多通路阀、组合阀、转换板在化学制药中的应用研究

王文学

（江苏万邦生化医药股份有限公司，江苏 徐州 221000）

0 概述

多通路阀、组合阀、转换板现在用于食品饮料、乳制品、医疗、啤酒酿造、供水、制药、化妆品、生物工程、医药及精细化工等行业，有气压控制、电磁控制、机械控制、人工控制和时间控制等控制模式。其通常分为执行结构、阀门两部分，执行结构常有智能仪表、传感器、工控机、人机界面等组成；阀体常有单/双座、球形、套筒、蝶形、偏心旋转、三通、角形、隔膜等结构。

具有自动化控制系统的多通路阀、组合阀、转换板在制药领域，特别是注射剂、滴眼剂等高风险产品的制药方面，为降低产品质量风险，有利防差错和残留，便于验证和生产控制，以及自动化操作高效性等因素更受青睐。其次是对阀门材质要求更高，防腐的阀门尤其适合于高纯介质，高粘度液体、气体、腐蚀性和惰性介质。此外，隔膜阀成为制药行业的首选，是液体介质控制的最佳选择。通常壳体材料采用不锈钢304、316L和EPDM/PTFE双层膜片或硅胶隔膜片来减少材质对产品的污染。

化学制药配液系统是制药工艺中的核心设备，目前中国2010版GMP的颁布，对如何降低配液系统的中常见的交叉污染的风险，提出了明确的要求。这就要求在配液系统的设计中，要实现封闭的物料转移、在位清洗功能 （CIP-Cleaning in Place）和在位灭菌功能 （SIPSterilization in Place）。具体的说，就是配液系统的设计需要管道化、集成化。管道化、集成化的设计如何防止交叉污染呢?根据ASME BPE（2009年版）的介绍，防止交叉污染主要有以下几种方法[1]:

（1）可拆卸的短管；

（2）多通路阀门；

（3）组合阀门；

（4）U 型转换板。

其中，可拆卸的短管是在管道化、集成化的配液系统中应用的并不多，本文不作讨论。而多通路阀门、组合阀门、U型转换板这三种安装形式（以下简称三种安装形式）是配液系统中最常用的安装方式。分析、比较三种安装形式的特点，对于一套配液系统生产线的设计，如何最大限度的适合制药生产工艺的要求，具有很非常重要的实际指导意义。

1 三种安装形式的介绍

1.1 多通路阀

多通路阀一般是由一块钢锭经过锻压、切割、镗、铣、钻、焊接、抛光等多步机械加工方式加工而成，可以实现一阀多路的使用功能。由于各通路之间公用一个阀体，没有连接管道，因此此种阀门可以实现“零死角”的概念，非常“卫生”。

图1 三通道气动隔膜阀

图2 五通道气动隔膜阀阀体

多通路阀门的安装非常节省空间，比较适合于安装在复杂系统中。

1.2 组合阀门

组合阀门的安装形式，一般简称阀组安装，是由多个单独的阀门安装工艺要求，组合安装在一起形成的。主要有焊接安装和卡箍快接两种形式。下图是ASME BPE中提供的组合阀门的结构图。

图3 组合阀门结构图[2]

组合阀门的安装形式，在制药行业乃至乳品行业中是最广泛的应用方式。究其原因，主要在于其能够根据灵活组合，满足不同的工艺要求，但是这是建立在有足够的安装空间的前提下的，配液系统的发展方向是模块化、集成化，在这一技术背景下，阀组越来越受到安装空间小的限制。下图是GEA公司宣传册页上所绘制的一个CIP系统的示意图，其中使用的就是组合阀的安装形式。

图4 GEA公司应用于CIP系统的组合阀示意图

1.3 U型转换板

转换板一般使用U型跨接管道，通过人工拆卸和安装，使管口均固定在钢板上的不同的管路接通或切断，以实现“一到多”或者“两两组合”等不同的工艺路线的功能。

下图是ASME BPE中提供的转换板的结构图。

图5 转换板结构图[3]

U型管中间的细管是一个实心的探杆，在固定板上相应的位置有一个接近开关，如果由于人为原因造成U型管安装位置错误，则接近开关无信号，自控系统会显示错误报警信息，阻止下一步操作进行，这样可以有效的保证转换板使用的安全性。

下图是正在制造中的复杂管路的转换板，为了防止污染，管口均被胶带封闭，贴有小标签的圆钮形部位就是“接近开关”。

图6 正在制造中的复杂工艺的转换板

转换板的应用使工艺管路的连接方式得以简化，比之阀组，可以有效的节约安装空间，下图这样一个“一对六”的转换板，比之由6个阀门组合的安装形式，其优势是十分明显的。

图7 一对六的转换板，六个小孔是准备安装接近开关的

2 三种安装形式的特点比较

2.1 多通路阀

2.1.1 由于多通路阀是由一块锻压整钢机械加工而成，加工难道大，而且由于各个配液系统的工艺设计均不同，很多多通路阀都是特殊订制加工的，因此其成本非常高，和阀组的成本比较甚至是几倍的关系，即是说一个四通路阀门的价格是4个普通阀门价格之和的几倍。

2.1.2 多通路阀门不受传统阀门的几何结构限制，可以灵活多样，可以适应配液系统中的各种工艺要求，因此较之其它两种形式，灵活适应性最佳。安装所需空间是三种形式中最小的。

