1生物發(fā)酵行業(yè)智能制造第2部分：智能生物反應(yīng)器本文件規(guī)定了生物發(fā)酵行業(yè)智能制造設(shè)備----智能生物反應(yīng)器的總體要求、技術(shù)要求、產(chǎn)品要求，描述了相應(yīng)的試驗方法，規(guī)定了標志、包裝、運輸和貯存的內(nèi)容。本文件適用于生物發(fā)酵行業(yè)智能制造裝備智能生物反應(yīng)器的設(shè)計、制造、檢驗和銷售。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成對本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB150.4壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收GB/T191包裝儲運圖示標志GB/T5226.1-2019機械電氣安全機械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件QB/TXXX.1生物發(fā)酵行業(yè)智能制造第1部分：控制系統(tǒng)3術(shù)語、定義和縮略語3.1術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1.1生物反應(yīng)器bioreactor能滿足利用生物體（如微生物、動物細胞、植物細胞）培養(yǎng)過程或采用生物酶制備特定目標產(chǎn)物等的裝置系統(tǒng)。3.1.2過程分析技術(shù)processanalyticaltechnology采用在線傳感器，以實時監(jiān)測生物反應(yīng)器（3.1.1）內(nèi)生物細胞培養(yǎng)過程的關(guān)鍵質(zhì)量屬性參數(shù)和生化反應(yīng)性能特征參數(shù)為手段，建立的一種生物過程參數(shù)分析和工藝控制的技術(shù)系統(tǒng)。3.1.3智能生物反應(yīng)器intelligentbioreactor包括微生物、動物細胞或植物細胞等生長的環(huán)境參數(shù)過程監(jiān)測與自動控制模塊功能、關(guān)鍵生理代謝參數(shù)的過程檢測與分析技術(shù)模塊功能，以及可執(zhí)行數(shù)據(jù)儲存、分析和過程優(yōu)化與放大決策的智能控制模塊功能的生物反應(yīng)器（3.1.1）。23.2縮略語下列縮略語適用于本文件。CER：二氧化碳釋放率（CarbonDioxideEvolutionRate）CIP：在位清洗（CleaninPlace）DO：溶解氧濃度（DissolvedOxygen）ORP：氧化還原電位(OxidationReductionPotential)OUR：攝氧率(OxygenUptakeRate)PAT：過程分析技術(shù)（ProcessAnalyticalTechnology）RQ：呼吸商（RespiratoryQuotient）SIP：在位滅菌（SterilizationinPlace）VVM：通氣比，指每分鐘通氣量與生物反應(yīng)器內(nèi)實際料液體積的比值（Airvolume/culturevolume/min）4總體要求4.1設(shè)備要求4.1.1具備滿足工藝要求的種子培養(yǎng)罐、發(fā)酵生產(chǎn)罐、培養(yǎng)基制備罐、補料罐、酸堿罐、消泡罐以及儲液罐等罐體。4.1.2配套料液轉(zhuǎn)移的管道、閥門、清洗系統(tǒng)等。4.1.3具備攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵液重量或體積、氣體流量、壓力、溫度、pH、DO或ORP、生物量、OUR、CER、補料速率等參數(shù)檢測與控制功能。4.1.4具備其他工藝需求的附屬設(shè)備。4.2潔凈衛(wèi)生設(shè)計要求4.2.1所有與物料接觸的面應(yīng)可清洗，達到工藝要求。4.2.2所有與物料接觸的罐體及管道避免死角積液，可排盡。