项目描述

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/Exam/Notyet

2-1名称

典型生物发酵单元仿真实验

2-2实验目的

本教学项目在实验教学环节应用典型发酵单元仿真软件,对发酵罐采用三维建模,将发酵生产的流程操作以仿真的形式进行形象逼真的表现,通过互动操作及学习,使学生熟悉生产过程,掌握操作要点,理解理论知识,提高职业素养。

在实习实训环节应用典型发酵反应单元虚拟仿真软件,从工艺装置到中控仿真DCS系统,全面模拟工业化的典型发酵反应单元的生产工艺流程,训练学生对制药生产过程的认识。通过对中试级生产流程、生产场景进行模拟,体验真实工业化发酵生产的操作流程。操作者可以通过对整个工艺流程的操作、进行工艺参数调节,掌握典型单元的参数指标的操作和调整,最终掌握典型发酵反应单元的生产全过程。

仿真培训系统能逼真模拟正常生产和各种事故过程的现象和操作,使受训者能够如身临其境一般进行训练学习,更容易理解和掌握相关知识和操作规程。是学校和企业高效率培训学员的实操培训软件。

具体的实验目的可以概括为:

Ø  熟悉发酵反应单元的工艺流程,了解发酵反应、大肠杆菌发酵、毕赤酵母发酵、青霉素发酵生产原理和生产控制的基本知识,确立生产的安全意识;

Ø  能够根据典型发酵反应单元操作规程进行生产操作,并能够通过工艺参数数据变化体现与操作控制之间的关系;

Ø  提高专业技能培训的教学内涵和层次,进一步满足学校对学生、企业对员工的技能培训更高标准的要求。

弥补传统实验教学中预习、演示、网络自主实验及其效果评价、教学管理等不足。培养社会实践能力,提高综合素质,为毕业专题实习和就业打下基础。

2-3实验原理(或对应的知识点)

知识点数量:  10   (个)

此套仿真培训系统内容包含完整的典型发酵反应单元的工艺流程以及典型单元:赤酵母菌发酵反应工艺、大肠杆菌发酵反应工艺、青霉素发酵反应工艺 一共3个工艺过程。并通过典型发酵反应单元,对发酵重点操作工艺进行反复学习和巩固,系统针对实验教学整体需求设计,满足实验教学需要。

结合仿真技术开发虚拟实验教学模式辅助实体实验的开展,打破传统实验教学的时、空局限性和资源局限性,使学生真正作为主体参与虚实结合实验的全过程,进行独立自主分析问题、解决问题的能力的培养,提高学生在生物质资源利用方面知识的综合运用。

通过虚拟仿真实验教学项目,为学生提供一个新的实习、实践活动基地,进一步弥补了传统实验教学中预习、演示、网络自主实验及其效果评价、教学管理等不足。作为一个网络化的实验教学平台,有效地实现了教学资源的共享,解决了学生的全天候开放式学习难题,使学校教学水平得到进一步提升。

典型发酵反应单元

1)        仿真软件按照生产工艺流程的顺序进行布置,人流和物流通道分开,避免交叉;

2)        发酵生产中主要工艺参数有温度、压力、pH值、溶氧、罐重、罐压等,在工艺流程设计中,对需要控制的工艺参数设置检测点、显示仪表,并能通过机理算法计算,在软件中体现相关数据;

3)        包含大肠杆菌发酵、毕赤酵母发酵、青霉素发酵三个单元,且三个单元可使用同一套设备进行发酵操作。每个单元需包含消毒灭菌、接种与培养、放料操作。



 

  毕赤酵母菌发酵反应工艺

毕赤酵母两级发酵工艺流程:

甘油管——平板划线培养(30℃2天)——种子摇瓶(一级种子)培养(30℃220rpm1天)——种子罐培养(30℃1VVM12-14h——发酵罐。


          

  大肠杆菌发酵反应工艺

大肠杆菌发酵工艺流程:


  青霉素发酵反应工艺

青霉素结构通式

  

发酵生产以机械设备和化工设备为主,包括工业DCS系统、复杂控制系统、 事故处理;发酵罐、蠕动泵、过滤器等主要设备原理以及操作知识。

2-4实验仪器设备(装置或软件等)




1发酵现场总貌图


2 发酵现场工艺图(软件提供)

 

3 生物自动发酵罐及控制系统


 

 


4 离子交换柱层析实验装置

此外还有蠕动泵、循环水泵、过滤器、电热水箱、排气冷凝器等辅助实验设备。

序号

名称

型号/厂家

功能参数

数量

1

典型生物发酵单元仿真实验

典型生物发酵单元虚拟仿真软件/辽宁科技大学

本软件中发酵工艺流程及操作符合实际;操作过程有相应素材动画与之匹配;数学模型可根据操作控制,精确计算进料量、发酵的控制参数;主要监控参数可通过趋势曲线图查看趋势,并以此作为操作的参考依据。内容包括毕赤酵母、大肠杆菌以及青霉素的发酵。可按操作规程进行生产流程操作、事故处理,并对操作过程实时评判。可通过本软件了解发酵的总工艺流程发酵罐操作要点、结构、工作原理等。

