关于固体制剂车间定点温湿度的解决方案与设计选型

王健明

（上海信谊药厂有限公司制药二厂，上海201200）

0 引言

随着生产技术的不断发展与人民生活水平的不断提高，药品对病患的疗效也逐渐细分，各种针对性较强的新型药品也不断得到开发。而新药品的研发对较为传统的生产工艺提出了更具个性化的生产要求。

本文将阐述在固体制剂生产工艺中，如何为特定的生物类药品生产制定以D级净化为背景的定点温度和湿度的个性化生产环境。

1 空气除湿分类

空气除湿就是降低空气中的水分，按去除湿空气中水分的方法原理可划分为4类：

第1类是利用冷却方法使水蒸气在露点温度下凝结分离；

第2类是利用压缩的方法提高水蒸气的分压力，使之超过饱和点，成为水滴分离除去；

第3类是用液体吸湿剂的方法；

第4类是使用固体吸附剂的方法。经过长期的应用实践，对于生物净化车间，冷冻除湿和吸附式除湿较为适用。

2 冷冻除湿和吸附式除湿的比较

2.1 冷冻除湿

2.1.1 冷冻除湿的原理

由于空气在不同的温度及能量下，空气所能容纳的水分是不同的，空气中的水分含量随着空气温度的降低而减小。当室外空气通过表冷器时，空气被表冷盘管冷却降温，空气随着温度的降低，空气中的水蒸气逐渐凝结，并达到饱和状态。当空气的露点继续降低时，空气中的水蒸气就变成凝结水并析出，使得空气中的绝对含水量得到降低，从而达到了除湿目的。

2.1.2 冷冻除湿的缺点

冷冻除湿主要有以下2个缺点：

（1）不能获得较低的露点温度，冷冻除湿是依靠冷冻机中的冷媒循环以使空气中的潜热和显热降低的一种方法，如冷却盘管的表面温度低于0℃以下，会使得空气的流动通道被结霜堵塞，无法完成后续的热交换过程。

（2）无法获得稳定的温湿度，由于所使用冷媒和制冷设备的特性，蒸发温度会随着外界温度的变化而自动调整，导致被处理空气无法获得稳定的温湿度。

2.2 吸附式除湿

吸附式除湿是利用某些材料本身容易吸收水分的特点的一种空气除湿方法，吸附式除湿可以分为湿式和干式两种。

目前，较为常用的材料有氯化锂和硅胶，湿式除湿是将饱和的氯化锂溶液喷洒在需要除湿的空气中，使其吸收空气中的水分，然后将被稀释的氯化锂溶液加热蒸发，重新获得饱和溶液的一种除湿手段。在当前除湿工业中，干式除湿较湿式除湿有其更广泛的应用领域。

2.2.1 干式除湿的原理

除湿转轮在除湿段内部由密封系统分为处理区域和再生区域，除湿转轮以8～10 r/h的速度缓慢旋转，以保证整个除湿为一个连续的过程。

当被处理空气通过转轮的处理区域时，其中的水蒸气被转轮中的吸湿介质所吸附，水蒸气同时发生相变，释放出潜热，转轮也因吸收了水分而逐渐趋向饱和。此时，被处理空气因自身的水分减少和潜热释放而变为干热空气。

同时，在再生区域，另一路空气先经过再生加热器，变成高温空气（一般为100～140℃）并穿过吸湿后的饱和转轮，使转轮中被吸附的水分蒸发，从而恢复转轮的除湿能力，再生空气因水分的蒸发而变成湿空气，通过再生风机将湿空气排到室外。

2.2.2 干式除湿设备中的除湿转轮

作为转轮吸附式除湿，其最主要的核心部件是除湿转轮，转轮是由玻璃纤维和耐热的陶瓷材料作为转轮的内部支撑载体，加以特殊的高效吸湿介质材料（如高效硅胶或氯化锂）而合成。高效吸湿剂加上转轮自身的特殊蜂窝结构，不仅保证了转轮与空气接触的巨大比面积，也提高了转轮的吸湿效率，增强了吸湿能力。同时，转轮可通过气体吹扫清洗，以便除去转轮表面的一些机械污染物质，如灰尘、油污等。

