喷淋清洗高效节能--喷淋装置在制药流体工艺系统中的应用

作者：张功臣 褚熹

欢迎访问e展厅 展厅 1 灌装机/粉剂包装机械展厅 液体自动包装机, 灌装机, 旋盖机, 吨袋包装机, 颗粒自动包装机, ... 在药品生产和生物技术领域，喷淋装置的清洗功能和表面润湿功能在洁净流体工艺系统中应用广泛。例如，采用中高压、低流量喷淋技术可有效去除制药配液罐体中的残留物；采用低压、高流量喷淋技术可有效预防高温注射用水罐体内壁的微生物滋生。当前，自动清洗制药配液罐体的在线清洗工艺（CIP，Clean In Place）已得到现代制药行业的广泛认可，如何正确选择和安装罐体喷淋装置对配液罐体的清洗验证至关重要。 清洗的原理 清洗的主要原理是向罐体内表面的残留物施加热能、机械能和化学能，在这些能量的共同作用下实现配液罐体的有效清洗（图1）。温度、机械作用、化学作用和时间是清洗过程中的四个基本要素，在清洗技术领域称为TACT模型（Temperature、mechanical Action、Concentration、Time），为实现有效的清洗，上述四要素缺一不可、相互影响且互为补充。为了保证获得理想的清洗效果，整个配液系统还需有合理的抛光度控制与死角控制。一般而言，抛光度等级越高、死角控制的越严格，系统越容易被清洗干净。 清洗原理中的机械作用对于配液系统清洗过程至关重要。例如，配料罐体主要是通过清洗剂的喷淋状态（需要保证足够的流量和压力）去除罐体内壁的残留物；药液输送管道主要是通过处于湍流状态的清洗过程去除管道内壁的残留物。早期的清洗实践中，机械作用并未被引入，其清洗理论为TAT模型（图2a），该模型的时间因素影响最大，其次是化学作用和温度因素。随着现代工业的发展，TCT模型因其清洗时间太长、清洗效率低下等原因，已不能满足工业化大发展的需求，机械作用被引入到清洗理论中，从而形成了TACT模型（图2b），典型的现代清洗技术中，机械作用的影响已占到了整个清洗过程的50%以上，其余三个参数的影响相对较低。在一些难于清洗的工况，TC模型（图2c）更加有效，该模型中化学作用和温度未被引入，机械作用的影响会占到整个清洗过程的80%以上，其余的影响为时间因素。 喷淋装置的分类 喷淋装置主要用于实现清洗过程的机械作用。依据工作压力的不同，喷淋装置被分为清洗球和洗罐器两大类（图3）。清洗球主要是指处于中、低压工作状态的喷淋装置，包括固定清洗球、旋转清洗球和切线出水清洗球等；依据清洗角度的不同，清洗球可分为90°、180°向上、180°向下、270°向上、360°和360°高流量等多种规格；依据安装方式的不同，清洗球可分为焊接式、螺纹式和插销式等多种形式。洗罐器主要是指处于中、高压工作状态的喷淋装置，包括介质驱动洗罐器和外置马达驱动洗罐器等。 喷淋装置的特点 固定清洗球（图3a）属于低压力、高流量型清洗球，它属于人类最早发明的喷淋装置，因其安装简单、开孔灵活、造价低廉、使用寿命长等因素在制药、食品和饮料行业得到了广泛的应用。固定清洗球的工作原理为小股清洗液从固定清洗球的每个孔中持续喷向罐体内壁上的固定点，从而以层流的方式将清洁液分配至储罐内表面。固定清洗球的理论工作压力相对较低（0.5～3bar），常用工作压力为1～2bar，清洗时的冲击力也相对较弱，为达到清洗效果，需消耗大量的清洗液，它主要用于要求较低的清洗任务。