连续式粉粒灭菌干燥装备在线清洗系统的设计及分析

吴云楚赵会调蒋忠伟王琪赵凯

（1. 江苏神农灭菌设备股份有限公司，江苏张家港 215600； 2. 浙江美阳国际工程设计有限公司，上海 201103；3. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏镇江 212003）

连续式粉粒灭菌干燥装备在线清洗系统的设计及分析

吴云楚1赵会调2蒋忠伟1王琪3赵凯3

（1. 江苏神农灭菌设备股份有限公司，江苏张家港 215600； 2. 浙江美阳国际工程设计有限公司，上海 201103；3. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏镇江 212003）

从设计思路着手，分别阐述了正常情况下，对设备所需的清洗程度和清洗目标面的复杂程度的分析、判断与定位，对在线清洗系统所需的清洗能力和覆盖方式的确定，以及对喷淋装置型式的选择与配置的设计。同时，也简要阐述了非正常情况下，采用辅助清洗系统进行预清洗的预案。

在线清洗；清洗能力 ；覆盖方式；喷淋装置；选型； 配置

连续式粉粒灭菌干燥装备在用于粉粒状物料的灭菌干燥时，无论是对单一品种物料的专用生产，还是对多品种物料的生产，都需在连续生产的适当间隔时间内，或更换品种生产前，对设备进行有效的定期和彻底清洗，使其保持洁净有序的状态，使上批产品残留的活性成分对后续生产的污染控制在安全限度内，防止产生产品的交叉污染；降低生产设备内的微生物污染数量，使其降低到可接受的微生物限度内，保证产品的规定疗效、质量和安全性。

根据药品GMP第七十一条“设备的设计、选型、安装、改造和维护必须符合预定用途，应尽可能降低产生污染、交叉污染、混淆和差错的风险，便于操作、清洁、维护，以及必要时进行的消毒或灭菌”，第七十六条“应当选择适当的清洗、清洗设备，并防止这类设备成为污染源”的相关规定，如何采用安全可靠的清洗技术，去除工艺设备内的残留物和微生物污染是至关重要的。

清洁，一般是指对接触药品的设备表面进行的清洗，通常有在线清洗系统和拆卸清洗系统两种方式，分别用于对不便移动的和难以在线清洗的设备部件的清洁。与传统的拆卸清洗方法相比，在线清洗系统具有安全可靠、清洗程序可调、清洗效果更连贯、更彻底、可重复得到验证，同时具有省时、省力、节水、节能等优点。因此，本设备的清洁，优先考虑采用在线清洗技术。同时，根据使用后设备内表面附着的残留物的实际状况，因地制宜地采用其他辅助清洗技术：清洗球清洗、手持式水枪清洗与拆卸清洗，以保证设备以安全、有效、可靠、合理、经济的方式进行清洁。

1 在线清洗概述

1.1 在线清洗的原理

在线清洗的主要原理，是向接触物料的设备内表面上的残留物，施加热能、机械能和化学能，在它们的共同作用下对设备进行清洗。在清洗过程中，温度、机械作用、化学作用和时间是四个基本要素，在清洗技术领域称为TACT模型，为实现有效清洗，上述四要素缺一不可，互相影响且互为补充。适当增加清洗剂的温度与浓度，有利于去污，有效缩短清洗时间；而清洗剂浓度的适当增加，也可弥补清洗温度的不足。

在典型的现代清洗技术中（TACT模型），机械作用对清洗的影响，已占到整个清洗过程的50 ％以上，其余3个参数的影响相对较低；而当清洗剂与清洗温度确定的情况下，机械作用的影响，将会占到整个清洗过程的80 ％以上，其余的影响则为时间因素。因此，机械作用对清洗过程是非常重要的。[1]

