隧道式灭菌干燥机长度选择的基本方法


blueski推荐 [2012-2-6]
出处：中国制药装备
作者：蔡大宇
 

（楚天科技股份有限公司，湖南 长沙 410600）
摘 要：针对隧道式灭菌干燥机，结合行业标准和不同药厂的工艺要求，进行分析和论证并提出一种可靠的长度选择方法，以便于客户在定购隧道式灭菌干燥机时合理选配机型。
关键词：隧道式灭菌干燥机；长度；产能；升温曲线；Fh值
在对隧道式灭菌干燥机的产能进行选择时，很多人并不完全清楚，以至于购买后产能过剩或产量不能达到预期目的。针对以上情况，现对隧道式灭菌干燥机的长度(工作)和理论产量的设计依据进行一个简要的介绍，以便于客户在定购隧道式灭菌干燥机时合理选配机型，最大限度地提高设备的使用效率，降低生产成本，提高经济效益。
1 隧道式灭菌干燥机的工作长度
隧道式灭菌干燥机（以下简称隧道烘箱）根据结构功能一般分为预热段、加热段和冷却段。在选型中首先应该考虑加热段的灭菌能力和冷却段的降温能力，即验证隧道烘箱加热段和冷却段的长度。
烘干机的产能，在《抗生素瓶表冷式隧道灭菌干燥机》行业标准JB/T 20093-2007 第6.5.9条描叙为：
a)将干燥机网带速度调至额定速度，在输入瓶子负荷运行正常后，用秒表计时tmin，同时测出网带移动的距离L。 按式（1）计算产能：
Q=k×B×L/（d×d×t）…………………………………………（1）
式中：Q——每分钟的产量，瓶/min；
k——1.08，为排列系数；
B——网带有效宽度，mm；
t——测量产量时用秒表计时的时间，min；
L——网带用秒表计时t分钟所移动的距离，mm；
d——瓶身外径，mm
b)在规定范围内调节网带运行速度，用测试生产能力的方法测试调速效果。
按照公式(1)，容易误解为隧道烘箱的网带跑多快，其产能就有多大，这是一个错误观点。影响隧道的产能最大因素是箱体的长度和网带有效宽度，假设我们知道瓶子在隧道烘箱内走瓶的时间，那我们就可以确定这段箱体的长度，将公式(1)转换后得到该段长度L为：
L=(Q×d×d×t)/ (k×B)…………………………………………（2）

隧道烘箱主要功能是对药瓶进行干热灭菌、去热原，而且灭菌后还需将药瓶冷却到灌装所需的工艺温度。所以，在选择隧道烘箱时需要考虑到药瓶在隧道烘箱内升温和降温的整个过程。图1为一种大规格药瓶在高温段（层流风为320 ℃），冷却段（层流风温度为25 ℃）的隧道烘箱内检测的升温曲线和降温曲线，常温下检测加热段风速为0.6 m/s±20%，冷却段风速为0.45 m/s±20%。

从图1中可以看出，温度上升到300 ℃需要19 min，从300 ℃降温至25 ℃需要21 min，下面先以该图验证隧道烘箱长度。
2 加热段长度
2.1从验证角度分析加热段长度
我国的隧道烘箱的标准更改过3次：1995年行业标准规定采用实测法，即350 ℃下灭菌时间不得少于5 min；某些药厂编制工艺为300 ℃以上5 min；现行的《抗生素瓶表冷式隧道灭菌干燥机》行业标准JB/T 20093-2007中提出，干热灭菌的杀菌热力强度Fh（min）≥1 365。因每个药厂的制药工艺不同，所以每个客户单位对隧道烘箱的要求也不一样。
2.1 以符合Fh≥1 365为例计算隧道烘箱的长度
现行的《抗生素瓶表冷式隧道灭菌干燥机》行业标准JB/T 20093-2007，中描叙的Fh值的计算公式为：
………………………………… （3）
式中：T1——灭菌温度（℃）；
T0——为灭菌保证温度170 ℃；
Z ——温度变化升高的灭菌率，去热原为54，灭菌为20；
——灭菌时间（min）。
Fh值并不是一个固定值，而是一个累加值，一般采用0.5 min累计1次，即每过半分钟得到的温度值为T，时间为0.5，Z取值54。
表1为计算图，其取温度时间间隔为1 min，=1，计算后列入表1.
表1 药瓶升温和降温曲线图中药瓶的Fh值