4.3滅菌要求4.3.1種子培養(yǎng)罐、發(fā)酵生產(chǎn)罐、培養(yǎng)基制備罐、補料罐、消泡罐、儲液罐以及滅活罐等罐體應(yīng)滅菌。4.3.2物料接觸的傳感器、管路、閥門應(yīng)滅菌。4.3.3空氣過濾系統(tǒng)應(yīng)滅菌。4.3.4若物料實罐滅菌時間太長會造成培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分損失，應(yīng)采用物料連消系統(tǒng)滅菌。4.3.5不能蒸汽熱滅菌的物料（例如熱敏物料以及揮發(fā)物料等）應(yīng)采取過濾除菌。4.3.6不必滅菌的物料（如液氨或氨水等）宜密封對接。4.4清洗要求4.4.1CIP應(yīng)清潔到所有可能接觸物料的罐體及管路。4.4.2罐體及管路設(shè)計充分考慮與CIP工作站的對接：每臺罐體系統(tǒng)預(yù)留有CIP工作站進（出）的自動閥門和焊接接口；罐體系統(tǒng)的CIP功能模塊應(yīng)與CIP工作站聯(lián)動控制實現(xiàn)在線清洗。4.5自動控制需求3自動控制宜包括：a)pH、溫度、溶解氧（DO）、轉(zhuǎn)速、補料、罐壓、空氣流量等自動控制；b)種子罐、發(fā)酵罐、補料罐等自動滅菌；c)發(fā)酵罐、補料罐CIP自動清洗；d)帶菌物料的收集、滅活以及排放等自動控制；e)各參數(shù)的自控軟件，可根據(jù)需求進行擴展。5技術(shù)要求5.1工藝要求5.1.1罐體系統(tǒng)要求種子罐、發(fā)酵罐應(yīng)符合表1的要求。表1種子罐、發(fā)酵罐要求a)罐體材質(zhì)：接液材質(zhì)為316L不銹鋼或其他已經(jīng)證明同樣適用的e)罐蓋接口1）接種口或添加培養(yǎng)基口1個2）單針補料口，無菌補料或補酸電極口1個6）攪拌接口1個7）可根據(jù)具體工藝要求擴個4）夾套進出口各1個，其他換熱形式可根據(jù)工藝要求增4統(tǒng)統(tǒng)靈敏度大于70kΩ,自動檢測、自動消泡對消泡劑敏感的產(chǎn)物可采用旋轉(zhuǎn)離心式機械消泡器等類統(tǒng)工藝要求采用恒速流加、線性流加、變速流加等控制策略或與pH統(tǒng)器必要時配置玻璃轉(zhuǎn)子流量計或金屬浮子流量計，標準在線壓力適用于手動調(diào)節(jié)或自動調(diào)節(jié)的針型閥、球閥、口統(tǒng)尾氣冷凝或旋風(fēng)分離處理，可選擇配置尾氣加熱及尾氣過濾5培養(yǎng)基制備罐應(yīng)符合表2要求。表2培養(yǎng)基制備罐要求1材質(zhì)2固體投料3溫度控制工作溫度：室溫～60℃,配置加熱系統(tǒng)4攪拌系統(tǒng)材質(zhì)316L不銹鋼，按要求設(shè)定轉(zhuǎn)速，減速機機架材質(zhì)304不銹鋼5體積計量內(nèi)置標尺或配置稱重傳感器、差壓變送器等檢測儀表6打料泵離心泵軟接（防止蒸汽震動），前后配置過濾器（孔徑2mm）7清洗8其他罐頂防水LED視鏡燈補料罐配置系統(tǒng)應(yīng)符合表3要求。表3補料罐配置系統(tǒng)要求1材質(zhì)2進料b)液體投料：使用蠕動泵或通過打料泵，通過罐頂?shù)倪Mc)配置提升機，用于將固體培養(yǎng)基、液體培養(yǎng)基從地面提升至操料3溫度壓力檢測工作溫度：室溫～60℃,配置加熱系統(tǒng)，可進行滅菌；配置壓力傳感器4攪拌5體積計量6物料輸送采用壓差或位差方式7其他儲液罐配置應(yīng)符合表4要求。表4儲液罐配置要求162壓力溫度3其他氨水（堿水）罐配置應(yīng)符合表5要求。表5氨水（堿水）罐配置要求12設(shè)計壓力3設(shè)計溫度4進氣系統(tǒng)要求空氣（氮氣）管不伸入罐內(nèi)；氨水罐安裝精過5液位控制6其他要求溶媒罐配置應(yīng)符合表6要求。表6溶媒罐配置要求123456滅活罐配置應(yīng)符合表7要求。表7滅活罐配置要求12Pt100傳感器，范圍0℃~150℃,無菌法蘭連接，數(shù)顯和遠程顯示3熱水罐配置應(yīng)符合表8要求。