吳士棟，柳 薔，侯振生，張 微，崔 軍

（北京生物制品研究所有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

某公司購(gòu)進(jìn)某廠家同一型號(hào)籃式反應(yīng)器多臺(tái)，用于細(xì)胞培養(yǎng)。該反應(yīng)器是一種在位滅菌（SIP）不銹鋼生物反應(yīng)器，用于生物制品生產(chǎn)。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、溶解氧濃度、液位、通氣量等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。適用于各種傳代和原代動(dòng)物細(xì)胞批培養(yǎng)、補(bǔ)料培養(yǎng)和連續(xù)灌注培養(yǎng)。既適用懸浮細(xì)胞培養(yǎng)，也適用貼壁細(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?？刂葡到y(tǒng)由西門子可編程控制PLC 為控制主機(jī)，西門子彩色觸摸屏為現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)操作界面，PC 機(jī)為遠(yuǎn)程監(jiān)控。整個(gè)控制系統(tǒng)性能先進(jìn)穩(wěn)定，模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)易方便，包含自由組合的硬件和按需設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)，滿足客戶的在細(xì)胞培養(yǎng)中的各種需要。在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)此設(shè)備存在著一些設(shè)計(jì)缺陷，造成染菌不徹底、滅菌程序中斷、零件易損、能源浪費(fèi)等現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過對(duì)這些缺陷的升級(jí)、改造，目前所有設(shè)備運(yùn)行良好，之前出現(xiàn)的問題全部解決。

1 硬件升級(jí)與改造

1.1 溫度探頭布局

設(shè)備滅菌時(shí)，要求所有與制品接觸部分均需進(jìn)行高壓蒸汽滅菌。罐內(nèi)及罐蓋上管線、取樣、送料管線，補(bǔ)料管線，均設(shè)置了溫度傳感器。在溫度傳感器布局上，發(fā)現(xiàn)4 個(gè)補(bǔ)料口未分別設(shè)置溫度探頭，而是四路匯總后設(shè)置1 個(gè)溫度探頭、1 個(gè)疏水器（圖1）。這種設(shè)計(jì)方式存在缺陷：①當(dāng)任一或多個(gè)管路閥門故障，罐系統(tǒng)滅菌時(shí)，只要其中一根管路正常，傳感器溫度仍顯示正常的滅菌溫度，這會(huì)造成個(gè)別補(bǔ)料口在正常運(yùn)行完畢滅菌程序后，實(shí)際補(bǔ)料口并未達(dá)到滅菌效果，從而引發(fā)培養(yǎng)物染菌；②由于快速補(bǔ)料口管徑為25 mm，其他補(bǔ)料口為15 mm，若同時(shí)滅菌時(shí)，先啟動(dòng)快速補(bǔ)料口滅菌，會(huì)造成排汽管路壓力過大，致使其他3 路無法達(dá)到滅菌效果。

圖1 改造前的管路、溫度傳感器布局

改造方案：①每個(gè)支路設(shè)置1 個(gè)溫度探頭，滅菌時(shí)監(jiān)測(cè)4 個(gè)溫度（圖2）；②4 路分別加裝疏水器，消除單一回路開啟造成的排放管路壓力過大問題。改造后消除了補(bǔ)料支路染菌風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過多批次培養(yǎng)，反應(yīng)器生產(chǎn)正常，無染菌、細(xì)胞生長(zhǎng)良好。

圖2 改造后的管路、溫度傳感器布局

1.2 溫度控制中冷水直排改為板換循環(huán)

廠家之前設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的控溫方式為：①罐內(nèi)需要降溫時(shí)，通過補(bǔ)液管路向夾套內(nèi)補(bǔ)冷水，同時(shí)夾套中原有高溫水通過溢流口排放，達(dá)到降溫目的；②升溫時(shí)通過電加熱升高夾套中的水溫，使得罐溫升高。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是降溫時(shí)高溫水直排，不利于節(jié)能環(huán)保，浪費(fèi)水資源。廠家對(duì)降溫過程進(jìn)行改造，在夾套中串入1 個(gè)板式換熱器用于降溫（圖3），夾套水降溫過程中循環(huán)使用。改造前，每次自滅菌結(jié)束到罐溫達(dá)到37 ℃，需要排放近2000 L 水，按每月滅菌4 次計(jì)算，每臺(tái)設(shè)備每年節(jié)水100 t。

