灌裝系統中灌裝精度的影響因素分析
——以柱塞泵式西林瓶灌裝系統為例

＊祁富海 魏京燾 陳文曄 周園

（蘭州生物制品研究所有限責任公司 甘肅 730046）

文章以柱塞泵中西林瓶灌裝系統為例對灌裝精度的影響因素進行分析探討，灌裝過程是伺服電機驅動柱塞泵的活塞桿泵出的藥液通過導液管連接固定針架上的灌裝針再經針管流至藥瓶中。一般情況下柱塞泵的灌裝精度相對穩定，但藥液袋中的氣泡增多及液位變化、連接灌裝泵的軟管長時間工作疲勞、藥液灌裝機的運行速度等不確定因素會導致柱塞泵在運行一段時間后出現灌裝量不準確的情況。

1.系統誤差

（1）灌裝系統設置。由灌裝系統控制整個灌裝流程，在灌裝前要進行配方修正和下載，可以設定目標裝量、警戒值和糾正值，同時在配方里還包括泵速度、回吸、灌裝針距西林瓶底距離以及脫離距離等參數，這些參數對產品的灌裝過程、產品的質量有很重要的意義。

在生產過程中要使藥液準確灌注到到小瓶中，因此涉及到泵的加速度與減速度，灌裝針的運動軌跡。灌裝針與小瓶雖然都在運動，但是在水平方向上兩者保持相對靜止狀態，在豎直方向上存在相對運動。泵運動的過程包括加速度階段—勻速階段—減速度階段，在加速度階段液體的速度也從0開始加速噴出，如果此階段灌裝針針頭與瓶底距離比較遠，液體收到向下泵給的力加上自身的重力，當藥液與瓶底接觸時，產生反作用力，會導致藥液飛濺，甚至藥液可能飛出小瓶、粘在灌裝針上。當開始灌裝的時候針頭開始向上移動，邊移動的過程邊灌裝。如果針頭相對瓶底不向上運動，藥液會淹沒針頭，藥液粘到針頭上導致灌裝量不合格。即將灌裝結束時泵進行減速度，達到灌裝量后，泵停止。速度和精度在很大程度上取決于灌裝系統的分析和操作。灌裝速度過快情況下軟管管路壓力過大，導致滴液。

（2）在線稱重系統設置。在線稱重是無菌灌裝設備在位過程控制IPC的重要手段之一，有了在線稱重的灌裝設備，就可實現實時反饋控制，即將稱量結果與產品灌裝控制聯系，即時糾正灌裝偏差在線稱重控制系統的硬件主要包括IPC稱重、無線通訊模塊、服務器、高精度秤、電平轉換模塊等，稱重模塊應定期確認和校準，其本身性能的好壞將對稱量結果起著至關重要的影響[1]。

通常柱塞泵的灌裝精度較穩定，但藥液袋中的氣泡增多及液位變化、連接灌裝泵的軟管長時間磨損、藥液灌裝機的運行速度等不確定因素會導致柱塞泵在運行一段時間后出現灌裝量不準確的情況，當超出允許精度范圍時，控制器及時對灌裝泵的位移曲線進行在線修正，實現對灌裝量的在線調整，保證灌裝量的精確，減小誤差。此時在線稱重系統的修正程序設置就是重要因素，如果程序修正參數執行效果良好，經過調整可使柱塞泵的活塞位移穩定在合理范圍內，即可以實現柱塞泵的精準灌裝。這樣才能保證每一批次藥品的精準灌裝[2]。

（3）灌裝泵磨損。在日常生產過程中，滅菌器具如果沒有選擇非金屬材料，滅菌時泵桿與金屬材質接觸，泵桿上粘上金屬材料，容易引起泵桿磨損，出現氣密性不良，灌裝過程中出現氣泡。同時在每班次生產結束后清洗分裝用具的時候，對柱塞泵和灌裝針頭進行組裝時，泵體和泵桿未按照標號組裝時出現混裝，泵體的間隙不匹配，針頭和灌裝泵的擺放碰撞都會容易引起泵桿或灌裝針頭的磨損，出現氣密性不良，灌裝過程中出現氣泡或者滴漏現象。灌裝泵的使用時間越長自身的磨損也會越來越大，也會出現氣密性不良，灌裝過程中出現氣泡。