100

2-5实验材料(或预设参数等)

典型生物发酵单元虚拟仿真系统,内容包括毕赤酵母、大肠杆菌以及青霉素的发酵三部分内容。工艺过程如下:

1)        开车准备:检查现场设备的管路、线路、系统气密性等,确认公用工程准

备到位,为正常发酵操作做准备。

2)        消毒灭菌:利用蒸汽对空气管路、取样管路、发酵罐进行灭菌,为后续接

种发酵做准备。

3)        接种与培养:发酵罐接种之后,通过适当操作,控制发酵的温度、溶氧、

pH、罐压等在正常范围内,使菌种正常生长和表达。

4)        放料后操作:发酵结束后,进行现场阀门和DCS控制的相关操作。

预设事故:冷却温度下不来、加热温度上不去、前期染菌、后期染菌。

2-6 实验教学方法(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果

举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果

线上:

1、理论学习:教师预先将学习的相关资料(操作手册、部分自制微视频等)上传至网络学习平台,供学生课下预习和学习。每个学生一个账号,后台的教师账号可以看到学生的学习具体情况,包括登录时间、学习时长等,还可以进行理论考核。同时,利用网络平台,还可以进行在线答疑并发起讨论,及时解决学生的疑难,提高学生学习的积极性和兴趣。通过该过程的线上学习,学生了解到了基本的原理知识,并且为了在翻转课堂上更有效率,使学生的自学学习兴趣和积极性都得到了极大的提高。

2、仿真实训:学生可以通过网络链接进入仿真操作平台,学习相关操作知识、熟悉实训项目,进一步理解理论知识和生产操作规程的内涵。

线下:教师针对学生线上学习的情况进行总结、梳理,对学生普遍反映的重点、难点问题进行讲解或者进行启发式教学。

有了一定的理论基础后,学生即可进行仿真实训。通过认识软件和生产软件掌握工艺流程等相关操作,熟练进行冷态开车、正常停车、紧急停车以及事故处理等操作,最终由教师设置考卷考察学生。

通过该环节的学习,学生了解到了真实工厂实际应用情况,也可以更加加深学生对于设计过程环节的理解,培养学生实际操作和解决实际问题的能力与素养,将来可以更好的进行生产实践。

3、课程安排:

时间

上午培训安排

下午培训安排

培训内容

老师授课时间安

培训内容

老师授课时间安排

第一天

原理讲解:工艺原理、反应原理、工艺特点、工艺流程等讲解。

2课时

控制要点讲解:软件功能、操作要点,以及每个设备和主要工艺控制参数。

2课时

第二天

熟悉软件操作:依据工艺流程梳理车间布局,以及现场管线。

2-3名学生依据学习内容,进行工艺讲解,加深印象。

2课时

软件操作:学生依据软件操作评分指导,自主进行软件流程操作(主要是现场界面操作)。

 

第三天

统一答疑:针对学生自我学习过程中反馈的难点问题,再统一进行讲解,学生再进行反复操作练习。

1课时

软件操作:学生进行反复操作练习。

 

第四天

安全知识、事故处理讲解:安全知识、事故处理过程讲解。

(如温度无法升高、染菌等、开车等常见事故)

2课时

软件操作:依据事故处理操作流程,学生进行演练。

 

第五天

考试:软件操作考试

实训课总成绩

软件操作评分+实训报告+平时考勤

注:除去教师授课时间,其余课时为学生自由训练课时。

2-7实验方法与步骤要求(学生交互性操作步骤应不少于10

(1)实验方法描述:

典型发酵反应单元

发酵工艺虚拟仿真模块中,软件将实际的中试实验室、生产和检测实验设备真实呈现,将长时间的发酵生产过程加速进行,并将难以观察的设备内部结构可视化,方便操作者可以进入虚拟实验室进行实际观察和操作,保证在较短时间内学习药物生产的全部流程。

发酵模块中主要学习目的:通过发酵来制备药物中间体的过程,掌握主要的发酵工艺流程,理解控制工艺要点的原理,学习发酵设备的操作方法。通过仿真软件的操作熟悉真实的发酵操作过程。(如图)


  毕赤酵母菌发酵反应工艺

准备工作

1            

确认管路和线路连接正确,无松动、老化或断裂;

2            

确认系统水、电、压缩空气、蒸汽等准备好;

3            

系统通电,确认系统正常;