2.1.3 由于多通路阀门的结构造就了其几乎没有死角，因此当不同管路通过此阀门时，只有阀芯内的微量残液存在，则各介质间交叉污染的风险很小。

2.1.4 由于没有死角，阀体的可清洁性较高。

2.1.5 由于多通路阀门一般是自控阀门，不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自动化程度很高。

2.1.6 由于多通路阀门是整体加工的，因此一旦制造完成，它的功能就不能再更改了，这就要求配液系统的设计工艺一定要成熟，后期变动几乎是不可能实现的。

2.1.7 多通路阀门是公用腔体设计，一旦出现执行机构机械故障、膜片损坏、阀门内漏这三种情况，是不能被及时发现的。甚至可能会出现造成清洁剂污染料液的最坏情况，造成整批产品报废。因此使用多通路阀门生产维护上是一个难题。

2.2 组合阀门

2.2.1 由于单个阀门是标准工业产品，因此组合阀门的安装成本投资是最低的。

2.2.2 由于组合阀门的安装需要短管和三通、弯头等管件来连接，而且受到一定的角度限制，因此其安装需要的空间非常大，是三种安装形式中最大的。如果有的配液系统采用模块化设计，且现场的空间有限，则组合阀门将不能满足工艺要求，因此其灵活适应性较差。

2.2.3 由于组合阀门是由管道、三通、弯头等连接而成的，死角较多，有公用的管路存在，其内部的残液会造成各介质间交叉污染的风险。

2.2.4 由于存在的死角较多，组合阀门的清洁是一个大问题。

2.2.5 如果组合阀门均由自控阀门组成，则不需要人工操作，因此其操作便利性很好、自动化程度很高。

2.2.6 组合阀门的扩展性非常的好。在安装、调试过程中，甚至是后续使用中，如果发生工艺变更，组合阀门是最好更改的安装方式。这一优势是多通路阀和转换板所不具备的。

2.2.7 由于阀门较多，一旦出现执行机构机械故障、膜片损坏、阀门内漏这三种情况，是不能被及时发现的。因此使用组合阀门的生产维护也是一个难题。

2.3 U型转换板

2.3.1 由于转换板的结构很简单，有的甚至没有阀门或者接近开关，因此其安装投资成本很低。

2.3.2 由于转换板设计理念是用跨接管来实现不同管路之间的导通切换，因此其安装集成性很好，所需安装空间并不大，是介于多通路阀和组合阀门之间的一种优良方式。

2.3.3 转换板是不同管路之间实现了完全物理断开，不存在交叉污染的可能性。

2.3.4 转换板不存在死角，自清洁能力非常好，就像清洗一段管道一样。

2.3.5 转换板需要人工连接，但是由于设计巧妙，其操作便利性很好，在加上接近开关的使用，可以有效的防止人为差错的可能。

2.3.6 由于转换板是在综合考虑整条配液系统的管路设计后，加工制造的，因此如果出现工艺变动，则需要改动的地方非常多，有时候甚至是不能改动，只能重新加工，因此其工艺扩展性并不好。

2.3.7 由于转换板是使用跨接管来连接管路的，和其它的管路之间是完全的物理断开，因此其不存在内漏的问题，也没有什么需要维护的地方。

2.4 多通路发、组合阀、转换板的各种优缺点的比较，可以从表1中清晰体现。

表1 多通路阀、组合阀、转换板的比较[4]

3 自动化控制系统

在实际使用中发现，高度集成的自动化控制系统中执行结构常有智能仪表、传感器、工控机、人机界面等组成，在生产工艺简单、生产线上品种单一的应用中比较理想，具有自动控制的多通路阀、组合阀更显优势。但在CIP/SIP和配制系统共线时和配制比较复杂以及转产更换品种比较频繁的情况下，其具有自动控制的多通路阀、组合阀是不应该被推荐的，虽然在供应商工厂进行了FAT（工厂验收试验)，在使用方现场也进行了SAT(现场验收试验），体现的还比较稳定，但在实际使用中因自控阀组太多、自控系统复杂性和组件太多等因素，偶尔难免人机界面、智能仪表、执行器误动作、系统误报警、阀片泄漏、关闭不严等问题发生，往往会造成全系统停下来进行故障排除、偏差分析、延误生产有效周期等问题，如此反而产生低效高耗，同时因阀片泄露、关闭不严等隐形问题不能被系统发现又会产生严重的质量风险。

在高度集成的自动化控制系统中，采取转换板能有效的控制风险点，通过人为的物理干预，操作控转换板，在高度复杂集成的工艺减少多通路阀、组合阀使用量，不但降低了系统误动作，也降低了一些自控阀等维护和更换的费用，使高集成的系统风险会大大降低。

4 总结

综上所述，多通路阀、组合阀门、U型转换板这三种安装方式对走在前沿制药企业来讲，其配液系统设计和运行中是最常见的方式，各有特点。具体采用哪种形式，需要结合实际的制药配液工艺要求。

综合考虑，特别是防止交叉污染和确保药品的质量安全方面，在CIP/SIP和配制系统共线情况下和配制比较复杂以及转产时更换品种频繁的情况下，具有自动控制系统U型转换板的设计是最具优点的。从物料的安全性角度出发，也应该优先考虑U型转换板的设计思路。

［1］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美国机械工程师协会，2009:18.SD-3.11.9.

［2］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美国机械工程师协会，2009:43.Pig.SD-5.

［3］ASME BPE-2009 Bioprocessing Equipment[S].美国机械工程师协会，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.