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离心机在制药工业应用中的技术要求

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离心机在制药工业应用中的技术要求

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  过滤型离心机(三足式上部卸料离心机、立式刮刀卸料离心机、卧式刮刀卸料离心机、吊袋卸料离心机等)作为固、液相分离设备在制药、化工、食品等行业有着广泛的应用, 其工作原理是[1]: 在离心力场中, 利用过滤介质截留悬浮液中的固相颗粒, 使固相颗粒在过滤介质表面不断堆积形成滤饼层, 而液体在离心力作用下通过多孔的滤饼层和过滤介质进行分离。由于是在离心力场下的强制分离, 分离因数可达到 600, 甚至1000 以上, 分离效果较好, 生产能力大, 对物料的适用性强, 并可实现自动控制, 因此, 具有其它分离设备不可替代的优点, 是制药工业中主要的处理设备之一。
  在 GMP 改造前, 制药行业所选用的离心机大多只是传统型的离心机, 与化工用离心机没有太大的区别,只是达到了最基本的分离要求。近几年, 国内制药行业实行 GMP 改造, 对离心机提出了更高的要求, 按《药品生产质量管理规范》[2]中对设备的要求, 在保持离心机分离特性的前提下, 还须满足《药品生产质量管理规范》对设备的要求。《规范》对离心机的设计、制造、选型、安装的要求主要包括:设备的设计、选型、安装应符合药品生产要求, 易于清洗、消毒或灭菌, 便于生产操作和维修、保养, 并能防止差错或减少污染。
  与药品直接接触的设备表面应光洁、平整、无死角、易清洗或消毒、耐腐蚀, 不与药品发生化学变化或吸附药品。
  设备所用的润滑剂、冷却剂等不得对药品或容器造成污染。管道的设计和安装应避免死角、盲管。进入洁净室( 区) 的人员不得化妆和佩带饰物, 不得裸手直接接触药品。
  用于生产和检验的仪器、仪表、量具、衡器等, 其适用范围和精密度应符合生产和检验要求, 有明显的合格标志, 并定期校验。
  生产设备应有明显的状态标志, 并定期维修、保养和验证。设备安装、维修、保养的操作不得影响产品的质量。
  对有特殊要求的仪器、仪表, 应安放在专门的仪器室内, 并有防止静电、震动、潮湿或其它外界因素影响的设施。
  针对以上要求, 在设计时就必须充分考虑结构型式、材料选用、功能实现的一系列措施; 在制造上, 具备相当的加工能力和加工手段来实现诸如表面光洁度要求等; 在选型时考虑到实际生产工艺、介质性质、洁净度要求等, 以选择适合的机型; 在安装时也应考虑到检修的方便性、与离心机接口(液、固、气相, 电等) 装置的合理配置。
  按照《药品生产质量管理规范》的要求, 其要求是针对所有制药机械的, 包括制药车间的一些辅助设施,如何来按“规范”的要求进行消化, 并真正的符合“规范”的要求, 需要制药机械生产商及制药厂商共同努力, 事实上, 由于制药厂商离心机所应用的场合、工艺、介质的物理和化学性质的不同, 对离心机也有不同的要求。
  1 选型
  选择适合的机型对得于实现 GMP 要求是至关重要的, 对于某些特定产品和特定场合, 有些机型并不合适, 即使在结构设计上花很大的力气也未必能达到预期的效果。离心机使用者应提出离心机需求的规范URS(User Requirement Specification), 也就是说由使用者按实际应用的工作环境、处理介质的理化性质、处理要求、控制等对离心机提出具体的要求, 与制造商共同确定机型。
  2 材料选用
  GMP 规范中要求与药品直接接触的设备表面不与药品发生化学变化或吸附药品。因此, 对于特定的介质, 应选用合适的材料来制造, 以满足上述要求, 同时也是为达到防腐这一基本要求。这些材料不仅仅是转鼓等金属材料, 所有接触物料的零件材料都应达到这一要求, 包括密封件、紧固件等等。
