籃式反應(yīng)器故障原因及典型故障分析

吳士棟

（北京生物制品研究所有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

籃式生物反應(yīng)器是一種在位滅菌（SIP）不銹鋼生物反應(yīng)器，按體積分為40 L、150 L、300 L 三種（圖1）。生物反應(yīng)器采用PLC 程序控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確地自動(dòng)控制溫度、轉(zhuǎn)速、pH 值、溶氧濃度、壓力、通氣量等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。適用于貼壁細(xì)胞培養(yǎng)，可用于生產(chǎn)病毒疫苗、單克隆抗體和基因工程產(chǎn)品等。該反應(yīng)器在培養(yǎng)時(shí)將細(xì)胞截留在載體纖維中，減少攪拌槳葉所產(chǎn)生的剪切力及氣體分布器氣泡影響，使細(xì)胞基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，細(xì)胞貼壁快且細(xì)胞被吸附于載體纖維內(nèi)部不易脫落，后期維持時(shí)間長，大大提高了收率并降低收獲液中宿主細(xì)胞DNA 的含量。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，滿足在線CIP、SIP、罐蓋自動(dòng)提升、滅菌冷點(diǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

圖1 反應(yīng)器PID 圖

1 故障原因分析及典型案例

在使用過程中，如果生物反應(yīng)器發(fā)生故障，將直接影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行，造成細(xì)胞染菌、生長異常、甚至細(xì)胞脫落、死亡。根據(jù)多年的反應(yīng)器維修經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)設(shè)備的常見故障類型，并結(jié)合故障案例進(jìn)行分析，為維修人員提供參考。

1.1 溫度控制系統(tǒng)故障

1.1.1 原因分析

罐體溫度控制系統(tǒng)主要由夾套、加熱套、降溫板換、循環(huán)泵組成。罐內(nèi)液體溫度是通過夾套內(nèi)液體溫度控制的。溫控探頭為罐內(nèi)溫度探頭，通過屏幕設(shè)定控制溫度，程序通過PID 控制電加熱棒和降溫板式換熱器進(jìn)行加熱、制冷，達(dá)到控溫目的。

導(dǎo)致溫度不受控的主要因素有：①攪拌故障；②夾套循環(huán)液位問題（液位傳感器）；③循環(huán)泵故障；④加熱棒故障；⑤制冷板換控制閥故障；⑥溫度傳感器故障；⑦反應(yīng)器內(nèi)液位過低；⑧夾套及循環(huán)管路內(nèi)窩氣造成循環(huán)不暢；⑨供電問題（空開跳閘、接觸器故障等）；⑩參數(shù)或設(shè)置問題（參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、未設(shè)置自動(dòng)控溫等）電氣傳輸線路或電氣元件故障。

1.1.2 故障案例

故障案例1：溫度圍繞設(shè)置值大幅度波動(dòng)，溫度曲線呈鋸齒狀（圖2）。檢查各元件無故障，正常工作。檢查參數(shù)設(shè)置，發(fā)現(xiàn)操作人員誤操作，將溫度PID 控制的P 參數(shù)由50 錯(cuò)誤地改成了500。修正參數(shù)后，系統(tǒng)正常工作，溫度穩(wěn)定在設(shè)置值。

圖2 故障設(shè)備溫度曲線

故障案例2：罐體溫度一直低于設(shè)置值，加熱輸出100%也不能達(dá)到設(shè)置溫度。檢查各元件動(dòng)作正常，夾套液位正常，排液口無冷媒溢出現(xiàn)象；攪拌正常；夾套循環(huán)泵正常工作；加熱器持續(xù)加熱，懷疑加熱器斷線或單相斷路，造成加熱功率不足，測量三相電流均正常。用手觸摸制冷板換一次側(cè)，發(fā)現(xiàn)溫度較正常值低。關(guān)閉冷媒進(jìn)液閥后，罐溫快速回升，穩(wěn)定到設(shè)置值。拆開制冷板換供液閥，發(fā)現(xiàn)供液閥門無法關(guān)閉嚴(yán)，更換閥門后故障排除。

1.2 溶氧控制系統(tǒng)故障

1.2.1 原因分析

溶氧調(diào)節(jié)分兩種進(jìn)行控制，一種是通過O2、N2、空氣按比例控制，一種是通過O2、空氣按比例控制，可以通過按鈕選擇控制方式。自動(dòng)控制時(shí)，DO 值與加O2閥、加N2閥、空氣閥按照設(shè)置的參數(shù)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)到所設(shè)置的DO 區(qū)間值，并且穩(wěn)定到這個(gè)區(qū)間值工作。當(dāng)DO 當(dāng)前值低于設(shè)定值時(shí)，按PID 控制比例加O2；當(dāng)DO 當(dāng)前值高于設(shè)定值時(shí)按PID 控制比例加O2、加N2。若關(guān)聯(lián)攪拌，則溶氧低時(shí)增加攪拌轉(zhuǎn)速，高時(shí)降低攪拌轉(zhuǎn)速（需要設(shè)置最高、最低攪拌轉(zhuǎn)速）。