1.2 机械作用的清洗机理

（1）管道的清洗

对管道，主要是通过处于湍流状态下清洗剂的冲刷作用，使清洗剂在残留物表面无法形成稳定的饱和层，大大提高残留物被溶解的速度，并迅速带离残留层，从而达到有效、快速去除管道内壁上附着的残留物的目的。为使管道内清洗剂的机械作用达到湍流状态，建议雷诺数Re＞10 000，清洗流速一般控制在 1.5～2m/s。[2]

（2）筒体的清洗

对筒体，主要通过清洗剂的喷淋状态（需要足够的流量与压力），使喷淋装置持续喷出的清洗剂、均匀喷淋至筒体内壁，使其处于全覆盖、润湿状态，同时利用其产生的冲击力，达到清洗、去除所有筒体内壁上附着的残留物的目的。为使筒体内清洗剂的机械作用达到全覆盖状态，清洗流量经验值一般为4～12 L/（min·m2）（筒体内表面积）。[3]

2 连续式粉粒灭菌干燥装备在线清洗系统的设计

2.1 设计思路

典型在线清洗系统的机械作用，主要是将具有一定压力与流量的清洗剂，施加于设备内设置的一组喷淋装置，来实现对残留物进行清洗。在线清洗系统的设计考量，主要包括其所能提供的清洗能力与覆盖能力。

一般来说，在线清洗系统所需的清洗能力与覆盖能力，与残留物性质、设备形状、内部结构及操作运行等因素相关。其中，残留物性质，主要决定了清洗、去除残留物所需的清洗程度，并决定了喷淋装置所需的清洗能力；而设备形状、内部结构及操作运行等状况，则主要决定了覆盖清洗目标面的复杂程度，并决定了喷淋装置所需的覆盖方式。

因此，只有对设备所需的清洗程度和清洗目标面的复杂程度，作出正确的分析、判断与定位，才能恰当确定在线清洗系统所需的清洗能力和覆盖方式，进而合理选择喷淋装置的型式与配置，最终设计出有效、可靠、经济的在线清洗系统，确保对残留物进行彻底、全面、有效的清洗与去除；同时达到有效减少清洗剂（包括水及化学清洗液）用量与清洗时间，提高清洗效能的目的。

2.2 设计定位

（1）清洗程度

所谓清洗程度，是指清洗、去除残留物的难易程度。一般来说，清洗程度可大致分为：难清洗系统、稍难清洗系统、稍易清洗系统与易清洗系统。对难清洗系统，需要高冲击力，用于清洗顽固结壁的残留物；对稍难清洗系统，需要中冲击力，用于清洗中等黏壁的残留物；对稍易清洗系统，需要稍高的冲击力，用于清洗轻微附壁的残留物；对易清洗系统，需要低冲击力，用于冲洗留存在筒壁上的残留物。

本公司开发的连续式粉粒灭菌干燥装备，经多个厂家的实际使用，实践证明该设备在功能上突破“药物粉粒静态、蒸汽动态”的传统方法，可满足用户所要求的灭菌干燥效果，技术指标稳定，能有效防止粉粒状物料的结块，同时能很好地避免筒壁上物料的结壁现象。[4]因此，对本设备的清洗带来了方便，属于易清洗系统。

但考虑到有可能出现的一些特殊情况，如某些物料稍易黏壁，或工艺操作参数的不成熟，或操作不当等因素，本设备的灭菌干燥段，在用于粉粒状物料的灭菌干燥时，可能会偶然出现物料在筒壁上轻微附壁的现象，因此，将本设备灭菌干燥段与冷却段旋转筒体内壁上附着的残留物性质，统一提升半个等级，定性为介于易清洗与中等清洗之间的稍易清洗系统。而其两端固定的进、出料箱，由于其并不用于物料的灭菌干燥与冷却，箱体内壁上只是依附有少量飞扬的物料，故将其定性为易清洗系统。

