统，其特征在于：所述的加热器为高压蒸汽喷射器或者低压蒸汽喷射器。
4.根据权利要求1所述的一种高效、全营养保护连续灭菌系统，其特征在于：所述的增压泵A和增压泵B为离心泵或者管道泵。
5.根据权利要求1所述的一种高效、全营养保护连续灭菌系统，其特征在于：所述的维持器为管壳式结构，管是由10-1000股φ10-φ16的细管组成，管长径比为1000:1-10000:1。
6.一种高效、全营养保护连续灭菌工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a.启动热水空消程序；按照设定程序，系统开关好相关阀门组合，进而启动增压泵A，将高温热水罐的热水抽出，进入加热器连续不断地进行温度补偿，得到设定的高温热水；高温热水经过增压泵B加压后，进入维持器，在维持器中保温后，进入预热器的管程通道，高温热水被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器，最后回到高温热水罐；
b.启动物料连续灭菌程序;启动进料泵，关闭高温热水进入系统的阀门，打开配料罐底阀，配料罐内准备好的待灭菌的流体物料被抽出，进入预热器的壳程通道，与预热器管程通道内的高温热水进行换热，再经过增压泵A加压，进入加热器连续不断地进行温度补偿，达到设定的灭菌温度140℃-145℃后，经过增压泵B加压，进入维持器的管程通道，维持器的壳程通道循环流动的高温热水，不断地对在维持器中流动的灭菌物料进行温度补偿式保温，保温20-40秒后，进入预热器的管程通道，高温灭菌物料被均分成10-1000股细流，匀速通过预热器管程通道的同时，与预热器的壳程待灭菌物料进行热量交换，被冷却后的消后无菌物料，通过消毒灭菌好的分配站，进入预先准备好的无菌发酵罐或者包装车间;
c .配料罐的待灭菌物料被连消系统处理完后，打开水罐的底阀，关闭配料罐的底阀，水罐中的工艺水可以走上述灭菌通道，将连消系统设备和管道内的物料全部顶出分配站，单批物料连消完成;
d .通过切换阀门，进行系统的CIP清洗程序。
7.根据权利要求6所述的一种高效、全营养保护连续灭菌工艺，其特征在于，所述步骤d中的CIP清洗程序包括步骤：
d1.进入CIP碱洗，关闭水罐的底阀，开启CIP碱罐的底阀，CIP碱罐内的弱碱溶液，经过进料泵的加压，依次经过预热器的壳程通道、增压泵A、加热器、增压泵B、维持器的管程通道、预热器的管程通道、回到CIP碱罐，形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP碱洗后，切换阀门，利用水罐中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱碱溶液全部顶回CIP碱罐；
d2.再进入CIP酸洗，通过切换阀门，关闭水罐的底阀，开启CIP酸罐的底阀，CIP酸罐内的弱酸溶液，经过进料泵的加压，依次经过预热器的壳程通道、增压泵A、加热器、增压泵B、维持器的管程通道、预热器的管程通道、回到CIP酸罐，形成一个闭路循环，经过较短时间的CIP酸洗后，切换阀门，利用水罐中的工艺水进行顶洗，将系统内的弱酸溶液全部顶回CIP酸罐。
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