圖3 增加夾套循環(huán)板式換熱器

1.3 爆破片安裝位置

原設(shè)計(jì)方案中，爆破片安裝在罐壁上，高于使用體積，正常運(yùn)行時(shí)未反映出此設(shè)計(jì)存在問題。設(shè)備運(yùn)行半年中，出現(xiàn)多個(gè)罐的爆破閥出現(xiàn)滲液現(xiàn)象，開始認(rèn)為是爆破片質(zhì)量問題，但是更換后過一段時(shí)間爆破片又出現(xiàn)此現(xiàn)象。觀察反應(yīng)器的使用過程，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)罐使用完畢對(duì)殘液進(jìn)行滅菌后，部分罐壁會(huì)產(chǎn)生培養(yǎng)基干漬，操作人員會(huì)對(duì)此部分殘留進(jìn)行清理，稍不注意就會(huì)觸碰到爆破片。觀察損壞的爆破片，表面會(huì)有稀疏的褶皺，經(jīng)過一段時(shí)間，這些褶皺會(huì)由于應(yīng)力集中產(chǎn)生漏點(diǎn)。根據(jù)這種情況，把爆破片轉(zhuǎn)移安裝到罐上封頭備用口，運(yùn)行一年未發(fā)現(xiàn)有爆破片滲漏。

2 軟件升級(jí)與改造

2.1 尾氣冷卻管道漏液

設(shè)備每次滅菌過程中，尾氣冷卻管線密封圈總會(huì)漏水，拆卸發(fā)現(xiàn)密封圈側(cè)面總有一溝槽，像高壓沖破造成的。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅菌程序，發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行中，尾氣冷媒管線進(jìn)液、出液閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。滅菌過程中，被密封在管線中的液體升溫、壓力升高，造成密封圈被高壓沖破。更改滅菌程序閥門狀態(tài)，滅菌過程關(guān)閉尾氣進(jìn)液閥門、開啟回液閥門，故障消除。

2.2 滅菌時(shí)深層通氣與表層通氣的進(jìn)氣時(shí)間

在反應(yīng)器滅菌過程中，根據(jù)多次滅菌過程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)滅菌時(shí)的壓力經(jīng)常大于1.5 bar（0.15 MPa）甚至2.0 bar（0.2 MPa），但是滅菌溫度達(dá)不到要求（121 ℃）。檢查發(fā)現(xiàn)滅菌控制系統(tǒng)時(shí)，程序設(shè)定表層、深層同時(shí)進(jìn)汽，表層進(jìn)汽致使罐壓高于設(shè)定值，進(jìn)汽閥門關(guān)閉，罐內(nèi)液體無法升溫；手動(dòng)關(guān)閉表層進(jìn)汽，罐內(nèi)液體升溫正常，這又造成表層通氣管道無法滅菌。根據(jù)這種情況更改程序，滅菌時(shí)深層進(jìn)汽常開，表層進(jìn)汽每10 s 開啟2 s、關(guān)閉8 s。經(jīng)驗(yàn)證，這樣設(shè)置后的表層管線滅菌徹底，液體升溫正常。

2.3 滅菌控制方式

系統(tǒng)滅菌采用設(shè)置溫度點(diǎn)（100 ℃）以下，罐體夾套進(jìn)工業(yè)蒸汽，罐體溫度超過控制點(diǎn)，夾套停止進(jìn)汽，罐體內(nèi)進(jìn)純蒸汽方式。按此種方式控制，通常從設(shè)置點(diǎn)到達(dá)滅菌溫度（121 ℃）需20 min 左右，滅菌后罐內(nèi)液面上升10%～15%（視純蒸汽供應(yīng)情況）。根據(jù)既往工作經(jīng)驗(yàn)，協(xié)調(diào)廠家更改滅菌程序，調(diào)整為100 ℃以下夾套進(jìn)工業(yè)蒸汽，超過100 ℃罐內(nèi)進(jìn)純蒸汽，夾套繼續(xù)進(jìn)工業(yè)蒸汽。經(jīng)調(diào)整程序，現(xiàn)100 ℃到121 ℃升溫時(shí)間一般控制在8 min 左右，滅菌后罐內(nèi)液面上升小于5%（通常在2%）。

3 結(jié)論

通過上述改造，目前公司所使用的25 套籃式反應(yīng)器運(yùn)行狀況良好，各參數(shù)符合生產(chǎn)需求，設(shè)備運(yùn)行成本進(jìn)一步降低，達(dá)到節(jié)能減排目的。消除設(shè)備運(yùn)行故障，降低設(shè)備運(yùn)行成本，提高設(shè)備效率是維修人員工作的最終目標(biāo)。