4            

检查系统气密性,确保密封性合格,安装pH和溶氧电极;

5            

将发酵罐上面的设备状态标识牌由设备已清洁更换为设备运行中

 

 

消毒灭菌

1            

注意事项:为确保灭菌、补料、取样过程中物料压力降低造成杂菌入侵污染,阀门操作应遵照从高压开到低压、从低压关到高压的顺序;

2            

*******************配料******************

3            

确定底阀、空气质量流量计已经关闭;

4            

从接种口向罐内注入待消毒的培养基29.46kg

5            

向发酵罐加纯化水约195kg至所需体积(消前体积);

6            

在转速控制设置面板上,点击电源(开),转速设置为100rpm左右,充分搅拌培养基至分散均匀、无结块;

7            

在转速控制设置面板上,转速投自动

8            

********************空气除菌过滤器消毒******************

9            

确认空气质量流量计后阀VD503、无菌空气进罐阀门VA515关闭;

10        

缓慢打开蒸汽阀门VA505

11        

微开除菌过滤器排污阀VA506

12        

缓慢打开VA516,使其有少量蒸汽流出;

13        

调节阀门VA505,使除菌过滤器上方压力控制在0.11-0.12MPa之间,过滤器消毒时间一般为30min

14        

到消毒时间后,先关闭VA516

15        

然后关闭VA506

16        

最后关闭VA505

17        

吹干空气除菌过滤器:打开预过滤器前阀VA504

18        

吹干空气除菌过滤器:打开空气质量流量计前阀VD501

19        

打开空气质量流量计后阀VD503

20        

打开流量控制设置,投自动,设定空气流量20SLM左右;

21        

微开VA506

22        

缓慢打开阀门VA516,控制空气流量不太大,吹干空气过滤器,时间为20min左右;

23        

吹干到时间后,关闭VA506

24        

********************升温******************

25        

打开夹套排水阀VA529

26        

缓慢打开夹套蒸汽阀VA528,将蒸汽通入夹套,预热罐内培养基;

27        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,关闭VA528

28        

关闭阀门VA529

29        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,打开进罐蒸汽阀门VA514,向罐内部通蒸汽升温;

30        

打开排气过滤器排污阀VD520,调节排气阀PV523,对排气过滤器灭菌;

31        

打开取样蒸汽阀门VA507

32        

微开阀门VA509,使其有少量蒸汽流出;

33        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭阀门VA509

34        

微开取样阀门VA508,向罐内通蒸汽;

35        

打开底阀进蒸汽阀门VA510

36        

微开排污阀VA513,使其有少量蒸汽流出;

37        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭VA513

38        

微开底阀VA511,向罐内通蒸汽;

39        

当温度高于100℃时,罐内产生鼓泡翻腾,此时在转速控制设置界面,先点击停止

40        

然后点击电源(关),关闭搅拌器,停止搅拌;

41        

********************保温保压******************

42        

打开罐压控制设置,压力投自动,压力设定0.11MPa

43        

当罐内温度上升至121℃的时候,开始计时,适当关小底阀VA511,调节VA514,控制进出蒸汽平衡,保持罐压尽量在0.11MPa范围;

44        

计时30min后,关闭阀门VA508

45        

关闭阀门VA507

46        

关闭底阀VA511

47        

关闭阀门VA510

48        

关闭阀门VA514

49        

关闭阀门VD520

50        

********************冷却******************

51        

当罐灭菌结束后,待压力降至0.08MPa左右,开启转速开关,通入无菌气体进行冷却;

52        

关闭除菌过滤器吹干排气阀VA516

53        

打开阀门VA515,向罐内通入无菌气体进行冷却;

54        

打开压力控制设置,压力调整为0.08~0.10MPa,维持罐压在此范围内;

55        

打开循环冷却水进电热水箱旁路阀VD527,向电热水箱注水;

56        

打开电热水箱溢水阀VA536

57        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

58        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

59        

打开夹套进水阀VD517

60        

打开夹套出水阀VD518

61        

在温度控制设置界面,点击手动冷却按钮;

62        

在温度控制设置界面,点击水泵启动按钮,对发酵罐进行冷却;

63        

当电热水箱注满水之后,关闭进水阀VD527

64        

打开压力控制设置,压力调整为0.05~0.08MPa,适当增加通气量,与排气阀PV523联合控制维持罐压在此范围内;

65        

当罐温降至接近培养工艺所需的设定温度(高于设定温度约3~4℃)时,将温度控制由手动控制切换成自动控制,设定值为30℃

 

 

接种与培养

1            

*******************接种******************

2            

打开氨水补料管线阀门VA533

3            

在补料3控制设置面板上,启动蠕动泵3,补加氨水调节发酵罐溶液的pH值;

