籃式反應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，性能穩定，能準確地自動控制溫度、轉速、pH 值、溶氧濃度、壓力、通氣量等各項參數指標。適用于貼壁細胞培養，可用于生產病毒疫苗、單克隆抗體和基因工程產品等。該反應器在培養時將細胞截留在載體纖維中，減少攪拌槳葉所產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，細胞貼壁快且細胞被吸附于載體纖維內部不易脫落，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、滅菌冷點監控、數據存儲及遠程監控等功能。

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，如果生物反應器發生故障，將直接影響生產的順利進行，造成細胞染菌、生長異常、甚至細胞脫落、死亡。根據多年的反應器維修經驗，總結設備的常見故障類型，并結合故障案例進行分析，為維修人員提供參考。

1.1 溫度控制系統故障

1.1.1 原因分析

罐體溫度控制系統主要由夾套、加熱套、降溫板換、循環泵組成。罐內液體溫度是通過夾套內液體溫度控制的。溫控探頭為罐內溫度探頭，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夾套循環液位問題（液位傳感器）；③循環泵故障；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反應器內液位過低；⑧夾套及循環管路內窩氣造成循環不暢；⑨供電問題（空開跳閘、接觸器故障等）；⑩參數或設置問題（參數設置錯誤、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。檢查參數設置，發現操作人員誤操作，將溫度PID 控制的P 參數由50 錯誤地改成了500。修正參數后，系統正常工作，溫度穩定在設置值。

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象；攪拌正常；夾套循環泵正常工作；加熱器持續加熱，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，發現溫度較正常值低。關閉冷媒進液閥后，罐溫快速回升，穩定到設置值。拆開制冷板換供液閥，發現供液閥門無法關閉嚴，更換閥門后故障排除。

1.2 溶氧控制系統故障

1.2.1 原因分析

溶氧調節分兩種進行控制，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聯動，自動調節到所設置的DO 區間值，并且穩定到這個區間值工作。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。若關聯攪拌，則溶氧低時增加攪拌轉速，高時降低攪拌轉速（需要設置最高、最低攪拌轉速）。

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；⑧參數設置錯誤（未自動關聯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

系統溶氧值過低，檢查O2、潔凈壓縮空氣壓力正常，攪拌轉速正常。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。關閉攪拌后觀察罐，液體中幾乎沒有氣泡。拆開罐蓋檢查，發現進氣管路與籃子內管路連接處軟管破裂，造成深層進氣幾乎全部泄漏到罐內液面以上，未進入液體深處。更換連接軟管后溶氧值恢復正常。

1.3 壓力控制系統故障

1.3.1 原因分析

罐體壓力控制系統，通過自動調節尾氣比例調節閥的開關大小來調節罐內壓力到設置壓力值。當壓力設置值為0 時，壓力在自動控制時系統自動打開尾氣比例調節閥開到20%，以方便相關操作。

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；各參數設置正確，各閥門動作正常。懷疑有閥門自管路內部向排放管線漏氣。拆開與排放管線連接閥門檢查，發現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 值控制系統故障

1.4.1 原因分析

pH 值控制系統是通過蠕動泵加堿和通入CO2來調節溶液pH 值的。當pH 值高于設定值時，通過深層通氣向罐內補充CO2以降低pH 值；當pH 值低于設定值時，通過計量泵向罐內補充堿液，以提高pH 值。

pH 值的調節與電機的PID 調節特性有所不同，PID調節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 參數不同。一般的，如果堿液濃度比以前使用的大，那么P 參數應該減小；如果堿液濃度比以前使用的小，那么P 參數應該增大，變化量參考濃度的變化比例。加堿流量統計使用的是積分方法，精度受所測量標準數據的影響，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、補堿泵未關聯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

罐體內液面不斷升高，觀察發現蠕動泵一直向罐內補堿液。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，發現有明顯的氣體流出，測量CO2流量達到0.5 L/min。檢查進氣管路控制閥，發現閥門關閉不嚴。更換CO2流量計、進氣電磁閥后，系統恢復正常。此故障產生原因為CO2流量計及控制閥同時漏氣，罐內一直進CO2，液體pH 下降，導致自動程序一直補堿，使罐內液面不斷升高。

1.5 滅菌溫度控制系統故障

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設置值區設置好各項滅菌控制參數；②啟動滅菌后進入SIP 步驟1（預熱過程），系統自動開啟攪拌；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當罐內壓力低于0.8 bar（0.08 MPa）時，關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、參數設置無誤。從表面未看到能引發故障的因素。調整設置參數，將預熱溫度降到80 ℃，觀察罐內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，發現進堿管路內有殘存的堿結晶，造成純蒸汽進入液體內的量不足，無法滿足滅菌要求。清理管路后，滅菌溫度恢復正常。

2 結束語

引發設備故障的因素多種多樣，有時雖然故障現象相同，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生故障原因，及時排除故障，保證生產的順利進行。