（2）覆盖清洗目标面的复杂程度

所谓覆盖清洗目标面的复杂程度，是指设备形状、内部构件等因素，造成清洗剂对覆盖清洗目标面的难易程度。

对旋转筒体部分，由于带有一定喷雾角度的喷射液喷射至筒体内壁时，筒壁上的内螺旋带导料槽，就会对喷射液会形成局部障碍，即来自每个喷淋装置的喷射液，不能同时对内螺旋带导料槽的前后两个表面形成有效覆盖，故属于有障碍覆盖系统。

对灭菌干燥段与冷却段两端固定的进、出料箱部分，由于箱体内壁上无任何附加构件，喷射液可直接抵达筒体内壁形成有效覆盖，故属于无障碍覆盖系统。

2.3 设计确定

（1）清洗能力

所谓清洗能力，是指喷射液抵达清洗目标面时的清洗冲击力。

在喷淋装置中，对难清洗系统所需的清洗，需要高冲击力的清洗能力；对中等清洗系统的清洗，需要中等冲击力的清洗能力；对稍易清洗系统的清洗，需要中低冲击力的清洗能力；对易清洗系统的清洗，需要低冲击力的清洗能力。

根据上述清洗程度的定位，对稍易清洗系统旋转筒体部分，需要中低冲击力的清洗能力；而对易清洗系统的固定的进、出料箱部分，则仅需低清洗冲击力的清洗能力。

（2）覆盖方式

所谓覆盖方式，是指喷射液覆盖所有清洗目标面时所采用的喷淋方式。

对有障碍覆盖系统的筒体部分，由于筒体是旋转的，因此，只要使喷射液在沿筒体轴线方向上，对筒体内壁形成条状形的无盲区覆盖，就可通过筒体的旋转，达到对筒体及内螺旋带导料槽所有内表面的全覆盖，来实现清洗液对筒体内壁的喷淋清洗。但需注意的是，由于喷射液对内螺旋带导料槽的覆盖是受限的，因此，在喷淋装置的选型与配置时，需要重点考虑喷射液对清洗目标面覆盖的影响。

对无障碍覆盖系统的进、出料箱部分，由于进、出料箱是不旋转的，因此，只要使喷射液直接完全分布于整个箱体内壁，形成无盲区覆盖，来实现清洗液对进、出料箱体内壁的喷淋冲洗。

2.4 设计思路

（1）喷淋装置的选型

喷淋装置的选型，主要取决于在线清洗系统所需的清洗能力，即清洗冲击力。清洗冲击力主要决定于喷射压力与流量；但同时也需兼顾考虑设备形状对选型，以及喷雾形态和喷雾角度对清洗冲击力与密实度的影响。

① 喷射压力与流量

通常，对难清洗系统，常采用高喷射压力、大流量的高冲击力型液柱流喷嘴；对中等清洗系统，常采用中等喷射压力、流量的中等冲击力型标准流喷嘴；对稍易清洗系统，常采用中等喷射压力/小流量或低喷射压力/大流量的中、低冲击力型的实心锥形喷嘴、扇形喷嘴；对要求清洗液完全分布于整个筒体、而不至于对筒体产生冲击的易清洗系统，常采用低冲击力型的自由旋转式或固定式喷淋球。[5]

因此，对旋转筒体和固定进出料箱体部分，本设备的在线清洗系统，可分别选用中压/小流量或低压/大流量的实心锥形喷嘴、扇形喷嘴和能产生的360°喷射液的固定式喷淋球或自由旋转式。

② 设备结构（见图1）

图1 灭菌干燥设备结构[4]Fig.1 Sterilization and drying production line

本生产线的灭菌干燥段和冷却段的卧式旋转筒体部分，其长径比较大（筒体直径为1 000mm，长度分别为7 500mm和3 000mm），清洗球类喷淋装置产生的360°喷射液，只有一部分作用于筒壁上产生清洗效果，另有一部分或不能作用于筒壁，或虽可抵达、润湿筒壁，但因喷射距离过远，不仅达不到清洗效果，也浪费清洗剂用量与能源消耗。因此，这也是对筒体部分的喷淋装置，未选用清洗球的原因之一。