4            

发酵罐pH5.5左右时,停止蠕动泵3

5            

调节排气阀PV523,控制发酵罐压力在0.02~0.03Mpa

6            

打开移种管路上的阀门VA530,利用种子罐和发酵罐的压差,将种子液压入发酵罐;

7            

接种的种子液约12.9kg左右,接种结束之后,关闭阀门VA530

8            

*******************培养******************

9            

在流量控制设置面板上,调节空气流量设定值为250SLM左右;

10        

在搅拌控制设置面板上,转速控制投自动,转速设定值为200rpm

11        

在温度控制设置面板上,温度报警联锁投用;

12        

在补料3控制设置面板上,pH自动,设定值为5.5

13        

在罐压控制设置面板上,压力控制投自动,罐压设定值为0.05MPa;所有控制参数设置好之后,开始发酵培养;

14        

打开排气冷凝器E501的出水阀VA522

15        

打开排气冷凝器E501的进水阀VA521

16        

*******************补料******************

17        

发酵培养14.0h左右,出现溶氧浓度开始上升时,表明基础料中的碳源耗尽,DO会回升至100%左右,打开甘油补料管线阀门VA531

18        

启动蠕动泵1

19        

调节蠕动泵1转速为10rpm,开始补加甘油。补加甘油的过程中,菌体生产旺盛,溶氧开始下降;

20        

调节空气流量设定值为400SLM左右;

21        

调节发酵罐转速为450rpm左右,维持发酵罐溶氧在20-30%

22        

甘油补加完毕后,停止蠕动泵1,需停止流加甘油半小时以上才能开始甲醇补加。

23        

饥饿0.5h左右,开始补加甲醇,先打开甲醇补料管线上阀门VA532

24        

启动蠕动泵2

25        

调节蠕动泵2转速为10rpm

26        

发酵30h时,开始补加L-甲硫氨酸,先打开管线上阀门VA534

27        

启动蠕动泵4

28        

调节蠕动泵4转速为10rpm

29        

L-甲硫氨酸补料量为5.68kg(5L)左右时,停止蠕动泵4

30        

补加L-甲硫氨酸的时候,开始进行蛋白表达。在发酵42h左右的时候,再次启动蠕动泵4,补加L-甲硫氨酸5L

31        

L-甲硫氨酸补料量为11.36kg左右时,停止蠕动泵4

32        

在发酵54h左右的时候,再次启动蠕动泵4,补加L-甲硫氨酸5L

33        

L-甲硫氨酸补料量为17.04kg左右时,停止蠕动泵4

34        

发酵结束后,停止蠕动泵2

35        

发酵结束后,停止蠕动泵3

36        

发酵约84h,取样测定发酵液合格,可以放料;

37        

*******************放料******************

38        

在转速控制设置面板,先点击停止按钮;

39        

然后点击电源(关),关闭搅拌;

40        

打开底阀VA511

41        

打开放料阀VA512,发酵液进入后续工段;

 

 

放料后操作

1            

关闭预过滤器前阀VA504

2            

发酵液放料完毕之后,在流量控制设置面板,点击停止按钮;

3            

关闭空气质量流量计前阀VD501

4            

关闭空气质量流量计后阀VD503

5            

关闭空气进罐阀门VA515

6            

关闭甘油补料管线阀门VA531

7            

关闭甲醇补料管线阀门VA532

8            

关闭氨水补料管线阀门VA533

9            

关闭L-甲硫氨酸补料管线阀门VA534

10        

打开温度控制设置,点击停止,关闭温度自控;

11        

然后点击水泵停止按钮;

12        

关闭夹套进水阀VD517

13        

关闭夹套出水阀VD518

14        

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

15        

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

 

关闭电热水箱溢水阀VA536

16        

关闭排气冷凝器E501的进水阀VA521

17        

打开排气冷凝器E501的出水阀VA522

18        

关闭发酵罐底阀VA511

19        

关闭放料阀VA512

20        

罐压控制面板,点击停止按钮;

21        

操作结束之后,将发酵罐设备状态标识牌有设备运行中更换为设备待清洁

 

 

事故处理

1

冷却温度下不来

2

加热温度上不去

3

前期染菌

4

后期染菌

 


工程菌发酵流程图



发酵现场图



发酵DCS

 

  大肠杆菌发酵反应工艺

准备工作

1            

确认管路和线路连接正确,无松动、老化或断裂;

2            

确认系统水、电、压缩空气、蒸汽等准备好;

3            

系统通电,确认系统正常;

4            

检查系统气密性,确保密封性合格,安装pH和溶氧电极;

5            

将发酵罐上面的设备状态标识牌由设备已清洁更换为设备运行中

 

 

消毒灭菌

1            

注意事项:为确保灭菌、补料、取样过程中物料压力降低造成杂菌入侵污染,阀门操作应遵照从高压开到低压、从低压关到高压的顺序;

