申请日2013.03.01
公开(公告)日2014.09.03
IPC分类号C02F1/02; B08B9/057
摘要
本发明涉及一种生物制药废水处理方法，主要解决现有技术存在间歇操作、时间长、蒸汽能耗大;易造成二次污染;灭菌终点不能有效控制的问题。本发明通过采用包括以下步骤：a)含活性微生物成分的生物制药废水连续地通过超高温灭菌器管程，得到去除生物活性的废水;b)含清洗球的清洗液连续地通过超高温灭菌器管程;c)步骤a)和步骤b)交替进行，交替频率由自动控制系统控制的技术方案较好地解决了该问题，可用于含活性微生物成分的生物制药废水去除生物活性的工业生产中。
权利要求书
1.一种生物制药废水处理方法，包括以下步骤：
a)含活性微生物成分的生物制药废水连续地通过超高温灭菌器管程，得到 去除生物活性的废水;
b)含清洗球的清洗液连续地通过超高温灭菌器管程;
c)步骤a)和步骤b)交替进行，交替频率由自动控制系统控制;
其中，所述超高温灭菌器包括灭菌区和保温区;灭菌区和保温区之间采用卡 箍式连接;灭菌区和保温区均为用夹套加热的管式设备。
2.根据权利要求1所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述超高温灭菌器 的灭菌区和保温区内，管程均为螺旋管形式。
3.根据权利要求2所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述螺旋管为不锈 钢薄壁管，内表面电抛光，其表面粗糙度Ra=0.2～0.8um;整个螺旋管采用自 动氩弧热熔式焊接。
4.根据权利要求2所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述螺旋管的直径 d与其螺旋直径D之比d∶D=1∶(5～20)，螺旋管的螺旋步长h与螺旋管的直径 d之比h∶d=1∶(1.15～5)。
5.根据权利要求4所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述螺旋管的直径 d与其螺旋直径D之比d∶D=1∶(8～16)，螺旋管的螺旋步长h与螺旋管的直径 d之比h∶d=1∶(1.2～4)。
6.根据权利要求1所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述夹套的内外圆 直径D1、D2与螺旋管的直径d、螺旋直径D之间的关系满足：D2>D>D1， (D2-D1)>2d;夹套内设有导流挡板。
7.根据权利要求1所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述灭菌区的温度 为101～133℃，保温区的温度为100～126℃;保温区内的停留时间为大于等于1 秒。
8.根据权利要求7所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述灭菌区的温度 为105～130℃，保温区的温度为105～121℃;保温区内的停留时间为3～60秒。
9.根据权利要求1所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述清洗球的直径 d2与所述螺旋管直径d的比例为1∶(2～10)。
10.根据权利要求1所述生物制药废水处理方法，其特征在于所述清洗球为软 性清洗球，其表面粗糙度为0.1～1mm。
说明书
生物制药废水处理方法
技术领域
本发明涉及一种生物制药废水处理方法。
背景技术
