筒錐式過濾洗滌干燥“三合一”設備在原料藥生產中的應用優勢

陳竹君

（無錫市定昌過濾機有限公司，江蘇無錫214181）

0 引言

在原料藥生產過程中，物料結晶后，為減少物料在轉移過程中可能引起的物料損失及污染，破壞環境，通常將后續的物料過濾、洗滌及干燥工藝集中在一個設備主體中完成，這種設備簡稱為“三合一”設備。最常見的用于藥品生產的是平底形式的“三合一”設備，其在無菌原料藥生產中有一定優勢。但是，平底形式的“三合一”設備仍存在一定缺陷，例如：圓形平底過濾面積小；側面出料，導致出料不徹底；干燥效果不理想，干燥過程中的物料翻動小，換熱效率低，干燥效果受限制等。

筒錐式過濾洗滌干燥“三合一”設備（以下簡稱為筒錐式“三合一”）的雛形開發始于1993年左右，在綜合分析國內“三合一”設備優缺點的基礎上，取長補短，歷經五代開發升級，發展成為目前的潔凈應用級機型，已被成功應用于原料藥生產達10多年時間。

隨著我國環保意識的日益增強以及原料藥生產質量標準的逐步提高，筒錐式“三合一”的應用優勢日漸顯著。本文以潔凈級筒錐式“三合一”為例，對其基本結構及工作原理作簡要介紹，著重探討其在原料藥生產中的應用優勢。

1 筒錐式“三合一”的基本結構及工作原理

筒錐式“三合一”主要集固液分離過濾、濾餅洗滌及物料干燥工藝于一體。

1.1 基本結構

本文以原料藥生產中的潔凈級筒錐式“三合一”為例，其主要結構如圖1所示。其中：

圖1 潔凈級筒錐式“三合一”結構

a為防塵機構，其滿足潔凈區設備要求，可避免傳動部件造成的粉塵污染；

b為防爆傳動機構，包含防爆主電機及減速機，其硬齒面齒輪減速機可強化傳動能力，保證設備運行穩定；

c為機架機構，采用潔凈級主軸機封，多支撐點布局；

d為噴淋機構，包括物料洗滌及設備在位清潔應用構件；

e為主軸攪拌及內置換熱系統，采用螺帶式攪拌級懸掛式（底部無支點）攪拌機構；f為設備主體，包含換熱夾套及外層保溫構件；g為輔助維護機構，用于輔助錐體部件升降，便于拆機維護；

h為過濾機構，包含過濾介質構件、在位反沖洗構件（Reverse CIP，RCIP）；

i為全自動下展式出料閥，可實現全自動操作，采用平面底閥蓋，無積料死角，可全面在位清洗。

1.2 工作原理

筒錐式“三合一”采用間歇型工藝處理流程。其典型操作流程：投料－過濾－洗滌－干燥－出料－在位清洗，如圖2所示。

1.2.1 過濾

該設備一般采用加壓過濾或抽真空過濾方式，其過濾處理能力根據物料、濾餅特性存在非常大的區別，需要經過小試進行確認。

1.2.2 干燥

抽真空干燥過程中，設備內置熱媒循環系統，通入熱媒交換，同時伴有抽真空，螺帶式攪拌機構正轉提升物料進行三維翻動，全面換熱，中途可通過真空在線取樣器監控物料的干燥進程。

1.2.3 出料

完成干燥工藝，設備內環境恢復常壓后，打開出料閥，攪拌機構正轉排出絕大多數物料，最后少量殘留物料由攪拌機構反轉強制推出。

1.2.4 清洗

出料完成后，設備進行多方位在位清洗：淋洗系統將清洗設備內部及螺帶式攪拌機構，RCIP清理殘留物料層及過濾介質，閥門CIP清洗閥蓋及連接管口。

圖2 筒錐式“三合一”操作流程

2 筒錐式“三合一”在原料藥生產中的應用優勢

新版GMP對原料藥生產及其相關設備提出了更高的要求，可見設備是保證原料藥質量及其生產穩定性的重要基礎。下面將結合新版GMP中的相關要求，具體闡述筒錐式“三合一”在原料藥生產中的應用優勢。

