多通路閥、組合閥、轉(zhuǎn)換板在化學(xué)制藥中的應(yīng)用研究

王文學(xué)

（江蘇萬(wàn)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(zhuǎn)換板現(xiàn)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(xì)化工等行業(yè)，有氣壓控制、電磁控制、機(jī)械控制、人工控制和時(shí)間控制等控制模式。其通常分為執(zhí)行結(jié)構(gòu)、閥門兩部分，執(zhí)行結(jié)構(gòu)常有智能儀表、傳感器、工控機(jī)、人機(jī)界面等組成；閥體常有單/雙座、球形、套筒、蝶形、偏心旋轉(zhuǎn)、三通、角形、隔膜等結(jié)構(gòu)。

具有自動(dòng)化控制系統(tǒng)的多通路閥、組合閥、轉(zhuǎn)換板在制藥領(lǐng)域，特別是注射劑、滴眼劑等高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品的制藥方面，為降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，有利防差錯(cuò)和殘留，便于驗(yàn)證和生產(chǎn)控制，以及自動(dòng)化操作高效性等因素更受青睞。其次是對(duì)閥門材質(zhì)要求更高，防腐的閥門尤其適合于高純介質(zhì)，高粘度液體、氣體、腐蝕性和惰性介質(zhì)。此外，隔膜閥成為制藥行業(yè)的首選，是液體介質(zhì)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(lái)減少材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的污染。

化學(xué)制藥配液系統(tǒng)是制藥工藝中的核心設(shè)備，目前中國(guó)2010版GMP的頒布，對(duì)如何降低配液系統(tǒng)的中常見(jiàn)的交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，提出了明確的要求。這就要求在配液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)封閉的物料轉(zhuǎn)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(shuō)，就是配液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要管道化、集成化。管道化、集成化的設(shè)計(jì)如何防止交叉污染呢?根據(jù)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(zhuǎn)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(yīng)用的并不多，本文不作討論。而多通路閥門、組合閥門、U型轉(zhuǎn)換板這三種安裝形式（以下簡(jiǎn)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(diǎn)，對(duì)于一套配液系統(tǒng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，如何最大限度的適合制藥生產(chǎn)工藝的要求，具有很非常重要的實(shí)際指導(dǎo)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(jīng)過(guò)鍛壓、切割、鏜、銑、鉆、焊接、拋光等多步機(jī)械加工方式加工而成，可以實(shí)現(xiàn)一閥多路的使用功能。由于各通路之間公用一個(gè)閥體，沒(méi)有連接管道，因此此種閥門可以實(shí)現(xiàn)“零死角”的概念，非常“衛(wèi)生”。

圖1 三通道氣動(dòng)隔膜閥

圖2 五通道氣動(dòng)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(fù)雜系統(tǒng)中。

1.2 組合閥門

組合閥門的安裝形式，一般簡(jiǎn)稱閥組安裝，是由多個(gè)單獨(dú)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(jié)構(gòu)圖。

圖3 組合閥門結(jié)構(gòu)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(yīng)用方式。究其原因，主要在于其能夠根據(jù)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(shù)背景下，閥組越來(lái)越受到安裝空間小的限制。下圖是GEA公司宣傳冊(cè)頁(yè)上所繪制的一個(gè)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(yīng)用于CIP系統(tǒng)的組合閥示意圖

1.3 U型轉(zhuǎn)換板

轉(zhuǎn)換板一般使用U型跨接管道，通過(guò)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(shí)現(xiàn)“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(zhuǎn)換板的結(jié)構(gòu)圖。

圖5 轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)圖[3]

U型管中間的細(xì)管是一個(gè)實(shí)心的探桿，在固定板上相應(yīng)的位置有一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，如果由于人為原因造成U型管安裝位置錯(cuò)誤，則接近開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)，自控系統(tǒng)會(huì)顯示錯(cuò)誤報(bào)警信息，阻止下一步操作進(jìn)行，這樣可以有效的保證轉(zhuǎn)換板使用的安全性。

下圖是正在制造中的復(fù)雜管路的轉(zhuǎn)換板，為了防止污染，管口均被膠帶封閉，貼有小標(biāo)簽的圓鈕形部位就是“接近開(kāi)關(guān)”。

圖6 正在制造中的復(fù)雜工藝的轉(zhuǎn)換板

轉(zhuǎn)換板的應(yīng)用使工藝管路的連接方式得以簡(jiǎn)化，比之閥組，可以有效的節(jié)約安裝空間，下圖這樣一個(gè)“一對(duì)六”的轉(zhuǎn)換板，比之由6個(gè)閥門組合的安裝形式，其優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。

圖7 一對(duì)六的轉(zhuǎn)換板，六個(gè)小孔是準(zhǔn)備安裝接近開(kāi)關(guān)的

2 三種安裝形式的特點(diǎn)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(jī)械加工而成，加工難道大，而且由于各個(gè)配液系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)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(guān)系，即是說(shuō)一個(gè)四通路閥門的價(jià)格是4個(gè)普通閥門價(jià)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(jié)構(gòu)限制，可以靈活多樣，可以適應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)造就了其幾乎沒(méi)有死角，因此當(dāng)不同管路通過(guò)此閥門時(shí)，只有閥芯內(nèi)的微量殘液存在，則各介質(zhì)間交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)很小。

