潔凈流體輸送系統對隔膜閥選用及安裝的要求

吳琿

（上海森松制藥設備工程有限公司，上海 201323）

潔凈流體輸送系統對隔膜閥選用及安裝的要求

吳琿

（上海森松制藥設備工程有限公司，上海 201323）

隔膜閥由于無死角、便于清洗滅菌、可全排盡等特點被廣泛應用于制藥及日化行業(yè)。然而在工程設計過程中，由于流體介質的理化性質、使用工況及用途的不同常會出現隔膜閥選型有誤及錯裝等問題，使其無法滿足流體潔凈輸送的要求。以幾個常用目標用途為例，闡述其在制藥及日化行業(yè)潔凈流體輸送系統中的正確應用。關鍵詞 隔膜閥；潔凈流體；輸送；工藝用水；容器；發(fā)酵罐；選型與安裝

隔膜閥作為一種特殊形式的截斷閥，其啟閉件是一塊用軟質材料制成的隔膜，把閥體內腔與閥蓋內腔及驅動部件隔開。特點是操作機構與介質完全分開，與工作介質接觸的僅是膜片及閥體，既保證了工作介質的純凈，也防止流體介質沖擊操作機構。主要在有化學腐蝕性、含懸浮顆粒、潔凈度要求高的流體輸送系統中使用。

1 應用于潔凈流體物料輸送系統時隔膜閥的選用與安裝

配液工藝流程的設計需要著重考慮其無死角可排盡，并且可清潔驗證。根據新版GMP 要求，整個潔凈物料輸送系統將通過CIP（在位清洗）及SIP（在位滅菌）的操作實現殘留物總量低至不影響下一批產品的質量和療效[1]。

在ASME BPE-2014規(guī)范中對于死角有明確的定義，潔凈流體輸送管道設計L/D（支管長度與管道內徑的比值）需要小于一定數值，詳見表1所示[2-3]。

表1 管道設計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）

基于上述規(guī)范以及安裝經驗，設計經常被要求需滿足L/D≤2。然而，在管路中安裝了氣動隔膜閥后，閥頭的外形尺寸及安裝排空傾角會成為影響L/D≤2實現的一個關鍵障礙因素，此時的L應該視為隔膜閥閥芯至主管內壁的垂直距離。

現以普通閥頭的氣動隔膜閥為例，基于主管大于支管兩個等級以上，核算實際配管過程中L/D數值。下面我們假設了兩種工況，一是閥頭與主管貼近，但不相撞；二是閥頭與主管離開10 mm間距。閥體分為鑄造和鍛造兩種形式。核算結果列表如表2。

由表2可見，要保證L/D≤2，是比較困難的，需要閥頭與主管盡可能貼近，在實際設計過程中這樣的布置也是不合理的，很難實現管道表面清潔維護及管道保溫，需要更換閥頭型號來實現更小的L/D數值。同時項目成本也應該作為一項十分重要的考慮因素，我們在設計前期需要和客戶詳細溝通，明確合適的配管要求，并進行完善的清潔驗證。

表2 鑄造與鍛造氣動隔膜閥L/D數值Tab.2 L/D value for casting and forging pneumatic diaphragm valves

對于小于1 in的管路，幾乎沒辦法做到L/ D≤3，為了實現L/D的最小值，就需要選用組合隔膜閥，這種閥門由一個鍛造的主閥和一個鑄造或鍛造的支閥組成，由于支閥直接連接在主閥體上，可以實現更小的L/D，其結構如圖1所示。以規(guī)格為 3/4 ～ 3/4 in組合閥為例（本圖來自GEMU公司樣本），核算結果為 ID = 19.05-1.65×2 = 15.75 mm，3D = 3×15.75 = 47.5 mm，實際測量L恰好為47.5 mm。