当清洗液压力超过工作压力后，固定清洗球将发生雾化而失去清洗功能。在制药行业，固定清洗球因其清洗效果一般、清洗耗水量和清洗剂用量很大、清洗孔易堵塞和红锈等缺陷，已逐渐被切线出水清洗球所取代。 旋转清洗球（图3b）也属于使用寿命长、低压力、高流量型清洗球，它在固定清洗球上安装了一个可旋转的连接杆，连接杆内部安装有导流挡板，利用水流对导流挡板的冲击力使清洗球快速旋转，旋转清洗球可有效避免因少数喷淋孔堵塞而带来的清洗死角，即使旋转清洗球停止转动，它依然可以起到固定清洗球的表面润湿功能。旋转喷淋球的主要功能是保证罐体始终处于自清洗和全润湿状态，并可用于较易清洗的罐体。与固定清洗球相比，旋转冲洗能有效节省清洗时间，节省清洗剂和清洗用水。2010版药品生产质量管理规范（GMP）要求：纯化水、注射用水的制备、储存和分配应能防止微生物的滋生。纯化水储罐和注射用水储罐是整个制药用水系统中流速最慢、微生物风险最高的区域，罐体内壁可能有附着疏松生物膜的风险，因此对储罐的定期消毒和保证罐内水的连续循环是非常重要的。制药用水储存与分配系统处于二十四小时连续工作状态，其回水压力相对较低、回水流量相对较大、储罐清洗需求相对较低，罐顶应安装喷淋球以确保所有的罐体内表面达到微生物控制的湿度，同时还能保持罐顶部温度和罐内水温一致，从而有助于避免不锈钢的腐蚀反应，因此，旋转清洗球非常适用于纯化水储罐和注射用水储罐。 切线出水清洗球（图3c）属于中压力、低流量型清洗球，它在切线出水球体上安装了一个可旋转的连接杆，利用水流对切线出水球体的冲击力使清洗球快速旋转，其工作原理为清洗液采用扇形涡流方式从切线出水中持续喷出，通过振动模式与物理冲击力相结合的方式将清洁液体均匀喷淋至罐体内表面。切线出水清洗球工作压力适中（1～10bar），常用工作压力为2～5bar，清洗时的冲击力相对较强，只需较少清洗剂就能获得理想的清洗效果，主要用于较易清洗的配料罐体。在线清洗工作站（CIP工作站）属于典型的TACT清洗理念产品，随着CIP工作站的广泛使用，切线出水清洗球以其安装方便、经济、节能、省水等优势得到了制药行业常规配液系统的广泛认可。 洗罐器属于高压力、低流量型喷淋装置，多用于相对难清洗或者对清洗要求较高的罐。洗罐器的水平旋转与垂直旋转相结合，形成的高速射流以及由储罐壁上反射的水流作用于最难达到的位置，通过旋转的喷嘴将清洗液体喷射在储罐的整个内部表面上并形成逐步密集的网状覆盖。洗罐器的详细工作机理为：进入喷淋头的清洗液首先会通过一个导轮和涡轮，并带动涡轮旋转。涡轮旋转运动被一个齿轮箱转换成由机身的水平旋转以及喷嘴的垂直旋转构成的复合运动。机身和喷嘴的复合运动确保了整个储罐的清洗范围都能覆盖到。在轮毂连同喷嘴旋转一个周期后，便完成对储罐表面的一次粗略清洗。在随后的回合期间，这种清洗方式将重复7次，每一次都会位移1/8个网格。在轮毂连同喷嘴重复清洗8次后，便完成一次完整清洗，随后又会从第一个周期开始重复（图4）。 介质驱动洗罐器（图3d）是一款由清洗介质驱动和润滑的储罐清洗器，由于它是自润滑的，因此机器中没有油、脂等需要定期更换的润滑物质，工作时，清洗喷枪的喷嘴会同时进行公转和自传，公转和自传的速度不同，从而可以360度无死角覆盖整个罐体内部。介质驱动洗罐器工作压力相对较高，最高可达20bar，清洗时的冲击力很强，是传统清洗球的一种有效替代产品，表1是一款介质驱动洗罐器的典型工作曲线。 