  材料选用至关防腐性能、洁净度要求的实现, 按所分离物料的腐蚀数据( 化学性质、温度、浓度等), 选用合适的材料, 如 321、316L、钛材等材料。对一些特殊的物料, 可采用哈氏合金或涂层处理。
  所用的管材, 对一些洁净度要求高的场合, 应选用卫生级管和卫生级快装卡, 以消除管道可能带来的污染, 也便于清洗。
  3 结构设计与表面处理
  在设计时, 应尽可能的减少(消除) 结合面, 以消除这些结合面缝隙带来的藏垢而难于清洗。
  焊接结合处应是连续的( 无间断焊接), 角接焊缝应磨成平滑过渡的圆角, 对接焊缝应磨平。
  所有的尖角处和拐角处必须把角修圆, 产生一个平滑过渡的圆角, 尽可能的消除凸出与凹坑, 消除卫生死角, 消除积液、积料等死角。
  所有的不锈钢表面应进行抛光处理, 以尽可能的降低污染物在设备表面的附着力, 提高清洗效果。
  离心机在检修时, 检修人员、工具、备品备件等都将对无菌车间造成污染。因此, 离心机的设计应结构简单, 方便拆卸, 运输便捷, 保证产品结构的合理性和可靠性。
  4 在线清洗
  保证每一批产品都能达到一致性, 防止产品自身结构及微生物、病菌等的污染, 在设计时就应考虑设置清洗、消毒、灭菌装置(用户可以接受的方案)。
  所有的表面需很容易地清洗, 并且不因此使产品在生产过程中可能产生污染或化学反应。
  在离心机内腔(需要时应在多个部位) 设置多个清洗头或清洗管, 离心机可在不开盖或运转过程中对离心机内部不可见表面进行清洗(CIP)。重点有以下几个部位:
  a 转鼓底面及轴承座部位;
  b 拦液板表面及转鼓筒体外表面;
  c 转鼓筒体内表面;
  d 翻盖内表面及进料、刮刀等装置表面;
  e 外壳内表面。
  5 密闭性
  制药用离心机无论是非无菌药还是无菌药, 是药品中间体还是成品药, 其生产过程中对环境都提出了很高的要求。在高等级环境要求下, 比如在无菌车间,就有万级、十万级等无菌车间, 良好的密闭性能可使得外部与机器内部保持有效的隔离。离心机内腔中的固、液、气相不得对车间环境造成污染; 反过来, 操作人员、外部环境也不能对物料产生污染。因此, 制药厂商在订货时应告知离心机制造商, 提出密闭要求。制造商可以考虑在以下几个部位对离心机的密闭性能进行改进设计:
  5.1 机盖的密封
  考虑到离心机在使用过程中因清选或更换滤布等作业需要打开离心机, 尽量的减少拆解作业, 机盖设计成快开式, 与机壳接合面应有可靠的密封措施, 如果因密封结构或材质防腐失效, 就可能造成液、气相的泄漏, 对环境、人员造成伤害。
  在机盖法兰上加工燕尾槽( 图 1), 安装密封条, 以保证密封条的定位可靠性, 密封条为梯形中空结构, 以保证其密闭性能。按所处理物料的防腐要求来确定密封条材质, 如采用普通丁晴橡胶、硅橡胶、氟橡胶等材质。
  进料管、洗涤管、观察镜等附加装置的安装接口,也应有可靠的密封措施。
  5.2 轴承位的密封
  主轴上端的紧固与密封, 采用两块轴端挡圈叠装,两个 O 型圈隔离安装方式, 以消除渗液的可能。设置迷宫密封装置, 减少或消除气雾对主轴的侵蚀, 或将暴露面加涂镍磷合金, 以消除或减小产生腐蚀的可能。充分考虑到这些部位的密封要求, 以满足 GMP 规范中“设备所用的润滑剂、冷却剂等不得对药品或容器造成污染”的要求。
  5.3 传动带工作区域的密封
  对传动带工作区域设置密闭装置, 以防止磨擦粉尘的外泄对环境造成污染。
  5.4 其它部位
  离心机的外接管道, 如进料管、洗涤管、清洗管等管道, 一般情况下选用法兰安装方式, 以保证其接口的密封性能, 对于一些洁净度要求很高的场合, 其接口应选用卫生级快开接口装置, 以便于清洗。
  较为复杂的密封部位是下部卸料离心机的固相出口, 因其出料口较大并且接口形状的特殊性, 对设计与制造带来了很大的难度。通常的做法是, 接料斗从离心机底部出口过渡至一个直径适合的圆口, 接装一个蝶阀, 所有法兰安装面加装密封垫, 来实现密闭要求。蝶阀出口外接柔性接管至料仓。
