原料藥生產(chǎn)設(shè)備中固體排料閥的應(yīng)用對(duì)比

陳竹君

（無(wú)錫市定昌過(guò)濾機(jī)有限公司）

原料藥常見(jiàn)的生產(chǎn)工藝有反應(yīng)、結(jié)晶、固液分離及干燥等， 其中絕大部分工藝過(guò)程都存在固態(tài)物料。 根據(jù)日益嚴(yán)格的GMP 規(guī)范要求，不但在設(shè)備工藝處理過(guò)程中有多重衛(wèi)生要求， 在物料轉(zhuǎn)移和批次工藝結(jié)束后對(duì)設(shè)備本體內(nèi)殘留的潔凈要求也不斷提高。 排料閥作為設(shè)備本體和下一道工藝之間的主要連接部件之一， 為了更好地保證物料質(zhì)量， 在不同的物料工藝設(shè)備中應(yīng)有不同的匹配考量。筆者將選擇3 種較為常用的排料閥，從多個(gè)方面對(duì)比其匹配特性，綜合評(píng)析應(yīng)用特性。

1 針對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范要求

根據(jù)最新版《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》，針對(duì)設(shè)備最本質(zhì)的要求即為提高物料潔凈品質(zhì)、杜絕環(huán)境污染，其中第七條明確指出“生產(chǎn)宜使用密閉設(shè)備；密閉設(shè)備、管道可以安置于室外。 使用敞開(kāi)設(shè)備或打開(kāi)設(shè)備操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)有避免污染的措施。 ”排料閥作為設(shè)備涉及打開(kāi)部件，密閉管道連接形式為首選；另外，設(shè)備在不同生產(chǎn)工藝中多需要承受一定的壓力， 出料閥在承受壓力狀態(tài)下，對(duì)固、液密封穩(wěn)定性要求高。 根據(jù)設(shè)備匹配經(jīng)驗(yàn)，其中球閥、上展閥和下展閥的應(yīng)用最為廣泛。

常用工藝中，典型固液并存的有結(jié)晶、過(guò)濾和干燥3 種工藝過(guò)程，3 個(gè)過(guò)程涉及的設(shè)備形式繁多，針對(duì)排料閥的結(jié)構(gòu)配置，以設(shè)備內(nèi)部是否設(shè)置攪拌機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行討論。 此外，設(shè)備排料閥為了出料徹底，以底部排料閥為主要配置方案，筆者也僅考量此種方案下不同類(lèi)型閥的應(yīng)用情況。

2 排料閥簡(jiǎn)介

在設(shè)備匹配中應(yīng)用的球閥，一般是指直通式球閥；其控制閥門(mén)啟閉的閥芯為帶圓柱體通道的球體，閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線垂直于流量通道（圖1）［1］。其中，球閥按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)常見(jiàn)的有浮動(dòng)球閥和固定球閥；由于工藝設(shè)備有承壓密封要求，固定式球閥優(yōu)異的穩(wěn)定性更加適合用作排料閥。 上展式放料閥和下展式放料閥在外形上基本一致，主要構(gòu)成為V 形閥體和平底圓盤(pán)式閥瓣；根據(jù)閥瓣上行和下行兩種不同開(kāi)啟方式分為上展式和下展式（圖2）［2，3］，可稱為上展閥、下展閥。

3 排料匹配

3.1 避免工藝盲區(qū)

原料藥生產(chǎn)對(duì)工藝物料的質(zhì)量把控嚴(yán)格，在工藝過(guò)程中物料受工藝處理的均勻性對(duì)成品質(zhì)量有直接影響，由此在設(shè)備部件配置方面以不產(chǎn)生工藝盲區(qū)為首要任務(wù)。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)

圖2 上展閥和下展閥開(kāi)啟狀態(tài)示意圖

首先從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，設(shè)備連接口到球閥關(guān)閉狀態(tài)閥芯頂端有一段距離（圖3），對(duì)于僅需靜置且無(wú)交換需求的工藝過(guò)程，這一段空間不會(huì)產(chǎn)生影響；但大多數(shù)工藝需要進(jìn)行溫度、物料之間的交換以求徹底、均勻的工藝效果。 例如結(jié)晶工藝，某些物料結(jié)晶體有一定粘結(jié)性，工藝盲區(qū)內(nèi)的物料可能堵住出料口。 這種情況在帶攪拌機(jī)構(gòu)的設(shè)備中可以得到改善，專(zhuān)業(yè)的設(shè)備供應(yīng)商能夠針對(duì)性地提供解決方案：合理設(shè)計(jì)的微型攪拌可以基本完善球閥頸內(nèi)部的工藝盲區(qū)，主動(dòng)翻動(dòng)物料使之參與到工藝交換中。

