粉针剂冻干机清洗喷嘴优化的技术研究

农 敏

粉针剂冻干机清洗喷嘴优化的技术研究

农 敏

（广西梧州制药（集团）股份有限公司，广西 梧州 543000）

粉针剂冻干机应用于无菌制剂车间，其作用是无菌药品在冻干机内的低温状态下进行的物质升华干燥过程。利用冻干机的在线清洗（CIP）功能，根据产品特性设定合理的清洗水量、清洗压力、清洗时间、水温、清洗剂、喷嘴形状等，确保冻干机的清洗效果及其重现性。文章选择从其中一个因素，通过对冻干机清洗喷嘴的形状、安装数量、安装高度、喷射的角度等方面进行技术研究，进而不断优化冻干机清洗模式，节能降耗增加经济效益，提高无菌药品生产的质量，保障用药安全。

冻干机；清洗喷嘴；安装高度

引言

药厂粉针制剂车间的冻干机，是无菌药品生产过程中关键工序冻干所使用的设备，按照无菌药品工艺规程完成冻干过程，产品冻干出柜后，需对冻干机板层和箱体进行在线清洗（CIP），这是产品质量有保证的前提。本文侧重冻干机在线清洗（CIP）系统内清洗喷嘴方面的技术研究，通过测试数据结果进而得出可优化冻干机清洗效果的最佳数据，提高无菌药品的质量，有效地降低生产能耗与成本，提高经济效益。

1 冻干机描述及工作原理

粉针剂冻干机主要用于无菌制剂药品生产过程中产品的低温物质干燥过程，主要由冻干箱、板层、冷凝器、制冷系统、真空系统、循环系统、液压系统、CIP和SIP系统、复压系统、气动系统和电气系统组成。冻干机CIP系统由水环泵、疏水器、阀门和清洗水管、固定式清洗喷嘴、清洗喷淋球组成。

冻干机的工作原理，通过冻干箱密闭容器，将被干燥含水物料冷冻到其共晶点温度以下，凝结为固体后，对冻干箱抽真空，达到一定的真空度下逐渐加热升温时，利用水的升华性能使的冰体固态直接升华气态，排除水分，物料低温脱水被干燥保存，从而使产品得以长期保持原有状态（活性的保存），并易于溶解。并配有在线清洗CIP的清洗喷嘴和清洗喷淋球，自动清洗冻干机板层和箱体，同时可通过视镜进行观察。

冻干机的清洗效果受到喷嘴喷射的工作压力、喷嘴的喷射覆盖范围、喷雾的冲击力等多种因素的影响，冻干机清洗用水量亦受到清洗流量的影响。清洗喷嘴的喷射流量因喷雾的工作压力而变，喷雾的角度即喷雾夹角和距离喷嘴口距离会影响喷嘴的清洗理论覆盖范围。冲击力取决于喷雾形状分布和喷雾角度。

2 冻干机清洗喷嘴

2.1 研究的设备

冻干机共12台，编码分别是41、42、43、44、67、68、69、70、71、72、006、124，每台冻干机有14块有效板层和1块温度补偿板层，每块板层长×宽为2 m×1.5 m，材料均为316 L不锈钢，总有效面积均为42平方米。当14块板层全部升起时，每块板层之间的间距均为10 cm。每台冻干机内的清洗水管，上面分布不同数量的固定式清洗喷嘴，顶部分布4个清洗喷淋球。具体的固定式喷嘴布局参数如表1所示。

表1 冻干机清洗喷嘴数量

由表1可以看出，12台冻干机的清洗喷嘴的数量和布局都不尽相同。冻干机的清洗喷嘴一共分为三种，分别是空心圆锥型、扇型和实心圆锥型。冻干机板层清洗前后清洗喷嘴为空心圆锥型喷嘴和扇型喷嘴，冻干机内的视镜、中隔阀和波纹套清洗喷嘴为实心圆锥型喷嘴。

2.2 冻干机的CIP系统

2.2.1 冻干机清洗喷嘴的分析

表2 冻干机前后清洗喷嘴间距对比

从上述表2的数据分析板层前后清洗喷嘴的情况如下：

（1）当升起顶层第一块温度补偿板层时，12台冻干机位置最高的第一排前喷嘴均可以喷射到最高板层第1块板层。

（2）当板层全部升起至最高点时，位置最低的第三排前喷嘴除了41号冻干机外，其他均可喷射到最低板层第14块板层。

（3）当升起顶层第一块温度补偿板层时，位置最高的第一排后喷嘴除了67号、68号和006号三台冻干机可以喷射到第1块板层外，其他9台冻干机均不能喷射到第1块板层。

（4）当板层全部升起至最高点时，除了42号冻干机外，其他的11台冻干机位置最低的第三排后喷嘴均可以喷射到第14块板层。

（5）上述结果可分析出，这12台冻干机的前喷嘴的位置布局相对合理，前清洗喷嘴第一排在距离柜底约50 cm的高度，最低第三排前喷嘴在距离柜底约20 cm的高度，在冻干机CIP系统启动后，板层在清洗过程中上下运动时，每一块板层均能被清洗到。故41号和124号冻干机的最低第三排前喷嘴距离柜底分别是12.3 cm、13 cm的位置高度，基本上不能清洗到14块板层，是不合理的。