2            

*******************配料******************

3            

确定底阀、空气质量流量计已经关闭;

4            

从接种口向罐内注入待消毒的培养基6.39kg

5            

向发酵罐加纯化水约152kg至所需体积(消前体积);

6            

在转速控制设置面板上,点击电源(开),转速设置为100rpm左右,充分搅拌培养基至分散均匀、无结块;

7            

在转速控制设置面板上,转速投自动

8            

********************空气除菌过滤器消毒******************

9            

确认空气质量流量计后阀VD503、无菌空气进罐阀门VA515关闭;

10        

缓慢打开蒸汽阀门VA505

11        

微开除菌过滤器排污阀VA506

12        

缓慢打开VA516,使其有少量蒸汽流出;

13        

调节阀门VA505,使除菌过滤器上方压力控制在0.11-0.12MPa之间,过滤器消毒时间一般为30min

14        

到消毒时间后,先关闭VA516

15        

然后关闭VA506

16        

最后关闭VA505

17        

吹干空气除菌过滤器:打开预过滤器前阀VA504

18        

吹干空气除菌过滤器:打开空气质量流量计前阀VD501

19        

打开空气质量流量计后阀VD503

20        

打开流量控制设置,投自动,设定空气流量20SLM左右;

21        

微开VA506

22        

缓慢打开阀门VA516,控制空气流量不太大,吹干空气过滤器,时间为20min左右;

23        

吹干到时间后,关闭VA506

24        

********************升温******************

25        

打开夹套排水阀VA529

26        

缓慢打开夹套蒸汽阀VA528,将蒸汽通入夹套,预热罐内培养基;

27        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,关闭VA528

28        

关闭阀门VA529

29        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,打开进罐蒸汽阀门VA514,向罐内部通蒸汽升温;

30        

打开排气过滤器排污阀VD520,调节排气阀PV523,对排气过滤器灭菌;

31        

打开取样蒸汽阀门VA507

32        

微开阀门VA509,使其有少量蒸汽流出;

33        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭阀门VA509

34        

微开取样阀门VA508,向罐内通蒸汽;

35        

打开底阀进蒸汽阀门VA510

36        

微开排污阀VA513,使其有少量蒸汽流出;

37        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭VA513

38        

微开底阀VA511,向罐内通蒸汽;

39        

当温度高于100℃时,罐内产生鼓泡翻腾,此时在转速控制设置界面,先点击停止

40        

然后点击电源(关),关闭搅拌器,停止搅拌;

41        

********************保温保压******************

42        

打开罐压控制设置,压力投自动,压力设定0.11MPa

43        

当罐内温度上升至121℃的时候,开始计时,适当关小底阀VA511,调节VA514,控制进出蒸汽平衡,保持罐压尽量在0.11MPa范围;

44        

计时30min后,关闭阀门VA508

45        

关闭阀门VA507

46        

关闭底阀VA511

47        

关闭阀门VA510

48        

关闭阀门VA514

49        

关闭阀门VD520

50        

********************冷却******************

51        

当罐灭菌结束后,待压力降至0.08MPa左右,开启转速开关,通入无菌气体进行冷却;

52        

关闭除菌过滤器吹干排气阀VA516

53        

打开阀门VA515,向罐内通入无菌气体进行冷却;

54        

打开压力控制设置,压力调整为0.08~0.10MPa,维持罐压在此范围内;

55        

打开循环冷却水进电热水箱旁路阀VD527,向电热水箱注水;

56        

打开电热水箱溢水阀VA536

57        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

58        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

59        

打开夹套进水阀VD517

60        

打开夹套出水阀VD518

61        

在温度控制设置界面,点击手动冷却按钮;

62        

在温度控制设置界面,点击水泵启动按钮,对发酵罐进行冷却;

63        

当电热水箱注满水之后,关闭进水阀VD527

64        

打开压力控制设置,压力调整为0.05~0.08MPa,适当增加通气量,与排气阀PV523联合控制维持罐压在此范围内;

65        

当罐温降至接近培养工艺所需的设定温度(高于设定温度约3~4℃)时,将温度控制由手动控制切换成自动控制,设定值为32℃

 

 

接种与培养

1            

*******************接种******************

2            

调节排气阀PV523,控制发酵罐压力在0.02~0.03Mpa

3            

打开移种管路上的阀门VA530,利用种子罐和发酵罐的压差,将种子液压入发酵罐;

4            

接种的种子液约20.93kg左右,接种结束之后,关闭阀门VA530

5            

*******************培养******************

6            

在流量控制设置面板上,调节空气流量设定值为100SLM左右;

