摘  要：在制藥企業(yè)的凍干粉針劑生產(chǎn)中，對(duì)自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)的需求日益增加。鑒于此，介紹了Azbil Telstar開(kāi)發(fā)的一種全新的自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)，其采用了一種非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（又稱(chēng)磁力螺桿）。該系統(tǒng)通過(guò)消除波紋管提高清潔性，可對(duì)進(jìn)入冷凍干燥腔體內(nèi)的所有部件進(jìn)行滅菌，通過(guò)減短前推進(jìn)器的長(zhǎng)度和去除后推動(dòng)器使得系統(tǒng)布局更加緊湊。

      關(guān)鍵詞：非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)；GMP；磁力螺桿；潔凈傳輸系統(tǒng)；凍干機(jī)

       0  引言

        Azbil Telstar擁有超過(guò)50年的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)藥用凍干機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于凍干粉針劑生產(chǎn)而言，西林瓶在凍干機(jī)腔室的進(jìn)出料模式，可采用手動(dòng)、半自動(dòng)或全自動(dòng)操作。雖然一套凍干機(jī)全自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)（圖1）需要較高的初始投資，也需較大的安裝空間，但是它具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：可減少人工干預(yù)，縮短操作循環(huán)時(shí)間，從而降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，并確保產(chǎn)品質(zhì)量，免除操作人員的繁重工作，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)可配備隔離器裝置，使得人員對(duì)有毒產(chǎn)品的操作處理更加安全。

       在設(shè)計(jì)凍干機(jī)全自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)時(shí)，制造商必須遵循GMP要求，包括質(zhì)量管理體系、原材料的質(zhì)量、設(shè)計(jì)的考慮事項(xiàng)、強(qiáng)大的操作程序等方面，以確保所生產(chǎn)藥品的質(zhì)量和純度。

       雖然國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化技術(shù)有了飛速發(fā)展，但是此類(lèi)全自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)技術(shù)還沒(méi)有太大進(jìn)展，系統(tǒng)在GMP及其占用空間性方面仍有改進(jìn)的余地?？紤]到客戶(hù)的需求，Azbil Telstar開(kāi)發(fā)了一種全新的擁有非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)出料系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成到隔離器和屏障系統(tǒng)（RABS）。該系統(tǒng)具有一個(gè)物理屏障來(lái)限制污染物進(jìn)入，并且通過(guò)HEPA過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)單向氣流控制，以保持區(qū)域潔凈。

       1  目前的凍干機(jī)自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)

       1.1  雙推桿（Push-push）系統(tǒng)

凍干機(jī)雙推桿進(jìn)出料系統(tǒng)（圖2）包含機(jī)器前面的一個(gè)長(zhǎng)推桿，成列地推進(jìn)小瓶，直到最后一次推進(jìn)完成凍干機(jī)整個(gè)層板的裝載。卸載小瓶時(shí)，凍干機(jī)內(nèi)有一個(gè)后推桿（稱(chēng)Colt），可以與封閉在筒內(nèi)的幾個(gè)推桿一起工作，它們一個(gè)接一個(gè)地被釋放與耦合，一次接一次地將凍干機(jī)箱內(nèi)的小瓶推出。這種配置使得機(jī)器布局更緊湊，但是費(fèi)用更昂貴、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在雙推桿系統(tǒng)中，也可以用一個(gè)長(zhǎng)的后推桿器來(lái)替換Colt，但是這個(gè)選項(xiàng)并不常見(jiàn)。

       1.2  推桿+傳送帶（Push-pull）系統(tǒng)

       在凍干機(jī)推桿+傳送帶進(jìn)出料系統(tǒng)（圖3）中，用一傳送帶機(jī)構(gòu)代替圖2所示的后推桿（Colt或后長(zhǎng)推桿）。該系統(tǒng)在進(jìn)料階段，與在Push-push系統(tǒng)中一樣，使用前長(zhǎng)推桿推小瓶。而在出料階段，前后由傳送帶連接的推桿，將小瓶從凍干機(jī)腔室內(nèi)拉出。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比雙推桿系統(tǒng)更緊湊。

