制药配液罐的设计与制造

2015-03-14张进军

机电信息 2015年17期

关键词：配液夹套罐体

张进军

（基伊埃工程技术（中国）有限公司，上海201109）

0 引言

配液罐在制剂生产中起着重要的作用，尤其是在无菌注射剂车间。配液罐的设计与制造是否是洁净型、是否便于CIP与SIP，将直接影响产品质量。

本文将阐述在配液罐的设计与制造过程中的一些心得，与大家分享。

1 设计依据

通常在项目启动前，客户会提供一份经过批准的URS文件。在该文件中，客户会对配液罐提出一些具体的要求，比如罐子的材质要求、工作容积、工作压力、搅拌的设置、管口的要求。而对CIP与SIP有没有特殊要求，是否需要符合GB150标准或是ASME标准，这些重要信息会直接影响设备的设计、制造及费用。根据以上的相关信息，形成配液罐的相关数据表，以便指导后面的相关设计制造工作。

2 筒体的设计

2.1 设计压力

配液罐是需要按压力容器的标准来设计与制作的，要进行设备部分的强度计算。尤其是需要SIP的配液罐，除正压设计外，更需要进行外压计算。因为罐体在SIP结束后，误操作可能会形成罐体内部负压。

下面以直径1 m、筒体长度1.2 m的容积为例，工作压力为0.3 MPa，并承受负压的容器为例进行计算。

（1）当罐体承受内压0.3 MPa时的壁厚：

式中 δ——壁厚，mm；

P——设计压力，取P=0.3 MPa；

D——直径，取D=1 000 mm；

δt——316 L在该设备设计温度下的许用应力117 MPa；

φ——焊接系数，考虑至焊缝抛光处理，取系数0.8；

C0——腐蚀裕量，虽然配液罐不存在腐蚀问题，但是考虑到镜面抛光机械加工要求，裕量取1 mm。

（2）当罐内为全真空时的壁厚（外压）：

式中 δ——壁厚，mm；

p——工作压力，取p=1 kg/cm2；

Di——筒体内径，Di=1 000 mm；

m——稳定系数，一般取m=3；

L——计算长度，L=1 200 mm；

E——材料的弹性模数，SUS316L的弹性模数为19.9×105kg/cm2；

C0——壁厚余度，取C0=1 mm。

由此可见，当设备承受真空或者是外压时，对设备的厚度和造价要求更高。而当设备为全夹套时，更需要进行详细计算。

2.2 配液罐容积

配液罐的容积通常是以顾客单批最大生产量为基础进行考虑的。通常工作容积是设计容积的70%～85%。工作容积的系数不可以设计太高，因为上部还要留出清洗球的安装位置。

关于筒体长径比，通常按1～1.5倍来考虑，如果长径比太小，则设备制造相对不经济（相对于同容积罐制造费用来说），搅拌效果不理想。长径比太大，则耐真空或外压性能较差，搅拌流型也不理想。

2.3 设备夹套

目前常用的设备夹套主要有以下3种，全夹套、半管夹套、蜂窝夹套。

（1）全夹套就是由内外筒体组焊在一起，中间形成2～7.5 cm的流通空间。由于其传热效率不高，通常会在夹套内部加装螺旋导流板，以提高换热效率。

（2）半管夹套，顾名思义，用DN40、DN50或其他规格管子的一半，盘旋焊接在罐体上，管与管的间距控制在30～50 mm。该形式换热效率高，盘管也对设备起了加强作用。

（3）蜂窝夹套，是采用薄板冲压出阵列的圆孔，采用塞焊方式与内筒焊接在一起。换热面积相对较大，换热效果也较好，可大大降低设备成本。

关于以上的3种夹套，要根据实际情况来确定选择对象。比如，当罐体体积较小时（≤200 L），可采用全夹套，此时设备制造费用差别不大。罐体较大时，且频繁进行蒸汽与冷却水切换的，建议采用半管夹套。而蜂窝夹套适用于罐体体积较大的，且没有急剧升温或降温的情况，否则蜂窝塞焊处容易泄漏。

