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上海三申高压蒸汽灭菌器的温度控制

[导读]简述了高压蒸汽灭菌器的工作原理,介绍了目前比较先进的高压蒸汽灭菌器的温度控制过程,以及如何提高温度 分布均匀性和达到高精度的温控要求。如何使用 PLC架构控制系统,以及程序编写流程。

随着生物制药行业对过程控制的要求不断提 高,对生产过程中用到的需要灭菌的物品或制品的 无菌可靠性要求也越来越高,由此对大型自动高压 蒸汽灭菌器也提出了更高的要求。主要是高压蒸汽 灭菌器腔内温度分布的均匀性和温度控制精度的要 求。生产企业原有使用的一些国产手动或半自动高 压蒸汽灭菌器已经越来越不能满足生产使用要求。 借鉴国外一些先进的灭菌设备的架构和控制原理, 利用目前工业常用的 PLC 控制模块,可以很好的实 现以上要求。 1 高压蒸汽灭菌器温度控制原理

蒸汽灭菌一般根据物品的不同分为两类:液体灭 菌和器械灭菌,两者的过程有所不同。 高压蒸汽灭菌器一般是双层结构,分为腔内和夹 层,腔内加热进纯蒸汽,夹层加热进工业蒸汽。为了实 现设备腔内温度控制的均匀性和良好的控制精度,要 求蒸汽干燥,压力稳定,一般都经过减压处理,压力值 为 0.3Mpa。灭菌器腔内布置一个压力探头,一个固定温 度探头,四个移动温度探头,四个温度探头使用时使之 尽量在腔体内分布均匀。夹层一般只布置一个温度探 头,温度控制在设定的灭菌温度附近。为了增加蒸汽的 穿透性和置换空气,需要对腔内抽真空,抽到一个设定 值,再进蒸汽,此过程我们叫做一次脉动。根据腔内物 体的多少可以调整脉动的次数。脉动结束后,开始进蒸 汽,腔内温度控制在灭菌温度。为了腔内温度能够稳定 在灭菌温度以上,并且控制稳定,程序内的设定温度要 比所需的灭菌温度高一两度。通过不断的蒸汽加热,最 终腔内物品达到所需的灭菌温度,开始计时。灭菌时间 结束后,程序进入腔内冷却阶段。所有的蒸汽进汽阀关 闭,高压液体时为了保证腔内不变成负压,需要给腔内 通入洁净压缩空气,压力控制在灭菌温度所对应的蒸汽压力值,直到腔内物品的温度降到安全温度值。高压 器械,冷却时直接抽真空,降温干燥。 高压蒸汽灭菌器温控原理图如下:

2 输入输出控制点

(1)模拟输入: 6 个温度探头(Pt100 0~1500C) 1 个压力探头(- 1~4Bar 4~20mA) (2)模拟输出: 1 个自控调节阀控制信号(4~20mA) (3)数字输出: 6 个自控阀门开启 / 关闭控制 1 个真空泵启动控制 

3 PLC 选型

根据高压蒸汽灭菌器温度控制这一过程,可以 选择一个数字输出模块(包括 7 路开关量),一个模拟 输入模块(包括 6 路 Pt100 温度探头输入, 1 路 4~20mA 标准信号输入),一个模拟输出模块(包括 1 路 4~20mA 输出)。 

4 算法描述腔内四个移动探头分别定义为: t1、 t2、 t3、 t4,腔内 固定温度探头为 t5,夹层温度探头为 t6,腔内压力探头 为 P,灭菌温度定义为 T,温度偏差定义为 t。 (1)夹层温度控制: 夹层温度的控制只需要将夹层温度探头 t6 的值和 灭菌温度 T比较,让其始终控制在 T附近。当 t6<T时, 开启 V- 02 阀,进蒸汽;当 t6>T 时,关闭 V- 02 阀,为了 避免 t6 在 T附近时阀门的抖动,可以加 1~2 秒的延时。 (2)腔内温度控制: a.灭菌器械: 如图 1,为了置换腔内的空气,以及增加蒸汽的穿 透性,首先启动真空泵对腔内抽真空,同时测定压力探 头的值,直到压力达到一个设定值 P1(一般设为真空泵 最终抽真空能力的 90%时的压力值),开始进蒸汽,然 后再到一个设定值 P2(一般设为常压值),此过程称为 一次负脉动,一般针对灭菌物品的多少适当的调整负 脉动的次数。脉动结束后,开始进纯蒸汽,直到腔体固 定温度探头 t5 的温度控制在 T 和 T+t 之间,一般由 PLC控制阀门 V- 01,当腔体探头温度 t5 低于 T+t 时开 启,进汽, t5 高于 T+t 时关闭,为了防止在 T+t 附近的阀 门抖动,可以在程序里加入延时。为了减小腔内温度升 到灭菌温度时开启 V- 01 进汽导致的温度波动,蒸汽调 节阀 Vt 采用反比例控制,即阀门开启量 Vt=K/ t5+v, v 是最小开启量, v和 K 都需要根据具体情况试验获得。 同时程序不断分别比较四个移动探头温度和灭菌温 度,直到 t1、 t2、 t3、 t4 都处于 T和 T+t 之间,稳定一定时 间后,开始灭菌计时。此间如果有任何一个探头温度低 于 T,重新开始灭菌计时,直到总时长超过一个设定的 时间,PLC 输出一个信号,作为超时报警,系统停止进 汽。灭菌时间到了以后,PLC分别关闭夹层和腔体进汽 阀门,真空泵启动,对腔体抽真空,一方面是为了降温, 另一方面是真空干燥。抽真空的时间根据物品的多少 确定,以最终物品干燥无水为准。 b.液体灭菌: 考虑到腔体内有液体,抽真空时液体损失量较大, 采用一次负脉动后开始进蒸汽,压力控制到一个设定 值 P3(一般设定为比常压大 0.5Bar 左右),再抽真空抽 到常压,此过程叫做正脉动。主要是为了置换腔内的空 气和预加热液体,通过设定时间控制此过程。设定时间 结束后,开始进纯蒸汽,直到腔体固定温度探头 t5 的温度控制在 T和 T+t 之间,此时控制过程同器械灭菌过 程。液体的冷却需要非常注意,因为盛装液体的容器一 般是玻璃的,冷却过快会导致破裂。进入冷却阶段,首 先停止进蒸汽,为了防止高温过热液体在环境温度降 低后发生沸腾甚至容器爆炸,需要向腔内通入洁净压 缩空气,并且压力控制在灭菌压力值,一直等到腔内液 体温度降到设定的安全温度(如 80℃),再泄压。


5 结束语

本文介绍了高压蒸汽灭菌器的温度控制原理,如 何做到腔内灭菌温度较高精度的控制,以及如何架构 基于 PLC的控制系统。高压蒸汽灭菌器腔内温度分布 的均匀性,温度控制的精度关系着物品灭菌的可靠性, 以及后续生产产品的稳定性。通过不断提高设备的温 度控制要求,以满足生物制药生产过程控制的要求。



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