模块化技术在配液系统中的应用

刘 为

（上海奥星制药技术装备有限公司，上海201600）

0 引言

对于配液系统提供商来说，建造配液系统的方法比较传统，往往是通过很多的工程人员与施工人员在现场工作共同完成。近年来，模块化的配液系统越来越受到制药企业的欢迎，在实际中也有很多的成功项目，但这些系统仍然没有充分发挥模块化技术的优势。作为现代企业，必须对产品进行创新，挖掘模块化技术的应用潜力，通过使用模块化技术生产配液系统来缩短建造周期，提高产品质量，并降低成本，同时保证质量和售后服务，且快速、高效地提供良好的定制化产品。

本文阐述了模块化技术在配液系统的应用过程，提供了一些实践经验，供众多同行借鉴。

1 模块化技术

模块化是一个跨产品设计与制造平台的方法，用模块化的方法可以降低产品因复杂度过高造成的影响。模块化技术在各行各业有众多成功应用，在工程领域应用模块化技术，可以实现以下价值：（1）缩短项目时间；（2）提高项目可控性；（3）减少风险；（4）增加零部件的通用性；（5）降低研发成本；（6）简化供应链；（7）提高质量。

在工程领域，已有许多的实际案例，甚至已出现模块化工厂，如美国通用电气医疗集团提供的全球首个K U Bio模块化生物制药工厂（图1）将落户武汉，工厂将成为全球领先的生物抗体生产基地，预计2015年投入使用。

图1 K U Bio模块化生物制药工厂

2 配液系统介绍

配液系统是许多制药企业的核心系统，主要是将各种原辅料和注射用水配制成溶液，经过搅拌混合、加热或低温保存，再经过滤达到灌装要求，适用于无菌原料药、冻干粉针、水针、大输液、血制品、疫苗制品等生产过程。

配液系统适用的剂型广泛，而且药厂对其工程技术需求不同，这使得产品定制化趋势越来越明显，作为制造商必须创建数量庞大的产品系列来满足客户不断变化的需求。一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量；另一方面还要不断地进行产品创新，使产品越来越个性化，以满足客户的定制需求。

3 如何将模块化技术应用于制造配液系统

对企业而言，应用模块化技术要将机械和功能进行分析建立产品平台。划分模块，定义接口，并建立产品平台，收集历史数据更新模块，开发新产品。要将这个方法应用于实际中，就要求企业拥有精通配液工艺、熟悉工程项目、具有三维设计经验与丰富调试经验的团队。

3.1 建立产品平台

模块化平台比传统的平台化设计更进一步，它把配液系统分成若干个模块，然后让原本多个不同的配液系统平台采用相似的设计方法，根据需要增减模块来应对不同的需求。

结合工艺特点才能建立合适的产品平台，不同关注点将得到不同的产品平台，企业可根据客户对象和自身团队特点来划分。按处理对象的黏度特点，分成水性和高黏度两大平台；按罐体容积大小，分成研发型、水粉型、大输液型；按照空间特点，分成集中式、分体式。

但是，在同一平台上，一定要配置相同的功能，只有大大减少配置产品以及开发产品时间，才能发挥模块化技术的优势。

3.2 划分模块

如何合理地划分模块是应用模块化技术的关键，只有划分好每一块“积木”，才能用“搭积木”的方法来实现无缝连接，进而丰富产品组合。配液系统是一个复杂度较高的系统，有时还要考虑空间情况。

一般而言，配液系统的组成部分有配液罐（上置搅拌器或下置磁力搅拌）、称量系统、过滤系统、加料系统、CIP/SIP组件、质量控制组件、温度控制组件、自动化控制组件、控制柜、触摸屏等。模块上不仅要实现部件的集成化安装，还要考虑系统控制的要求，集成自动化系统，同时还要符合工艺与相应法规要求，关注过程的无菌性、温度的精准性、防止交叉污染的措施。

配液系统有多种工况，常见的工艺流程如图2～5所示。

图2 一步法配液系统

图3 二步法配液系统

图4 二对一的配液系统

图5 多对多的配液系统

配液系统常见的4种情况中，图2系统可以考虑按照一体式装置开发，考虑到有跨洁净级别的可能性，B罐系统和A罐系统之间最好融入穿墙设计；图3系统中的C罐可能是移动式的，也可能是固定式的，当C罐是固定式时，可以将3个罐按照一体式装置开发，同样需要考虑设备摆放空间的洁净度，C罐可能是放置在较高级别的洁净区。

3.2.1 一体式装置

如果企业的主要产品都为一体式装置，可根据收集的数据分析出市场特点，按照80/20原则，制定一定功能的某一系列产品为基本模块，辅以小功能模块，用“三罐一体模块+小功能模块”的方式来满足不同制药工艺的要求。