③ 喷雾形状与喷雾角度

对实心锥形喷嘴、扇形喷嘴来说，其喷雾形状与喷雾角度，对清洗冲击力、喷射液密实度及喷射液对清洗目标面的覆盖会产生一定的影响。

a） 对清洗冲击力的影响

根据文献[5]样本介绍，所谓清洗冲击力，是指喷雾对清洗目标面的碰撞力度。喷嘴所能产生的理论清洗冲击力I（kg/cm2）与清洗剂流量Q（L/min）、喷射压力P（kg/cm2）有关：，K值是常量（0.24）；而实际清洗冲击力则与喷雾形状分布和喷雾角度相关，即当喷雾形状分布确定后，其值取决于喷雾角度，还需乘以占总理论冲击力的百分比，如表1所示。

由表1可知，随着喷射角度的加大，虽然其对目标清洗物的覆盖面也越大，但其实际冲击力却随之越小。

b） 对密实度的影响

表1 每平方厘米的单位冲击力（在距喷嘴30cm处）Tab.1 The unit impact per square centimeter（at 30cm from the nozzle）

当喷孔直径、喷射压力与流量一定时，随着喷雾角度的加大，其喷射在清洗目标面上的清洗剂液滴的密实度，不如小喷射角度那么紧密，存在一定的间隙，这对设备内壁上可能附着的个别较顽固残留物的清洗，会产生一定的影响。

c） 喷雾角度对清洗目标面有效覆盖的影响

随着喷雾角度的加大，喷射覆盖面也随之扩大，但对每个喷嘴来说，由于内螺旋带导料槽是受限的覆盖系统，故其产生的喷射液并不能对清洗目标面带来有效的覆盖。

正如2.3（1）所述，实心锥形喷嘴、扇形喷嘴产生的喷雾形状的冲击力，都能满足清洗系统所需的中低或低的清洗能力要求；另外密实度对清洗效果的影响也是有限的，且二者均可在给定尺寸的喷嘴上，通过加大流量的方式，来增加清洗冲击力和密实度。而由于喷雾角度受限于内螺旋带导料槽，在一定的喷射距离下，喷雾角度对清洗冲击力的影响也是有限的。因此，选择喷雾角度的主要考虑因素，是喷射液对清洗目标面的有效覆盖。

（2）喷淋装置的配置

喷淋装置配置的主要考量，包括清洗泵的喷射压力与流量，喷嘴的喷射距离及其配置。

① 喷射压力与清洗剂流量

a） 喷射压力

通常喷射压力可分为三类：高压（1.0MPa以上）、中压（0.5～1.0MPa）、低压（0.5MPa以下）。本设备在线清洗系统的清洗泵压力选择低中压范围（与为冷却段物料提供冷却介质的冷却水泵共用），为喷嘴所需的清洗冲击力，提供充足的喷射压力。

b） 清洗剂流量

清洗剂流量，需同时考虑清洗所需的冲击力，以及清洗所需的流量要求。

本设备的在线清洗系统，选用的是紧凑、整体、大流量型的实心锥形喷雾喷嘴，它可使清洗剂在给定尺寸的喷嘴上，达到最大流量，以实现通过加大流量来增加清洗冲击力的目的，同时喷嘴畅通的通道设计，可最大程度地减少液滴对喷嘴的阻塞现象。清洗剂流量，按 4～12 L/（min·m2）（筒体内表面积）的经验值考虑。

