罐類設(shè)備中物料的溫度調(diào)節(jié)通常有幾種方式：①直接將加熱或冷卻介質(zhì)直接與物料接觸；②通過罐體的夾套傳熱；③使用換熱器。在溫度調(diào)節(jié)過程中，溫控儀根據(jù)溫度傳感器反饋的溫度信號，控制加熱或冷卻介質(zhì)的通入時間和強度來實現(xiàn)對罐內(nèi)物料溫度的控制，以滿足工藝的要求。通常由罐類設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝條件和投資來決定采用哪一種溫度控制方案。昌暉儀表介紹幾種常見的罐類設(shè)備溫度控制方案供大家借鑒。
1、罐體夾套通入加熱或冷卻介質(zhì)的溫度控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)設(shè)計的原理為間壁式換熱，其特點是冷熱流體被一固體壁隔開，通過固體壁進行傳熱。該設(shè)計中，蒸汽和冷媒直接通入夾套，因為與罐內(nèi)物料的溫度不同，會通過罐壁發(fā)生熱量傳遞，使物料的溫度升高或降低。系統(tǒng)利用通入蒸汽或冷媒的持續(xù)時間和強度大小，來實現(xiàn)對罐類物料的溫度控制。罐體夾套通入加熱或冷卻介質(zhì)的溫度控制系統(tǒng)普遍使用于溶液配制罐和物料儲存罐，以及一些反應(yīng)罐的溫度控制。
①冷媒不回吹的溫度控制系統(tǒng)
冷媒不回吹的溫度控制系統(tǒng)如圖1，當(dāng)物料不需要溫度控制時，夾套內(nèi)不通入蒸汽或冷媒。當(dāng)罐內(nèi)物料需要升溫或維持高溫時，蒸汽從夾套的上部界面通入，接觸到溫度較低的罐壁時，蒸汽放熱并凝成液體，在重力作用下沿壁面留下，同時熱量通過罐壁傳遞給罐內(nèi)物料，使其升溫或維持高溫。溫度控制結(jié)束時，停止蒸汽的通入，從夾套上部通入壓縮空氣對夾套內(nèi)剩余的蒸汽和冷凝水進行吹掃，待吹掃干凈后關(guān)閉壓縮空氣。當(dāng)罐內(nèi)物料需要降溫或維持低溫時，冷媒從夾套的下部界面加入，接觸到溫度較高的罐壁時，冷媒通過熱傳遞吸收熱量，并隨著冷媒的不斷通入和排出而使物料降溫。降溫?zé)峤Y(jié)束時，停止冷媒的通入，從夾套上部通入壓縮空氣將夾套內(nèi)剩余的冷媒吹掃進排污管道，待吹掃干凈后關(guān)閉壓縮空氣。夾套管路中需要設(shè)置安全閥，防止夾套的壓力過大造成安全事故。罐內(nèi)需要設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)控物料的實時溫度。夾套冷凝水排放處需要設(shè)置疏水閥，確保冷凝水的順利排盡。出于溫度控制的精確性考慮，需要使用溫控器控制夾套內(nèi)蒸汽或冷媒的通入時間和強度，并根據(jù)物料的實時溫度及時做出反饋調(diào)節(jié)。冷媒不回吹的溫度控制系統(tǒng)在制藥行業(yè)中廣泛使用于冷卻介質(zhì)為水的溶液配制罐和物料儲存罐，以及一些反應(yīng)罐的溫度控制。
圖1 冷媒不回吹的溫度控制系統(tǒng)
②冷媒回吹的溫度控制系統(tǒng)
當(dāng)出于節(jié)約運行成本或減少污染物的考慮，需要盡量多地重復(fù)利用冷媒時，熱交換后殘留在夾套中的冷媒就不進行直接排放，而是通過回吹管道全部回收。冷媒回吹的溫度控制系統(tǒng)如圖2，該方案在合適的位置增加了冷媒回吹管道。物料升降溫和維持溫度的過程控制與冷媒不回吹的溫度控制系統(tǒng)一樣。當(dāng)溫度控制結(jié)束時，停止冷媒的通入，從夾套上部通入壓縮空氣進行吹掃，將夾套內(nèi)剩余的冷媒吹入回流管道進行回收。制藥生產(chǎn)中，當(dāng)罐類設(shè)備的冷卻介質(zhì)不采用水，而采用乙二醇等溶液時，可以采用此設(shè)計方案。
圖2 冷媒回吹的溫度控制系統(tǒng)
2、加熱或冷卻介質(zhì)直接通入罐內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)
加熱或冷卻介質(zhì)直接通入罐內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)的原理為混合式換熱，其特點是冷熱流體在罐內(nèi)以直接混合的形式進行熱交換。該設(shè)計中，蒸汽和冷媒通入罐內(nèi)，直接與物料混合進行熱量傳遞，使物料升降溫或維持溫度。相比較夾套溫度控制方式，該設(shè)計傳熱系數(shù)和換熱面積都得到較大的增加，具有傳熱速率高、設(shè)備簡單等優(yōu)點。系統(tǒng)控制通入蒸汽或冷媒的持續(xù)時間和強度大小，來實現(xiàn)對罐內(nèi)物料的溫度控制。但該系統(tǒng)的加熱或冷卻介質(zhì)因為直接接觸物料，所以需要進行風(fēng)險評估，以確保他們對物料的適用性無不良影響。