表8熱水罐配置要求序7號1234Pt100傳感器，范圍0℃~150℃,B級，數(shù)顯和遠程顯示，自動控溫加熱55.1.2管道及閥門系統(tǒng)要求管道及閥門系統(tǒng)應(yīng)符合表9要求。表9管道及閥門系統(tǒng)要求12345與罐內(nèi)直接接觸的所有管道為316L不銹鋼或其他已經(jīng)證明同樣適用的原材料67895.1.3過程分析技術(shù)（PAT）要求通常標準配置的傳感器（探頭）有以下11種傳感器的輸出：a)溫度熱電阻8將熱電阻(如PT100熱電阻)信號按溫度高低隔離轉(zhuǎn)換成與溫度成線性標準模擬信號（如電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V））或數(shù)字信號傳輸模式如RS485等輸出。b)pH電極將pH電極電位信號轉(zhuǎn)換成與pH成線性標準模擬信號（如電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V））或數(shù)字信號傳輸模式如RS485等輸出。采用極譜式電極或熒光溶氧電極等測定，二次表采樣后進行溫度補償，將氧濃度或氧含量折算成25℃時的百分值。將DO電極電流信號轉(zhuǎn)換成與DO成線性標準模擬信號（如電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V））或數(shù)字信號傳輸模式如RS485等輸出。d)空氣流量（質(zhì)量流量控制器或渦街流量計）將質(zhì)量流量計或渦街流量計等電流信號轉(zhuǎn)換成與空氣質(zhì)量成線性標準模擬信號（如電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V或數(shù)字信號傳輸模式如RS485等輸出。采用直流或交流電機，通過編碼器精準測速，同時通過調(diào)速板調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。將電機電流信號轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成線性標準信號電流信號(4mA～20mA)、電壓（DC1.0V～5.0V）或頻率（Hz）輸出。f)泡沫通過靈敏的泡沫電極感知泡沫的變化，導(dǎo)電后成標準信號電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V）輸出。g)壓力傳感器將壓力傳感器測定的壓力呈線性標準模擬信號（如電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V~5.0V））或數(shù)字信號傳輸模式如RS485等輸出。h)罐重（補料秤）將電子秤電流信號轉(zhuǎn)換成與重量呈線性標準信號電流信號，宜采用4mA～20mA輸出或相應(yīng)的適用性傳輸模式。i)在線尾氣組成成分測定（可選）在線實時測定發(fā)酵尾氣中的氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）等氣體濃度，將電流信號轉(zhuǎn)換成與標準氣體濃度或含量呈線性標準信號，采用4mA～20mA輸出或相應(yīng)的適用性傳輸模式輸出信號。1)結(jié)合罐重、流量計算OUR、CER，可計算發(fā)酵呼吸熵（RQ）；2)結(jié)合溶解氧（DO）、罐內(nèi)壓力、溫度以及OUR計算單位體積氧傳遞速率（KLa，h-1）。j）在線電子鼻測定（可選）在線測定尾氣中揮發(fā)氣態(tài)濃度，將電流信號轉(zhuǎn)換成與成分濃度呈線性標準信號電流信號，宜采用4mA～20mA或電壓（DC1.0V～5.0V）輸出，或相應(yīng)的適用性傳輸模式如RS485。k)生物量測定（可選）具有測定發(fā)酵液中生物量的功能，將電流信號轉(zhuǎn)換成與細胞量或濃度呈線性標準信號電流信號(4mA～20mA)或電壓（DC1.0V～5.0V）輸出，或相應(yīng)的適用性傳輸模式如RS485等。