（4）灌裝針大小及形狀。灌裝針內徑選擇。針的內徑與劑量管路的內徑匹配，避免針內徑過小導致阻力增大，流量較小，在軟管末端和針管相接的部位出現膨脹，灌裝間歇過程中，由于膨脹部分自然復位灰把藥液擠出針頭造成液體滴漏；同時也要避免過大的針頭內徑，導致末端藥液自然滴落。

灌裝針形狀選擇。在實際生產中，經常選擇常用的平口針和三叉針，平口針的優勢在于其制造簡單，并且回吸效果不錯，不足之處就是平口針沖擊力大，會導致在灌裝過程中發生濺液三叉針的優勢在于灌裝壓力小，能夠有效防止液體的飛濺，而不足之處在于針口的加工比較困難，如果開口不均勻又會造成液體的滴液掛液現象，導致末端藥液自然滴落影響灌裝精度。

2.隨機誤差

(1)管路長短和軟管形變

在西林瓶灌裝線中一個完整的灌裝管路包括：灌裝袋（緩沖罐）、灌裝管路、灌裝針、柱塞泵等結構組成液體灌裝是將液體經過管道，按一定的流速或流量流入西林瓶內的過程。在安裝管路系統時針架以及硅膠管長度過長的時候擺臂會帶動軟管來回擺動導致晃動過大從而影響灌裝針的輕微晃動導致滴液。其次和灌裝針連接的軟管形狀變化，隨著軟管使用次數和時間增加，軟管受擠壓后周長增加、壁厚變薄、內徑變大導致流量增加，從而導致灌裝精度偏高[3]。

(2)液位及壓力變化

儲液罐、分液器、灌裝泵及針架的安裝位置，緩沖瓶的安裝位置相對于灌裝泵的安裝位置高度差過大，灌裝泵受到藥液的壓力太大容易導致灌針滴液。

入口壓力的變化。如隨著灌裝入口液面的降低則入口壓力降低，流量會下降。

由伯肖（Poiseulle）公式可得出：

式中：Q—容積流量，m3／s；ΔP—壓力差，Pa；d—管道內徑，m；L—管道長度，m；μ—動力粘性系數，Pa·s。

在生產開始到生產結束的過程中，液體的種類、管路的直徑和管路長度無法改變，在灌裝過程中儲液罐的液位會隨之降低，從而入口壓力也會降低，流量也會隨之下降。

平均流速同樣下降，從而導致灌裝量偏小影響灌裝精確度。

(3)液體特性

液體的黏度在液體特性中是影響灌裝精確度的主要因素。

式中：μ—動力粘性系數，Pa·s；ρ—液體的密度，kg/m3。

公式①＋②結合可得Q=ΔPπd4ρ/（128μL）即在生產開始到生產結束的過程中，液體的密度和管路的直徑以及管路長度無法改變，液體的黏度會影響動力黏度系數，從而影響管路系統的流量導致流速發生改變導致灌裝量的差異進而影響灌裝精確度。并且液體黏度也會影響液體的流動性。

(4)干預因素

①連接管路。在日常生產中，緩沖瓶、分液器、柱塞泵及針架的安裝位置會產生一定影響。儲液罐的位置相對于柱塞泵的安裝位置高度差過大，柱塞泵受到藥液的壓力太大容易導致灌針滴液。操作人員在灌裝開始前對灌裝泵、灌裝針以及軟管接口進行組裝連接時產生松動也會產生氣泡或滴漏，并且在對灌裝管路排空氣的時候，操作人員未能排凈管路中的全部空氣，管路中出現少量氣泡，在灌裝過程中也會導致灌裝量的差異進而影響灌裝精確度。

②運行故障。以西林瓶灌裝系統為例：在線稱重系統采用機械手將灌裝前后兩種狀態下的藥瓶加載到高精度IPC稱重各稱一次，控制器通過比較判斷每支藥瓶灌裝凈重是否超限，灌裝重量不符合標準的藥瓶，隨傳輸軌道到下一工位時控制器觸發剔廢口予以剔除[4]。

