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    籃式反應(yīng)器故障原因及典型故障分析

    2024-03-11 01:25:32吳士棟
    設(shè)備管理與維修 2024年2期
    關(guān)鍵詞:參數(shù)設(shè)置深層管路

    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。

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