加熱或冷卻介質(zhì)直接通入罐內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)如圖3，當(dāng)物料不需要溫度控制時，罐內(nèi)不通入蒸汽或冷媒。當(dāng)罐內(nèi)物料需要升溫或維持高溫時，蒸汽從蒸汽界面通入，接觸到溫度較低的物料時，蒸汽放熱并凝成液體，使物料升溫或維持高溫，同時冷凝水停留在罐內(nèi)與物料混合。加熱結(jié)束時，停止蒸汽的通入。當(dāng)罐內(nèi)物料需要降溫或維持低溫時，冷媒從冷媒介面加入，接觸到溫度較高的物料時，冷媒吸收熱量使物料降溫或維持低溫，同時冷媒停留在罐內(nèi)與物料混合。降溫結(jié)束時，停止冷媒的通入。由于蒸汽的冷凝水和冷媒在加入后都會停留在罐內(nèi)，因此采用此方式進行溫度控制時，需要考慮達到預(yù)期溫度控制效果時蒸汽和冷媒的添加量。該系統(tǒng)可用于對控制精度要求不高且對溫度不敏感的物料的溫度控制，以及一些廢棄物滅活的處理罐的溫度控制。例如重組蛋白藥物原液車間中含菌廢液的滅活罐，可以采用此溫度控制系統(tǒng)。
圖3 加熱或冷卻介質(zhì)直接通入罐內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)
3、通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)
通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)原理為間壁式換熱，該溫度控制系統(tǒng)需要配置一個控溫回路，由夾套、管道、泵、換熱器、溫控器和溫度傳感器等組成。控溫回路中充滿載熱體，在泵的推動下不斷循環(huán)，流經(jīng)夾套時通過罐壁與物料進行熱交換，對罐內(nèi)物料進行溫度升降或維持控制。載熱體可以為水，也可以為導(dǎo)熱油等。系統(tǒng)通過換熱器對熱載體進行溫度調(diào)節(jié)，并通過夾套的間壁式換熱來實現(xiàn)對罐內(nèi)物料的溫度控制。系統(tǒng)需要設(shè)置閥門用于載熱體的更換和補充，也需要設(shè)置膨脹罐或膨脹槽以維持回路中載熱體壓力的穩(wěn)定。
通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)如圖4，當(dāng)物料不需要溫度控制時，控溫回路可以不運行，或不控溫運行。當(dāng)罐內(nèi)物料需要升溫或維持高溫時，控溫回路中的載熱體被加熱，然后攜帶熱量經(jīng)過夾套，通過罐壁傳遞給罐內(nèi)物料，使物料升溫或維持高溫。當(dāng)罐內(nèi)物料需要降溫或維持低溫時，控溫回路中的載熱體被冷卻，然后低溫狀態(tài)流經(jīng)夾套，通過罐壁帶走罐內(nèi)物料的熱量，使物料降溫或維持低溫。溫度控制結(jié)束時，停止控溫回路中泵的運行或熱載體的溫度控制，從而停止對物料的溫度控制。如果有需要，也可以在回路上設(shè)置壓縮空氣接入口，對整個回路或夾套部分進行吹掃。罐內(nèi)物料的溫度是通過夾套中的載熱體進行溫度控制，而載熱體是由控溫回路中換熱器來控制，過程需要經(jīng)過兩次間壁換熱，所以換熱效率不高，但此系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的溫度控制精度。該系統(tǒng)由于控溫回路不與物料直接接觸，在組件選型上不需要滿足衛(wèi)生型設(shè)計要求，建造成本較低。通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)一般用于溫度精度要求較高且需要長時間控溫，并且物料不適宜劇烈攪動的制藥生產(chǎn)工序，例如血液制品生產(chǎn)中的巴氏滅活罐或S/D滅活罐，可以采用此溫度控制系統(tǒng)。
圖4 通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)
4、通過控溫回路進行罐內(nèi)直接控溫的溫度控制系統(tǒng)
通過控溫回路進行罐內(nèi)直接控溫的溫度控制系統(tǒng)原理為間壁式換熱，該溫度控制系統(tǒng)由一個控溫回路與罐類設(shè)備組成循環(huán)系統(tǒng)，控溫回路由管道、泵、換熱器、儀表等組成。物料儲存在罐類設(shè)備中，通過泵在控溫回路中不斷循環(huán)，在流經(jīng)換熱器時被加熱或冷卻，然后流回罐內(nèi)與其他物料混合，罐內(nèi)的溫度儀表反饋調(diào)節(jié)換熱器的蒸汽或冷媒的通入時間和強度，實現(xiàn)對物料的溫度控制。
