吳士棟

（北京生物制品研究所有限責任公司，北京 100176）

0 引言

籃式生物反應器是一種在位滅菌（SIP）不銹鋼生物反應器，按體積分為40 L、150 L、300 L 三種（圖1）。生物反應器采用PLC 程序控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，能準確地自動控制溫度、轉(zhuǎn)速、pH 值、溶氧濃度、壓力、通氣量等各項參數(shù)指標。適用于貼壁細胞培養(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。該反應器在培養(yǎng)時將細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，使細胞基本處于靜止狀態(tài)，細胞貼壁快且細胞被吸附于載體纖維內(nèi)部不易脫落，后期維持時間長，大大提高了收率并降低收獲液中宿主細胞DNA 的含量。設備采用模塊化設計，可以根據(jù)用戶需求進行定制，滿足在線CIP、SIP、罐蓋自動提升、滅菌冷點監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及遠程監(jiān)控等功能。

圖1 反應器PID 圖

1 故障原因分析及典型案例

在使用過程中，如果生物反應器發(fā)生故障，將直接影響生產(chǎn)的順利進行，造成細胞染菌、生長異常、甚至細胞脫落、死亡。根據(jù)多年的反應器維修經(jīng)驗，總結(jié)設備的常見故障類型，并結(jié)合故障案例進行分析，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行加熱、制冷，達到控溫目的。

導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)或設置問題（參數(shù)設置錯誤、未設置自動控溫等）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：溫度圍繞設置值大幅度波動，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)定在設置值。

圖2 故障設備溫度曲線

故障案例2：罐體溫度一直低于設置值，加熱輸出100%也不能達到設置溫度。檢查各元件動作正常，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)閉冷媒進液閥后，罐溫快速回升，穩(wěn)定到設置值。拆開制冷板換供液閥，發(fā)現(xiàn)供液閥門無法關(guān)閉嚴，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。自動控制時，DO 值與加O2閥、加N2閥、空氣閥按照設置的參數(shù)聯(lián)動，自動調(diào)節(jié)到所設置的DO 區(qū)間值，并且穩(wěn)定到這個區(qū)間值工作。當DO 當前值低于設定值時，按PID 控制比例加O2；當DO 當前值高于設定值時按PID 控制比例加O2、加N2。若關(guān)聯(lián)攪拌，則溶氧低時增加攪拌轉(zhuǎn)速，高時降低攪拌轉(zhuǎn)速（需要設置最高、最低攪拌轉(zhuǎn)速）。

影響溶氧的主要因素有：①工藝氣體供應不足（供氣壓力管道泄漏）；②攪拌未啟動；③流量計故障；④深層進氣管路堵塞；⑤氣體分配管路與籃子交界處軟管接錯、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深層進氣濾芯濕；⑧參數(shù)設置錯誤（未自動關(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。檢查設備能源供應正常，檢查各種氣體流量顯示正常，氣體進濾芯前處流量正常，證明氣體供給回路控制正常，供氣管路無漏點。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)進氣管路與籃子內(nèi)管路連接處軟管破裂，造成深層進氣幾乎全部泄漏到罐內(nèi)液面以上，未進入液體深處。更換連接軟管后溶氧值恢復正常。

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)壓力到設置壓力值。當壓力設置值為0 時，壓力在自動控制時系統(tǒng)自動打開尾氣比例調(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表層進氣流量不足；②有手動開啟或關(guān)閉閥門的情況；③控壓程序與泄壓程序同時啟動；④控制參數(shù)設置錯誤；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；⑦表層進氣壓力不足；⑧電氣傳輸線路或電氣元件故障；⑨流量計計量問題；⑩壓力傳感器問題。

1.3.2 故障案例

罐體壓力設置為0.02 MPa，尾氣比例閥已100%關(guān)閉，仍無法保證罐壓達到設定值。檢查進氣壓力正常；罐體接口、管路接口無漏點；各參數(shù)設置正確，各閥門動作正常。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，應是操作人員更換濾芯時掉落的。清除異物后，罐體壓力恢復正常。