2.1 產品純度高

2.1.1 杜絕物料中摻入任何雜質

物料進入該設備內部后，設備內部直接接觸物料的部分有：功能管口、筒錐內壁、攪拌機構、過濾機構、濾液通道、過濾構件及出料閥機構。其中，除了攪拌機構外，其他皆為靜態機構，在選材準確及制作工藝合理的前提下，這些部分不會在工藝過程中帶入異物。然而，攪拌機構為轉動機構，首先它需要匹配潔凈級別的主軸機封，才能保證其密封性能，機封內設置隔離腔體，杜絕環境或者機封本身所可能產生的任何雜質進入設備內，再者筒錐式“三合一”的攪拌機構底部無轉動支點，攪拌機構整體采用懸掛式設計，從根本上杜絕了被雜質污染的可能性。

2.1.2 保證環境安全、潔凈

該設備是全密閉型設備，在工藝過程中不但能保證產品潔凈，還能保護生產環境。特別針對工藝過程中有揮發性或危險性溶液等情況，該設備能保證環境以及操作人員的安全。

螺帶式攪拌機構為軸向固定結構，不會上下運動，與設備保持恒定且穩定的安全距離，無需常規性維護即可保證生產安全。

2.2 工藝適應性優勢

2.2.1 過濾效率高

（1）過濾面積大。筒錐式“三合一”的過濾介質整體為錐形，配置于圓錐筒體的筒壁上，如圖3所示。以設備內徑約為1 m的尺寸為例，標準錐形過濾面積約1.6 m2，有效過濾面積約為同等直徑平底形式的“三合一”設備的3倍。

圖3 筒錐式“三合一”過濾介質配置結構

（2）濾餅額定厚度小。關于過濾理論的研究很多，由于物料顆粒性質差別大，所以過濾速率的影響因素也眾多。根據達西定律及泊蕭葉方程得到半經驗模型，其中，濾餅厚度作為影響因素之一，與過濾速率成反比關系[1]：在準確選型過濾介質的前提條件下，合理濾餅層需要在合理時間內形成并起到穩定的架橋作用，強化過濾性能，合理濾餅層越薄，過濾速度越快。

（3）對于筒錐式“三合一”，過濾介質與攪拌機構之間的間距就是濾餅的額定厚度，螺帶式攪拌機構運轉將內側濾餅不斷置換，過濾介質表層保留的薄層濾餅形成穩定的過濾強化層，同時置換過程也可以抹平濾餅縫隙，使濾餅受到穩定的壓差，從而得到含濕量更低的濾餅。

2.2.2 高效洗滌

筒錐式“三合一”內部的螺帶式攪拌機構，在加入適量洗滌液后，可將物料快速再漿，濾餅和洗滌液的徹底接觸將大大提高洗滌置換效率，相較于一般槳葉式或錨式攪拌機構，螺帶式攪拌機構的再漿效果有明顯的優勢。

2.2.3 超大換熱面積，高效干燥

筒錐式“三合一”具有超大的換熱面積，包括主體筒錐換熱面積（配置高效換熱夾套）及內部整體攪拌換熱面積。超大的換熱面積不僅保證了干燥工藝效果，更重要的是有效利用了換熱面積，物料與換熱部件之間的交換接觸是達到理想干燥效果的最關鍵因素。

筒錐式“三合一”中的螺帶式攪拌機構在物料翻動方面體現出了明顯優勢：螺帶式攪拌機構從底部盤旋到頂部進行提料，再回落底部，運動行程長。筒錐式“三合一”物料翻動效果仿真模擬如圖4所示，以仿真軟件模擬實際物料運行狀態，其中淡色顆粒被選為追蹤樣本。