圖3 球閥關(guān)閉狀態(tài)

上展閥和下展閥在結(jié)構(gòu)方面則十分相似，閥蓋關(guān)閉狀態(tài)下,閥蓋與設(shè)備內(nèi)壁基本在同一平面。但由于上展閥的閥蓋開(kāi)啟軌跡在設(shè)備內(nèi)部，在帶攪拌設(shè)備中，攪拌機(jī)構(gòu)必須避讓上展閥蓋的開(kāi)啟行程，對(duì)攪拌完全發(fā)揮作用有一定影響。 例如攪拌干燥釜中，攪拌旨在充分翻動(dòng)物料，但是如果匹配上展閥，則攪拌避讓閥門(mén)開(kāi)啟行程的部分將形成攪拌盲區(qū)， 此部分的物料將得不到翻動(dòng)交換，也將影響物料最終的干燥效果和整批物料的干燥均勻性。

3.2 排料效率

排料過(guò)程的順暢程度對(duì)物料進(jìn)入下一工序的傳送穩(wěn)定性和整個(gè)流程的效率有重要影響。

3.2.1 排料閥結(jié)構(gòu)的影響

球閥開(kāi)啟狀態(tài)，整個(gè)通道是完全直通狀態(tài)，能夠給予不同物料最大化的順暢度； 但是由于閥芯為關(guān)閉狀態(tài)， 從閥芯頂部到設(shè)備連接處一段閥頸，有粘結(jié)性物料工藝中易形成堵料，即上述的工藝盲區(qū)；到閥芯完全開(kāi)啟狀態(tài)，基于最底部配置排料閥的前提， 物料自身重力可以推出堵塞在排料口的物料；如果物料結(jié)塊非常嚴(yán)重，則必須借由內(nèi)部機(jī)構(gòu)的主動(dòng)推力進(jìn)行輔助出料。

下展閥底閥和設(shè)備最底部之間達(dá)到通平面，便可比較好地避免工藝盲區(qū)，避免排料口物料堆積；但其排料管道有一定彎度，且閥蓋開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)軌跡位于排料管道中， 閥蓋位置占據(jù)了排料管道中的大部分空間， 閥蓋與管壁之間的實(shí)際流通通道比較小， 針對(duì)顆粒物料容易形成阻流現(xiàn)象。

為了提高排料效率，在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)對(duì)下展閥閥蓋的開(kāi)啟模式進(jìn)行優(yōu)化， 其中最常見(jiàn)的一種即為閥蓋翻轉(zhuǎn)：如圖4 所示，顆粒色度代表模擬物料速率，顏色越深速率越慢，平面閥蓋與管道之間的物料有一定程度的滯留， 影響順暢性；物料顆粒越大或物料流動(dòng)性越差，這種阻流現(xiàn)象也會(huì)越明顯；市場(chǎng)產(chǎn)品根據(jù)需求，有優(yōu)化結(jié)構(gòu)可供選擇， 優(yōu)化后的閥蓋開(kāi)啟方式將大幅降低阻流現(xiàn)象，提高排料效率。 下文所闡述的下展閥皆基于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。

圖4 下展閥閥蓋開(kāi)啟模式的優(yōu)化

上展閥閥蓋上行，排料管道會(huì)更通暢；針對(duì)底部易結(jié)塊形成堵塞的物料，上展閥開(kāi)啟還可以起到排阻疏通的作用；閥蓋完全開(kāi)啟后，管道內(nèi)流通通道較下展閥更為通暢。