时间/min
温度/℃
该温度下
Fh值
累加后的
Fh值
时间/min
温度/℃
该温度下
Fh值
累加后
Fh值
1
48.3
0.0
0.0
22
237.5
17.8
1 444.9
2
48.9
0.0
0.0
23
161.0
0.7
1 445.6
3
54.9
0.0
0.0
24
107.9
0.1
1 445.7
4
67.2
0.0
0.0
25
76.8
0.0
1 445.7
5
86.4
0.0
0.0
26
62.7
0.0
1 445.7
6
108.6
0.1
0.1
27
55.8
0.0
1 445.7
7
130.0
0.2
0.3
28
49.2
0.0
1 445.7
8
153.1
0.5
0.8
29
43.7
0.0
1 445.7
9
176.1
1.3
2.1
30
39.7
0.0
1 445.7
10
197.9
3.3
5.4
31
36.7
0.0
1 445.7
11
219.8
8.4
13.8
32
34.6
0.0
1 445.7
12
236.5
17.0
30.8
33
33.5
0.0
1 445.7
13
249.3
29.4
60.2
34
32.3
0.0
1 445.7
14
261.7
49.9
110.1
35
31.3
0.0
1 445.7
15
272.1
77.8
187.9
36
30.1
0.0
1 445.7
16
285.0
134.8
322.7
37
28.2
0.0
1 445.7
17
290.4
169.7
492.4
38
26.3
0.0
1 445.7
18
295.0
206.4
698.8
39
25.2
0.0
1 445.7
19
302.0
278.3
977.1
40
25.1
0.0
1 445.7
20
300.0
255.5
1 232.6
41
25.0
0.0
1 445.7
21
293.6
194.5
1 427.1

从表1中可以看出：在温度低于170 ℃时计算的Fh值非常小几乎为0，而温度到达300℃时累加的Fh值仅为977.1，到达21 min时累加的Fh值为1 427.1，这时Fh＞1 365；从302℃开始降温，在降温170 ℃之间的时间里同样可以计算Fh值。同时，在22 min时累加的Fh值已经达到1 444.9，这时Fh＞1 365。所以，在加热段运行时间，t可以确定为19 min。以50 ml模制抗生素瓶为例，其直径为42.5 mm，假设产量为20瓶/min，假定隧道烘箱网带有效宽度为600 mm，代入公式(2)计算所需隧道烘箱加热段的长度：
L=(Q×d×d×t)/ (k×B) =（20×42.5×42.5×19）/（1.08×600）=1 059（mm）
所以，按照该灭菌工艺要求，隧道烘箱加热段的长度应≥1 059 mm。
2.2 实例
以某些药厂编制工艺为300 ℃以上5 min为例，验证隧道烘箱的长度，即在药瓶进入隧道烘箱后瓶子升温至300 ℃，然后再维持5 min再降温，参照图1 药瓶升温和降温曲线图，药瓶在隧道烘箱内需要19 min上升到300 ℃，而且需要维持5 min，所以在隧道烘箱的加热段所运行的时间最少为19+5=24 min，以50 ml模制抗生素瓶为例，其直径为42.5 mm，假设需要产量为20瓶/min，假设所定隧道烘箱网带有效宽度为600 mm，带入公式2计算所需隧道烘箱加热段的长度：
L=(Q×d×d×t)/ (k×B) =（20×42.5×42.5×24）/（1.08×600）=1 338（mm）
所以，按照该工艺隧道烘箱加热段的长度应≥1 338 mm
同理，可以按照1995年标准为350 ℃ 5 min，首先应知道药瓶在350 ℃环境下升温曲线即升温至350 ℃所需时间，再按照2.2的方法带入公式2进行估算加热段长度。
3 冷却段冷却效果的估算
出瓶温度过高将导致药液灌装后变质或疫苗被杀死，出瓶温度也应当放入隧道烘箱产能考核标准中，尤其药瓶越大降温越难，以图1 药瓶升温和降温曲线图为例，从300 ℃降温至25 ℃需要20 min， 时间t为20 min，以50 ml模制抗生素瓶为例，其直径为42.5 mm，假设需要产量为20瓶/min，假定隧道烘箱网带有效宽度为600 mm，代入公式2计算出隧道烘箱冷却段的长度LL：
LL=(Q×d×d×t)/ (k×B) =（20×42.5×42.5×20）/（1.08×600） =1 115（mm）
50 ml药瓶的升温和降温曲线可以看出，该瓶子降温时间要长于升温时间，如按照Fh≥1 365的灭菌要求，隧道烘箱的冷却段长度应大于加热段长度，才能合理匹配。
4 结语
不同的药瓶，瓶身的高低，瓶径的大小、瓶壁厚薄，其升温和降温曲线都不一样。不过也有一定的规律：瓶子小且壁薄的，容易升温和降温，如安瓿瓶；反之，药瓶大且壁厚，难升温，降温更难，如模制瓶。如要合理选择隧道烘箱，必须先知道药瓶在一定温度和风速的层流风中的升温和降温时间，以该数据作为选型计算依据，分别计算加热段的灭菌能力和冷却段的降温能力，以确定加热段和冷却段长度，这样才能使所选机型满足生产工艺的要求，同时也能发挥机器的最佳性能。当然，最终验证隧道烘箱产能是否符合设计和选型要求，必须在一定的网带速度、压力和风速的条件下，进行负载热穿透试验和微生物挑战试验。
[参考资料]
[1] 高云维．隧道式灭菌干燥机验证标准的探讨．机电信息，2006（S1）
[2] 林筱华起草．JB20002.3-2004《安瓿隧道式灭菌干燥机》．中国计划出版社，2004
[3] 阳年生起草．JB/T 20093-2007《抗生素瓶表冷式隧道灭菌干燥机》．中国计划出版社出版，（2007）