5.1.4控制軟件設(shè)計要求針對過程特性，設(shè)計控制系統(tǒng)，對制造過程中的環(huán)境參數(shù)，如空氣、氧氣（O2）和二氧化碳（CO2）等進行自動檢測，實現(xiàn)溫度、溶解氧（DO）、pH等的自動控制。同時，對生物反應(yīng)過程的生理參數(shù)（如OUR、CER、RQ、生物量）和補料速率進行自動檢測和控制?？刂葡到y(tǒng)由人機對話界面、底層控制器，以及控制執(zhí)行硬件機構(gòu)組成，由人機對話界面完成9工藝參數(shù)的設(shè)置要求。5.1.5分析軟件要求軟件應(yīng)按QB/T××××.1-××××要求執(zhí)行。針對生物反應(yīng)器工作過程中，對溶液特性進行實時監(jiān)測，如攪拌物料的流型（視覺檢測）、速度、pH、溫度、流量、罐壓以及液位等，以及漿葉的攪拌轉(zhuǎn)速、功率等；通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的機器學(xué)習(xí)來進行預(yù)測性控制，實現(xiàn)產(chǎn)品的可視化和智能操作（具體智能運行設(shè)計要求為可選）。5.2智能生物反應(yīng)器要求5.2.1材料要求反應(yīng)器中接觸液體材料應(yīng)采用304或以上材質(zhì)；非金屬（如硅橡膠、EPDM，不包括陶瓷材料）應(yīng)考慮耐溫、耐磨、密封等滿足工藝需求的材質(zhì)。5.2.2外觀質(zhì)量罐體及附件、管道、管件等的安裝連接應(yīng)裝配牢固，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，流程合理，排列整齊，便于操作，無飛邊、毛刺等缺陷?？刂乒竦姆雷o層應(yīng)色澤均勻，無劃傷、裂痕、基體裸露等缺陷；控制柜內(nèi)應(yīng)接線整齊，回路編號清晰，走線橫平豎直，符合工藝要求；出線孔應(yīng)開口合理，切口整齊，與罐體各連接口密封良好；控制柜柜門開閉應(yīng)靈活、輕便；控制柜內(nèi)外應(yīng)清潔，無明顯變形、凹凸等缺陷。工藝管理系統(tǒng)中各管道所走介質(zhì)標識、閥門標識應(yīng)清晰。5.2.3焊接要求罐體焊接應(yīng)符合GB150.4規(guī)定。罐體及配套物料管道內(nèi)表面的焊接接頭（包括對接和角接）均應(yīng)磨平并拋光。內(nèi)部附件（零件）與相互間的焊接接頭應(yīng)滿焊，表面應(yīng)圓滑，無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。用于管道內(nèi)部的角焊縫接頭、管道外部的角焊縫的搭接熔點均應(yīng)拋光至肉眼不可見。管道焊縫應(yīng)平整，不應(yīng)有焊瘤、孔眼和毛刺，無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。潔凈管道及管件的焊接應(yīng)采用氬弧焊，焊接時確保焊口平整、表面干燥，保證保護氣體純度，管內(nèi)部應(yīng)充保護氣達到濃度，采用測氧儀測定，做到提前充氣，滯后停氣。焊接參數(shù)應(yīng)按焊接工藝文件的規(guī)定設(shè)定。在操作空間允許的情況下，宜使用自動焊接如環(huán)縫自動導(dǎo)軌焊接（對焊），確保焊接質(zhì)量。使用內(nèi)窺鏡檢查管道內(nèi)壁表面，手工焊縫為全部檢查，自動焊為按比例檢查。5.2.4表面處理要求基本步驟表面處理分為拋光和鈍化兩步。拋光與物料接觸表面的粗糙度要求，反應(yīng)器內(nèi)壁Ra≤0.4μm，直管內(nèi)壁Ra≤0.6μm，應(yīng)使用預(yù)制彎頭。鈍化采用氧化性介質(zhì)進行鈍化，清洗干凈。5.2.5電氣安全絕緣電阻絕緣電阻不應(yīng)小于20MΩ。接觸電阻接觸電阻應(yīng)小于0.1Ω。電網(wǎng)波動應(yīng)能適應(yīng)電網(wǎng)波動。過電保護應(yīng)有有效的過電保護措施。6試驗方法6.1工藝要求智能生物反應(yīng)器為提供微生物及細胞生長提供最適環(huán)境，通過對細菌生長環(huán)境的控制，最終得到預(yù)期的目的產(chǎn)物。