因此用于潔凈流體物料輸送、清洗、滅菌等潔凈管路上的隔膜閥選用與安裝應該注意以下幾點：

（1）合理的傾斜角度保證管道中的物料可以全排盡。

（2）在留有檢修空間的前提下，1 in及以上尺寸管路可以做到L/D≤3，1 in以下的管路建議采用組合閥。

（3）對系統中存在風險的死角則需要進行完善的清潔驗證，如驗證不能通過應采取更換閥的型號、閥頭等措施以確保系統的可清洗，可排盡性能。

圖1 組合閥結構Fig.1 Structure for GMP/SAP valves

2 應用于注射用水、純化水循環(huán)系統時隔膜閥的選用與安裝

中國“GMP”（2010年修訂）對純化水、注射用水的制備、儲存和分配系統提出了原則性要求[2，4]。

注射用水、純化水循環(huán)管路在使用點U型彎處會設置隔膜閥起到切斷作用，為了保證使用點（POU，Point of Use）用水時主管可以持續(xù)循環(huán)無染菌風險，使用T型隔膜閥是一個最優(yōu)的選擇。T閥閥體結構如圖2（a）所示，水平管口連接U型彎，垂直出口連接使用點。由結構圖可以看到，閥芯緊貼主管，幾乎實現了零死角，但由于該閥為整鋼鍛造而成，因此價格不菲。根據一些客戶的需求以及風險評估方案的制定，需要在進入使用點之前進行注射用水、純化水的取樣操作，這一操作可以做為一個染菌分析（如存在）的分界面，據此對常規(guī)T閥做了改進，結構如圖2（b）所示（本圖來自GEMU公司樣本），在T閥閥體膜片上端開孔并連接一個手動隔膜閥，取樣時僅需打開該手動隔膜閥即可，無需開啟主T閥，從而防止取樣過程被微生物污染的風險。

圖2 T閥結構Fig.2 Structure for T-type valves

因此用于注射用水、純化水管路隔膜閥的選用與安裝要點如下：

（1）注射用水、純化水系統使用點U型彎處采用T型隔膜閥。

（2）改進后的T閥型隔膜閥帶有取樣功能，可滿足無菌取樣操作。

3 應用于帶有稱重功能的容器罐底放料時隔膜閥的選用與安裝

配液罐、儲罐等通常會安裝罐底閥以保證無攪拌死角及罐內料液的全排盡，而對于帶有稱重功能罐體的罐底閥，需要使用軟管連接以消除管道硬連接對稱重的影響，通常的設計如圖3（a）所示，選用罐底組合閥，在罐體進行配料的過程中，罐底主閥關閉，可以打開罐底支閥對物料輸送管路進行CIP清洗。這樣的設計存在的問題是，支閥及相關管路位于軟管前，在清洗劑進入管道時，軟管并沒有起到消除硬連接力的作用，通常會造成罐體稱重數值波動，最終會使配液稱重不準確。由此可見，罐底組合閥的設計雖然可以節(jié)省空間，但并不適用于帶有稱重功能的罐體。解決此問題的修改方式是，選用罐底單閥，將CIP旁通閥移至軟管后，如圖3（b）所示，這樣的設計可以解決配液罐稱重數值波動的問題。

帶有稱重功能的容器罐底隔膜閥安裝的要點如下：

圖3 罐底閥設計Fig.3 Design for tank bottom valves

（1）采用罐底隔膜閥消除攪拌死角，做到物料可全排盡。

（2）罐底閥采用單閥設計，管路清洗用的支閥安裝在軟管后。

4 應用于生物發(fā)酵補料管路系統中隔膜閥的選用與安裝

發(fā)酵罐補料管路通常會采用四閥組的設計，這種交叉的設計可以保證整條管路及閥門清洗滅菌無盲點。ASME BPE對于發(fā)酵罐補料系統無菌范圍的界定[2,5]如圖4所示。工藝路線如圖5所示，點橫虛線框內的元件需要整體拆卸進入滅菌柜進行滅菌，剩余部分用短接管連接進行洗消，最后再與拆卸部分進行對接。需要進行拆卸的區(qū)域包含了一個關鍵元件是手動隔膜閥，由于其特殊的操作工況，我們通常會考慮采用可以進行滅菌的手柄材質，例如316L不銹鋼，然而對于操作者來說，這種材質并不是最優(yōu)選擇。剛剛滅菌的閥門溫度極高，操作者在滅菌結束后需要迅速手動關閉閥門以保證整個系統的無菌狀態(tài)，這個過程務必要做好防燙措施，不然易被閥門手柄燙傷。對此設計的優(yōu)化方案是，選用可耐高溫的塑料手柄，既滿足了工藝需求，又保護了操作者的安全。