外置马达驱动洗罐器（图3e）是一款由外置动力驱动的储罐清洗器，其工作压力不受清洗介质的限制，最高可达到60bar，清洗时的冲击力非常强，特别适用于极难清洗的罐体，例如百白破疫苗工艺罐体的清洗。与介质驱动洗罐器相比，外置马达驱动洗罐器对于清洗周期和清洗时间的可控性更大，例如，外置马达驱动洗罐器的标准程序可设置为3分钟完成对罐体内表面的一个清洗周期，采用三个循环即可保证罐体的清洗质量符合生产需求。 收缩式清洗球（图5a）和旋转式清洗管（图5b）是两种特殊设计的切线出水清洗球。收缩式清洗球在不需要使用时可自动收起，需要使用时可灵活伸出，尤其适用于不便于放置固定安装清洗球的储罐、容器、干燥机和管道等，例如，用于粉体储罐清洗的收缩式清洗球能有效避免粉料换批所带来的交叉污染。收缩式清洗球的收缩装置可采用两种驱动形式：（1）采用气动驱动方式，利用气压伸长和收缩清洗头；（2）采用介质驱动方式，利用清洗剂的压力伸长清洗头、利用内置弹簧收缩清洗头。旋转式清洗管可灵活安装于清洗杆的中部，特别适用于高径比较大的罐体，在发酵罐或其它特殊领域应用广泛。非金属清洗球（图5c）是另外一款新型的切线出水清洗球，其球体旋转无需借助不锈钢钢珠，使用寿命显著增加。非金属清洗球的球体材质为聚醚醚酮（PEEK）树脂，PEEK是一种性能优异的特种工程塑料，具有耐高温，机械性能优异，自润滑性好，耐化学品腐蚀，阻燃，耐剥离性，耐辐照性，绝缘性稳定，耐水解和易加工等特点，其材质已得到FDA的官方认可。 喷淋装置的应用 喷淋装置应实现自清洁和自排净功能，供应商需提供下排孔的位置图来确保完全可排空，每一个罐体均需考虑喷淋装置的安装高度，以便得到最佳的清洗效果。如果罐体上封头有垂直到罐体内部的金属杆（如电容式液位传感器、上置桨式搅拌器等），罐体需要采取多个喷淋装置来避免在喷淋方式上造成的“阴影”。 为了证明清洗液能够完全覆盖罐体内表面，罐体供应商需在工厂验收测试（FAT）阶段进行喷淋球的覆盖性测试，为保证测试结果真实可靠，所有罐体附件均需安装到位（如搅拌器、液位探头、温度探头等）。测试可以在室温下进行，测试开始后，将核黄素等染料均匀喷洒在设备内表面、罐体接口和其它复杂的表面，按照预定的清洗SOP执行后，通过紫外灯目测法或其它可验证的方法进行测试结果的判定，合格标准为：所有的染料能被100%去除，紫外灯照射后无荧光。需要注意的是，覆盖性测试可以确定喷淋球的覆盖面积，但不能确定其清洗能力。 先进的过程分析技术（PAT）可以帮助控制过程运行、提高产品质量并减少资源消耗。探测检测器是一种应用于旋转喷淋装置的过程分析技术，它能有效实现清洗效果的过程分析与报警，系统产生的信号可以为声频信号或视频信号。探测检测器安装在罐体表面后，可检测到旋转喷头的连续运转并可接收到清洗液的冲击力，通过传感器的数据分析可验证清洗过程是否符合要求。 小结 当前，体现当代科学技术水平的制药行业进入一个全面发展的历史新时期，节能、环保、安全等要求已成为制药企业可持续发展的关键因素，如何节省清洗用水、节省化学试剂、节省清洗时间对于制药企业的战略发展至关重要。随着TACT清洗理论在配液系统与CIP工作站中得到更加广泛的推广和应用，正确合理地选择罐体喷淋装置将有效节省企业在制药流体工艺系统中的运行成本。(end)

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