技術文章
生物發酵罐內襯或涂層材料的選擇需圍繞發酵工藝的安全性、穩定性和可靠性展開,核心標準包括以下方面:
一、選擇內襯/涂層材料的核心標準
1. 生物相容性與安全性
材料必須無毒、無溶出物,避免與發酵液發生化學反應釋放有害物質。例如,食品級發酵需符合FDA或GB 4806等食品安全標準,禁止使用含重金屬(如鉛、鎘)或易遷移有機物的材料;制藥行業則需滿足GMP規范,確保材料不影響產物純度或引入雜質。此外,材料表面需光滑致密,減少微生物黏附滋生,降低染菌風險。
2. 耐腐蝕性能
根據發酵過程中接觸的介質(如培養基、滅菌劑、清潔劑)選擇耐腐蝕性匹配的材料:
- 培養基成分:若含有高濃度鹽(如醬油發酵中的NaCl)、強酸(如檸檬酸發酵的低pH環境)或強堿(如NaOH調節pH),材料需耐受相應腐蝕;
- 滅菌條件:需耐受濕熱滅菌(如121℃高溫)、強氧化劑(如過氧乙酸)或紫外線照射,避免材料老化、變形或分解;
- 清潔試劑:若使用強酸(如硝酸)、強堿(如氫氧化鈉)或有機溶劑(如乙醇)清潔,材料需抗化學侵蝕。
3. 物理化學穩定性
材料需具備足夠的機械強度,耐受攪拌槳、氣流或固體顆粒的沖擊磨損,避免涂層脫落污染體系;同時需在發酵溫度范圍內(如25–60℃)保持熱穩定性,不軟化、脆化或因熱膨脹開裂。此外,材料需致密無孔隙,防止發酵液滲透至基材引發電化學腐蝕(如鋼鐵生銹)。
4. 可清潔性與維護成本
內襯表面需光滑(如電拋光處理至粗糙度Ra≤0.8μm),便于原位清洗(CIP)和滅菌(SIP),減少污漬殘留。若涂層破損,需易于局部修復(如聚氨酯可現場刮涂),降低整體更換成本。
二、是否需要耐受強酸、強堿或有機溶劑?
需根據具體工藝判斷,以下為典型場景分析:
1. 必須耐受強腐蝕介質的場景
- 化工與有機酸發酵:如檸檬酸、乳酸生產中,發酵液pH常低于2,且需用NaOH調節pH,需選擇耐強酸強堿材料(如鈦合金、哈氏合金或聚四氟乙烯PTFE涂層)。PTFE可耐受pH 0–14的極-端環境,是強腐蝕場景的優選。
- 生物制藥下游純化:若涉及乙醇、丙酮等有機溶劑提取產物,材料需抗溶脹(如酚醛樹脂、氟橡膠涂層),避免因溶劑侵蝕導致涂層脫落。
- 高鹽發酵:如氨基酸發酵(含5–10% NaCl)或醬油生產,Cl?易引發不銹鋼點蝕,需采用“316L不銹鋼+環氧酚醛涂層"雙重防護,或搪瓷玻璃內襯(耐Cl?腐蝕)。
2. 可選用常規耐腐蝕材料的場景
- 食品益生菌發酵:培養基多為中性(如牛奶發酵),清潔時使用稀酸(檸檬酸)或稀堿(碳酸鈉),可選食品級環氧樹脂涂層或316L不銹鋼內襯,無需極-端耐腐蝕材料。
- 酶制劑發酵:若工藝條件溫和,無強腐蝕介質,304不銹鋼經機械拋光即可滿足需求,降低成本。
3. 特殊場景的針對性需求
- 厭氧菌發酵:需避免材料與還原性物質(如硫化物)反應,可選鎳基合金(如Inconel 625)或聚乙烯(PE)涂層。
- 基因工程菌發酵:為防止金屬離子釋放影響菌體活性,優先選用電拋光316L不銹鋼或全PTFE內襯。
三、發酵罐內襯/涂層材料的選擇是工藝需求與成本的平衡:
- 核心邏輯:先確保安全合規(如食品/藥品行業的法規要求),再根據介質腐蝕性、滅菌條件、清潔頻率匹配材料性能。
- 極-端環境策略:強腐蝕場景需采用“高耐腐蝕基材+惰性涂層"(如316L不銹鋼+PTFE),單一材料易失效;
- 經濟性考量:非腐蝕場景無需過度追求高規格材料,例如常規發酵用304不銹鋼或環氧涂層即可,避免成本浪費。
總之,材料選擇需“量體裁衣",以保障發酵過程的穩定性、產物質量及設備壽命為目標。