洁净流体输送系统对隔膜阀选用及安装的要求

吴珲

（上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323）

洁净流体输送系统对隔膜阀选用及安装的要求

吴珲

（上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323）

隔膜阀由于无死角、便于清洗灭菌、可全排尽等特点被广泛应用于制药及日化行业。然而在工程设计过程中，由于流体介质的理化性质、使用工况及用途的不同常会出现隔膜阀选型有误及错装等问题，使其无法满足流体洁净输送的要求。以几个常用目标用途为例，阐述其在制药及日化行业洁净流体输送系统中的正确应用。关键词 隔膜阀；洁净流体；输送；工艺用水；容器；发酵罐；选型与安装

隔膜阀作为一种特殊形式的截断阀，其启闭件是一块用软质材料制成的隔膜，把阀体内腔与阀盖内腔及驱动部件隔开。特点是操作机构与介质完全分开，与工作介质接触的仅是膜片及阀体，既保证了工作介质的纯净，也防止流体介质冲击操作机构。主要在有化学腐蚀性、含悬浮颗粒、洁净度要求高的流体输送系统中使用。

1 应用于洁净流体物料输送系统时隔膜阀的选用与安装

配液工艺流程的设计需要着重考虑其无死角可排尽，并且可清洁验证。根据新版GMP 要求，整个洁净物料输送系统将通过CIP（在位清洗）及SIP（在位灭菌）的操作实现残留物总量低至不影响下一批产品的质量和疗效[1]。

在ASME BPE-2014规范中对于死角有明确的定义，洁净流体输送管道设计L/D（支管长度与管道内径的比值）需要小于一定数值，详见表1所示[2-3]。

表1 管道设计L/D要求（ASME BPE SD-3.1.2.2-1）Tab.1 L/D requirements for pipeline design（ ASME BPE SD-3.1.2.2-1）

基于上述规范以及安装经验，设计经常被要求需满足L/D≤2。然而，在管路中安装了气动隔膜阀后，阀头的外形尺寸及安装排空倾角会成为影响L/D≤2实现的一个关键障碍因素，此时的L应该视为隔膜阀阀芯至主管内壁的垂直距离。

现以普通阀头的气动隔膜阀为例，基于主管大于支管两个等级以上，核算实际配管过程中L/D数值。下面我们假设了两种工况，一是阀头与主管贴近，但不相撞；二是阀头与主管离开10 mm间距。阀体分为铸造和锻造两种形式。核算结果列表如表2。

由表2可见，要保证L/D≤2，是比较困难的，需要阀头与主管尽可能贴近，在实际设计过程中这样的布置也是不合理的，很难实现管道表面清洁维护及管道保温，需要更换阀头型号来实现更小的L/D数值。同时项目成本也应该作为一项十分重要的考虑因素，我们在设计前期需要和客户详细沟通，明确合适的配管要求，并进行完善的清洁验证。

表2 铸造与锻造气动隔膜阀L/D数值Tab.2 L/D value for casting and forging pneumatic diaphragm valves

对于小于1 in的管路，几乎没办法做到L/ D≤3，为了实现L/D的最小值，就需要选用组合隔膜阀，这种阀门由一个锻造的主阀和一个铸造或锻造的支阀组成，由于支阀直接连接在主阀体上，可以实现更小的L/D，其结构如图1所示。以规格为 3/4 ～ 3/4 in组合阀为例（本图来自GEMU公司样本），核算结果为 ID = 19.05-1.65×2 = 15.75 mm，3D = 3×15.75 = 47.5 mm，实际测量L恰好为47.5 mm。