② 喷射距离

喷嘴的喷射距离，是指喷孔处的喷射液至击中清洗目标面表面的距离。在确定喷射距离时，需考虑其对清洗冲击力及对清洗目标面有效覆盖的影响。

a） 清洗冲击力

由于喷嘴喷射的清洗液具有一定喷雾角度，故随喷射距离的加大，其对清洗目标面的覆盖面也扩大，有利于减少所需的喷嘴数量。但喷射液仅抵达残留物表面，还不足以对残留物进行有效的清洗，因为在一定喷射压力下的喷射液，随喷射距离的加大，冲击力损耗也越大，此时需对喷嘴施加更高的喷射压力，才能将残留物有效去除，这将使清洗运行成本也随之增加。

b） 清洗目标面的有效覆盖

由于内螺旋带导料槽是受限的覆盖系统，故喷淋覆盖面的扩大，并不能使其前后两个表面同时产生有效覆盖。

综上，喷嘴的喷射距离，其对清洗冲击力的影响为主要考虑因素，并通过试验得到的清洗效果加以确定；而喷射液的覆盖范围，则主要通过选择一定喷雾角度的喷嘴来实现。

③ 喷嘴配置

喷嘴配置包括：喷嘴在筒体内集水管上的间距与位置，集水管在筒体内的位置与喷嘴相对于筒体的倾斜度。

a） 喷嘴间距与位置

喷嘴在筒体内集水管上的间距与位置，主要考虑的是喷射液对清洗目标面有效的全覆盖。

对旋转的筒体部分，喷嘴在集水管上的间距，主要考虑的因素是对内螺旋带导料槽能形成有效覆盖；同时应能使清洁剂喷射至筒体内壁与内螺旋带导料槽液前后两个表面上，形成有部分交互重叠的覆盖面，即达到无盲区的条状形覆盖，并通过筒体的旋转，最终实现对筒体内壁的全覆盖。喷嘴位置主要考虑的条件，应能使清洗液对筒体两端的内螺旋带导料槽部件，形成有效覆盖。

对固定的进、出料箱部分，因为其容积较小（直径1 000mm，长度为800mm），故在箱体的中心位置，设置单个360°清洗球，就能直接对其内表面实现全覆盖。

b） 集水管

集水管在筒体内的位置，以及喷嘴相对于筒体圆周的倾斜度，主要考虑的是快速排出被清洗下来的物料。

由于筒体是旋转的，因此利用筒体的旋转速度，以及喷射液相对于旋转方向，使清洗液在筒体圆周上的流速加快，以便把设备内表面上清洗下来的残留物快速移除同时，避免清洗废液内残留物在筒内累积，防止对设备内表面造成二次污染。

2.5 在线清洗的清洗控制与清洗终点的判别

（1）在线清洗的清洗控制

根据清洗目标面的残留物性质及用户需要，在线清洗系统配置清洗操作程序，设有预洗、化学清洗剂清洗（包括酸液与碱液清洗剂）、饮用水清洗、最终淋洗水（纯化水）清洗，对设备进行不同清洗剂及不同方式的清洗，并对清洗后的设备配置干燥、消毒程序，以迅速转至下一批物料的操作。

（2）清洗终点的判别

清洗终点的判断，设有取样口，供取样分析最终淋洗水中的电导率、pH值、残留量。也可根据用户要求，另外选配在线检测系统。

清洗终点的判别，可确保被清洗后的设备上的残留物，符合规定的限度标准，不致造成对下批物料的交叉污染。同时，若配置在线检测系统，不但可正确判定被清洗设备以达到彻底清洗程度，而不是简单依靠测定清洗时间来判断清洗工艺的终点；由于及时判断清洗工艺的终点，从而可合理的节约清洗剂用量，减少不必要的清洗时间。