（6）这12台冻干机的第一排的后喷嘴的安装位置高度均不合理，距离冻干机箱体底部的位置过低，导致了第1块板层没有被清洗到，需要依靠冻干机前清洗喷嘴对第1块板层的清洗，这样就减弱对残留药物的清洗效果。按照每块板层的间距10 cm计算，冻干机的第一排的后喷嘴的安装位置高度距离柜底应为58 cm～60 cm为宜。42号冻干机最低的第三排后喷嘴的安装高度距离柜底应宜低于29 cm。

表3 冻干机的清洗喷嘴的位置数据

表4 冻干机前后清洗喷嘴距离

从表3和表4的数据分析如下：

（1）前后喷嘴的相互位置计算出，每个柜的前喷嘴和后喷嘴在板层清洗升降时，都有机会同时清洗同一个板层，这样前后喷嘴在喷射时撞击使水流滞留在板层中间，造成冻干药粉、西林瓶的玻璃屑等异物和积水的残留，大大减弱了清洗效果。从数据来看，42号、43号、44号这3台冻干机前后喷嘴的设计的位置高度相对合理。

（2）在冻干机清洗系统设计的时候，应考虑前后喷嘴相互错开喷射不同的板层，还需要兼顾考虑是否能清洗到第1块板层和第14块板层。目前测试的这12台冻干机的清洗喷嘴应需要调整后清洗喷嘴的相对高度，前清洗喷嘴的高度也可以做相应调整。

2.2.2 冻干机清洗喷嘴的安装高度和数量

根据2.2.1的数据，扇型喷嘴喷射角度45°，形成一个等腰三角形状，这12台冻干机的清洗喷嘴的安装合理数量如表5所示。

表5 冻干机的后三排清洗喷嘴的合理数量

这实验的12台冻干机的清洗循环管路为DN51不锈钢管，板层清洗管路为DN38不锈钢管。按照DN48管（DN48管的设计最大水流量一般以15 T/h做参考，实际使用时一般流速都在2 m/s以内）的参数计算DN51不锈钢管是18 T/h。根据扇型清洗喷嘴参数，在0.3 MPa压力下，扇型清洗喷嘴的流量是4.8 L/min，换算4.8×60/1000即为0.288 T/h，在循环清洗管路流量为18 T/h的供水量，按照瞬时的供水量，每次阀门开启清洗喷嘴喷射只允许62个喷头同时工作。除了124号冻干机清洗喷嘴的25×3=75个，现有的清洗管路满足不了该台冻干机75个清洗喷嘴的供水量。供水量不足，泄压严重，直接造成远端的喷嘴无水喷射，导致清洗效果大打折扣，故该台冻干机整体的柜内的后清洗管路位置与板层的直线距离位置相对不合理，在设计时应考虑这两个部位的距离比。

表6 冻干机前后清洗喷嘴安装的合理高度

经过表6的设计调整，各台的冻干机前后清洗喷嘴都各为3排，相互错开，确保后清洗喷嘴最高第一排均能喷射到第1块板层，后清洗喷嘴最低第三排都能喷射到第14块板层。综上所述，依据前清洗喷嘴的位置高度为基准，这12台冻干机的清洗喷嘴的安装位置高度应如表6所示，整个冻干机的清洗效果可得到最大的提升。

2.2.3 冻干机清洗喷嘴角度和覆盖范围

冻干机板层清洗前后清洗喷嘴均有空心圆锥型喷嘴和扇型喷嘴两种类型。空心圆锥型喷嘴形成清洗水雾形状是环形的，扇型喷嘴形成清洗水雾形状是扇形的。

表7 冻干机的清洗喷嘴的类型

目前这12台冻干机使用的清洗喷嘴型号：扇型清洗喷嘴为BSPTH1/4U-SS4015，空心圆锥型清洗喷嘴为 BSPT1/4HH-SS6.5。为对比两种喷淋头的效果，试验在不同工作压力下喷雾的效果，现将数据记录如表8所示。

表8 冻干机清洗喷嘴类型对比

这12台冻干机使用的清洗喷嘴的型多为扇型清洗喷嘴，该清洗喷嘴的喷射角度为45°，扇型清洗喷嘴的喷孔直径约为2.4 mm，在使用压力为3 bar下的流量约为4.8 L/min。按照扇形清洗喷嘴数据计算，一台冻干机的清洗用水量约为Q1=4.8×42×20=4032 L，加上冻干机顶部的4个喷淋球，测算在整个清洗过程中的用水量为Q2=1500 L，故一台冻干机总的用水量Q1+Q2=5532 L。