因此用于洁净流体物料输送、清洗、灭菌等洁净管路上的隔膜阀选用与安装应该注意以下几点：

（1）合理的倾斜角度保证管道中的物料可以全排尽。

（2）在留有检修空间的前提下，1 in及以上尺寸管路可以做到L/D≤3，1 in以下的管路建议采用组合阀。

（3）对系统中存在风险的死角则需要进行完善的清洁验证，如验证不能通过应采取更换阀的型号、阀头等措施以确保系统的可清洗，可排尽性能。

图1 组合阀结构Fig.1 Structure for GMP/SAP valves

2 应用于注射用水、纯化水循环系统时隔膜阀的选用与安装

中国“GMP”（2010年修订）对纯化水、注射用水的制备、储存和分配系统提出了原则性要求[2，4]。

注射用水、纯化水循环管路在使用点U型弯处会设置隔膜阀起到切断作用，为了保证使用点（POU，Point of Use）用水时主管可以持续循环无染菌风险，使用T型隔膜阀是一个最优的选择。T阀阀体结构如图2（a）所示，水平管口连接U型弯，垂直出口连接使用点。由结构图可以看到，阀芯紧贴主管，几乎实现了零死角，但由于该阀为整钢锻造而成，因此价格不菲。根据一些客户的需求以及风险评估方案的制定，需要在进入使用点之前进行注射用水、纯化水的取样操作，这一操作可以做为一个染菌分析（如存在）的分界面，据此对常规T阀做了改进，结构如图2（b）所示（本图来自GEMU公司样本），在T阀阀体膜片上端开孔并连接一个手动隔膜阀，取样时仅需打开该手动隔膜阀即可，无需开启主T阀，从而防止取样过程被微生物污染的风险。

图2 T阀结构Fig.2 Structure for T-type valves

因此用于注射用水、纯化水管路隔膜阀的选用与安装要点如下：

（1）注射用水、纯化水系统使用点U型弯处采用T型隔膜阀。

（2）改进后的T阀型隔膜阀带有取样功能，可满足无菌取样操作。

3 应用于带有称重功能的容器罐底放料时隔膜阀的选用与安装

配液罐、储罐等通常会安装罐底阀以保证无搅拌死角及罐内料液的全排尽，而对于带有称重功能罐体的罐底阀，需要使用软管连接以消除管道硬连接对称重的影响，通常的设计如图3（a）所示，选用罐底组合阀，在罐体进行配料的过程中，罐底主阀关闭，可以打开罐底支阀对物料输送管路进行CIP清洗。这样的设计存在的问题是，支阀及相关管路位于软管前，在清洗剂进入管道时，软管并没有起到消除硬连接力的作用，通常会造成罐体称重数值波动，最终会使配液称重不准确。由此可见，罐底组合阀的设计虽然可以节省空间，但并不适用于带有称重功能的罐体。解决此问题的修改方式是，选用罐底单阀，将CIP旁通阀移至软管后，如图3（b）所示，这样的设计可以解决配液罐称重数值波动的问题。

带有称重功能的容器罐底隔膜阀安装的要点如下：

图3 罐底阀设计Fig.3 Design for tank bottom valves

（1）采用罐底隔膜阀消除搅拌死角，做到物料可全排尽。

（2）罐底阀采用单阀设计，管路清洗用的支阀安装在软管后。

4 应用于生物发酵补料管路系统中隔膜阀的选用与安装

发酵罐补料管路通常会采用四阀组的设计，这种交叉的设计可以保证整条管路及阀门清洗灭菌无盲点。ASME BPE对于发酵罐补料系统无菌范围的界定[2,5]如图4所示。工艺路线如图5所示，点横虚线框内的元件需要整体拆卸进入灭菌柜进行灭菌，剩余部分用短接管连接进行洗消，最后再与拆卸部分进行对接。需要进行拆卸的区域包含了一个关键元件是手动隔膜阀，由于其特殊的操作工况，我们通常会考虑采用可以进行灭菌的手柄材质，例如316L不锈钢，然而对于操作者来说，这种材质并不是最优选择。刚刚灭菌的阀门温度极高，操作者在灭菌结束后需要迅速手动关闭阀门以保证整个系统的无菌状态，这个过程务必要做好防烫措施，不然易被阀门手柄烫伤。对此设计的优化方案是，选用可耐高温的塑料手柄，既满足了工艺需求，又保护了操作者的安全。

图4 发酵罐的无菌界定范围（ASME BPE SD-5.1.1.1-1）Fig.4 Fermentor sterile envelope（ ASME BPE SD-5.1.1.1-1）