生物反應(yīng)器帶有攪拌系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、補料系統(tǒng)、在線清洗和滅菌等功能。生物反應(yīng)器經(jīng)過系統(tǒng)測試、無菌試驗以及特性測試后進行有效的重復(fù)的運行。6.2智能生物反應(yīng)器產(chǎn)品要求除特殊說明外，在如下環(huán)境條件下進行試驗：a)環(huán)境溫度：10℃~28℃;b)相對濕度：35%～75%；c)大氣壓力：85kPa～106kPa。6.2.1材料要求核查原材料的材質(zhì)證明是否齊全、有效。對外購件、外協(xié)件核查其質(zhì)保證明材料。6.2.2外觀質(zhì)量用目測和手感，測試裝備、儀表箱等主要部件。6.2.3電氣安全保護聯(lián)結(jié)電路的連續(xù)性按GB/T5226.1-2019中18.2的規(guī)定進行試驗。絕緣電阻按GB/T5226.1-2019中18.3的規(guī)定進行試驗。接觸電阻用精度0.5級，分辯為0.1Ω的電阻表在機殼頂部金屬部位與安全保護接地端子之間測量。電網(wǎng)波動用可調(diào)交流電源給自控系統(tǒng)供電（預(yù)先斷開大功率執(zhí)行器），測試電壓依次為180V→220V→250V→220V→180V，頻率（50±2）Hz。每調(diào)整到一檔電壓待穩(wěn)定后，分別開啟和關(guān)閉自控系統(tǒng)電源開關(guān)，檢查自控系統(tǒng)輸出信號是否正常。過電保護按過電保護措施相關(guān)參數(shù)，單獨檢查過電保護是否有效。6.2.4產(chǎn)品安裝檢查產(chǎn)品應(yīng)正確安裝，并進行運行檢查。a)產(chǎn)品整體組裝完成后，進行整機試運轉(zhuǎn)。首先關(guān)閉有關(guān)閥門，裝備各接管口接上有關(guān)的儀表、傳感器或堵頭，以水代料注入裝備，沒過最上擋攪拌槳葉。b)接通電源，啟動攪拌系統(tǒng)，在一定轉(zhuǎn)速（1/2最大轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)保持30min，檢查是否運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，有無不正常噪聲和振動現(xiàn)象（共振區(qū)除外）。c)打開冷卻水系統(tǒng)，保持30min，檢查該管道系統(tǒng)上有關(guān)的閥門、循環(huán)泵、加熱器、裝備夾套等有無泄漏現(xiàn)象。d)開啟壓縮空氣進入系統(tǒng)，保持30min，用皂液檢查有關(guān)的閥門、過濾器、流量計、進氣及排氣口等有無泄漏現(xiàn)象，0.15MPa保壓0.5h，檢查壓降是否小于5%。e)開啟蒸汽閥門，使裝備在不大于130℃及不大于0.18MPa條件下保持30min，檢查有關(guān)閥門及裝備各接口有無泄漏現(xiàn)象。f)檢查上位機及各測控器件、儀表的連接、通訊接口是否正常。g)檢查各執(zhí)行器件是否能正常工作。h)檢查裝備稱重系統(tǒng)及傳感器是否達到正常工作狀態(tài)，檢查各臺電子秤的標零，是否能保證進入正常工作狀態(tài)。i)檢查溫度、pH、DO、攪拌、消泡、罐內(nèi)壓強、空氣流量等參數(shù)的檢測、標零及誤差值，是否能保證進入正常工作狀態(tài)。6.2.5產(chǎn)品運行檢查（冷模試驗）按照5.1.1規(guī)定的測控參數(shù)內(nèi)容、測控范圍、測控精度，檢查是否達到要求。6.2.6產(chǎn)品無菌試驗（熱模試驗）無菌試驗：按附錄A.1進行。測試結(jié)果：按附錄A.2執(zhí)行。7標志、包裝、運輸與貯存7.1標志產(chǎn)品標志可采用銘牌或直接噴刷、印字等形式，標志應(yīng)清晰，易于識別，且不易隨自然環(huán)境的變化而褪色、脫落。產(chǎn)品標志上至少應(yīng)注明：a)生產(chǎn)企業(yè)名稱、地址及商標；b)產(chǎn)品名稱