喷嘴的喷雾水的理论总冲击力测算：I=A×K×Q×P½=0.12×0.024×4.8×2½=1.95×103Pa

注：A为45°喷嘴冲击力常数，K为冲击力常量，Q为流量，P为喷射压力。

测试的12台冻干机配套清洗站的清洗水罐容积为4500 L，每台冻干机的在线CIP清洗参数均设定为板层升降3次，箱体清洗5 min。冻干机的清洗阀门一共5个，控制板层清洗为2个阀门，柜内的清洗水管和清洗喷嘴安装位置设计为前后两两对应，分布在柜体的左右两侧；控制箱体清洗有3个阀门，分别用于控制顶部4个喷淋球和中隔阀的喷淋球。通过向冻干机板层和箱体喷射0.2 g/L核黄素进行对冻干机清洗效果的验证，验证结果数据如表9所示。

表9 冻干机清洗水量

按在线清洁程序进行清洁后，设备内部在黑光灯下观察，均无观察到荧光，可判断该冻干机在现有的喷嘴数量和布局以及设定清洗参数的清洗效果是有效的，但是从表9数据分析，实验的这12台冻干机所需的清洗用水流量巨大，与上述清洗喷嘴分析的理论计算的结果相吻合。故表明，可从清洗喷嘴的选型上应选择更适合的型号，选用清洗时流量小的喷嘴，在线清洗（CIP）程序上清洗喷嘴的开关控制阀门应设置为轮流开启，一是可以减少清洗压力泄露，保持清洗冲击力，二是在清洗效果有效的情况下可减少清洗用水量，减少生产能耗，降低生产成本，提高产值比。

2.3 冻干机清洗喷嘴的选型

冻干机的清洗喷嘴可更换新的喷嘴，其型号及参数如表10所示。

表10 冻干机清洗喷嘴型号

计算上表10型号的喷嘴的用水量Q1=3.2×42×20=2688 L，冲击力测算为：I=0.18×0.024×3.2×2½=1.95×103Pa，

清洗喷嘴改造后，在清洗水量上较现原用水量减少1344 L，清洗用水量比未改造前可节约33%，有效的降低了用水量，同时清洗的冲击力并未减弱，即清洗水量减少约三分之一，清洗效果持续有效。

清洗喷嘴采用水平向上旋转10°的办法进行安装，以便于防止两支相邻的喷嘴的扇形喷雾有干扰，同时可以让相邻的扇形雾面重合20%，以达到让喷雾覆盖均匀的目的。

3 结论

通过对粉针剂冻干机清洗喷嘴的技术研究，各冻干机的清洗喷嘴的安装高度、数量和喷射的角度都有差异，虽然最终的清洗效果在合格要求范围内，但可以通过测算和喷嘴的的数据得出冻干机内的清洗水管和清洗喷嘴的最佳安装高度、喷射角度，进而既能为生产厂家节省能源成本消耗，又可为产品的质量提供更稳定的功能保障。当然，冻干机清洗效果的优化不止上述的研究方向，人员还可以开发更多研究方向，完善冻干机的清洗性能，减少由于系统自身问题存在的缺陷，保证药品生产的质量。

[1]张耀平. CIP装置在冻干机上设计[J]. 机电信息，2006(29): 45-46

[2]胡妍敏. 冻干机的清洁与清洁验证探讨[J]. 机电信息，2016(17):40-43.

[3] 许敦复. 冷冻干燥技术与冻干机[M]. 北京: 化学工业出版社，2005.

Study on Optimization Technology of Cleaning Nozzle of Powder Lyophilizer

Lyophilizer is used in sterile preparation workshop. Its function is the material sublimation and drying process of sterile drugs under low temperature in the lyophilizer. Using the Online cleaning (CIP) function of the lyophilizer, set reasonable cleaning water volume, cleaning pressure, cleaning time, water temperature, cleaning agent, nozzle shape, etc. according to the product characteristics to ensure the cleaning effect and reproducibility of the lyophilizer. In this paper, from one of the factors, through the technical research on the shape, installation quantity, installation height and injection angle of the cleaning nozzle of the lyophilizer, we can continuously optimize the cleaning mode of the lyophilizer, save energy and reduce consumption, increase economic benefits, improve the quality of sterile drug production and ensure the safety of drug use.

lyophilizer; cleaning nozzle; installation height

TQ46

A

1008-1151(2022)05-0058-04

2022-02-25

农敏（1984－），女，广西梧州制药（集团）股份有限公司工程师，在职研究生，从事药品生产制造。