圖4 發(fā)酵罐的無菌界定范圍（ASME BPE SD-5.1.1.1-1）Fig.4 Fermentor sterile envelope（ ASME BPE SD-5.1.1.1-1）

圖5 發(fā)酵罐補料四閥組設計Fig.5 4-pass block diaphragm valves design for fermentor

發(fā)酵罐補料管路隔膜閥安裝要點如下：

（1）可拆卸部分采用手動隔膜閥，以便整體進入滅菌柜滅菌；

（2）采用可耐高溫的塑料手柄，防止操作者燙傷。

5 應用于需要流量調節(jié)的管路時隔膜閥的選用與安裝

用于流量調節(jié)的閥門有很多形式，在這里我們只介紹隔膜式調節(jié)閥。這種調節(jié)閥是由一個直通閥體外加一個執(zhí)行器和一個定位器組成，工作時根據工藝需求，通過定位器發(fā)出的4 ～ 20 mA信號控制閥門開度，從而調節(jié)管路流量，這種形式的隔膜式調節(jié)閥已經被廣泛應用于潔凈管路。

類似這樣的操作理念，且不希望介入控制系統，我們有時會在需要流量調節(jié)的管路設置手動隔膜閥。例如換熱器管程進/出處，換熱器調試時我們手動調節(jié)隔膜閥開度，使管程流量滿足設計要求，從而實現換熱目的；又如在物料灌裝管路，通過手動隔膜閥來精確控制罐裝速率；再如在泵出口處，通過手動隔膜閥限制輸送速率。我們還可以選用帶有圈數刻度的手柄，使得流量調節(jié)更加靈活、準確、可記錄、能重復。

用于流量調節(jié)時隔膜閥設計要點如下：

（1）在管路中設置手動隔膜閥用于流量調節(jié)可以使調節(jié)更方便靈活。

（2）必要時可以選用帶有圈數刻度的操作手柄，便于流量調節(jié)的記憶。

6 結束語

在進行詳細工程設計的過程中，需要結合具體的操作工況、設計標準及項目建造的成本等多方面因素選擇合適種類的隔膜閥，并在安裝過程中考慮該型號閥門的特性，從而規(guī)避物料被污染的風險，對于在本文中一些未被提到的類型，還需要設計者和使用者進行詳細溝通，以保證隔膜閥選型與安裝合理合規(guī)，使?jié)崈袅黧w輸送系統可以順利通過CIP驗證。

[1]國家食品藥品監(jiān)督管理局. 藥品生產質量管理規(guī)范（2010年修訂）[S]. 2010.

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

[3]顧正輝. ASME BPE標準的介紹和解讀.系統設計SD章節(jié)簡介（1）[J]. 醫(yī)藥工程設計. 2013，34（5）.

[4]黃浩. 制藥用水儲存及分配系統設計[J]. 醫(yī)藥工程設計. 2010，31（1）.

[5]金永保，曹燕秋，周立法. 生物發(fā)酵工藝系統設計應遵循的幾項指導原則[J]. 機電信息.中國制藥設備. 2014，8（8）.

《化工與醫(yī)藥工程》征稿啟示

《化工與醫(yī)藥工程》（CN 31—2101 / TQ）（原《醫(yī)藥工程設計》）創(chuàng)刊于1980年，是經國家科技部、國家新聞出版廣播電影電視總局正式批準，面向國內外公開發(fā)行的專業(yè)技術期刊。本刊是國家評定的學術期刊（A類），由中國石油化工集團公司主管、中石化上海工程有限公司主辦。

本刊征稿的具體范圍為：

化工工藝與工程、醫(yī)藥工藝與工程、裝備應用與研究、HSE與節(jié)能減排、綜述與專論等。

本刊對稿件的錄用以技術和質量為主導，不收取作者的審稿費和版面費，亦從無委托任何機構或個人收取相關費用。歡迎各高校、工程公司、設計院、生產企業(yè)等師生、技術人員投稿。

來稿要求詳見第68頁《化工與醫(yī)藥工程》投稿指南。

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常務副主編郵箱：kebao666@126.com chenkebao.ssec@sinopec.com

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

吳琿（1984—），女，工程師，研究方向：醫(yī)藥和日化工藝工程設計。