7            

在搅拌控制设置面板上,转速控制先投自动,然后投溶氧联动,溶氧设定值为30%

8            

在温度控制设置面板上,温度报警联锁投用;

9            

打开氨水补料管线阀门VA533

10        

在补料3控制设置面板上,pH投自动,pH设定为7.0左右;

11        

在罐压控制设置面板上,压力控制投自动,罐压设定值为0.05MPa;所有控制参数设置好之后,开始发酵培养;

12        

打开排气冷凝器E501的出水阀VA522

13        

打开排气冷凝器E501的进水阀VA521

14        

*******************补料******************

15        

发酵培养4.0h左右,出现溶氧浓度开始上升时,标明氮源基本消耗殆尽,打开氮源补料管线阀门VA532

16        

启动蠕动泵2

17        

调节蠕动泵2转速为2rpm

18        

补加氮源1h之后,开始补加碳源,先打开碳源补料管线上阀门VA531

19        

启动蠕动泵1

20        

调节蠕动泵1转速为2rpm

21        

同时调节蠕动泵2转速为4rpm,氮源补料速度为碳源补料速度的2倍;

22        

发酵一段时间,继续调节蠕动泵2转速为8rpm

23        

同时调节蠕动泵1转速为4rpm

24        

每隔一段时间,碳、氮源蠕动泵转速进行一次调整,为发酵培养提供充足碳氮源,到诱导时补料达到最大,维持这个速度到发酵结束;

25        

发酵培养约8h,菌浓达到OD600大于25之后,将罐温升高到42℃,快速启动质粒的蛋白表达;

26        

保持蛋白表达30min后,降温至约40℃,继续培养;

27        

40℃诱导培养累计约4h,碳氮源耗用完毕,取样测定发酵液合格,可以放料;

28        

*******************放料******************

29        

在转速控制设置面板,先点击停止按钮;

30        

然后点击电源(关),关闭搅拌;

31        

打开底阀VA511

32        

打开放料阀VA512,发酵液进入后续工段;

 

 

放料后操作

1            

关闭预过滤器前阀VA504

2            

发酵液放料完毕之后,在流量控制设置面板,点击停止按钮;

3            

关闭空气质量流量计前阀VD501

4            

关闭空气质量流量计后阀VD503

5            

关闭空气进罐阀门VA515

6            

停止蠕动泵1

7            

停止蠕动泵2

8            

关闭蠕动泵3“PH自动

9            

关闭碳源补料管线阀门VA531

10        

关闭氮源补料管线阀门VA532

11        

关闭氨水补料管线阀门VA533

12        

打开温度控制设置,点击停止,关闭温度自控;

13        

然后点击水泵停止按钮;

14        

关闭夹套进水阀VD517

15        

关闭夹套出水阀VD518

 

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

16        

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

17        

关闭电热水箱溢水阀VA536

18        

关闭排气冷凝器E501的进水阀VA521

19        

打开排气冷凝器E501的出水阀VA522

20        

关闭发酵罐底阀VA511

21        

关闭放料阀VA512

22        

罐压控制面板,点击停止按钮;

23        

操作结束之后,将发酵罐设备状态标识牌有设备运行中更换为设备待清洁

 

 

事故处理

1            

冷却温度下不来

2            

加热温度上不去

3            

前期染菌

4            

后期染菌

5            

冷却温度下不来

(2)学生交互性操作步骤说明:

青霉素发酵反应工艺

准备工作

1            

确认管路和线路连接正确,无松动、老化或断裂;

2            

确认系统水、电、压缩空气、蒸汽等准备好;

3            

系统通电,确认系统正常;

4            

检查系统气密性,确保密封性合格,安装pH和溶氧电极;

5            

将发酵罐上面的设备状态标识牌由设备已清洁更换为设备运行中

 

 

消毒灭菌

1            

注意事项:为确保灭菌、补料、取样过程中物料压力降低造成杂菌入侵污染,阀门操作应遵照从高压开到低压、从低压关到高压的顺序;

2            

*******************配料******************

3            

确定底阀、空气质量流量计已经关闭;

4            

从接种口向罐内加入待消毒的培养基20.54kg

5            

向发酵罐加纯化水约39.8kg至所需体积(消前体积);

6            

在转速控制设置面板上,点击电源(开),转速设置为100rpm左右,充分搅拌培养基至分散均匀、无结块;

7            

在转速控制设置面板上,转速投自动

8            

********************空气除菌过滤器消毒******************

9            

确认空气质量流量计后阀VD503、无菌空气进罐阀门VA515关闭;

10        

缓慢打开蒸汽阀门VA505

11        

微开除菌过滤器排污阀VA506

12        

缓慢打开VA516,使其有少量蒸汽流出;