       2  凍干機(jī)進(jìn)出料系統(tǒng)的改進(jìn)

       Azbil Telstar目前對(duì)上述兩種進(jìn)出料系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示，以更好地滿(mǎn) 足客戶(hù)需求，包括更好地遵循GMP要求，減少占地面積，減少維護(hù)操作，通過(guò)自動(dòng)程序更容易地清潔系統(tǒng)。

        2.1  雙推桿（Push-push）系統(tǒng)的改進(jìn)

        雙推桿（Push-push）系統(tǒng)可改進(jìn)的地方就是波紋管。波紋管是由塑料或不銹鋼制成的彈簧狀部件，在正常操作期間可壓縮和延伸，且能封閉由于推桿線性運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的顆粒污染。由于波紋管外表面具有狹窄的凹槽，因此難以被全面清潔，并且存在污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，雙推桿系統(tǒng)前面有一個(gè)很長(zhǎng)的推桿，限制了操作員工的工作空間。

        由于雙推桿系統(tǒng)需要密封長(zhǎng)推桿，使得隔離器的設(shè)計(jì)和RABS的打開(kāi)或關(guān)閉更加復(fù)雜。Colt是一種緊湊型的推桿，由轉(zhuǎn)鼓和幾個(gè)獨(dú)立的推桿組成，這些推桿可以相互連接，形成一個(gè)長(zhǎng)推桿。它安裝在機(jī)器的后面，限制了凍干機(jī)冷凝器的設(shè)計(jì)。

       對(duì)雙推桿系統(tǒng)的理想改進(jìn)方式是將波紋管和推桿從系統(tǒng)中移除或縮短推桿的長(zhǎng)度。

       2.2  推桿+傳送帶（Push-pull）系統(tǒng)的改進(jìn)

       對(duì)于推桿+傳送帶（Push-pull）系統(tǒng)，需要導(dǎo)帶器將傳送帶引導(dǎo)到凍干機(jī)內(nèi)。由于傳送帶是薄金屬片，傳送帶的導(dǎo)帶器具有非常狹窄的凹槽。因此，傳送帶導(dǎo)帶器難以被完全清潔和滅菌。

       對(duì)推桿+傳送帶系統(tǒng)的理想改進(jìn)方式是去除像傳送帶導(dǎo)帶器那樣的狹窄凹槽。

       3  磁力螺桿

       3.1  磁力螺桿開(kāi)發(fā)的意義

       螺桿以其高精度線性輸送物料的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)。然而，對(duì)于一個(gè)在操作中需要高度潔凈、無(wú)菌的生產(chǎn)區(qū)域而言，由于螺桿和螺母之間的接觸會(huì)產(chǎn)生顆粒，使得螺桿在無(wú)菌區(qū)域的使用受到GMP限制。此外，螺桿和螺母之間通常使用潤(rùn)滑脂，存在相當(dāng)大的污染風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這些問(wèn)題，傳統(tǒng)的螺桿需要在潔凈方面進(jìn)行改進(jìn)，例如用波紋管隔離。然而，由于波紋管本身結(jié)構(gòu)的限制與泄漏風(fēng)險(xiǎn)，使得最大允許沖程、定期維護(hù)、清潔的難度和成本增加。

       鑒于此，磁力螺桿執(zhí)行器被研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)，其是通過(guò)磁耦合來(lái)傳遞驅(qū)動(dòng)力。磁力螺桿解決了傳統(tǒng)螺桿在制藥潔凈生產(chǎn)應(yīng)用中的難題，因?yàn)榇帕β輻U的螺桿和螺母之間沒(méi)有直接接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生顆粒。然而，磁力螺桿只具備較小的傳遞能力，并且剛性比傳統(tǒng)機(jī)械螺桿差，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到這些特性。另一方面，磁力技術(shù)的性質(zhì)允許發(fā)生錯(cuò)位，但不破壞任何機(jī)械部件。