3 罐口的设计

3.1 上封头管口的设计

对于有洁净要求的配液罐，设备管口建议选用无菌法兰（NA Flange），如图1所示。

图1 无菌法兰插入管样式

该型号法兰可以与卫生级快开接头配合使用，减少死角与盲端。该方式避免了原有普通法兰或快开接头插入管的盲端过长、不方便清洗的问题。

对于部分罐体直径较小的配制罐，而且上部接口又比较多的情况，也可以采用锥形拔制快开接口形式，如图2所示。

但是该种制作方式存在一定的盲端，CIP清洗时难度较大。

图2 锥形拔制快开接口

3.2 下出料口设计

我公司采用的是GEA自己开发研制的无死角柱塞式罐底阀，如图3所示。该罐底阀与普通罐底阀相比，有更多的优点。罐底阀焊接在罐底封头上后，罐底处无任何死角，封头底部也可以自排净。这种罐底阀有多种规格与型号，有单出口、双出口、带CIP清洗支路的罐底阀，供客户进行选择。

图3 GEA公司生产的无死角柱塞式罐底阀

而普通的隔膜式罐底阀（图4）也能满足洁净与GMP要求，但是其底部还是存在相对的死角区，不适合易结晶溶液的生产配制。

图4 隔膜式罐底阀

4 搅拌选择

早期的配液罐基本上选用的均是机械式搅拌，安装在顶部，并采用机械密封安装形式。其存在电机功率较大、搅拌效果不理想、机械密封漏气、污染产品、搅拌最小量偏大等不足之处。

我公司目前选用了瑞典STERIDOSE公司的磁力搅拌系列产品，该公司是制药工业用磁力搅拌器的原创者。

该产品的主要特点有：（1）搅拌效果好，其采用的是底部斜插式搅拌叶。其安装位置偏移罐中心约1/2R的距离，搅拌轴中心线延长后要与罐中心重合，才能保证较好的搅拌效果。当物料进入罐内后，先被搅拌吸入底部，进行轴向流动，到达底部后被搅拌甩至四周产生径向流动后，再贴罐壁向上流动，形成循环。以水为例，加入其他颜色液体，十几秒内便可以充分混匀，搅拌流型如图5所示。

（2）其最小搅拌体积可以达到罐子工作容积的1/10，或者更低。由于其在浆叶结构上的特殊设计，在最低液位时，料液在旋转浆叶的吸引下，流经搅拌叶内部，对轴承起到润湿作用。同样在CIP时，也可以对搅拌叶内部进行有效的清洗。浆叶内部流动路径如图6所示。

图5 磁力搅拌的搅拌流型

图6 浆叶内部流动路径

该种磁力搅拌在近些年的应用中，起了较好的使用效果，其操作维护简单，占用空间小，节能省电，完全满足GMP要求。

5 CIP时清洗球的考虑

现代化的制药车间对配液罐有更高的要求，采用在线清洗（CIP）和在线灭菌（SIP）代替了传统的人工清洗与灭菌，因此在配液罐设计时一定要考虑设备的在线清洗可行性。上面讲述的无菌法兰与磁力搅拌，均能很好地满足以上要求。在这里我们主要探讨清洗球的选用。

通常在配液罐中，我们会选用单轴线旋转清洗球和静止清洗球。有些客户担心旋转清洗球在转动过程中会产生磨屑，而更倾向于选择静止清洗球。在用水量方面，静止清洗球用水量（以周长每分钟的用水量计算）约为31～37 L/min/m，清洗球要求供水压力1×105～1.5×105Pa。而单轴旋转清洗球用水量约为23.6～28.6 L/min/m，清洗球要求供水压力约为2×105～31×105Pa。

对于清洗球的安装高度，要以球为中心进行射线分布测试，尽量使射线阴影的面积最小。清洗球插入深度过深，则造成筒体有效工作容积比低，制造成本高。插入深度过浅，则存在清洗不干净的风险。清洗球射线测试示意如图7所示。