多通路閥、組合閥、轉換板在化學制藥中的應用研究

王文學

（江蘇萬邦生化醫藥股份有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

多通路閥、組合閥、轉換板現在用于食品飲料、乳制品、醫療、啤酒釀造、供水、制藥、化妝品、生物工程、醫藥及精細化工等行業，有氣壓控制、電磁控制、機械控制、人工控制和時間控制等控制模式。其通常分為執行結構、閥門兩部分，執行結構常有智能儀表、傳感器、工控機、人機界面等組成；閥體常有單/雙座、球形、套筒、蝶形、偏心旋轉、三通、角形、隔膜等結構。

具有自動化控制系統的多通路閥、組合閥、轉換板在制藥領域，特別是注射劑、滴眼劑等高風險產品的制藥方面，為降低產品質量風險，有利防差錯和殘留，便于驗證和生產控制，以及自動化操作高效性等因素更受青睞。其次是對閥門材質要求更高，防腐的閥門尤其適合于高純介質，高粘度液體、氣體、腐蝕性和惰性介質。此外，隔膜閥成為制藥行業的首選，是液體介質控制的最佳選擇。通常殼體材料采用不銹鋼304、316L和EPDM/PTFE雙層膜片或硅膠隔膜片來減少材質對產品的污染。

化學制藥配液系統是制藥工藝中的核心設備，目前中國2010版GMP的頒布，對如何降低配液系統的中常見的交叉污染的風險，提出了明確的要求。這就要求在配液系統的設計中，要實現封閉的物料轉移、在位清洗功能 （CIP-Cleaning in Place）和在位滅菌功能 （SIPSterilization in Place）。具體的說，就是配液系統的設計需要管道化、集成化。管道化、集成化的設計如何防止交叉污染呢?根據ASME BPE（2009年版）的介紹，防止交叉污染主要有以下幾種方法[1]:

（1）可拆卸的短管；

（2）多通路閥門；

（3）組合閥門；

（4）U 型轉換板。

其中，可拆卸的短管是在管道化、集成化的配液系統中應用的并不多，本文不作討論。而多通路閥門、組合閥門、U型轉換板這三種安裝形式（以下簡稱三種安裝形式）是配液系統中最常用的安裝方式。分析、比較三種安裝形式的特點，對于一套配液系統生產線的設計，如何最大限度的適合制藥生產工藝的要求，具有很非常重要的實際指導意義。

1 三種安裝形式的介紹

1.1 多通路閥

多通路閥一般是由一塊鋼錠經過鍛壓、切割、鏜、銑、鉆、焊接、拋光等多步機械加工方式加工而成，可以實現一閥多路的使用功能。由于各通路之間公用一個閥體，沒有連接管道，因此此種閥門可以實現“零死角”的概念，非常“衛生”。

圖1 三通道氣動隔膜閥

圖2 五通道氣動隔膜閥閥體

多通路閥門的安裝非常節省空間，比較適合于安裝在復雜系統中。

1.2 組合閥門

組合閥門的安裝形式，一般簡稱閥組安裝，是由多個單獨的閥門安裝工藝要求，組合安裝在一起形成的。主要有焊接安裝和卡箍快接兩種形式。下圖是ASME BPE中提供的組合閥門的結構圖。

圖3 組合閥門結構圖[2]

組合閥門的安裝形式，在制藥行業乃至乳品行業中是最廣泛的應用方式。究其原因，主要在于其能夠根據靈活組合，滿足不同的工藝要求，但是這是建立在有足夠的安裝空間的前提下的，配液系統的發展方向是模塊化、集成化，在這一技術背景下，閥組越來越受到安裝空間小的限制。下圖是GEA公司宣傳冊頁上所繪制的一個CIP系統的示意圖，其中使用的就是組合閥的安裝形式。

圖4 GEA公司應用于CIP系統的組合閥示意圖

1.3 U型轉換板

轉換板一般使用U型跨接管道，通過人工拆卸和安裝，使管口均固定在鋼板上的不同的管路接通或切斷，以實現“一到多”或者“兩兩組合”等不同的工藝路線的功能。

下圖是ASME BPE中提供的轉換板的結構圖。

圖5 轉換板結構圖[3]

U型管中間的細管是一個實心的探桿，在固定板上相應的位置有一個接近開關，如果由于人為原因造成U型管安裝位置錯誤，則接近開關無信號，自控系統會顯示錯誤報警信息，阻止下一步操作進行，這樣可以有效的保證轉換板使用的安全性。

下圖是正在制造中的復雜管路的轉換板，為了防止污染，管口均被膠帶封閉，貼有小標簽的圓鈕形部位就是“接近開關”。

圖6 正在制造中的復雜工藝的轉換板

轉換板的應用使工藝管路的連接方式得以簡化，比之閥組，可以有效的節約安裝空間，下圖這樣一個“一對六”的轉換板，比之由6個閥門組合的安裝形式，其優勢是十分明顯的。

圖7 一對六的轉換板，六個小孔是準備安裝接近開關的

2 三種安裝形式的特點比較

2.1 多通路閥

2.1.1 由于多通路閥是由一塊鍛壓整鋼機械加工而成，加工難道大，而且由于各個配液系統的工藝設計均不同，很多多通路閥都是特殊訂制加工的，因此其成本非常高，和閥組的成本比較甚至是幾倍的關系，即是說一個四通路閥門的價格是4個普通閥門價格之和的幾倍。

2.1.2 多通路閥門不受傳統閥門的幾何結構限制，可以靈活多樣，可以適應配液系統中的各種工藝要求，因此較之其它兩種形式，靈活適應性最佳。安裝所需空間是三種形式中最小的。