        3.2  磁力螺桿的原理

       磁力螺桿由一個(gè)螺桿軸和一個(gè)螺母組成。其中，螺桿軸由磁鋼制成，具有固定的螺距和形狀；螺母由釹磁鐵制成，被磁化呈螺旋狀，和螺桿軸有相同的螺距。為了形成一個(gè)閉合的磁路，在螺母（磁鐵）周?chē)幸粋€(gè)磁軛。

       螺桿軸由兩端的軸承支撐，使其能旋轉(zhuǎn)。螺母由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)支撐，不能旋轉(zhuǎn)，但能沿軸向移動(dòng)。當(dāng)螺母的磁極對(duì)準(zhǔn)螺桿的螺紋時(shí)，其為最穩(wěn)定狀態(tài)。圖5為磁力螺桿的穩(wěn)定位置。當(dāng)螺桿軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生磁極和螺紋之間的相對(duì)位移，由此生成一個(gè)回復(fù)力。圖6為回復(fù)力產(chǎn)生的相對(duì)位移，然后通過(guò)磁耦合來(lái)恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的位置。通過(guò)這種方式，螺母隨著螺桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而線性移動(dòng)。

       由于相鄰的磁性耦合可能會(huì)相互干擾，磁性螺桿中的磁路很復(fù)雜，難以計(jì)算回復(fù)力。因此，可用有限元法（FEM）計(jì)算回復(fù)力。回復(fù)力和相對(duì)位移之間的關(guān)系如圖7所示。根據(jù)計(jì)算，回復(fù)力的峰值出現(xiàn)在45°時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位移，在相反方向135°、在相對(duì)位移為0°、90°或180°時(shí)沒(méi)有回復(fù)力。因此，可使用雙螺紋作為螺桿，如果相對(duì)位移達(dá)到180°，則螺母的磁極與螺桿軸的下一個(gè)螺紋相耦合?？杉僭O(shè)以180°為一個(gè)周期重復(fù)。為了將這種機(jī)制應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)，最為重要的是要考慮峰值推力是否足夠用于進(jìn)出料系統(tǒng)以及磁力螺桿的剛性對(duì)定位精度的影響。

       4  磁力驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)試驗(yàn)

        4.1  系統(tǒng)配置

       為了試驗(yàn)新型進(jìn)出料系統(tǒng)的性能，我們建立了一個(gè)全尺寸的測(cè)試臺(tái)，可以模擬從輸送帶裝載小瓶到層板以及從層板卸載小瓶到輸送帶的效果。

圖8為試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)及其配置，包括以下內(nèi)容：

（1）層板：放置加載小瓶的地方，位于凍干機(jī)干燥箱的內(nèi)部。

（2）輸送帶：用于運(yùn)輸小瓶，并可循環(huán)執(zhí)行耐久性測(cè)試。

（3）橋架：作為在輸送帶和凍干機(jī)內(nèi)部層板之間輸送小瓶的中間過(guò)渡，橋架的       作用是，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)橋架后可以順利打開(kāi)或關(guān)閉凍干機(jī)干燥箱門(mén)（在這個(gè)模型中，腔體門(mén)被省略）。

（4）推進(jìn)器：用于將小瓶從輸送帶推進(jìn)到橋架上。

（5）驅(qū)動(dòng)單元：由磁力螺桿軸和滑動(dòng)器的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，其運(yùn)行在層板和橋架的兩側(cè)，并且由不同的部件組成，可以彼此連接和斷開(kāi)。

（6）滑動(dòng)器：包含磁力螺桿的螺母，可以從橋架移動(dòng)到層板上。它有兩個(gè)長(zhǎng)桿，橫跨橋架或?qū)影?，用于拉出或推進(jìn)小瓶。

（7）理瓶機(jī)（圖中未顯示）：用于儲(chǔ)存小瓶，并連接到輸送帶，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和出料。