3 连续式粉粒灭菌干燥装备在线清洗流程

（1）在线清洗配置如图2所示。

图2 在线清洗喷淋部件配置示意Fig.2 On-line cleaning spray parts con fi guration diagram

（2）清洗流程说明

本设备的在线清洗系统，配有各种清洗剂管道接口，可分别连接来自公用系统的饮用水、纯化水等清洗介质，或来自移动CIP清洗站的碱性清洗液和酸性清洗液等清洗介质，并通过设备自带的清洗泵，将各种清洗剂按清洗程序，先后输送至灭菌干燥段与冷却段内固定在清洗剂集水管上的一组喷淋装置，将清洗剂喷射至旋转的灭菌干燥筒体、冷却筒体以及固定的进料箱、出料箱内壁，对内壁上附着的残留物进行清洗与去除。清洗废液由生产线底部的排液口，快速、通畅地排除，避免排水不畅影响清洗效果。排液口设有清洗废液取样口，以取样分析，检验清洗效果符合质量标准。

4 辅助清洗系统

在物料的灭菌干燥段，粉粒状物料在灭菌干燥过程中，由于某些物料易黏壁及工艺操作参数的不成熟，或操作不当等因素，可能会出现物料在筒壁上有不同程度的黏壁现象，在线清洗不能达到预期的清洗效果时，可采用辅助清洗系统，如清洗球清洗、手持式水枪清洗与拆卸清洗的方法，对黏附严重的状况应对设备进行预清洗，然后再用在线清洗系统，进行彻底、完全地清洗，以保证清洗效果。

5 结束语

（1）本设备在线清洗系统的设计，原则是针对设备所需的清洗程度和清洗目标面的复杂程度，作出合理的分析、判断与定位，再确定在线清洗系统所需的清洗能力和覆盖方式，并合理选择喷淋装置的型式与配置而设计的。因此，本设备的在线清洗系统，可以有效、可靠、经济地对残留物进行彻底、全面、有效的清洗与去除；同时达到有效减少清洗剂（包括水及化学清洗液）用量与清洗时间，提高清洗效能的目的。

（2）在正常生产操作情况下，首推在线清洗系统，对设备进行清洁；在非正常生产操作情况下，采用辅助清洗系统，先对设备进行预清洗，再采用在线清洗系统，对设备进行清洁。

[1]张功臣，刘为，褚熹. 高效节能的喷淋清洗[J]. 流程工业，2013（1）：38-40.

[2]田耀华. CIP系统基本要素的研究[J]. 机电信息，2012（14）：1-12.

[3]张功臣，何晶. 安全节能的CIP工作站在线清洗工作站在制药行业中的应用[J]. 流程工业，2013（5）：26-28.

[4]陈远华，王琪，屈创.连续式粉体灭菌干燥装备的结构设计及性能分析[J]. 化工与医药工程，2017，38（2）：41-45.

[5]Spraying Systems Co.美国喷雾系统公司样本.

《化工与医药工程》征稿启示

《化工与医药工程》（CN31-2101/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，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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常务副主编邮箱：kebao666@126.com chenkebao.ssec@sinopec.com

Design and Analysis of Online Cleaning System Used in Continuous Powder Sterilization and Drying Equipment

Wu Yunchu1, Zhao Huitiao2, Jiang Zhongwei1, Wang Qi3, Zhao Kai3
（1. Jiangsu Shennong Autoclave Inc. Zhangjiagang 215600; 2. ZhejiangMeiyang International Engineering Design Co., LTD,Shanghai 201103; 3. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003）

From the viewpoint of design method, in this article, the requirements under normal condition were expounded, including the analysis, judgment and location of complexity in cleaning area, determination of the cleaning ability required for online cleaning equipment and its applicable scope, and the selection of spray device and the design of con fi guration. At the same times, the backup scheme for pre-cleaning using spare cleaning system under abnormal condition was also described.

online cleaning; cleaning ability; covering method; spray device; selection of type; con fi guration

TQ 051.8+92

：A

：2095-817X（2017）04-0032-006

2017-06-25

江苏省产业前瞻重点研发专用资金（BE2016205）和张家港市科技支撑项目（ZKG1506）资助。

吴云楚（1970—），男，工程师。主要从事湿热蒸汽灭菌技术的研发与制造。