多通路閥、組合閥、轉換板在化學制藥中的應用研究

王文學

（江蘇萬邦生化醫(yī)藥股份有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

多通路閥、組合閥、轉換板現在用于食品飲料、乳制品、醫(yī)療、啤酒釀造、供水、制藥、化妝品、生物工程、醫(yī)藥及精細化工等行業(yè)，有氣壓控制、電磁控制、機械控制、人工控制和時間控制等控制模式。其通常分為執(zhí)行結構、閥門兩部分，執(zhí)行結構常有智能儀表、傳感器、工控機、人機界面等組成；閥體常有單/雙座、球形、套筒、蝶形、偏心旋轉、三通、角形、隔膜等結構。

具有自動化控制系統(tǒng)的多通路閥、組合閥、轉換板在制藥領域，特別是注射劑、滴眼劑等高風險產品的制藥方面，為降低產品質量風險，有利防差錯和殘留，便于驗證和生產控制，以及自動化操作高效性等因素更受青睞。其次是對閥門材質要求更高，防腐的閥門尤其適合于高純介質，高粘度液體、氣體、腐蝕性和惰性介質。此外，隔膜閥成為制藥行業(yè)的首選，是液體介質控制的最佳選擇。通常殼體材料采用不銹鋼304、316L和EPDM/PTFE雙層膜片或硅膠隔膜片來減少材質對產品的污染。

化學制藥配液系統(tǒng)是制藥工藝中的核心設備，目前中國2010版GMP的頒布，對如何降低配液系統(tǒng)的中常見的交叉污染的風險，提出了明確的要求。這就要求在配液系統(tǒng)的設計中，要實現封閉的物料轉移、在位清洗功能 （CIP-Cleaning in Place）和在位滅菌功能 （SIPSterilization in Place）。具體的說，就是配液系統(tǒng)的設計需要管道化、集成化。管道化、集成化的設計如何防止交叉污染呢?根據ASME BPE（2009年版）的介紹，防止交叉污染主要有以下幾種方法[1]:

（1）可拆卸的短管；

（2）多通路閥門；

（3）組合閥門；

（4）U 型轉換板。

其中，可拆卸的短管是在管道化、集成化的配液系統(tǒng)中應用的并不多，本文不作討論。而多通路閥門、組合閥門、U型轉換板這三種安裝形式（以下簡稱三種安裝形式）是配液系統(tǒng)中最常用的安裝方式。分析、比較三種安裝形式的特點，對于一套配液系統(tǒng)生產線的設計，如何最大限度的適合制藥生產工藝的要求，具有很非常重要的實際指導意義。

1 三種安裝形式的介紹

1.1 多通路閥

多通路閥一般是由一塊鋼錠經過鍛壓、切割、鏜、銑、鉆、焊接、拋光等多步機械加工方式加工而成，可以實現一閥多路的使用功能。由于各通路之間公用一個閥體，沒有連接管道，因此此種閥門可以實現“零死角”的概念，非常“衛(wèi)生”。

圖1 三通道氣動隔膜閥

圖2 五通道氣動隔膜閥閥體

多通路閥門的安裝非常節(jié)省空間，比較適合于安裝在復雜系統(tǒng)中。

1.2 組合閥門

組合閥門的安裝形式，一般簡稱閥組安裝，是由多個單獨的閥門安裝工藝要求，組合安裝在一起形成的。主要有焊接安裝和卡箍快接兩種形式。下圖是ASME BPE中提供的組合閥門的結構圖。

圖3 組合閥門結構圖[2]

組合閥門的安裝形式，在制藥行業(yè)乃至乳品行業(yè)中是最廣泛的應用方式。究其原因，主要在于其能夠根據靈活組合，滿足不同的工藝要求，但是這是建立在有足夠的安裝空間的前提下的，配液系統(tǒng)的發(fā)展方向是模塊化、集成化，在這一技術背景下，閥組越來越受到安裝空間小的限制。下圖是GEA公司宣傳冊頁上所繪制的一個CIP系統(tǒng)的示意圖，其中使用的就是組合閥的安裝形式。