        4.2  裝載和卸載順序

       裝載小瓶的順序：首先，將小瓶從理瓶機(jī)輸送至輸送帶上，并排成一行。接下來(lái)，推進(jìn)器將排成一行的小瓶從輸送帶上推出，再返回待機(jī)位置。重復(fù)上述步驟，直到所有的小瓶被推出輸送帶。需說(shuō)明一點(diǎn)，由于推進(jìn)器的推桿沒(méi)有很長(zhǎng)的行程，只能有部分的小瓶推入層板上，剩下小瓶滯留在橋架上。此時(shí)，滑動(dòng)器可移動(dòng)到橋架的末端，并用推桿拉動(dòng)小瓶以完成整個(gè)層板的進(jìn)料。

       卸載小瓶的順序：首先，滑動(dòng)器移動(dòng)到層板的末端。接下來(lái)，滑動(dòng)器將小瓶朝輸送帶的方向拉出層板。

        4.3  系統(tǒng)特點(diǎn)

        4.3.1  易于清潔

該系統(tǒng)摒棄了原傳統(tǒng)機(jī)械螺桿中的小凹槽與孔的結(jié)構(gòu)。圖9為該系統(tǒng)中的螺桿軸外形及其與滑動(dòng)器（內(nèi)置螺母）的結(jié)合示意，可見(jiàn)，磁力驅(qū)動(dòng)的螺桿軸和螺母之間存在間隙，即非接觸式，其中螺桿軸可以完全用不銹鋼管隔離。由于推進(jìn)器行程小，且可通過(guò)具有旋轉(zhuǎn)密封件的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)，因此推進(jìn)器不需要被波紋管包裹，使得系統(tǒng)更易于清潔。

       4.3.2  易于CIP/SIP

       該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)凍干機(jī)干燥箱內(nèi)滑動(dòng)器的SIP或CIP，如圖10所示?？刂苹瑒?dòng)器位移不需要電源線、信號(hào)電纜或其他接線，當(dāng)干燥箱門(mén)關(guān)閉時(shí)，滑動(dòng)器可以停留在凍干機(jī)干燥箱內(nèi)?；瑒?dòng)器由不銹鋼和經(jīng)FDA批準(zhǔn)的塑料部件組成，具有良好的耐溫和耐腐蝕特性，因此滑動(dòng)器可以承受化學(xué)清洗和蒸汽滅菌過(guò)程。

許多其他自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)需要操作人員手動(dòng)清理，導(dǎo)致系統(tǒng)可能存在留存污染物的風(fēng)險(xiǎn)。

       4.3.3  系統(tǒng)布局緊湊

       因?yàn)榛瑒?dòng)器將小瓶從橋架裝載到層板上，所以推進(jìn)器不需要原來(lái)系統(tǒng)的長(zhǎng)行程。這樣就使得系統(tǒng)布局更緊湊，如圖11所示，推進(jìn)器部件對(duì)傳送帶前的工作區(qū)域無(wú)任何干擾，沒(méi)有后推進(jìn)器，為用戶(hù)提高了布局靈活性。

       4  結(jié)語(yǔ)

       非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)西林瓶自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)是為凍干機(jī)研發(fā)的一套具有改革性意義的自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)，是最先進(jìn)的西林瓶自動(dòng)進(jìn)出料系統(tǒng)技術(shù)解決方案。其獨(dú)特的專(zhuān)利設(shè)計(jì)，具有非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器組件和緊湊型前推桿，可輕松安裝隔離器和封閉式RABS，無(wú)需波紋管，沒(méi)有后推動(dòng)器和傳送帶機(jī)構(gòu)，可對(duì)進(jìn)入腔體以及和產(chǎn)品有接觸的所有部件進(jìn)行滅菌。Azbil Telstar這一新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)將為制藥行業(yè)的客戶(hù)提供更好的特別是與凍干機(jī)相連的小瓶管理的解決方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1] TADAHIKO SHINSHI, JUNICHI HASHIMOTO, BO-CHING CHEN, et al. A new magnetic lead screw and its basic characteristics[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,1998，64：618.