生物医药技术是以现代生命科学理论为基础，利用生物体及其组成部分，通 过基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等生物技术手段，进行研发和生产医 药产品的综合技术。由于传统的化学新药研发面临着难度不断增大、成本不断上 升、周期不断延长、成功率不断降低的局面，同时由于生物技术的不断发展和进 步，特别是人类基因组计划的完成，使得人们把目光逐步关注到生物技术领域， 从而使生物医药产业有了长足的发展。
由于生物医药技术主要是利用生物体及其组成部分，运用现代生物工程技术 来研发和生产药品，因此生产过程的生物安全性是必须关注的重点。在生物发酵、 细胞培养过程中，会用到/或产生具有生物活性的组织细胞成分，或含有生物毒 性的物质，这些生产过程产生的中间体/废弃液，必须经过灭活处理后，才能进 入下一工序/或排放至污水管网作进一步的污水处理。例如在生物制品生产中， 大肠杆菌作为外源基因表达的宿主，其高效稳定且适应性强，操作简单、经济性 好，是基因工程中广泛采用的工程菌。但由于大肠杆菌的致病性较强，传播途径 多(水、食物、直接接触等)，具有很强的传染性，如引起肠道外感染、腹泻等。 因此，对于采用类似大肠杆菌等具有一定生物活性的物质，其生产过程必须与普 通环境严格隔离，同时其生产过程中排放出的废水必须经过生物降解/灭活处理， 彻底消除其活性后，才能排放至普通的污水系统，以免活性成分泄漏造成四周环 境的生物污染事件。
同样在一些具有高污染风险的生物制品如卡介苗、流感疫苗、狂犬疫苗等的 生产中，会用到一些具有生物毒性的物质如具有活毒的牛结核杆菌、流感病毒、 狂犬病毒等进行接种培养传代，以得到具有免疫能力的减毒菌株。这些生物制品 的生产中，也用到具有毒性物质的菌株。因此这些生产工序也必须严格与其他区 域分开，其产生的污水也必须单独收集并经过灭活处理后，才能排放至普通污水 处理站进一步处理。
由此可知，在生物医药生产过程中，生物安全性是首要关注的问题，必须在 保证生产过程的生物安全绝对有保障的前提下，才能进行生物制品的生产。
关于生物医药生产中含活菌/活毒废水的处理，工程上一般有两种方法：化 学法和物理法。其中化学法(例如文献CN101215066A)是将所产生的含活菌/ 活毒废水单独收集后，加入化学物质，一般是氢氧化钠溶液，利用其强碱性特点， 将含活菌/活毒微生物的蛋白质分子破坏，从而消除其生物活性。但这种方法有 局限性，不能使所有微生物被降解。另一种方式即物理法，利用大部分微生物蛋 白分子不能耐高温的特点，通过蒸汽加热废水，使得微生物的蛋白质变性、从而 达到消除其活性/毒性的目的，并安全排放。
目前在生物医药工业中常用的含活菌/活毒废水热力灭菌法，均为间歇灭菌 法，也称批量灭菌法。就是将生产中产生的活性/毒性废水专门收集后，在收集 罐内直接通入高温蒸汽(一般是0.1MPa，121℃)并维持一定时间(一般在5min～ 10min)，使得废水中微生物蛋白质分子在长时间高温作用下凝固变性，从而失 去其固有的活性。采用这种方法处理后的废水其生物活性也得到了消除。
这种工艺的缺点是：a)间歇操作、时间长、蒸汽能耗大;b)设备必须耐压; c)由于蒸汽直接加热，其灭菌前期产生的水蒸气夹带有未彻底灭菌的活性成分 逸出，易造成二次污染;d)由于温度探测点位置局限，并不能完全保证容器内 所有液体已经达到设定的灭菌温度，灭菌终点不能有效控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术存在间歇操作、时间长、蒸汽能耗大; 易造成二次污染;灭菌终点不能有效控制的问题，提供一种新的生物制药废水处 理方法。该方法可连续操作;具有蒸汽耗量低;灭菌彻底，不会造成二次污染; 灭菌终点可得到有效控制的特点，并且可通过自动控制实现对管道内部的清洗， 保证设备高效运行。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种生物制药废水处理 方法，包括以下步骤：