通過控溫回路進行罐內(nèi)直接控溫的溫度控制系統(tǒng)如圖5，當(dāng)物料不需要溫度控制時，控溫回路可以不運行，或不控溫運行。當(dāng)罐內(nèi)物料需要進行溫度控制時，開啟回路中的泵，使物料在罐類設(shè)備和控溫回路中循環(huán)，物料在流經(jīng)換熱器時被加熱或冷卻，然后回到儲罐與其他物料混合后再次進入回路，通過不斷循環(huán)來使物料的溫度調(diào)節(jié)或維持在合適的溫度。此設(shè)計方案中，罐內(nèi)物料的溫度是通過換熱器直接進行加熱或冷卻，過程中僅需要一次間壁換熱，所以換熱效率較高，而且此系統(tǒng)也可以實現(xiàn)較高的溫度控制精度。在該設(shè)計中，物料需要在控溫回路中循環(huán)，所以該系統(tǒng)中接觸物料的部分均需要滿足GMP的相關(guān)要求，不得對藥品質(zhì)量產(chǎn)生任何不利影響，因此會造成建造和維護成本的增加。通過控溫回路進行罐內(nèi)直接控溫的溫度控制系統(tǒng)適用于能夠集中儲存，需要同時供應(yīng)多個使用點，對溫度要求較高且耐受劇烈攪動的物料系統(tǒng)，例如制藥用水分配系統(tǒng)和血液制品生產(chǎn)中的低溫乙醇系統(tǒng)的溫度控制。
圖5 通過控溫回路進行罐內(nèi)直接控溫的溫度控制系統(tǒng)
應(yīng)用分析
不同生產(chǎn)工藝對物料的溫度控制要求不同，設(shè)計者要根據(jù)不同工況選擇不同的設(shè)計方案。以上提到的幾種設(shè)計方案是基本的設(shè)計方案，實際應(yīng)用中，除了可以單獨使用某種設(shè)計方案外，還可以對某種設(shè)計方案進行簡化，或者幾種設(shè)計方案變化組合使用。
以下介紹幾種典型的應(yīng)用方案：
①溶液儲存罐
常規(guī)溶液儲存罐，通常只需要冷卻功能，且溫度不高于規(guī)定溫度即可，此工況下，可以簡化加熱或冷卻介質(zhì)直接通入夾套的溫度控制系統(tǒng)，只保留其冷卻功能即可，具體可見圖6。
圖6 只需要冷卻功能的溶液儲存罐溫度控制設(shè)計
②生物廢棄物滅活罐
生物廢棄物滅活罐可以結(jié)合加熱或冷卻介質(zhì)直接通入罐內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)和加熱或冷卻介質(zhì)直接通入夾套的溫度控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計成蒸汽通入罐內(nèi)混合加熱，而冷媒通入夾套進行間壁冷卻，這樣既增加了廢棄物滅活的處理速率，又增加了每批廢棄物處理的處理量，具體可見圖7。
圖7 直接加熱和間接冷卻的生物廢棄物滅活罐溫度
③工藝較為復(fù)雜的罐類設(shè)備
對一些工藝較為復(fù)雜的罐類設(shè)備，如發(fā)酵罐，在培養(yǎng)基對溫度不敏感的前提下，可以采用組合使用加熱或冷卻介質(zhì)直接通入夾套的溫度控制系統(tǒng)和通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)，具體可見圖8。在控溫回路上加入蒸汽和冷媒的接入口， 在培養(yǎng)基滅菌時采用加熱或冷卻介質(zhì)直接通入夾套的溫度控制系統(tǒng)，提高換熱的效率，縮短工序時間。而在發(fā)酵培養(yǎng)時，采用通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統(tǒng)，確保培養(yǎng)溫度的穩(wěn)定和精確， 使生產(chǎn)嚴(yán)格按照確定的工藝進行。
圖8 培養(yǎng)基快速滅菌和發(fā)酵過程精確控溫的發(fā)酵罐溫度控制設(shè)計
罐類設(shè)備溫度控制除以上列舉工況外，還有很多其他工況。在進行罐類設(shè)備溫度控制系統(tǒng)工程設(shè)計中，需要在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，綜合考慮建造成本和法規(guī)要求，設(shè)計出符合各種要求的溫度控制系統(tǒng)。文中幾種溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和運行方式，在實際生產(chǎn)過程中獲得了較好的應(yīng)用，同時這些控制方案可以作為溫度控制方案的設(shè)計參考。
作者：嚴(yán)留俊
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