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)是通過蠕動泵加堿和通入CO2來調(diào)節(jié)溶液pH 值的。當pH 值高于設定值時，通過深層通氣向罐內(nèi)補充CO2以降低pH 值；當pH 值低于設定值時，通過計量泵向罐內(nèi)補充堿液，以提高pH 值。

pH 值的調(diào)節(jié)與電機的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)應該減?。蝗绻麎A液濃度比以前使用的小，那么P 參數(shù)應該增大，變化量參考濃度的變化比例。加堿流量統(tǒng)計使用的是積分方法，精度受所測量標準數(shù)據(jù)的影響，同時泵的啟動停止頻率也有影響。

影響pH 值的主要因素有：①pH 值校準錯誤；②CO2供氣不足；③補堿泵故障；④CO2、補堿泵未關(guān)聯(lián)pH值；⑤控制方式未選擇自動控制pH 值；⑥補堿、進CO2管路閥門故障，造成無法進氣、進液；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)蠕動泵一直向罐內(nèi)補堿液。檢查反應器pH 值一直控制在設定值，波動幅度較故障前有所增大，蠕動泵工作時間明顯變長。觀察CO2進氣流量計，進CO2控制閥打開，進氣流量計顯示為0。拆開深層進氣氣管，發(fā)現(xiàn)有明顯的氣體流出，測量CO2流量達到0.5 L/min。檢查進氣管路控制閥，發(fā)現(xiàn)閥門關(guān)閉不嚴。更換CO2流量計、進氣電磁閥后，系統(tǒng)恢復正常。此故障產(chǎn)生原因為CO2流量計及控制閥同時漏氣，罐內(nèi)一直進CO2，液體pH 下降，導致自動程序一直補堿，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控制。空罐滅菌時，需要將攪拌停止溫度設置低一些，禁止攪拌啟動。滅菌時，過濾器滅菌及實罐滅菌同時進行。滅菌操作前，需要先進行pH 電極的校正，然后將pH 電極和DO 電極安裝到罐上，然后才能開始進行滅菌（實消）。

滅菌過程為：①在滅菌控制畫面的參數(shù)設置值區(qū)設置好各項滅菌控制參數(shù)；②啟動滅菌后進入SIP 步驟1（預熱過程），系統(tǒng)自動開啟攪拌；③當罐溫升到預熱溫度后進入SIP 步驟2（升溫過程），系統(tǒng)自動停止攪拌；④當罐溫升到滅菌計時溫度設置值后進入SIP 步驟3（滅菌計時過程），系統(tǒng)開始計時；⑤滅菌時間到后進入SIP 步驟4（冷卻降溫過程），自動關(guān)閉深層通氣氣體進罐閥、深層通氣過濾器進蒸汽閥、表層層通氣過濾器進蒸汽閥，啟動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行吹掃；⑥當罐內(nèi)壓力低于0.8 bar（0.08 MPa）時，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，自動打開深層進氣閥控制罐壓，同時進入溫度自動控制程序；⑦當溫度降到設定降溫溫度后，進入SIP 結(jié)束步驟，自動開啟溫度控制，自動開啟壓力控制。

滅菌設備故障的主要原因有：①純蒸汽供給壓力不足；②超長細管的保溫問題；③濾芯排水針閥開度過小；④尾氣濾芯問題；⑤疏水器故障；⑥疏水管路堵塞；⑦深層進氣管路接錯或堵塞；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

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

2 結(jié)束語

引發(fā)設備故障的因素多種多樣，有時雖然故障現(xiàn)象相同，但故障原因不同，這就需要維修人員不斷學習理論知識，全面了解反應器的工作原理及設計理念。本文對籃式反應器的故障原因進行分析，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，及時排除故障，保證生產(chǎn)的順利進行。