卫生级搅拌系统的设计

施水华

（浙江美阳国际工程设计有限公司上海分公司，上海 201203）

按照医药工业GMP的要求，对卫生级容器之一的搅拌反应釜也提出相应的要求，其主要内容如下：

（1）搅拌元件，例如：釜内联轴节、桨叶、挡板等零部件表面应光洁、容易清洗及灭菌。结构设计须作卫生级设计的考虑；

（2）凡和物料直接接触的设备内件选材应采用不与其反应，不释出微粒及不吸附物料的材料，一般可采用奥氏体不锈钢制作，对用于注射剂及药液配制的搅拌设备，应尽量选用超低碳不锈钢，即304L或316L，国产牌号为022Cr19Ni10或022Cr17Ni12Mo2；

（3）反应釜的传动部件密封应良好，严格防止润滑油、冷却剂等泄漏对原料、半成品、成品和材料的污染；

（4）对传动装置的噪声要控制，一般室内噪声级小于75 dBA。

根据卫生级搅拌容器的GMP要求，本文就卫生级搅拌系统的轴封、釜内联轴节、搅拌浆叶、釜内挡板以及需观察釜内搅拌状况的带灯视镜等部件的卫生级设计作一介绍，以供设计参考。

1 轴封设计

按ASME—BPE生物过程设备的要求，卫生级密封可分为Ⅰ级密封、Ⅱ级密封和Ⅲ级密封。

1.1 Ⅰ级密封

Ⅰ级密封能承受小的泄漏，在连续卫生级环境中使用，使用实例为单端面机械密封，填料密封、唇形密封和迷宫式密封。该类密封的旋转速度及使用压力均受到严格的限制。

1.2 Ⅱ级密封

对于搅拌容器来说，Ⅱ级密封一般为组合密封，实际使用的有双端面机械密封，是由两个密封部件组成，借助隔离液的作用，始终保持较工艺流体高的压力；也可使用串联密封，由两个单端面密封组成，并安装在同一方向，使用实例有注射用水和蔗糖溶液。

1.3 Ⅲ级密封

Ⅲ级密封主要用于毒性流体，高危险流体和含有病原体和重组DNA有机体，该类机械密封应该有带屏蔽液体的组合密封，结构上仍是双端面机械密封及串联密封。

目前，国内对于卫生级轴封设计尚无规定，设计上也没有足够的重视，一般卫生容器设计中，也无严格要求，仅在个别工程设计文章上提及卫生要求，按参考文献[2]，对卫生搅拌密封的要求，机械密封应增设内部集液环，集液环的高度应高于机械密封磨擦付的高度，以便冷却剂的泄漏不会对药液造成污染，对单端面机械密封，宜增设轴承，增加机械密封处的支承性能，减少密封面的径向挠度，以减少泄漏。2002 H型机械密封就是典型的结构，如图1所示。

图1 2002 H型机械密封

对双端面机械密封的卫生设计和2005H型机构，如图2所示。

这二种机械密封已经在有卫生要求的搅拌容器设计中采用，达到较为满意的效果，能防止密封面材料或密封冲洗液进入容器内，从而避免对药液的污染。

2 釜内联轴器

目前，国内尚无卫生级釜内联轴器的设计，设计上常用的夹壳联轴器及刚性凸缘联轴器均不属于卫生级设计，一般不宜用于有卫生要求的反应釜。按照SAME—BPE的要求，卫生级釜内联轴器必须具备：

图2 2005 H型机械密封

（1）使用釜内联轴器需得到终端用户的同意；

（2）釜内联轴节仅限用于液面以上；

（3）密封垫片尽可能用O形圈，不用平面垫片；

（4）应使用可以自然排液的紧固件，如：盖形螺母；

（5）不能露出螺纹，紧固用盖形螺母，而不用六角螺母和螺钉；

（5）任何场合螺纹都不得暴露在外；

（7）釜内联轴器应该在联轴器上部用盲螺纹孔紧固，并用O形圈密封。

典型的卫生级釜内联轴器如图3所示。

该卫生级釜内联轴器在国内已有系列设计，可供设计工程师选用。

图3 卫生级釜内联轴器

3 桨叶

目前，国内尚无卫生级桨叶的设计，用于发酵罐搅拌的径向流桨叶——弧叶类园盘涡轮式桨叶及部份轴向流的宽叶旋桨式桨叶，实质上均未考虑卫生设计，但已在发酵罐上获得广泛应用。ASME——BPE对卫生级桨叶有如下要求：