3.2.2 分层级的模块

综合考虑图2～5的情况，可将配液系统分成2个层级的模块，一个以单个附带基本功能的罐体作为一个一级模块，再定义一些子模块作为定制化服务时小系列产品的要件，也就是二级模块，如在线完整性测试功能模块、CIP站配套的供/回/排管道模块、管道CIP功能模块、在线取样模块、关键参数的在线测量和控制功能模块、转换板模块等。

众多的二级子功能模块加上一级基本功能，可以组合出不同的模块，来满足不同的定制化需求，模块组合在一起，可以组成不同功能的系统。

以图2所示配液系统为例，2个配制罐及配套处理单元的功能依次为浓配、稀配，考虑到2010版GMP中的相关规定，不同的罐体出于不同洁净级别的房间，可能出现浓配罐放置在C级区、稀配罐放置在B级区的情况。图6为划分好的单个模块，方框所包括的范围为一个模块，整套系统由2个模块组合而成，控制柜和触摸屏放置在洁净级别要求最低的模块上即可。

图6 划分好的单个模块

不论是一体式装置还是分层级的模块，都是“基础+特殊”的理念，只是由于市场环境不同，所以在划分模块时，定义具体模块所涵盖的内容范围也不同。

3.3 定义接口

模块接口是实现模块化的成功秘诀，也是模块化设计之所以能够创造大量定制化产品的关键。利用模块间的标准化接口，不同模块的不同组合可创造出更多的产品种类。

根据配液系统的实际特点，与外部系统相连接的主要是各种管道，其中管道的连接方式、标准、尺寸成为模块接口的特征。以配套管径作为产品型号是一个通用性较强的基准，接口方式上选用洁净的卡盘连接方式，接口标准有多种选择，如ISO2037、3A、SMS、ASME BPE等。配液系统作为制药核心工艺的一部分，ASME BPE标准是最优的选择，结合市场的实际情况，也可以选择其他标准作为接口基准，接口尺寸从DN25到DN100不等。

从图6可以看到，模块A和模块B通过一个接口的连接可以组成一个系统，图2～5所示的系统也是多个模块通过接口连接而成，对于二对一、多对多这样的复杂生产模式，增加转接板模块即可轻松地实现多个模块的衔接，组成一个新系统，充分体现模块的可组合性这一特点。

3.4 模块建造

模块结束工艺设计工作以后，应用三维软件进行模拟装配，快速地实现部件预安装，三维软件中的各个部件数据必须是标准化产品，完成产品平台后，模块化产品团队对此进行讨论，进一步对产品进行改善，循环次数依据产品的成熟度而定。定型后的产品平台成为一个标准化基础，可改变一些参数，或增加、减少部件/功能变形成其他产品。

在三维设计图的指导下进行模块组装，组装在工厂内进行，快速、高效、方便检测，控制产品质量。

3.5 更新模块

产品模块不是一成不变的，必定会随着市场环境、客户反馈、法规要求、新技术的出现等因素的不断变化而进行相应的调整。

产品模块的更新流程如图7所示，是一个根据外界因素变化、收集客户反馈、整理历史数据、预判产品发展循环进行的过程。

企业一方面要严格控制新模块的产生，另一方面还要根据各种情况的变化，对产品平台和模块进行适时调整，以适应新的企业内外部环境。

模块化的产品可以快速地实现产品更新或升级，如配液系统中进料方式的升级。现有配液系统的进料方式多是手工进料，一般情况下，在罐体预留入孔，但是从未来发展来看，可以根据进料物料的特性在单罐模块中设计预留自动进料接口，并配套一个进料装置模块，如进料预混装置，并预留自控系统功能接口，通过完善系统的进料自动化功能，来实现产品升级，如图8所示。

图7 模块化产品的形成

图8 通过接口连接的自动预混进料模块

4 模块化技术的挑战与展望

模块化技术是机遇也是挑战，至少要面对以下几个难题：（1）企业自身的组织结构是否适于采用模块化技术；（2）标准化模块的工作量巨大，需要配套有图纸、文件；（3）其他环节，如供应链、销售、生产环节，是否可以满足模块化的要求；（4）模块更新是否形成封闭的环形信息流通。

与工艺相结合的模块化是制药装备技术创新发展的方向，应用模块化理念进行设计建造的配液系统以其低成本、短周期、高质量的优势，正成为各大制药机械制造厂商追求的目标。产品平台化和模块化必将从企业竞争的优势技术向企业竞争的必备技术转变，这是制药装备业发展的趋势。

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