2.1.4 由于沒(méi)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(dòng)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(shè)計(jì)工藝一定要成熟，后期變動(dòng)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。

2.1.7 多通路閥門是公用腔體設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械故障、膜片損壞、閥門內(nèi)漏這三種情況，是不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的。甚至可能會(huì)出現(xiàn)造成清潔劑污染料液的最壞情況，造成整批產(chǎn)品報(bào)廢。因此使用多通路閥門生產(chǎn)維護(hù)上是一個(gè)難題。

2.2 組合閥門

2.2.1 由于單個(gè)閥門是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)產(chǎn)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(lái)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(shè)計(jì)，且現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)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(nèi)部的殘液會(huì)造成各介質(zhì)間交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 由于存在的死角較多，組合閥門的清潔是一個(gè)大問(wèn)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(dòng)化程度很高。

2.2.6 組合閥門的擴(kuò)展性非常的好。在安裝、調(diào)試過(guò)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(shì)是多通路閥和轉(zhuǎn)換板所不具備的。

2.2.7 由于閥門較多，一旦出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械故障、膜片損壞、閥門內(nèi)漏這三種情況，是不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的。因此使用組合閥門的生產(chǎn)維護(hù)也是一個(gè)難題。

2.3 U型轉(zhuǎn)換板

2.3.1 由于轉(zhuǎn)換板的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，有的甚至沒(méi)有閥門或者接近開(kāi)關(guān)，因此其安裝投資成本很低。

2.3.2 由于轉(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)理念是用跨接管來(lái)實(shí)現(xiàn)不同管路之間的導(dǎo)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(zhuǎn)換板是不同管路之間實(shí)現(xiàn)了完全物理斷開(kāi)，不存在交叉污染的可能性。

2.3.4 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換板需要人工連接，但是由于設(shè)計(jì)巧妙，其操作便利性很好，在加上接近開(kāi)關(guān)的使用，可以有效的防止人為差錯(cuò)的可能。

2.3.6 由于轉(zhuǎn)換板是在綜合考慮整條配液系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)后，加工制造的，因此如果出現(xiàn)工藝變動(dòng)，則需要改動(dòng)的地方非常多，有時(shí)候甚至是不能改動(dòng)，只能重新加工，因此其工藝擴(kuò)展性并不好。

2.3.7 由于轉(zhuǎn)換板是使用跨接管來(lái)連接管路的，和其它的管路之間是完全的物理斷開(kāi)，因此其不存在內(nèi)漏的問(wèn)題，也沒(méi)有什么需要維護(hù)的地方。

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

表1 多通路閥、組合閥、轉(zhuǎn)換板的比較[4]

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，高度集成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中執(zhí)行結(jié)構(gòu)常有智能儀表、傳感器、工控機(jī)、人機(jī)界面等組成，在生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)線上品種單一的應(yīng)用中比較理想，具有自動(dòng)控制的多通路閥、組合閥更顯優(yōu)勢(shì)。但在CIP/SIP和配制系統(tǒng)共線時(shí)和配制比較復(fù)雜以及轉(zhuǎn)產(chǎn)更換品種比較頻繁的情況下，其具有自動(dòng)控制的多通路閥、組合閥是不應(yīng)該被推薦的，雖然在供應(yīng)商工廠進(jìn)行了FAT（工廠驗(yàn)收試驗(yàn))，在使用方現(xiàn)場(chǎng)也進(jìn)行了SAT(現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)），體現(xiàn)的還比較穩(wěn)定，但在實(shí)際使用中因自控閥組太多、自控系統(tǒng)復(fù)雜性和組件太多等因素，偶爾難免人機(jī)界面、智能儀表、執(zhí)行器誤動(dòng)作、系統(tǒng)誤報(bào)警、閥片泄漏、關(guān)閉不嚴(yán)等問(wèn)題發(fā)生，往往會(huì)造成全系統(tǒng)停下來(lái)進(jìn)行故障排除、偏差分析、延誤生產(chǎn)有效周期等問(wèn)題，如此反而產(chǎn)生低效高耗，同時(shí)因閥片泄露、關(guān)閉不嚴(yán)等隱形問(wèn)題不能被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)又會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

在高度集成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，采取轉(zhuǎn)換板能有效的控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)人為的物理干預(yù)，操作控轉(zhuǎn)換板，在高度復(fù)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(dòng)作，也降低了一些自控閥等維護(hù)和更換的費(fèi)用，使高集成的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大降低。

4 總結(jié)

綜上所述，多通路閥、組合閥門、U型轉(zhuǎn)換板這三種安裝方式對(duì)走在前沿制藥企業(yè)來(lái)講，其配液系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中是最常見(jiàn)的方式，各有特點(diǎn)。具體采用哪種形式，需要結(jié)合實(shí)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(zhì)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(fù)雜以及轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)更換品種頻繁的情況下，具有自動(dòng)控制系統(tǒng)U型轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)是最具優(yōu)點(diǎn)的。從物料的安全性角度出發(fā)，也應(yīng)該優(yōu)先考慮U型轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)思路。

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

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

［3］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)，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.