关于制药行业的洁净管道设计

对于制药行业，GMP（Good Manufacturing Practice）是药品生产企业加强管理，保证产品质量的一种科学、先进的方法，是世界各国普遍采用的有效管理方式和国际上评价药品质量的一项重要内容。美国的21 CFR 210, 211部分、欧洲的EU GMP都有相关章节对制药机械设备、管道的材料、表面粗糙度、设备管道的布置提出了要求。比如中国的GMP对于管道设计安装要求有第32条：“与药品直接接触的设备表面应光洁、平整、易清洗或消毒、耐腐蚀，不与药品发生化学变化或吸附药品”第34条“纯化水、注射用水的制备、储存和分配应能防止微生物的滋生和污染、储罐和输送管道所用材料应无毒、耐腐蚀。管道的设计和安装应避免死角、盲管”。GMP的相关章节对不锈钢卫生级管道（制药设备）的选材和设计方法提出了一些原则要求。但就具体工程设计方法我们需要遵循其它一些标准及指导原则。

一、管道材料的选择

（一）管道材料的选择

 GMP对管材选择有较严格的要求，最重要的是不能与所接触的药品发生化学反应。

奥氏体不锈钢无磁性、通过热处理不会硬化、具有良好的焊接性能。

AISI 304/1.4301的碳含量小于0.07%，铬含量为17%～19%，镍含量为8.5%～10.5%，壁厚小于6mm的管道焊接不需焊后热处理；但对于壁厚大于6mm的管道，需要较长的焊接时间，AISI 304/1.4301由于焊接容易产生分子间腐蚀，所以需要使用AISI 304L/1.4306，它的碳含量小于0.03%，相比AISI 304/1.4301而言，具有更好的焊接性能以及无碳化物熔析（分子间腐蚀的原因）。

介质中如含有卤化物，会对管材造成孔状腐蚀，含钼的材料会比铬镍不锈钢有更好的抵抗力。AISI 316/1.4401-1.4436，AISI 316L/1.4401-1.4435中由于钼的成分的增加，耐腐蚀性能相比AISI 304/1.4301，AISI 304L/1.4306得到了明显的提高。而AISI 316L/1.4401-1.4435比AISI 316/1.4401-1.4436含有更低的碳，其焊接性能又优于后者。

因此无论从耐腐蚀性能还是焊接性能来看，AISI 316L/1.4401-1.4435奥氏体不锈钢薄壁管无疑是输送含氯离子无菌洁净介质的上佳选择，也是FDA极力推荐使用的管材。

（二）卫生管道管件尺寸标准的选择

世界上卫生管道有众多标准：ISO/SMS（国际标准），ASME BPE/3A（美国标准卫生级规格），DIN 11850（德国规格协会标准），IDF（国际酪农联盟标准），JIS G 3447-1994（日本不锈钢卫生级管标准）。选用什么样的标准要符合建设单位（业主）的要求，一般欧洲的企业使用DIN标准，美国企业使用ASME BPE标准。有的标准尺寸规格不全，可能会出现不同标准混用的情况。    

这就需要在项目初期完成管道等级表（Piping Class），其中规定各个公称直径下，所选用的管道、管件、阀门、管接头、卡箍的标准、等级、材料等。

ASME BPE标准尺寸比较完全，目前制药工程上应用得较为广泛，做配套产品的供应商也较多。目前ASME BPE在行业中的接受度和使用率在逐步稳定地增长。因为遵守该标准是非强制性的，目前大多数设备厂商把该标准作为一个提升产品声誉的举措——证明它们的产品和/或服务是符合标准的。ASME BPE阐述了与设计要求相关的问题：无菌系统、元件尺寸、材料接合、产品接触表面光洁度、设备密封件、聚合物基础材料和基础验收标准等。因此工程公司常常借助于ASME BPE这样的标准来保证设计采购施工阶段的行为符合GMP规范的要求，以便保证健康及个人护理产品的生产商所使用的设备能够安全地运行，以确保通过政府机构(例如FDA、SFDA)的监管。

二、设计原则

（一）表面光洁度

    与介质接触的管道表面必须平整，能够有效地清洁，降低细菌的生长及其它污染物的风险。管道、管件、仪表等与介质接触的表面的粗糙度需Ra≤1.0μm 。

（二）死角、液袋

    必须消除管道中的死角以降低细菌滋生污染产品的风险。管道设计时尽可能的避免液袋，当无法避免时液袋应尽量小。

    可以接受的准则1：从主管的外表面量起的支管长度必须小于等于3倍的支管外径。

L≤3d：

    可以接受的准则2：支管长度加主管半径必须小于等于6倍的支管外径。

L+D/2≤6d：

    可以接受的准则3：对于≤DN10的隔膜阀，支管越短越好（不必考虑准则1，2）。

（三）管道可放净

    管道系统的安装必须允许在清洗、维修时能够完全放净。管道必须有坡度，组件、仪表必须可以自放净（self-draining），在系统最低点需要考虑放净，比如放净阀、可拆卸的卡箍等。短管适宜设置2%的坡度，而较长的管道设置1%的坡度。只有在特殊情况下5‰的坡度才能被接受。管道坡向排放点必须有不少于5‰的坡度。罐和其它工艺设备、仪表和组件的设计与安装也必须满足可以放净的要求。

（四）管道清洗的要求

    在制药行业中，接触产品的设备和管道必须定时进行清洗。CIP（Clean-in-place）是指在线清洗，整个过程在不拆卸生产设备的条件下，用清洗液对设备进行清洗和消毒，而清洗液形成一个循环的过程。这种过程通常是自动的，并且被一特定的程序所控制。实现CIP过程一般需要以下几个方面：较复杂的控制系统，并且与生产控制系统相分离；利用阀门控制清洗液；在设计工厂时需要考虑到所有接触过产品的设备都需要同时经常被清洗，而且必须保证清洗液有一定的流速从而确保清洗的可靠性；所有需要接触产品和清洗液的设备和管道需要采用抗腐蚀的材料；CIP清洗的过程通常需要形成循环。

    用来清洗设备的溶液通常使用强酸强碱，如NaOH，H3PO4，HNO3等，腐蚀性较强，而清洗液的温度也较高，通常会在80℃以上。

（五）隔膜阀排空角度

    当隔膜阀安装在水平管道上时，不同制造厂生产的不同标准和不同公称直径的隔膜阀，其排空角度是不同的。设计的时候，应该考虑这个角度对空间的影响。

六）排放距离（Air Break）

    根据FDA 21 CFR，211部分211.48.b的要求：“连接至地沟的放净管道需要有足够大的尺寸，离地面需要有足够的距离或者安装一个机械装置，以防止废水的反虹吸。”

三、结语

    正确选取管道材料，严格按照洁净设备、管道的标准设计，能够有效减少后续的安装、验证、生产中产生的不必要的麻烦，有效降低生产中有害微生物及污染物的生产的风险，保证生产过程更加健康、安全。