以5 m3的筒錐式“三合一”的MX-F-II型攪拌機構設計為例，加料系數在40%狀態下，轉速為35r/min，短時間內追蹤樣本發現，其都能均勻運動并與換熱面接觸。針對各種不同的物料，結合翻動效果及產品維持晶型的需求，設計數據庫有多種型式可選，可提供針對性定制。遇到特殊情況，攪拌機構還可附加相應機構進行匹配應用，例如嚴重結塊的物料，可附加強制破碎裝置等。

2.3 自動化及實時監控優勢

在藥品大生產過程中，單體設備的運行流程如果通過人工操控，難免會有一定誤差，要想從工藝流程方面保證批次間產品的一致性，可通過自動化控制筒錐式“三合一”，方便操作，設備容易集合到中控系統中（PLC或DCS等），大大減少設備運行的人工需求，提高生產效率，從而有效保證產品質量及穩定性。

此外，監控設備內部產品狀態對工藝流程的控制也十分重要。筒錐式“三合一”所配置的真空在線取樣器，可在干燥工藝過程中，帶真空在線取樣，保證工藝連貫性，同時有效監控產品干燥效果。

2.4 多方位CIP優勢

針對原料藥生產的筒錐式“三合一”設備，內部與物料直接接觸部分經精拋光，粗糙度Ra≤0.4μm。一批次工藝完成后進行出料，結合筒錐式“三合一”的錐底形設計，出料口配置于設備最底位，無積料死角，出料閥打開后正轉攪拌機構大部分物料就會順利排出（為避免閥門一打開物料就不受控大量出料，攪拌機構起到一定架橋作用，一旦轉動物料就將由重力作用自動卸下）；出料后期，攪拌機構反轉進一步起到推料作用，可將設備內剩余物料幾乎排凈。

圖4 筒錐式“三合一”物料翻動效果仿真模擬

針對少許物料殘留問題，配置輔助清潔方案：

（1）設備內部CIP，定制噴淋環360°都有噴淋孔，設備內壁及封頭管口部分也可進行在位清洗。同時，螺帶式攪拌機構根據物料特性，可定制不同落料角度，在工藝完成時，絕大部分物料可排出，少量殘留物料可采用淋洗噴頭進行清理。

（2）過濾介質的在位反沖洗（RCIP）方案：針對物料殘留問題，絕大部分原料藥生產工藝都采用金屬多層燒結板作為過濾介質，螺帶外緣與過濾介質間的安全間隙即為工藝最后殘留量，殘留量因物料特性不同而不同。

過濾介質的RCIP機構位于過濾介質和濾液通道之間，如圖5所示，在短距離內（一般為2～3 cm）進行在位反沖洗，沖洗壓力可達0.6 MPa，殘留物料層通常具有整體性，局部被沖碎即可由攪拌機構摩擦帶動落下。

同時，CIP可較為有效地沖刷過濾介質，針對極細或者有黏度的物料，可有效維持每批次的過濾速度。針對過濾介質的更換及維護問題，筒錐式“三合一”配置了輔助維護機構，包含升降系統、錐體托舉構件等，操作便捷，易于維護。

圖5 “筒錐式三合一”過濾介質在位反沖洗（RCIP）結構示意

3 結語

筒錐式“三合一”應市場需求而生，是由無錫市定昌過濾機有限公司于1993年研發制造的，并獲得了多項國家專利，開發應用累積已逾20年，針對原料藥生產合規性而研發的潔凈級筒錐式“三合一”已是第五代產品，從結構設計到應用都緊跟制藥行業相應法規要求，在藥企中成熟應用已經超過10年。

隨著環保意識的日益增強、原料藥市場的日益擴大，對制藥設備的升級改進必不可少，筒錐式“三合一”的應用將顯著提升產品質量，保護生產環境，為企業帶來可觀效益。