篮式反应器的升级改造与实现

2021-12-29吴士栋侯振生

设备管理与维修 2021年21期

吴士栋，柳蔷，侯振生，张微，崔军

（北京生物制品研究所有限责任公司，北京 100176）

0 引言

某公司购进某厂家同一型号篮式反应器多台，用于细胞培养。该反应器是一种在位灭菌（SIP）不锈钢生物反应器，用于生物制品生产。反应器采用PLC 程序控制系统，性能稳定，能准确地自动控制温度、转速、pH、溶解氧浓度、液位、通气量等各项参数指标。适用于各种传代和原代动物细胞批培养、补料培养和连续灌注培养。既适用悬浮细胞培养，也适用贴壁细胞培养，可用于生产病毒疫苗、单克隆抗体和基因工程产品等。控制系统由西门子可编程控制PLC 为控制主机，西门子彩色触摸屏为现场人机操作界面，PC 机为远程监控。整个控制系统性能先进稳定，模块化设计，维护简易方便，包含自由组合的硬件和按需设计的软件系统，满足客户的在细胞培养中的各种需要。在实际使用过程中，发现此设备存在着一些设计缺陷，造成染菌不彻底、灭菌程序中断、零件易损、能源浪费等现象发生。经过对这些缺陷的升级、改造，目前所有设备运行良好，之前出现的问题全部解决。

1 硬件升级与改造

1.1 温度探头布局

设备灭菌时，要求所有与制品接触部分均需进行高压蒸汽灭菌。罐内及罐盖上管线、取样、送料管线，补料管线，均设置了温度传感器。在温度传感器布局上，发现4 个补料口未分别设置温度探头，而是四路汇总后设置1 个温度探头、1 个疏水器（图1）。这种设计方式存在缺陷：①当任一或多个管路阀门故障，罐系统灭菌时，只要其中一根管路正常，传感器温度仍显示正常的灭菌温度，这会造成个别补料口在正常运行完毕灭菌程序后，实际补料口并未达到灭菌效果，从而引发培养物染菌；②由于快速补料口管径为25 mm，其他补料口为15 mm，若同时灭菌时，先启动快速补料口灭菌，会造成排汽管路压力过大，致使其他3 路无法达到灭菌效果。

图1 改造前的管路、温度传感器布局

改造方案：①每个支路设置1 个温度探头，灭菌时监测4 个温度（图2）；②4 路分别加装疏水器，消除单一回路开启造成的排放管路压力过大问题。改造后消除了补料支路染菌风险。经过多批次培养，反应器生产正常，无染菌、细胞生长良好。

图2 改造后的管路、温度传感器布局

1.2 温度控制中冷水直排改为板换循环

厂家之前设计的温度控制系统的控温方式为：①罐内需要降温时，通过补液管路向夹套内补冷水，同时夹套中原有高温水通过溢流口排放，达到降温目的；②升温时通过电加热升高夹套中的水温，使得罐温升高。这种设计方案的优点是硬件结构简单，但是降温时高温水直排，不利于节能环保，浪费水资源。厂家对降温过程进行改造，在夹套中串入1 个板式换热器用于降温（图3），夹套水降温过程中循环使用。改造前，每次自灭菌结束到罐温达到37 ℃，需要排放近2000 L 水，按每月灭菌4 次计算，每台设备每年节水100 t。

图3 增加夹套循环板式换热器

1.3 爆破片安装位置

原设计方案中，爆破片安装在罐壁上，高于使用体积，正常运行时未反映出此设计存在问题。设备运行半年中，出现多个罐的爆破阀出现渗液现象，开始认为是爆破片质量问题，但是更换后过一段时间爆破片又出现此现象。观察反应器的使用过程，发现培养罐使用完毕对残液进行灭菌后，部分罐壁会产生培养基干渍，操作人员会对此部分残留进行清理，稍不注意就会触碰到爆破片。观察损坏的爆破片，表面会有稀疏的褶皱，经过一段时间，这些褶皱会由于应力集中产生漏点。根据这种情况，把爆破片转移安装到罐上封头备用口，运行一年未发现有爆破片渗漏。

2 软件升级与改造

2.1 尾气冷却管道漏液

设备每次灭菌过程中，尾气冷却管线密封圈总会漏水，拆卸发现密封圈侧面总有一沟槽，像高压冲破造成的。现场进行灭菌程序，发现程序运行中，尾气冷媒管线进液、出液阀门均处于关闭状态。灭菌过程中，被密封在管线中的液体升温、压力升高，造成密封圈被高压冲破。更改灭菌程序阀门状态，灭菌过程关闭尾气进液阀门、开启回液阀门，故障消除。

2.2 灭菌时深层通气与表层通气的进气时间

在反应器灭菌过程中，根据多次灭菌过程监控，发现灭菌时的压力经常大于1.5 bar（0.15 MPa）甚至2.0 bar（0.2 MPa），但是灭菌温度达不到要求（121 ℃）。检查发现灭菌控制系统时，程序设定表层、深层同时进汽，表层进汽致使罐压高于设定值，进汽阀门关闭，罐内液体无法升温；手动关闭表层进汽，罐内液体升温正常，这又造成表层通气管道无法灭菌。根据这种情况更改程序，灭菌时深层进汽常开，表层进汽每10 s 开启2 s、关闭8 s。经验证，这样设置后的表层管线灭菌彻底，液体升温正常。

2.3 灭菌控制方式

系统灭菌采用设置温度点（100 ℃）以下，罐体夹套进工业蒸汽，罐体温度超过控制点，夹套停止进汽，罐体内进纯蒸汽方式。按此种方式控制，通常从设置点到达灭菌温度（121 ℃）需20 min 左右，灭菌后罐内液面上升10%～15%（视纯蒸汽供应情况）。根据既往工作经验，协调厂家更改灭菌程序，调整为100 ℃以下夹套进工业蒸汽，超过100 ℃罐内进纯蒸汽，夹套继续进工业蒸汽。经调整程序，现100 ℃到121 ℃升温时间一般控制在8 min 左右，灭菌后罐内液面上升小于5%（通常在2%）。