3.2.2 物料狀態(tài)的影響

除了排料閥自身結(jié)構(gòu)外，物料流動(dòng)性和顆粒狀態(tài)（例如有些物料將有較大結(jié)團(tuán)）也對(duì)排料效率有著很大的影響。 以有一定黏性、流動(dòng)性不佳的物料為例，根據(jù)不同客戶需求，設(shè)備常需用到攪拌機(jī)構(gòu)以優(yōu)化工藝過(guò)程， 從卸料閥的匹配出發(fā)，下文也將針對(duì)設(shè)備是否有攪拌輔助分別進(jìn)行模擬計(jì)算。 模擬邊界條件參考含濕量為16%的砂壤土，物料為3mm 均勻直徑顆粒，模擬排料速率數(shù)據(jù)僅供參考。 首先于無(wú)攪拌設(shè)備中，僅依靠物料自重卸料，3 種DN150mm 的閥門(mén)全開(kāi)后卸料效率對(duì)比曲線如圖5a 所示：球閥通徑完全敞開(kāi)，最大排料速率約為700L/min，不考慮物料與設(shè)備和部件的摩擦，自排料依靠物料重量，速率隨著物料減少（自重降低）而降低；上展閥閥蓋開(kāi)啟后滯留于設(shè)備內(nèi)， 閥蓋以上部分落料有部分阻擋，物料下降到閥蓋后速率會(huì)有所上升，最大速率約為400L/min，由于閥蓋有一定架空作用，后期排料速率會(huì)比球閥更快一些；下展閥的自排料速率相對(duì)較慢，即使優(yōu)化后閥蓋仍置于管道中，通暢度不及另外兩種閥，最大速率約為200L/min。 在配置攪拌的設(shè)備中，由于上展閥閥蓋行程與攪拌結(jié)構(gòu)交涉阻礙，一般不予采用。 攪拌機(jī)構(gòu)在卸料過(guò)程中有一定輔助作用，特別是螺帶式攪拌。 同樣邊界條件，增加攪拌輔助卸料后：由于攪拌結(jié)構(gòu)會(huì)有一定架橋作用，在球閥閥門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)物料不會(huì)立刻完全卸下， 主要卸料動(dòng)力來(lái)自螺帶推力，速率會(huì)比較平穩(wěn) （圖5b）， 最大卸料速率約為400L/min；下展閥借由攪拌輔助，最大卸料速度可基本等同于球閥（圖5c）。 綜上情況，在螺帶攪拌設(shè)備中，攪拌推力決定了卸料效率，閥門(mén)類(lèi)型的影響將大幅降低。

3.3 出料后排料閥殘留與在位清理

原料藥生產(chǎn)需要盡可能收集每個(gè)批次的殘留以提高產(chǎn)量。 同時(shí)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，應(yīng)嚴(yán)格避免本批次物料混入下一批次。

對(duì)于降低批次殘留量， 球閥有較明顯的優(yōu)勢(shì)，垂直安裝的球閥，很少有積累物料的可能性。上展閥和下展閥的閥蓋有堆積平面，除非是流動(dòng)性極佳的物料，否則都會(huì)產(chǎn)生一定積料。 針對(duì)這些問(wèn)題， 原料藥設(shè)備一般都會(huì)要求在位清理，強(qiáng)調(diào)設(shè)備衛(wèi)生的可再生性。 其中排料閥在設(shè)備遠(yuǎn)端， 且潔凈再生情況涉及到閥門(mén)關(guān)閉后的密封性， 所以在位清理設(shè)計(jì)是需謹(jǐn)慎考慮的一個(gè)因素。

圖5 排料效率數(shù)據(jù)

首先，球閥殘留量較少，且球閥開(kāi)啟關(guān)閉由閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)控制， 閥芯與閥體密封面存在剪切運(yùn)動(dòng)，可對(duì)閥芯表面起到主動(dòng)殘留清理作用。 但是，也因此相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 對(duì)于物料有粘壁性且顆粒較硬，將帶來(lái)一定磨損，閥芯密封面的磨損將隨之增加。 應(yīng)定期檢查球閥密封性。

下展閥與上展閥的關(guān)閉是依靠閥蓋處密封圈與閥體的接觸密封（圖6 點(diǎn)線圈內(nèi)位置）實(shí)現(xiàn)的，密封圈殘留如未清理到位將影響到其密封性能，必須特別注意。 在實(shí)際應(yīng)用中，下展閥閥芯開(kāi)啟位于設(shè)備外部（位于排料閥管道中），針對(duì)物料顆粒較難清潔的情況， 可在管道處進(jìn)行額外配置。 因在位清理優(yōu)化配置可以獨(dú)立于設(shè)備，所以靈活性更高。 同時(shí)，清理配置更接近于閥體本身，可以獲得更好的在位清理效果。

圖6 下展閥和上展閥密封面示意圖

4 綜合評(píng)價(jià)

綜合上述分析，筆者將各種閥門(mén)在不同工藝過(guò)程和設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)比情況大概歸納并列于表1。

表1 閥門(mén)匹配特性

5 結(jié)束語(yǔ)

固體排料閥種類(lèi)繁多，在不同應(yīng)用環(huán)境下有不同的匹配重點(diǎn)。 原料藥生產(chǎn)管理規(guī)范GMP 要求主要關(guān)注生產(chǎn)工藝對(duì)生產(chǎn)物料純凈度和穩(wěn)定性的影響。 球閥、上展閥和下展閥由于應(yīng)用較廣泛而令人熟知，在應(yīng)用過(guò)程中仍需要設(shè)備應(yīng)用方與專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商進(jìn)行共同配合， 給予細(xì)節(jié)針對(duì)優(yōu)化，才能真正滿足日益嚴(yán)格的GMP 要求，達(dá)成穩(wěn)定高效的工藝生產(chǎn)過(guò)程。