a)含活性微生物成分的生物制药废水连续地通过超高温灭菌器管程，得到 去除生物活性的废水;
b)含清洗球的清洗液连续地通过超高温灭菌器管程;
c)步骤a)和步骤b)交替进行，交替频率由自动控制系统控制;
其中，所述超高温灭菌器包括灭菌区和保温区;灭菌区和保温区之间采用卡 箍式连接;灭菌区和保温区均为用夹套加热的管式设备。
优选地，所述超高温灭菌器的灭菌区和保温区内，管程均为螺旋管形式。
更优选地，螺旋管为不锈钢薄壁管，内表面电抛光，其表面粗糙度Ra= 0.2～0.8um;整个螺旋管采用自动氩弧热熔式焊接。
更优选地，所述螺旋管的直径d与其螺旋直径D之比d∶D=1∶(5～20)，优 选d∶D=1∶(8～16);螺旋管的螺旋步长h与螺旋管的直径d之比h∶d=1∶ (1.15～5)，优选h∶d=1∶(1.2～4)。
优选地，所述夹套的内外圆直径D1、D2与螺旋管的直径d、螺旋直径D之 间的关系满足：D2>D>D1，(D2-D1)>2d;夹套内设有导流挡板。
优选地，所述灭菌区的温度为101～133℃，保温区的温度为100～126℃; 保温区内的停留时间为大于等于1秒。
更优选地，所述灭菌区的温度为105～130℃，保温区的温度为105～121℃; 保温区内的停留时间为3～60秒。
优选地，所述清洗球的直径d2与所述螺旋管直径d的比例为1:(2～10)。
优选地，所述清洗球为软性清洗球，其表面粗糙度为0.5～1um。
更优选地，所述清洗球材质为聚四氟乙烯。
本发明中的超高温灭菌器包括灭菌区和保温区。废水进入灭菌区，在蒸汽的 加热下达到设定的温度，然后进入保温区，使得废水中的微生物蛋白分子变性并 彻底失去活性。灭活后的废水排放到后续的废水处理站。
由于大肠杆菌在75℃，15分钟后即可失去活性，沙门氏菌在60℃，15分 钟后即可被杀死，所以灭菌终点可依据测定灭菌段和保温段出料温度来判断。
由于微生物蛋白分子加热凝固而变性，如时间过长则凝固物会粘附在换热管 壁，会影响换热效率，因此换热器的结构设计必须考虑到这一特点。既要增加管 内的废水的流动性，降低管道阻力，同时所选的换热管内壁必须平整光滑，不易 积料。理论上管程采用单程直线形式最为合理，但由此也会造成换热管过长，整 体体积较大的缺点。本发明中的超高温灭菌器的管程采用了螺旋管的形式，液体 在管程相同的运行路径下，整体体积可得到有效控制。另外为降低蛋白分子凝固 后粘壁现象，管程采用了符合ASME BPE(美国机械工程师协会生物工程设备) 标准的304不锈钢薄壁卫生配管，内表面电抛光，其表面粗糙度Ra=0.2～0.8um。 整个螺旋管采用自动氩弧热熔式焊接，卫生型卡箍连接，保证内表面的光滑无缝 隙。另外由于采用螺旋管方式，螺旋管中间空间较大，为减小壳程体积，提高壳 程蒸汽换热效率，壳程结构采用了内外圆形套筒形式。
本发明中的超高温灭菌器在后续增设了保温区，使废水达到灭菌温度后再保 持至少1秒的时间以便彻底杀灭其中的微生物，以保证废水中微生物蛋白分子的 彻底灭活，这也正是本发明的关键所在。
本发明方法利用夹套蒸汽对进入的废水进行加热，即废水走管程，加热蒸汽 走壳程，加热蒸汽与废水不直接接触，不会产生灭菌前期产生的水蒸气夹带有未 彻底灭菌的活性成分逸出，造成二次污染的问题。