图5 发酵罐补料四阀组设计Fig.5 4-pass block diaphragm valves design for fermentor

发酵罐补料管路隔膜阀安装要点如下：

（1）可拆卸部分采用手动隔膜阀，以便整体进入灭菌柜灭菌；

（2）采用可耐高温的塑料手柄，防止操作者烫伤。

5 应用于需要流量调节的管路时隔膜阀的选用与安装

用于流量调节的阀门有很多形式，在这里我们只介绍隔膜式调节阀。这种调节阀是由一个直通阀体外加一个执行器和一个定位器组成，工作时根据工艺需求，通过定位器发出的4 ～ 20 mA信号控制阀门开度，从而调节管路流量，这种形式的隔膜式调节阀已经被广泛应用于洁净管路。

类似这样的操作理念，且不希望介入控制系统，我们有时会在需要流量调节的管路设置手动隔膜阀。例如换热器管程进/出处，换热器调试时我们手动调节隔膜阀开度，使管程流量满足设计要求，从而实现换热目的；又如在物料灌装管路，通过手动隔膜阀来精确控制罐装速率；再如在泵出口处，通过手动隔膜阀限制输送速率。我们还可以选用带有圈数刻度的手柄，使得流量调节更加灵活、准确、可记录、能重复。

用于流量调节时隔膜阀设计要点如下：

（1）在管路中设置手动隔膜阀用于流量调节可以使调节更方便灵活。

（2）必要时可以选用带有圈数刻度的操作手柄，便于流量调节的记忆。

6 结束语

在进行详细工程设计的过程中，需要结合具体的操作工况、设计标准及项目建造的成本等多方面因素选择合适种类的隔膜阀，并在安装过程中考虑该型号阀门的特性，从而规避物料被污染的风险，对于在本文中一些未被提到的类型，还需要设计者和使用者进行详细沟通，以保证隔膜阀选型与安装合理合规，使洁净流体输送系统可以顺利通过CIP验证。

[1]国家食品药品监督管理局. 药品生产质量管理规范（2010年修订）[S]. 2010.

[2]The American Society of Mechanical Engineers. ASME BPE-2014[Z]. 2014，SD-3

[3]顾正辉. ASME BPE标准的介绍和解读.系统设计SD章节简介（1）[J]. 医药工程设计. 2013，34（5）.

[4]黄浩. 制药用水储存及分配系统设计[J]. 医药工程设计. 2010，31（1）.

[5]金永保，曹燕秋，周立法. 生物发酵工艺系统设计应遵循的几项指导原则[J]. 机电信息.中国制药设备. 2014，8（8）.

《化工与医药工程》征稿启示

《化工与医药工程》（CN 31—2101 / TQ）（原《医药工程设计》）创刊于1980年，是经国家科技部、国家新闻出版广播电影电视总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。本刊是国家评定的学术期刊（A类），由中国石油化工集团公司主管、中石化上海工程有限公司主办。

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化工工艺与工程、医药工艺与工程、装备应用与研究、HSE与节能减排、综述与专论等。

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Requirements for Selection and Installation of Diaphragm Valve Used in Clean Fluid Delivery

Wu Hui
（Shanghai Morimatsu Pharmaceutical Equipment Engineering Co., Ltd, Shanghai 201323）

Diaphragm valve is widely used in pharmaceutical and cosmetic industries in view of its characteristics of without dead corner, easy cleaning and sterilization and good draining with exhaustion. However in engineering design, with different physiochemical features, working conditions and applications of various mediums, the errors in selection and installation of diaphragm valve are often occurred so that the requirements for cleaning fluid delivery cannot be met. In this article, with several examples, the correct use of diaphragm valve in pharmaceutical and cosmetic industries was expounded.

cleaning fluid; delivery; water used in process; vessel; ferment vessel; selection and installation

TQ 055.8+1

A

2095-817X（2016）06-0050-005

2016-06-03

吴珲（1984—），女，工程师，研究方向：医药和日化工艺工程设计。