影響溶氧的主要因素有：①工藝氣體供應(yīng)不足（供氣壓力管道泄漏）；②攪拌未啟動(dòng)；③流量計(jì)故障；④深層進(jìn)氣管路堵塞；⑤氣體分配管路與籃子交界處軟管接錯(cuò)、軟管破損；⑥管道漏氣（漏到管道外；閥門故障漏到排放管路）；⑦深層進(jìn)氣濾芯濕；⑧參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤（未自動(dòng)關(guān)聯(lián)O2等）；⑨電氣傳輸線路或電氣元件故障；⑩溶氧傳感器問題。

1.2.2 故障案例

系統(tǒng)溶氧值過低，檢查O2、潔凈壓縮空氣壓力正常，攪拌轉(zhuǎn)速正常。檢查設(shè)備能源供應(yīng)正常，檢查各種氣體流量顯示正常，氣體進(jìn)濾芯前處流量正常，證明氣體供給回路控制正常，供氣管路無漏點(diǎn)。關(guān)閉攪拌后觀察罐，液體中幾乎沒有氣泡。拆開罐蓋檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣管路與籃子內(nèi)管路連接處軟管破裂，造成深層進(jìn)氣幾乎全部泄漏到罐內(nèi)液面以上，未進(jìn)入液體深處。更換連接軟管后溶氧值恢復(fù)正常。

1.3 壓力控制系統(tǒng)故障

1.3.1 原因分析

罐體壓力控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)尾氣比例調(diào)節(jié)閥的開關(guān)大小來調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力到設(shè)置壓力值。當(dāng)壓力設(shè)置值為0 時(shí)，壓力在自動(dòng)控制時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)打開尾氣比例調(diào)節(jié)閥開到20%，以方便相關(guān)操作。

影響壓力的主要因素有：①表層進(jìn)氣流量不足；②有手動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門的情況；③控壓程序與泄壓程序同時(shí)啟動(dòng)；④控制參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤；⑤尾氣管路壓力控制閥故障；⑥管路連接處漏氣、罐體接口有漏點(diǎn)；⑦表層進(jìn)氣壓力不足；⑧電氣傳輸線路或電氣元件故障；⑨流量計(jì)計(jì)量問題；⑩壓力傳感器問題。

1.3.2 故障案例

罐體壓力設(shè)置為0.02 MPa，尾氣比例閥已100%關(guān)閉，仍無法保證罐壓達(dá)到設(shè)定值。檢查進(jìn)氣壓力正常；罐體接口、管路接口無漏點(diǎn)；各參數(shù)設(shè)置正確，各閥門動(dòng)作正常。懷疑有閥門自管路內(nèi)部向排放管線漏氣。拆開與排放管線連接閥門檢查，發(fā)現(xiàn)表層通氣濾芯下閥門隔膜上卡有異物，應(yīng)是操作人員更換濾芯時(shí)掉落的。清除異物后，罐體壓力恢復(fù)正常。

1.4 pH 值控制系統(tǒng)故障

1.4.1 原因分析

pH 值控制系統(tǒng)是通過蠕動(dòng)泵加堿和通入CO2來調(diào)節(jié)溶液pH 值的。當(dāng)pH 值高于設(shè)定值時(shí)，通過深層通氣向罐內(nèi)補(bǔ)充CO2以降低pH 值；當(dāng)pH 值低于設(shè)定值時(shí)，通過計(jì)量泵向罐內(nèi)補(bǔ)充堿液，以提高pH 值。

pH 值的調(diào)節(jié)與電機(jī)的PID 調(diào)節(jié)特性有所不同，PID調(diào)節(jié)需要參考所加堿的濃度與罐的大小。使用不同濃度的堿，所設(shè)置的PID 參數(shù)不同。一般的，如果堿液濃度比以前使用的大，那么P 參數(shù)應(yīng)該減??；如果堿液濃度比以前使用的小，那么P 參數(shù)應(yīng)該增大，變化量參考濃度的變化比例。加堿流量統(tǒng)計(jì)使用的是積分方法，精度受所測量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響，同時(shí)泵的啟動(dòng)停止頻率也有影響。

影響pH 值的主要因素有：①pH 值校準(zhǔn)錯(cuò)誤；②CO2供氣不足；③補(bǔ)堿泵故障；④CO2、補(bǔ)堿泵未關(guān)聯(lián)pH值；⑤控制方式未選擇自動(dòng)控制pH 值；⑥補(bǔ)堿、進(jìn)CO2管路閥門故障，造成無法進(jìn)氣、進(jìn)液；⑦電氣傳輸線路或電氣元件故障；⑧pH 值傳感器問題。