2.1.3 由于多通路閥門的結構造就了其幾乎沒有死角，因此當不同管路通過此閥門時，只有閥芯內的微量殘液存在，則各介質間交叉污染的風險很小。

2.1.4 由于沒有死角，閥體的可清潔性較高。

2.1.5 由于多通路閥門一般是自控閥門，不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自動化程度很高。

2.1.6 由于多通路閥門是整體加工的，因此一旦制造完成，它的功能就不能再更改了，這就要求配液系統的設計工藝一定要成熟，后期變動幾乎是不可能實現的。

2.1.7 多通路閥門是公用腔體設計，一旦出現執行機構機械故障、膜片損壞、閥門內漏這三種情況，是不能被及時發現的。甚至可能會出現造成清潔劑污染料液的最壞情況，造成整批產品報廢。因此使用多通路閥門生產維護上是一個難題。

2.2 組合閥門

2.2.1 由于單個閥門是標準工業產品，因此組合閥門的安裝成本投資是最低的。

2.2.2 由于組合閥門的安裝需要短管和三通、彎頭等管件來連接，而且受到一定的角度限制，因此其安裝需要的空間非常大，是三種安裝形式中最大的。如果有的配液系統采用模塊化設計，且現場的空間有限，則組合閥門將不能滿足工藝要求，因此其靈活適應性較差。

2.2.3 由于組合閥門是由管道、三通、彎頭等連接而成的，死角較多，有公用的管路存在，其內部的殘液會造成各介質間交叉污染的風險。

2.2.4 由于存在的死角較多，組合閥門的清潔是一個大問題。

2.2.5 如果組合閥門均由自控閥門組成，則不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自動化程度很高。

2.2.6 組合閥門的擴展性非常的好。在安裝、調試過程中，甚至是后續使用中，如果發生工藝變更，組合閥門是最好更改的安裝方式。這一優勢是多通路閥和轉換板所不具備的。

2.2.7 由于閥門較多，一旦出現執行機構機械故障、膜片損壞、閥門內漏這三種情況，是不能被及時發現的。因此使用組合閥門的生產維護也是一個難題。

2.3 U型轉換板

2.3.1 由于轉換板的結構很簡單，有的甚至沒有閥門或者接近開關，因此其安裝投資成本很低。

2.3.2 由于轉換板設計理念是用跨接管來實現不同管路之間的導通切換，因此其安裝集成性很好，所需安裝空間并不大，是介于多通路閥和組合閥門之間的一種優良方式。

2.3.3 轉換板是不同管路之間實現了完全物理斷開，不存在交叉污染的可能性。

2.3.4 轉換板不存在死角，自清潔能力非常好，就像清洗一段管道一樣。

2.3.5 轉換板需要人工連接，但是由于設計巧妙，其操作便利性很好，在加上接近開關的使用，可以有效的防止人為差錯的可能。

2.3.6 由于轉換板是在綜合考慮整條配液系統的管路設計后，加工制造的，因此如果出現工藝變動，則需要改動的地方非常多，有時候甚至是不能改動，只能重新加工，因此其工藝擴展性并不好。

2.3.7 由于轉換板是使用跨接管來連接管路的，和其它的管路之間是完全的物理斷開，因此其不存在內漏的問題，也沒有什么需要維護的地方。

2.4 多通路發、組合閥、轉換板的各種優缺點的比較，可以從表1中清晰體現。

表1 多通路閥、組合閥、轉換板的比較[4]

3 自動化控制系統

在實際使用中發現，高度集成的自動化控制系統中執行結構常有智能儀表、傳感器、工控機、人機界面等組成，在生產工藝簡單、生產線上品種單一的應用中比較理想，具有自動控制的多通路閥、組合閥更顯優勢。但在CIP/SIP和配制系統共線時和配制比較復雜以及轉產更換品種比較頻繁的情況下，其具有自動控制的多通路閥、組合閥是不應該被推薦的，雖然在供應商工廠進行了FAT（工廠驗收試驗)，在使用方現場也進行了SAT(現場驗收試驗），體現的還比較穩定，但在實際使用中因自控閥組太多、自控系統復雜性和組件太多等因素，偶爾難免人機界面、智能儀表、執行器誤動作、系統誤報警、閥片泄漏、關閉不嚴等問題發生，往往會造成全系統停下來進行故障排除、偏差分析、延誤生產有效周期等問題，如此反而產生低效高耗，同時因閥片泄露、關閉不嚴等隱形問題不能被系統發現又會產生嚴重的質量風險。

在高度集成的自動化控制系統中，采取轉換板能有效的控制風險點，通過人為的物理干預，操作控轉換板，在高度復雜集成的工藝減少多通路閥、組合閥使用量，不但降低了系統誤動作，也降低了一些自控閥等維護和更換的費用，使高集成的系統風險會大大降低。

4 總結

綜上所述，多通路閥、組合閥門、U型轉換板這三種安裝方式對走在前沿制藥企業來講，其配液系統設計和運行中是最常見的方式，各有特點。具體采用哪種形式，需要結合實際的制藥配液工藝要求。

綜合考慮，特別是防止交叉污染和確保藥品的質量安全方面，在CIP/SIP和配制系統共線情況下和配制比較復雜以及轉產時更換品種頻繁的情況下，具有自動控制系統U型轉換板的設計是最具優點的。從物料的安全性角度出發，也應該優先考慮U型轉換板的設計思路。

［1］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協會，2009:18.SD-3.11.9.

［2］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協會，2009:43.Pig.SD-5.

［3］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美國機械工程師協會，2009:72.Pig.SD-26.

［4］Transfer Panel Design:Aspetic Solution Handling in Biopharmaceutiual Facilities[J].The Offical Journal of ISPE July/August 2000，Vol.20 No.4，by Ed Louie and Bruce Williams.