在生物制药洁净室的设计中，因氯化锂转轮在使用过程中会有少量氯化锂颗粒从转轮上剥离，导致二次污染洁净空气，造成药品生产中潜在的质量风险，故不被采用。而硅胶转轮由于其优良的特性被得到广泛的应用，表1为两种除湿转轮材料的性能比较。

2.2.3 带硅胶转轮的干式除湿的组成

图1为净化系统中带硅胶转轮的干式除湿的组成。

表1 两种除湿转轮材料的性能比较

图1 净化系统中带硅胶转轮的干式除湿的组成

3 项目的提出

我厂是一家固体制剂生产企业，长期以来对药品的生产环境的温湿度均无特殊的要求，只需符合GMP的规定就行，即温度在18～26℃、相对湿度在45%～65%。

近年来，我厂研发了新药复方甲氧那明胶囊，主治呼吸道各类疾病，其在加工工艺上有别于现有药品，其本身的分子链之间会残留水分，且暴露在空气中会在短时间内吸附水分，这一特性使得在胶囊充填工序时会导致装量不准、差异过大。

更大的问题是，经过一定时间的充填生产后，由于吸附了水分，物料本身粘结成块状，使设备无法正常运行，尔后需多次清理物料，这样就会造成浪费，长期以来该产品的成品率远低于正常水平。因此，只有设计一套符合产品特性的空调设备，用以降低其生产环境中的空气温度和含水量，才能稳定产品质量，提高药品产量。

依据生产和工艺累计的数据，需要对该产品的充填工序提供D级净化背景、温度低于20℃、相对湿度低于20%、绝对含水量低于2.0 g/kg干空气的封闭环境，以降低产品在充填过程中吸收的空气中的水分。

图2 采用干式除湿空调系统的改造方案

4 干式除湿空调系统的设计

我厂对当前的生产布局以及空调系统作相应调整，以确保该区域对其他房间均保持正压，使其不会受中央空调的影响，而该区域的空调机组是实现这一目标的重要因素，拟采用两级表冷加硅胶转轮的低温、低湿空调机组。图2为采用干式除湿空调系统的改造方案。

4.1 设计依据及参数

4.1.1 设计依据

该系统改造方案的设计依据有：

（1）GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》；

（2）GB50073—2001《洁净厂房设计规范》；

（3）GB50457—2008《医药工业洁净厂房设计规范》；

（4）《药品生产质量管理规范》，2010年修订版；

（5）GB50016—2006《建筑设计防火规范》；

（6）GB50243—2002《通风与空调过程施工质量验收规范》；

（7）GB50242—2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》。

4.1.2 工艺要求

该系统改造方案的工艺要求有：（1）使用区域：胶囊充填操作室；（2）区域总体积：16 m2×2.6 m=41.6 m3（完整为42 m3）；（3）净化等级：D级，换气数为20 次/h；（4）设备功率：胶囊充填机1台3 kW、除尘机1台1.5 kW；（5）操作员工：1名。

4.1.3 设计参数

4.1.3.1 室外气象参数（上海地区）

（1）夏季。空调室外计算干球温度：34.4℃；空调室外计算湿球温度：27.9℃；空调室外计算日平均温度：30.8℃；通风室外计算干球温度：31.2℃；大气压力：1 005.4 hPa；平均风速：3.1 m/s。

（2）冬季。空调室外计算干球温度：-2.2℃；采暖室外计算干球温度：-0.3℃；空调室外计算相对湿度：75%；通风室外计算干球温度：4.2℃；大气压力：1 025.4 hPa；室外风速：2.6 m/s。

4.1.3.2 充填室内参数

干球温度：（19±1）℃；相对湿度：15%±5%；送风量：1 000 m3/h；回风量：850 m3/h；压差：+10 Pa；容积：42 m3；换气次数：21 次/h。