  对于一些特定的产品, 污染物从喷射孔中进入清洗管内, 滴液或清洗时对产品产生污染, 因此, 在线清洗管的设计应采用卫生级快开卡子, 以便在完成一次分离后将清洗管拆下, 便于对其管内彻底清洗。
  对于某些特定产品和特定场合, 以常规的润滑油(脂) 润滑的轴承以及传动带不得位于产品处理区域,应选择合适的机型, 如隔墙式离心机来实现。
  6 防爆要求的实现
  对于含有甲醇、乙醇、甲苯等有机溶剂的场合, 生产系统有防爆要求, 离心机在运行过程中的安全性成为选型的首要要求。
  产生爆炸有诸多要素: 可燃性气体浓度、压力、温度、火源、氧气等。 对于特定的介质或场合, 无论是液相还是气相, 在进行工艺设计时应考虑可燃性气体浓度、压力、温度,因是工艺问题, 在此不作详尽探讨。
  对于火源, 在离心机设计时, 对于运动件, 应用足够的安全空间, 以消除可能产生的机械磨擦和撞击。机器必须有消除静电的措施。对于制动装置, 一般均采用能耗制动的形式(非接触式制动, 缺点是制动时间要比接触式要长一点, 尤其是在满载时转动惯量较大的情况下更是如此), 不得采用机械磨擦式制动装置。对于传动带, 则选用防静电带, 以消除或减少静电产生的可能。
  涉及到防爆场合, 可以考虑采用氮气保护。如果只是在机壳上设置了一个氮气进气管, 一个氮气出气管,离心机在工作时, 向内腔中充入氮气, 至于氮气浓度能否达到安全范围则没有定量的控制, 因此, 其氮气保护的可靠性很差。在氮气保护系统中加入在线氧气检测装置, 对运行过程中的离心机内腔的氧气进行检测, 实现定量的控制, 使其氧气含量在安全范围以内。
  在订货时, 应提出防爆要求, 对离心机的配置提出更精确的制造要求, 比如: 配置防爆电机、现场防爆按钮、防静电皮带、变频器控制、防爆电磁阀、防爆接近开关、防爆隔离栅、静电接地、能耗制动、氮气保护、氧气含量在线检测等等。(注: 对于氧气在线检测系统, 在以后进行专门的介绍)
  上述所有的防爆措施并不是所有的有防爆要求的场合都要配置, 实际订货时, 应按实际工艺、环境等适当的配置。
  7 气源
  离心机配置的气动动作元件, 如气动刮刀、气体辅助刮刀、气体反冲装置等, 其动力源是气体( 压缩空气或压缩氮气), 应对气源进行净化, 以保证药品不被气体中的杂质污染。
  如果应用于防爆场合, 其气源应使用氮气。
  8 残余滤饼清理与滤布再生
  上部卸料离心机 (人工上部卸料或吊袋卸料), 其每次卸料都将滤袋提出, 相对来说其残余滤饼容易清理一些, 滤布再生也更方便一点, 在此不作更多的介绍, 这里主要介绍刮刀卸料离心机的残余滤饼清理和滤布再生的方法。
  刮刀卸料离心机(立式刮刀卸料离心机、卧式刮刀卸料离心机等), 因其为自动刮料离心机, 滤布安装于转鼓壁上, 拆卸与安装相对于上部卸料离心机来说困难一些, 刮刀与滤布之间有一安全距离(5- 10 mm), 以防止刮刀刮坏滤布, 这一残余滤饼层的存在, 对于一般化工产品而言, 没有太大的问题, 但在制药行业中, 残余滤饼的存在不能满足消除批次间污染的要求。为达到清理残余滤饼的目的, 在刮刀上设置一气体辅助刮刀( 图 2), 转鼓过滤孔外侧设置气体反冲喷嘴, 在进行刮料时, 高压气体通过转鼓过滤孔由外向内冲击滤布和残余滤饼层, 使滤布产生脉冲振荡, 并向内产生一位移, 以一柔性推力使滤布贴近刮刀刃口, 减少残余滤饼层的厚度, 同时, 气体反冲辅助刮刀喷出的高压气体吹去滤布上的残余滤饼。通过这一装置可有效降低或消除残余滤饼, 同时在一定程度上对滤布进行再生, 残余滤饼的清理对一些颗粒度较小或粘度较大的物料, 可消除下一次过滤时残余滤饼所产生的过滤阻力, 提高过滤效率。
  参考文献:
  [1] 余国琮.化工机械工程手册( 中卷) [M], 北京: 化学工业出版社, 2003.
  [2] 药品生产质量管理规范[S], 国家药品监督管理局, 1999.
          责任编辑: 邵耀良(0791- 3708069)

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