在日常生產的過程中，如果灌裝機在進瓶工位、稱重工位會出現運轉故障，比如進瓶工位和稱重皮重工位發生炸瓶故障，西林瓶玻璃碎渣會飛濺到IPC稱重工位，操作人員清理不干凈不徹底會影響后續稱重進而影響灌裝精確度。如果在液體灌注后進行毛重稱重的時候出現炸瓶故障，液體和玻璃渣都會可能飛濺到IPC稱重工位，操作人員清理不徹底會影響后續稱重，直接影響灌裝精確度。

③壓差波動。層流隔離器內部的風壓過大或過小也會影響在線稱重的稱量值[5]。隨著中國GMP、中國藥典等相關行業法規的升版，對于無菌生產要求的提高，隔離技術在灌裝線上變得必不可少。風速設計應該能保證形成穩定連續的單向流，使得敞口的無菌產品得到首過空氣（first air）的保護，在生產過程中產生的顆粒能足夠被經過高效過濾器過濾的A級條件的單向流帶走。在無菌灌裝工藝中，通常在線稱重系統安裝在A級別環境中，在層流風機保護罩內。當風機開啟后，風壓平衡環境會發生變化，開啟風機頻率偏大對風壓環境破壞沖擊，隔離器層流壓差波動變得越大，對秤在線稱重的數值影響越大，使在線稱重重量值偏高，導致在灌裝曲線分析時控制器對灌裝泵的位移曲線進行在線修正出現誤差，對灌裝量的在線調整造成影響從而導致灌裝精確度受影響。

④靜電產生的吸力。靜電的大小也會影響在線稱重系統的稱量值。西林瓶剛經過清洗和高溫除熱原滅菌工藝，干燥瓶玻璃身如果經過“摩擦”，以及保護罩層流風垂直向下吹掃，容易在表面產生電荷，產生的電荷可為正極或負極，從而帶來吸引或排斥的作用，從而可能導致稱重顯示值大于或小于實際重量。灌裝間的濕度和灌裝機運行包括在線稱重的元器件和模具的旋轉都會產生靜電現象。當發生靜電現象的時候，靜電會對經過在線稱重模塊稱量工位時的小瓶產生一個吸力，當產生的靜電越大時吸力就會越大，使在線稱重模塊稱量的重量偏離實際重量越多，導致在灌裝曲線分析時控制器對灌裝泵的位移曲線進行在線修正出現誤差，對灌裝量的在線調整造成影響從而導致灌裝精確度。

⑤振動的影響。振動對高精度稱重的影響是不言而喻的，帶有機械運動的設備更難避免自身的震動。尤其是在西林瓶灌裝線膠塞鍋和壓塞工位在在線稱重的周圍。同時考慮灌裝伺服電機本身的剛性不足，導致灌裝后期柱塞泵有輕微的晃動會對稱重結果產生不利影響，從而對質量控制產生不利影響。為了保證灌裝設備稱重準確，應當盡可能隔絕或改善可預判的振動源。

(5)回吸設置

在配方中回吸設置也是影響灌裝精度的重要原因，以西林瓶灌裝線旋轉柱塞泵為例，在正轉時會將液體吸入泵體，壓縮，再將其排出極端，而反轉時則是相反的。使得灌裝液體時及時回吸,可以實現對鎖液回吸效果的調整，避免分裝結束時滴液。

根據不同的藥品工藝，增加不同的回吸量配方，在不同的情況下調用不同的回吸量和不同的回吸時間配方。回吸量和灌裝泵的減速度有著密切關系，回吸量和灌裝泵的減速度成正比關系，泵的減速度越小回吸量越小，但是對回吸量設置不能過大或者過小，過大的話會產生少量氣泡，過小的話起不到較好的回吸效果。發生故障后停機的時候對產品的影響，停機的時間如果過于長久，會導致液體干燥，在針頭附近形成干燥層，從而影響灌裝精度，設置回吸的優點就是避免這種情況發生。

3.結論

現如今灌裝機系統中控制軟管長度、層流隔離器風速在0.36～0.54m/s、添加除靜電裝置等影響灌裝精度的可控因素均較有完善控制措施，但是仍需要考慮許多因素，良好的設備應從設計和制造角度盡可能地降低自身和外來因素影響的風險，同時不應忽視正確地操作和穩定的環境條件，也將大大有助于確保系統實現其預期的準確性。現如今液體灌裝機行業將持續推進精細化發展，提高灌裝機的精度，提高灌裝機的穩定性，提高灌裝機的可靠性。