13        

调节阀门VA505,使除菌过滤器上方压力控制在0.11-0.12MPa之间,过滤器消毒时间一般为30min

14        

到消毒时间后,先关闭VA516

15        

然后关闭VA506

16        

最后关闭VA505

17        

吹干空气除菌过滤器:打开预过滤器前阀VA504

18        

吹干空气除菌过滤器:打开空气质量流量计前阀VD501

19        

打开空气质量流量计后阀VD503

20        

打开流量控制设置,投自动,设定空气流量20SLM左右;

21        

微开VA506

22        

缓慢打开阀门VA516,控制空气流量不太大,吹干空气过滤器,时间为20min左右;

23        

吹干到时间后,关闭VA506

24        

********************升温******************

25        

打开夹套排水阀VA529

26        

缓慢打开夹套蒸汽阀VA528,将蒸汽通入夹套,预热罐内培养基;

27        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,关闭VA528

28        

关闭阀门VA529

29        

当罐内温度上升至80~90℃左右时,打开进罐蒸汽阀门VA514,向罐内部通蒸汽升温;

30        

打开排气过滤器排污阀VD520,调节排气阀PV523,对排气过滤器灭菌;

31        

打开取样蒸汽阀门VA507

32        

微开阀门VA509,使其有少量蒸汽流出;

33        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭阀门VA509

34        

微开取样阀门VA508,向罐内通蒸汽;

35        

打开底阀进蒸汽阀门VA510

36        

微开排污阀VA513,使其有少量蒸汽流出;

37        

蒸汽灭菌一段时间后,关闭VA513

38        

微开底阀VA511,向罐内通蒸汽;

39        

当温度高于100℃时,罐内产生鼓泡翻腾,此时在转速控制设置界面,先点击停止

40        

然后点击电源(关),关闭搅拌器,停止搅拌;

41        

********************保温保压******************

42        

打开罐压控制设置,压力投自动,压力设定0.11MPa

43        

当罐内温度上升至121℃的时候,开始计时,适当关小底阀VA511,调节VA514,控制进出蒸汽平衡,保持罐压尽量在0.11MPa范围;

44        

计时30min后,关闭阀门VA508

45        

关闭阀门VA507

46        

关闭底阀VA511

47        

关闭阀门VA510

48        

关闭阀门VA514

49        

关闭阀门VD520

50        

********************冷却******************

51        

当罐灭菌结束后,待压力降至0.08MPa左右,开启转速开关,通入无菌气体进行冷却;

52        

关闭除菌过滤器吹干排气阀VA516

53        

打开阀门VA515,向罐内通入无菌气体进行冷却;

54        

打开压力控制设置,压力调整为0.08~0.10MPa,维持罐压在此范围内;

55        

打开循环冷却水进电热水箱旁路阀VD527,向电热水箱注水;

56        

打开电热水箱溢水阀VA536

57        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

58        

打开循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

59        

打开夹套进水阀VD517

60        

打开夹套出水阀VD518

61        

在温度控制设置界面,点击手动冷却按钮;

62        

在温度控制设置界面,点击水泵启动按钮,对发酵罐进行冷却;

63        

当电热水箱注满水之后,关闭进水阀VD527

64        

打开压力控制设置,压力调整为0.05~0.08MPa,适当增加通气量,与排气阀PV523联合控制维持罐压在此范围内;

65        

当罐温降至接近培养工艺所需的设定温度(高于设定温度约3~4℃)时,将温度控制由手动控制切换成自动控制,设定值为26℃

 

 

接种与培养

1            

*******************接种******************

2            

调节排气阀PV523,控制发酵罐压力在0.02~0.03Mpa

3            

打开移种管路上的阀门VA530,利用种子罐和发酵罐的压差,将种子液压入发酵罐;

4            

接种的种子液约14.91kg左右,接种结束之后,关闭阀门VA530

5            

*******************培养******************

6            

在流量控制设置面板上,调节空气流量设定值为100SLM左右;

7            

在搅拌控制设置面板上,转速控制投自动,溶氧联动,溶氧设定值为35%

8            

在温度控制设置面板上,温度报警联锁投用;

9            

打开氨水补料管线阀门VA533

10        

在补料3控制设置面板上,pH投自动,pH设定为6.3左右;

11        

控制发酵液pH6.2~6.4

12        

在罐压控制设置面板上,压力控制投自动,罐压设定值为0.05MPa;所有控制参数设置好之后,开始发酵培养;

13        

打开排气冷凝器E501的出水阀VA522

14        

打开排气冷凝器E501的进水阀VA521

15        

*******************补料******************

16        

发酵培养20h左右,开始补加前体苯乙酸,打开补料阀VA534

17        

启动蠕动泵4

18        

调节蠕动泵4转速为7rpm左右;