4.2 设计计算

4.2.1 热负荷

该系统中的热负荷包括：

（1）围护热负荷Q建（系数取50 W/m2）：Q建=16×0.05=0.8 kW；

（2）设备热负荷Qsb（主要是电动机）：Qsb=（3+1.5）×0.25（经验系数）≈1.2 kW；

（3）照明热负荷Q灯（系数取20 W/m2）：Q灯=16×0.02≈0.3 kW；

（4）人员热负荷Q人（每人散热量，按文献表5-1“每个人散热量及散湿量”中，按中度劳动20℃取）：Q人=0.174×1=0.174 kW；

总热负荷ΣQ=Q建+Qsb+Q灯+Q人=0.8+1.2+0.3+0.174≈2.5 kW。

4.2.2 湿负荷

该系统中的湿负荷包括：

（1）人员湿负荷D人（每人散湿量，按文献表5-1“每个人散热量及散湿量”中，按中度劳动20℃取）：D人=0.145×1=0.145 kg/h；

（2）室内围护结构湿负荷，室外气象参数的绝对含水量取21.5，室内绝对含水量取2，则墙体湿负荷D墙=16×2.6×0.2（经验湿度系数）×（21.5-2）=162 g/h=0.162 kg/h；门湿负荷D门=1×2.1（高度）×1.2（门宽）×5（每次开门时间）×10（每小时开门次数）×0.3（风速）×1.2×（21.5-2）=885 g/h=0.885 kg/h；