（1）轮毂和桨叶应设计成焊接结构；

（2）轮毂应该有斜面，以防止积液；

（3）桨叶应该带有排液孔和斜面，以便排液；

（4）不得有水平平面；

（5）如果可能，桨叶应和搅拌轴焊接成一体。

搅拌轴终端的桨叶卫生设计如图4所示。

图4 终端桨叶（卫生级）

4 釜内挡板

目前，国内尚无专用的卫生级挡板的设计，ASME—BPE推荐使用的半卫生级设计及全卫生级设计如图5所示。

国内某设计项目中，卫生级挡板设计成下列形式，见图6。

图5 非半、全卫生级挡板

图6 卫生级挡板

5 卫生级带灯视镜

目前，国内尚无卫生级带灯视镜的专用设计，HG/T 21575带灯视镜虽然在材料上采用全不锈钢视镜，密封垫片选用卫生级的聚四氟乙烯仓复垫，但在结构上尚未考虑到卫生级要求，ASME—BPE对卫生级带灯视镜提出了相关要求：

（1）视镜玻璃最好融入金属压缩密封，熔融的玻璃在金属框架内成型；即为烧结式视镜；

（2）熔融视镜内的气泡是允许的，但是其大小和数量要得到控制，玻璃表面的气泡不允许存在；

（3）玻璃熔融入金属视镜的密封点在表面，所以，视镜表面应是一个整体，具有连续性，没有裂纹、缝隙和凹凸；

（4）不得使用有裂痕的玻璃；

（5）金属框架的表面粗糙度为0.38～0.64 μm；

（6）视镜应该标明其玻璃类型，最大承受压力、温度等。

典型的卫生级带灯视镜如图7所示。

图7 卫生级带灯视镜

上海一公司从欧洲引进的卫生级烧结视镜，使用压力为-0.1～2.5 MPa，使用温度为-30℃～ +280℃，并符合ASME—BPE的要求，可使用于食品工业及医药工业，其结构如图8所示。

图8 卫生级卡箍式视镜

其规格如下表。

6 尚待开发的其他搅拌零部件

（1）釜内支撑轴承

在搅拌容器设计中，由于搅拌轴过长，或者转速过高，需在釜内设置支撑轴承。常用的支撑轴承型式有中间轴承、底轴承、吊轴承等。

中间轴承有三拉杆式、井字槽钢式等，底轴承有三足式、底部法兰式，迷宫三足式等，这些釜内支撑轴承均没有考虑到卫生级要求，ASME—BPE对支撑轴承提出以下要求：

①应尽量避免使用支撑轴承，如果使用支撑轴承，应保证不影响排液；

②应使用实心杆的轴承座支撑结构，并保证容器的排液；

③排液孔的大小要适当，以防止积液和阻塞容器的排液；

④支撑轴承和轴之间的空隙应足够大，以允许清洁剂进入。

根据ASME—BPE的要求，如今国内尚未进行卫生级釜内支撑轴承的设计，属研究开发的初阶段。

（2）各种型式的卫生级桨叶

桨叶种类繁多，常用的有十几个大类，有桨式、开启涡轮式、园盘涡轮式、推进式、轴流式、螺杆式、锚框式等等，适合于不同粘度、不同用途的各式搅拌，这些桨叶的卫生级设计目前尚未开发，有待于今后的需要，是否有必要再进行深入的研讨。

本文阐述了搅拌系统中的轴封、釜内联轴器，桨叶、挡板、带灯视镜及釜内支撑轴承等零部件的卫生级设计。随着医药工业的GMP越来越深入的发展，势必对卫生型搅拌零部件会提出更严格的设计要求，本文作者作为卫生级搅拌系统零部件的设计者，提出新的理念和广大设计工作者共同探讨。

卫生级烧结视镜规格表

[1] 全国医设计信息中心站译. 生物过程设备. ASME-BPE-2005版.

[2] 彭守兴. 卫生级容器的设计[J]. 医药工程设计，2005，26(5)：1.