19        

控制前体浓度在0.1%

20        

发酵30h左右,液糖浓度下降,开始补加液糖,打开碳源补料管线上阀门VA531

21        

启动蠕动泵1

22        

调节蠕动泵1转速为20rpm左右;

23        

控制液糖浓度在0.6%

24        

发酵30h左右,铵氮浓度开始下降,开始补加硫酸铵,打开硫酸铵管线阀门VA532

25        

启动蠕动泵2

26        

同时调节蠕动泵2转速为8rpm左右;

27        

控制铵氮浓度在0.05%

28        

发酵时间为60h左右时,将温度控制设定值改为24℃

29        

发酵时间为180h左右,检测发酵液的效价约为84000,发酵合格,可以放料;

30        

*******************放料******************

31        

在转速控制设置面板,先点击停止按钮;

32        

然后点击电源(关),关闭搅拌;

33        

打开底阀VA511

34        

打开放料阀VA512,发酵液进入后续工段;

 

 

放料后操作

1            

关闭预过滤器前阀VA504

2            

发酵液放料完毕之后,在流量控制设置面板,点击停止按钮;

3            

关闭空气质量流量计前阀VD501

4            

关闭空气质量流量计后阀VD503

5            

关闭空气进罐阀门VA515

6            

停止蠕动泵1

7            

停止蠕动泵2

8            

关闭蠕动泵3“pH自动

9            

关闭碳源补料管线阀门VA531

10        

关闭氮源补料管线阀门VA532

11        

关闭氨水补料管线阀门VA533

12        

打开温度控制设置,点击停止,关闭温度自控;

13        

然后点击水泵停止按钮;

14        

关闭夹套进水阀VD517

15        

关闭夹套出水阀VD518

 

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的前阀VD526

16        

关闭循环冷却水进电热水箱电磁阀XV524的后阀VD525

17        

关闭电热水箱溢水阀VA536

18        

关闭排气冷凝器E501的进水阀VA521

19        

关闭排气冷凝器E501的出水阀VA522

20        

关闭发酵罐底阀VA511

21        

关闭放料阀VA512

22        

罐压控制面板,点击停止按钮;

23        

操作结束之后,将发酵罐设备状态标识牌有设备运行中更换为设备待清洁

 

 

事故处理

1            

冷却温度下不来

2            

加热温度上不去

3            

前期染菌

4            

后期染菌

5            

冷却温度下不来


工程菌发酵流程图


数据概貌


实时趋势曲线


 

2-8实验结果与结论要求

(1)    是否记录每步实验结果:R £

(2)    实验结果与结论要求:R实验报告 R心得体会 其他 实验成绩及实验操作步骤汇总     

(3)    其他描述:仿真实验进行过程中,每步操作均有评分标准,分阶段和步骤的对学生能力进行检查,学生能够在实验结束后查看自己操作过程中所得分数。教师能够通过评分了解学生对知识点及实验操作细则的掌握情况,并及时作出反馈,使学生能够在虚拟仿真平台和教师的双重指导帮助下查找不足,反思其成败。

2-9考核要求

实习作业:学生每天写实训日记,记录当天的实训情况(所做的工作、所学的技术及心得体会);实训期满,每个学生应写出一篇综合实训报告,内容包括工艺流程说明、工艺流程图、操作方法和步骤文字、实训体会和收获等。

实训成绩:实训日记及实训表现占20%,综合实训报告占20%,机考成绩占60%。机考成绩根据各产品操作考核成绩加权平均得到。

不交实训报告,实训成绩评为不及格。

考核分实验记录和实验操作两部分,用于对仿真软件的步骤操作和质量控制的考核。每一个培训项目的初始工况及运行过程中的事故设置均可自定义设置,学生对具体培训项目的操作情况由评分系统来进行评价,操作错者将被扣分,这些都会记录,作为实验操作分数的一部分另一部分主要是实验记录(主要是原始数据)和实验报告,教师可以通过这两个方面的结果评定学生实验成绩。

2-10面向学生要求

(1)    专业与年级要求

专业:生物工程、环境工程、能源化工等

年级要求:1)三年级下学期,已经完成工艺的教学内容;

           2)四年级上学期生产实习环节。

(2)    基本知识和能力要求等

掌握发酵反应工艺的基本理论、基本知识;

掌握发酵罐、蠕动泵、过滤器、冷凝器发酵反应装置原理与设计方法;

熟悉国家对于发酵工艺生产、设计、研究与开发、安全、环境保护等方面的方针、政策和法规;

掌握文献检索、资料查询的基本方法。

能力要求:能够熟练运用计算机进行典型发酵反应虚拟仿真实验操作。

2-11实验项目应用情况

(1)    上线时间   2019.9.1     

(2)    开放时间 24h*7

(3)    已服务过的学生人数: 140

(4)    是否面向社会提供服务:R  £


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