本发明中的超高温灭菌器解决了传统工艺的缺陷，但同时也带来了一个新的 困扰，由于含有蛋白质等生物活性物质的废水在灭活过程中，微生物蛋白分子加 热凝固而逐步变性，其产生的凝固物很容易粘附在超高温灭菌器的换热内壁上， 影响后续灭菌过程的进行。如不及时清除，在连续加热情况下，这些蛋白凝固物 会牢固地附着在内壁上，使得内壁变厚，传热阻力加大，流通面积减小，最终使 得超高温灭菌器无法发挥有效作用。因此必须及时加以清除。而采用的螺旋管为 了保证灭菌效果，管长较长，不易清洗。目前常用的清洗方法是在超高温灭菌器 工作一段时间之后(根据实际污垢情况，可每周或每十天一次)，将其拆卸，利 用工具(如软性毛刷)刷洗，但这一过程费时费力，清洗效果无法保证。在废水 微生物蛋白含量高的情况下，清洗周期很短，频繁的拆卸清洗会直接影响废水灭 活过程的正常进行。本发明方法采用清洗球进入灭菌器管程，利用小球与螺旋管 内表面的摩擦作用，及时清除螺旋管内壁上的蛋白凝固物，使得超高温灭菌器的 换热效率不受影响。
清洗球采用耐高温橡胶制成的弹性小球。小球表面有花纹，粗糙不平，以增 加其与换热管壁的摩擦。小球直径d2与螺旋管内径d之比为1∶(2～10)。比例 太大小球在管内移动不灵活，易堵塞，比例太小表面摩擦作用不大，需要数量相 对较多的清洗小球。较好的比例是1∶(4～8)，最好的比例是1∶(5～6)。
本发明方法中，灭菌和清洗过程通过自动控制系统控制，灭菌和清洗交替进 行，及时将灭菌过程产生的蛋白分子凝固物从灭菌器的内壁换热表面去除，保证 设备运行在高效的状态下。其中，清洗频率与灭菌器换热内壁的污垢情况有关， 废水中蛋白含量越高，蛋白分子凝固越多，对换热内壁的污染程度越大，需要及 时清洗的频率就越快。这一过程可通过自动控制系统进行设定。
采用本发明方法处理生物制药废水，与传统的间歇蒸汽灭菌法比较，可连续 操作;操作环境无热污染，蒸汽耗量低，最高可降低15～20%;不会造成二次 污染;去生物活性效果可得到有效控制;此外，清洗方便、效果好，灭菌清洗可 连续进行，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
重组人生长激素rhGH的生产，是以大肠杆菌为原料，经过接种、培养、筛 选等步骤，得到符合要求的菌种，再经发酵，分离，冻融裂解，提取，分离、纯 化后制得的。由于生产过程用到了大肠杆菌作为工程菌，所以生产过程排出的废 水(包括配液废水、设备场地清洗废水等)均含有大肠杆菌，具有生物活性，现 采用热力灭菌法，去除其活性。
将上述废水连续输送至超高温灭菌器。超高温灭菌器采用饱和工业蒸汽进 行加热，使得微生物蛋白质凝固变性，从而失去其原始的生物活性。
超高温灭菌器中，采用夹套加热，灭菌区的温度为121℃，保温区的温度为 116℃;保温区内的停留时间为10秒，以使微生物蛋白分子彻底凝固变性。
由于蛋白分子凝固后，极易粘附在换热器内表面上，从而影响换热效率。 为此灭菌器的换热管采用了内壁光滑的符合ASME BPE标准的304不锈钢薄壁 卫生配管，内表面电抛光，采用自动亚弧热熔焊接工艺，保证管程内壁光滑无缝 隙，蛋白凝固物不易粘附。整个管程采用螺旋式盘管，清洗小球在管程内的运动 良好，与管内壁充分接触摩擦。按日产生物制药废水9m3，每小时处理1m3生物 废水，采用0.2MPa，133℃饱和工业蒸汽进行加热，加热蒸汽的耗量为188kg/h， 换热面积为4m2。超高温灭菌器各区均采用本发明所述的螺旋管式换热器。螺旋 换热管由符合ASME BPE标准的304不锈钢薄壁管组成。其中，换热管直径d= 40mm，其螺旋直径D=400mm，d∶D=1∶10，各区换热管的总长度L=35m， 流体经过的总停留时间为160s。螺旋管的螺距h=50mm，d∶h=1∶1.25，壳程 内径D1=320mm，外径D2=480mm，换热器总长度1.6m。清洗小球直径 d1=8mm，d1∶d=1∶5。
