论搅拌式不锈钢生物反应器之罐体设计

作为生物反应器的颜值担当，罐体是我们对于生物反应器的第一印象。

罐体的优良中差也有相应的判断依据，合格的生物反应器罐体会遵循《GB150.1~150.4-2021压力容器》国家强制标准，但是卓越的生物反应器罐体则会更严格的遵循《ASME BPE》进行设计和制造。我们的目标从来都不是及格，而是优秀与卓越，所以我们会从《ASME BPE》和生物工艺的角度探讨生物反应器罐体的设计和制造。

首先让我们来认识下ASME BPE

ASME是美国机械工程师协会的缩写简称。区别于《GB150压力容器》，ASME BPE并不是强制的标准。它是由材料和设备制造商及供应商、工程设计和安装公司、咨询公司、检验机构和设备使用者所组成的跨领域的专家共同发起制订并定期修订。

ASME BPE标准是全球范围内唯一的生物医药生产设备标准。ASME BPE满足了生物加工、制药和其他应用行业的需求。这些行业都有严格的卫生要求，涵盖了材料、制造、加工、检查、测试和认证。该国际标准已经被30个国家认可。

生物反应器罐体设计要素

生物反应器的罐体是细胞生长的场地所在，所以相比于普通的配料罐，生物反应器罐体在洁净卫生、材质抛光、无死角等方面无疑有着更高的要求。下面我们就看下在ASME BPE中合格的生物反应器罐体应该具备哪些特征。

第一特征：合理的接口

生物反应器有着诸多的功能接口，如顶部的清洗口、侧面的电极口和底部的出料口等。无论在什么位置，除了保证工艺需求外，还需要具备易清洁、不残留、能灭菌等特性。

Ø 顶部接口

对于非流通接口，为了保证清洗和灭菌的效果，应该实现尽可能小的L/d比，ASME BPE建议不超过2，而且为了保证清洗和灭菌效果，尽可能的不用1”以内的接口。

在实际操作中，我们通常会用NA接口代替传统的Tri-clamp接口

而与之相关的测试，主要是喷淋装置覆盖测试，即我们通常所说的核黄素清洗测试，关于这个测试，ASME BPE也有比较详细的描述，这里我们就不展开。

Ø 侧面接口

在ASME BPE-2019中，以下三种方式是可以被接受的

从这三种结构上我们可以看出ASME BPE的理念，坡度保证排水，更短的盲端避免死角，所以对于pH DO电极接口，我们通常采用a方式（INGOLD），取样阀和温度传感器接口通常采用c方式（NA接口），通常不采用b，虽然b也被接受，原因各位看官可自行脑补

在我们收集的反馈中，侧面电极接口的不正确设计和连接是导致污染的重要原因之一。

Ø 底部接口

ASME BPE对于底部接口只有一种推荐方式

NA接口，并且保证在焊接和安装过程中，不存在死角，保证罐体能够完全自排净，所以在我们验收方案中，会有一项专项测试——排空性测试

第二特征：设置合理的清洗球

有些工程师反馈清洗球洗不干净，他们更加信任传统的清洗方式，即把罐盖提升后，通过软管或者刷子等工具进行人工清洗。这种担心不是没有道理的，因为有些设备上确实只是设置了清洗球，但是并未根据罐体内部接口进行科学的设计，更加没有进行清洗球覆盖性测试。在ASME BPE看来，清洗球的数量和位置应保证能够消除内部零件的阴影，例如搅拌器轴、导流管和挡板等。所以在优质的系统上罐体会设置两个甚至两个以上的清洗球，以此来保证清洁效果，甚至可能会根据需要选择洗罐器来替代清洗球来保证效果。

合理的在线清洗装置的设置是系统洁净的保障。

第三特征：材质和抛光

对于生物反应器的罐体来说，从结构上大致可分为内筒、夹套和保温层三部分，其中内筒因为直接接触物料所以要求更高，ASME BPE也主要针对这块进行描述。

材质层面基本上现在均采用奥氏体不锈钢SS316L材质，对应德标1.4404

表面抛光主要指的是内表面的抛光，机械抛光和电解抛光对应的表面粗糙度Ra值见上述表格。我们常用的等级主要是SF1和SF4，也就是我们常说的机械抛光和电解抛光。这两个的区别有很多专业的文章进行了非常详尽的分析和对比。这里我们就不展开，如果通俗点描述机抛更经济，电抛更精细、无磨痕，这就意味着不残液应清洁。从这点看生物反应器罐体内表面应该把电解抛光作为第一选择。

第四特征：挡板

这个是容易被忽略的污染点！！！

我们列举几个常见的易造成污染问题：

Ø 螺纹连接

这个问题非常普遍。

因为我们通常会要求挡板做成可拆卸，即通过螺丝将挡板固定在支撑物上，但是螺纹在洁净行业是被禁止使用的，因为暴露在卫生环境下的螺纹是无法被清洁的。

所以我们推荐采用焊接作为第一连接方式。如果考虑到工艺的多样性一定要采用可拆卸的，也应该避免螺纹暴露在培养液中，如采用卫生螺母，并合理选择O型圈。

Ø 坡度排水

罐体内部最容易产生积水和微生物膜的就是挡板！

所以在ASME BPE里面对挡板的坡度和清洗阴影面进行了比较详细的阐述，

再列举两种比较受认可的案例：

总而言之，挡板设计要能保证排水，不能有清洗阴影面，不能暴露螺纹。参照这三条标准，各位看官可以看下自家有没有踩雷。

第五特征：视镜

又一个容易被忽视的地方。但是在应用中，确实也出现了不少因为视镜设计或安装缺陷导致生产失败的案例。对于视镜我们来看下ASME BPE是怎么要求的？

从这个ASME BPE推荐方式的图片我们可以发现几点

一、死角要短，L/d原则要遵守

二、O型圈要选择好，大小长短刚刚好，否则有死角，有积液，会污染

三、压力温度要能够满足工艺要求

四、材质、抛光与罐体要求一致。