1.4.2 故障案例

罐體內(nèi)液面不斷升高，觀察發(fā)現(xiàn)蠕動(dòng)泵一直向罐內(nèi)補(bǔ)堿液。檢查反應(yīng)器pH 值一直控制在設(shè)定值，波動(dòng)幅度較故障前有所增大，蠕動(dòng)泵工作時(shí)間明顯變長。觀察CO2進(jìn)氣流量計(jì)，進(jìn)CO2控制閥打開，進(jìn)氣流量計(jì)顯示為0。拆開深層進(jìn)氣氣管，發(fā)現(xiàn)有明顯的氣體流出，測量CO2流量達(dá)到0.5 L/min。檢查進(jìn)氣管路控制閥，發(fā)現(xiàn)閥門關(guān)閉不嚴(yán)。更換CO2流量計(jì)、進(jìn)氣電磁閥后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。此故障產(chǎn)生原因?yàn)镃O2流量計(jì)及控制閥同時(shí)漏氣，罐內(nèi)一直進(jìn)CO2，液體pH 下降，導(dǎo)致自動(dòng)程序一直補(bǔ)堿，使罐內(nèi)液面不斷升高。

1.5 滅菌溫度控制系統(tǒng)故障

1.5.1 原因分析

滅菌控制是屬于半自動(dòng)控制?？展逌缇鷷r(shí)，需要將攪拌停止溫度設(shè)置低一些，禁止攪拌啟動(dòng)。滅菌時(shí)，過濾器滅菌及實(shí)罐滅菌同時(shí)進(jìn)行。滅菌操作前，需要先進(jìn)行pH 電極的校正，然后將pH 電極和DO 電極安裝到罐上，然后才能開始進(jìn)行滅菌（實(shí)消）。

滅菌過程為：①在滅菌控制畫面的參數(shù)設(shè)置值區(qū)設(shè)置好各項(xiàng)滅菌控制參數(shù)；②啟動(dòng)滅菌后進(jìn)入SIP 步驟1（預(yù)熱過程），系統(tǒng)自動(dòng)開啟攪拌；③當(dāng)罐溫升到預(yù)熱溫度后進(jìn)入SIP 步驟2（升溫過程），系統(tǒng)自動(dòng)停止攪拌；④當(dāng)罐溫升到滅菌計(jì)時(shí)溫度設(shè)置值后進(jìn)入SIP 步驟3（滅菌計(jì)時(shí)過程），系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)；⑤滅菌時(shí)間到后進(jìn)入SIP 步驟4（冷卻降溫過程），自動(dòng)關(guān)閉深層通氣氣體進(jìn)罐閥、深層通氣過濾器進(jìn)蒸汽閥、表層層通氣過濾器進(jìn)蒸汽閥，啟動(dòng)深層通氣和表層通氣，先對深層通氣過濾器和表層通氣過濾器進(jìn)行吹掃；⑥當(dāng)罐內(nèi)壓力低于0.8 bar（0.08 MPa）時(shí)，關(guān)閉深層通氣過濾器排冷凝水閥、表層通氣過濾器排冷凝水閥，自動(dòng)打開深層進(jìn)氣閥控制罐壓，同時(shí)進(jìn)入溫度自動(dòng)控制程序；⑦當(dāng)溫度降到設(shè)定降溫溫度后，進(jìn)入SIP 結(jié)束步驟，自動(dòng)開啟溫度控制，自動(dòng)開啟壓力控制。

滅菌設(shè)備故障的主要原因有：①純蒸汽供給壓力不足；②超長細(xì)管的保溫問題；③濾芯排水針閥開度過?。虎芪矚鉃V芯問題；⑤疏水器故障；⑥疏水管路堵塞；⑦深層進(jìn)氣管路接錯(cuò)或堵塞；⑧電氣傳輸線路或電氣元件故障；⑨溫度傳感器問題。

1.5.2 故障案例

罐預(yù)熱正常，升溫過程中罐溫一直維持在115 ℃左右，偶爾升到121 ℃進(jìn)入滅菌階段，但很快會(huì)下降回升溫階段，各支路滅菌溫度正常達(dá)到121 ℃以上。檢查純蒸汽供應(yīng)壓力正常，進(jìn)汽控制閥能將罐壓穩(wěn)定的控制在滅菌壓力設(shè)置值1.6 bar（0.16 MPa），各支路溫度正常，閥門正常開啟或正常脈沖開啟，尾氣溫度也能達(dá)到121 ℃。電氣控制元件正常、參數(shù)設(shè)置無誤。從表面未看到能引發(fā)故障的因素。調(diào)整設(shè)置參數(shù)，將預(yù)熱溫度降到80 ℃，觀察罐內(nèi)液面下氣泡量較正常時(shí)少許增多，懷疑純蒸汽進(jìn)入液面下的汽量不足，造成罐溫低。拆開罐子檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)堿管路內(nèi)有殘存的堿結(jié)晶，造成純蒸汽進(jìn)入液體內(nèi)的量不足，無法滿足滅菌要求。清理管路后，滅菌溫度恢復(fù)正常。

2 結(jié)束語

引發(fā)設(shè)備故障的因素多種多樣，有時(shí)雖然故障現(xiàn)象相同，但故障原因不同，這就需要維修人員不斷學(xué)習(xí)理論知識(shí)，全面了解反應(yīng)器的工作原理及設(shè)計(jì)理念。本文對籃式反應(yīng)器的故障原因進(jìn)行分析，并給出典型故障的排除方法，以便維修人員快速找到產(chǎn)生故障原因，及時(shí)排除故障，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。