圖4 GEA公司應用于CIP系統(tǒng)的組合閥示意圖

1.3 U型轉換板

轉換板一般使用U型跨接管道，通過人工拆卸和安裝，使管口均固定在鋼板上的不同的管路接通或切斷，以實現“一到多”或者“兩兩組合”等不同的工藝路線的功能。

下圖是ASME BPE中提供的轉換板的結構圖。

圖5 轉換板結構圖[3]

U型管中間的細管是一個實心的探桿，在固定板上相應的位置有一個接近開關，如果由于人為原因造成U型管安裝位置錯誤，則接近開關無信號，自控系統(tǒng)會顯示錯誤報警信息，阻止下一步操作進行，這樣可以有效的保證轉換板使用的安全性。

下圖是正在制造中的復雜管路的轉換板，為了防止污染，管口均被膠帶封閉，貼有小標簽的圓鈕形部位就是“接近開關”。

圖6 正在制造中的復雜工藝的轉換板

轉換板的應用使工藝管路的連接方式得以簡化，比之閥組，可以有效的節(jié)約安裝空間，下圖這樣一個“一對六”的轉換板，比之由6個閥門組合的安裝形式，其優(yōu)勢是十分明顯的。

圖7 一對六的轉換板，六個小孔是準備安裝接近開關的

2 三種安裝形式的特點比較

2.1 多通路閥

2.1.1 由于多通路閥是由一塊鍛壓整鋼機械加工而成，加工難道大，而且由于各個配液系統(tǒng)的工藝設計均不同，很多多通路閥都是特殊訂制加工的，因此其成本非常高，和閥組的成本比較甚至是幾倍的關系，即是說一個四通路閥門的價格是4個普通閥門價格之和的幾倍。

2.1.2 多通路閥門不受傳統(tǒng)閥門的幾何結構限制，可以靈活多樣，可以適應配液系統(tǒng)中的各種工藝要求，因此較之其它兩種形式，靈活適應性最佳。安裝所需空間是三種形式中最小的。

2.1.3 由于多通路閥門的結構造就了其幾乎沒有死角，因此當不同管路通過此閥門時，只有閥芯內的微量殘液存在，則各介質間交叉污染的風險很小。

2.1.4 由于沒有死角，閥體的可清潔性較高。

2.1.5 由于多通路閥門一般是自控閥門，不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自動化程度很高。

2.1.6 由于多通路閥門是整體加工的，因此一旦制造完成，它的功能就不能再更改了，這就要求配液系統(tǒng)的設計工藝一定要成熟，后期變動幾乎是不可能實現的。

2.1.7 多通路閥門是公用腔體設計，一旦出現執(zhí)行機構機械故障、膜片損壞、閥門內漏這三種情況，是不能被及時發(fā)現的。甚至可能會出現造成清潔劑污染料液的最壞情況，造成整批產品報廢。因此使用多通路閥門生產維護上是一個難題。

2.2 組合閥門

2.2.1 由于單個閥門是標準工業(yè)產品，因此組合閥門的安裝成本投資是最低的。

2.2.2 由于組合閥門的安裝需要短管和三通、彎頭等管件來連接，而且受到一定的角度限制，因此其安裝需要的空間非常大，是三種安裝形式中最大的。如果有的配液系統(tǒng)采用模塊化設計，且現場的空間有限，則組合閥門將不能滿足工藝要求，因此其靈活適應性較差。

2.2.3 由于組合閥門是由管道、三通、彎頭等連接而成的，死角較多，有公用的管路存在，其內部的殘液會造成各介質間交叉污染的風險。

2.2.4 由于存在的死角較多，組合閥門的清潔是一個大問題。

2.2.5 如果組合閥門均由自控閥門組成，則不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自動化程度很高。

2.2.6 組合閥門的擴展性非常的好。在安裝、調試過程中，甚至是后續(xù)使用中，如果發(fā)生工藝變更，組合閥門是最好更改的安裝方式。這一優(yōu)勢是多通路閥和轉換板所不具備的。