总湿负荷ΣD=D墙+D门+D人=0.162+0.885+0.145=1.21 kg/h。

4.2.3 风量及冷热量计算

（1）送风量Ls=16×2.6×20×1.1（另需计入风管漏风量10%）≈915 m3/h，现完整以1 000 m3/h计；

（2）新风量Lf取150 m3/h，（满足每人≥40 m3/h要求），回风量取830 m3/h；

（3）新风比Φ=新风/送风=150/830≈18%；

（4）混合点空气焓的计算：

式中ih——混合点空气焓，kcal/kg；

in——室内空气焓，kcal/kg，这里取温度20℃、湿度19%时的焓值为5.8；

Φ——新风比；

iw——室外空气焓，kcal/kg，这里取温度34.4℃、湿球温度27.9℃时的焓值为21.4。

（5）混合点干球温度的计算：

Th=Tn+Φ×（Tw-Tn）=19+0.18×（34.4-19）=21.8℃

式中Th——混合点的干球温度，℃；

Tn——室内空气的干球温度，℃；

Tw——室外空气点的计算温度，℃；

Φ——新风比。

（6）混合点绝对湿度的计算：

Dh=Dn+Φ×（Dw-Dn）=2+0.18×（21.5-2）=5.51g/kg

式中Dh——混合点的绝对湿度，g/kg；

Dn——室内空气的绝对湿度，g/kg，这里按工艺要求取2 g/kg；

Dw——室外空气混合点的绝对湿度，g/kg；

Φ——新风比。

（7）前表冷冷量的计算：

式中Qc1——前表冷冷量，kcal/h；

Ls——空调机组处理风量，m3/h；

Th——混合点的温度，℃；

Td——表冷器出风温度，℃，这里取10.5℃；

ρ——空气密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

c——空气比热，kcal/kg·℃，取0.24kcal/kg·℃。

（8）送风湿差的计算：

式中 Δd1——送风湿差，g/kg；

ΣD——余湿量（即湿负荷），g/kg；

Ls——空调机组处理风量，m3/h；

ρ——空气密度，kg/m3。

（9）转轮送风点湿量的计算：

d=2（室内状态点的绝对含水量）-1（工厂经验参数）=1 g/kg

（10）转轮除湿量的计算：

（11）送风温差的计算：

Δt=ΣQ×860/（ρ×c×Ls）=（2.5×860）/（1.2×0.24×830）=8.5 ℃

式中 Δt——送风温差，℃；

ΣQ——总热负荷，kW；

ρ——空气密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

c——空气比热，kcal/kg·℃，取0.24kcal/kg·℃；

Ls——空调机组处理风量，m3/h。

（12）送风温度的计算：

式中ts——送风温度，℃；

Δt——送风温差，℃；

Tn——室内温度，℃。

（13）后表冷冷量的计算：

式中Qc2——后表冷冷量，kcal/h；

Te——转轮出口温度，℃；

Tf——后表冷出口温度，℃；

ρ——空气密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

Ls——空调机组处理风量，m3/h。

（14）再生热负荷的计算：

式中Qr——再生热负荷，kW；

Lsr——转轮再生处理风量，m3/h，转轮再生处理风量为空调机组风量的1/3，工厂经验；

ρ——空气密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

c——空气比热，kcal/kg·℃，取0.24kcal/kg·℃；

Δt——转轮进出风温差，℃，这里设为120℃。

（15）总的制冷量的计算：

（16）冷冻水量的计算：

式中G——冷冻水量，t/h；

ΣQC——总的制冷量，kW；

Δt——进出水温差，取5℃。

4.3 工艺参数与各状态关系

通过上述方法的计算可得到各状态下的风量、温度、湿度与含湿量参数（表2），对其中温度与含温量在各状态下的关系如图3所示。

表2 各状态下的风量、温度、湿度与含湿量参数

图3 温度与含温量在各状态下的关系

4.4 选型结论

由上述理论计算和各状态关系，经与供应商的协商和讨论，最终确定采购1台BXLSF-25组合式转轮除湿空调机组。

5 结语

本文所探讨的定点温湿度的解决方案，还需注意的几个问题：

5.1 空调机组冷源供给方式的确定

空气冷却所采用的冷源可分为氟利昂直接蒸发式和间接制成冷水两种。由于本文所及的项目所需控制的空间较小，所需的冷量少，因而没有选择使用中央空调冷水机组直接供冷。一方面，可以灵活启用该区域的转轮空调机组而不受其他因素的限制，在某些情况下实现转轮空调机组的独立运行，也不需启动大型冷冻机组，避免浪费不必要的能源；另一方面，南方地区季节性阴冷潮湿，昼夜温差大，如采用直接蒸发式供冷，氟利昂冷媒在表冷器中不能完全蒸发，使表冷器的表面温度低于0℃，致使表面严重结霜，最终堵塞通风通道，完全破坏了空调机组的运行。鉴于此，本项目采用了单独冷水机组为该转轮空调机组供冷。运行至今，避免了上述情况的发生。

5.2 与GMP的符合性

GMP对设备明确规定需要经过从URS到PQ的确认过程，才能投入正常使用。

用户需求（URS）：需要与供应商确认的有工艺和性能、安全、安装区域或位置、安装环境、电力、实施的公用系统、外观材质、控制系统、清洁、文件、设备转运、服务与维护、验证等。在设备供应的意向阶段，将可能存在的问题和要求以文件的形式加以固化，并作为供应商的投标文件的组成部分，对以后设备验收以及商务履约有极大的益处。

设计确认（DQ）：在中标后，应就设备的细节进行详细地协商，可以涵盖URS文件中的部分或全部要求，并在此基础上对其做出详细的约定，最终形成双方达成一致的设计文件。经质量部门批准后，方可签订正式商务合同，供货商方可进行制造。

工厂验收（FAT）：对设备按双方约定并经批准的方案在制造工厂进行现场测试，主要涉及设备文件、设备安装现场、公用工程连接、安全性能、设备构造、操作控制、运行状态。确认得到认可表示该设备的生产制造过程符合要求，可以协商发运事宜。

设备现场验收（SAT）：由于该设备是整体运输，以及前期的FAT只对该设备做了静态的确认，还应做现场验收。SAT得到批准后，可以安排对该设备进行正式安装，连接必需的公用配套实施。

安装/运行确认（IQ/OQ）：与其他新购设备基本相同，是按照供货商提供的公用配套图纸按图施工完成后，进行试运行，形成SOP，为PQ做好准备。

性能确认（PQ）：由于上述确认过程均未有实际生产的热、湿负荷，只能被认为是对设备运转状态的检查，而转轮空调机组性能的优劣或是否符合设计文件的要求，只有通过性能确认才能认定，其是对设备的全负荷的现场性能检测。测定的项目包括：在当时天气条件与全负荷生产状态下，被处理空气按前冷、转轮、后冷以及送风状态等控制点测定其温度、湿度、含水量以及回风、新风和送风的风量，生产区域检测送风量、回风量、压差梯度，达到设计温湿度的时间、自净时间、悬浮粒子数、沉降菌以及温湿度的分布均匀度等指标。

[1]陆耀庆主编.供暖通风设计手册[M].中国建筑工业出版社，1987.

[2]陆耀庆主编.实用供热空调设计手册[M].中国建筑工业出版社，2007.