自动控制系统对清洗频率进行控制,使得废水和清洗液交替进入灭菌器，从 而交替完成灭菌/清洗过程。在清洗周期中，带小球的清洗液进入灭菌器的螺旋 换热管中，通过弹性小球粗糙表面与换热管内壁的摩擦和撞击作用，将灭菌过程 产生的蛋白凝固物从管壁上去除并随清洗液排出，以保证换热效率。清洗小球与 清洗液出后，进入清洗液贮罐，小球回收供下一个周期使用。整个加热灭菌/清 洗过程的频率和周期可根据物料性质、污垢产生情况灵活调节。每次处理废液1 小时后通入含清洗小球的清洗液20min，可将换热管内壁清洗完毕。
本发明方法可连续处理废水;操作环境无热污染;加热蒸汽与废水不直接接 触，不会造成二次污染，超高温灭菌器可以连续使用10天以上(80小时)不必 拆卸清洗。
【实施例2】
同【实施例1】，只是高温灭菌器的出口温度为120℃，保温设备的温度为 120℃，保温区内的停留时间为5秒。
按日产生物制药废水9m3，每小时处理1m3生物废水，采用0.2MPa，133℃ 饱和工业蒸汽进行加热，加热蒸汽的耗量为198kg/h，换热面积为4.0m2。每 次处理废液45min后，通入含清洗小球的清洗液15min，可将换热管内壁清洗完 毕。
本方法可连续操作，并且加热蒸汽与废水不直接接触，不会造成二次污染， 超高温灭菌器可以连续使用10天以上(80小时)不必拆卸清洗。
【实施例3】
同【实施例1】，高温灭菌器的出口温度为115℃，保温设备的温度为112℃， 保温区内的停留时间为8秒。只是螺旋换热管直径d=25mm，其螺旋直径D= 300mm，d∶D=1∶12，各区换热管的长度L=57m，总停留时间100秒。螺旋 管的螺距h=32mm，d∶h=1∶1.25，壳程内径D1=250mm，外径D2=350mm， 换热器总长度2.2m。清洗小球直径d1=5mm，d1∶d=1∶5。
按日产生物制药废水9m3，每小时处理1m3生物废水，采用0.1MPa，121℃ 饱和工业蒸汽进行加热，加热蒸汽的耗量为209kg/h，换热面积为5.4m2。每次 处理废液80min后，通入含清洗小球的清洗液20min，可将换热管内壁清洗完毕。
本方法可连续操作，并且加热蒸汽与废水不直接接触，不会造成二次污染， 超高温灭菌器可以连续使用10天以上(80小时)不必拆卸清洗。
【比较例1】
采用传统的间歇蒸汽灭菌法，日产生物制药废水9m3。采用两个3m3废水 储罐，交替运行。每个储罐内设有饱和蒸汽加热管，0.3MPa饱和蒸汽通过DN50 蒸汽管道直接通入废水中，经加热至设定温度(110℃)后，继续保温运行10min， 以保证微生物蛋白的彻底凝固变性。
本方法存在设备投资大(需两台耐压0.3MPa的不锈钢3m3压力容器)，蒸 汽耗量大(每天需消耗蒸汽2.4t，较连续工艺增加蒸汽消耗20%)，灭活终点不 易控制，加热蒸汽与废水直接接触，易造成二次污染的不足。
【比较例2】
同【实施例1】，只是无清洗小球加入。由于蛋白分子凝固变性后，极易粘 附在灭菌器换热表面，增加了换热器的污垢系数，降低了换热器的换热效率，因 此每天操作结束后，必须将高温灭菌器进行拆卸，并人工清洗。由于换热管很长， 清洗不便。必须用4%氢氧化钠溶液浸泡，或加热循环等方式进行处理。清洗工 作量很大，清洗效果不佳。