2.2.7 由于閥門較多，一旦出現執(zhí)行機構機械故障、膜片損壞、閥門內漏這三種情況，是不能被及時發(fā)現的。因此使用組合閥門的生產維護也是一個難題。

2.3 U型轉換板

2.3.1 由于轉換板的結構很簡單，有的甚至沒有閥門或者接近開關，因此其安裝投資成本很低。

2.3.2 由于轉換板設計理念是用跨接管來實現不同管路之間的導通切換，因此其安裝集成性很好，所需安裝空間并不大，是介于多通路閥和組合閥門之間的一種優(yōu)良方式。

2.3.3 轉換板是不同管路之間實現了完全物理斷開，不存在交叉污染的可能性。

2.3.4 轉換板不存在死角，自清潔能力非常好，就像清洗一段管道一樣。

2.3.5 轉換板需要人工連接，但是由于設計巧妙，其操作便利性很好，在加上接近開關的使用，可以有效的防止人為差錯的可能。

2.3.6 由于轉換板是在綜合考慮整條配液系統(tǒng)的管路設計后，加工制造的，因此如果出現工藝變動，則需要改動的地方非常多，有時候甚至是不能改動，只能重新加工，因此其工藝擴展性并不好。

2.3.7 由于轉換板是使用跨接管來連接管路的，和其它的管路之間是完全的物理斷開，因此其不存在內漏的問題，也沒有什么需要維護的地方。

2.4 多通路發(fā)、組合閥、轉換板的各種優(yōu)缺點的比較，可以從表1中清晰體現。

表1 多通路閥、組合閥、轉換板的比較[4]

3 自動化控制系統(tǒng)

在實際使用中發(fā)現，高度集成的自動化控制系統(tǒng)中執(zhí)行結構常有智能儀表、傳感器、工控機、人機界面等組成，在生產工藝簡單、生產線上品種單一的應用中比較理想，具有自動控制的多通路閥、組合閥更顯優(yōu)勢。但在CIP/SIP和配制系統(tǒng)共線時和配制比較復雜以及轉產更換品種比較頻繁的情況下，其具有自動控制的多通路閥、組合閥是不應該被推薦的，雖然在供應商工廠進行了FAT（工廠驗收試驗)，在使用方現場也進行了SAT(現場驗收試驗），體現的還比較穩(wěn)定，但在實際使用中因自控閥組太多、自控系統(tǒng)復雜性和組件太多等因素，偶爾難免人機界面、智能儀表、執(zhí)行器誤動作、系統(tǒng)誤報警、閥片泄漏、關閉不嚴等問題發(fā)生，往往會造成全系統(tǒng)停下來進行故障排除、偏差分析、延誤生產有效周期等問題，如此反而產生低效高耗，同時因閥片泄露、關閉不嚴等隱形問題不能被系統(tǒng)發(fā)現又會產生嚴重的質量風險。

在高度集成的自動化控制系統(tǒng)中，采取轉換板能有效的控制風險點，通過人為的物理干預，操作控轉換板，在高度復雜集成的工藝減少多通路閥、組合閥使用量，不但降低了系統(tǒng)誤動作，也降低了一些自控閥等維護和更換的費用，使高集成的系統(tǒng)風險會大大降低。

4 總結

綜上所述，多通路閥、組合閥門、U型轉換板這三種安裝方式對走在前沿制藥企業(yè)來講，其配液系統(tǒng)設計和運行中是最常見的方式，各有特點。具體采用哪種形式，需要結合實際的制藥配液工藝要求。

綜合考慮，特別是防止交叉污染和確保藥品的質量安全方面，在CIP/SIP和配制系統(tǒng)共線情況下和配制比較復雜以及轉產時更換品種頻繁的情況下，具有自動控制系統(tǒng)U型轉換板的設計是最具優(yōu)點的。從物料的安全性角度出發(fā)，也應該優(yōu)先考慮U型轉換板的設計思路。

［1］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協(xié)會，2009:18.SD-3.11.9.

［2］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協(xié)會，2009:43.Pig.SD-5.

［3］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協(xié)會，2009:72.Pig.SD-26.

［4］Transfer Panel Design:Aspetic Solution Handling in Biopharmaceutiual Facilities[J].The Offical Journal of ISPE July/August 2000，Vol.20 No.4，by Ed Louie and Bruce Williams.