制药用纯蒸汽分配系统设计-林满阳-医药工程设计2

制药用纯蒸汽分配系统设计林满阳（苏州东瑞制药有限公司，江苏苏州　215128）介绍了制药用纯蒸汽的用途、定义和质量要求。介绍了纯蒸汽分配系统设计的基本原则和特殊要求，以及典型案例。对纯蒸汽分配系统的材料（管道和管件、阀门、疏水阀等）选用作了介绍。洁净蒸汽；纯蒸汽；灭菌；分配系统设计中图分类号：TQ460.5文献标识码：A文章编号：1008-455X(2011)05-0024-10DesignofPharmaceuticalPureSteamDistributionSystemLinManyang(SuzhouDongruiPharmaceuticalCo.,LtdSuzhou,215128)Abstract:Theapplication,definitionandqualityrequirementofpharmaceuticalusedsteamwereintroducedinthisarticle.Thefundamentalprincipleandspecificrequirementsinthedesignofpuresteamdistributionsystemaswellasthematerialusedforsteamdistributionsystemwerestated.Keywords:cleaningsteam;puresteam;sterilization;designofdistributionsystem关键词摘要收稿日期：2011-05-23作者简介：林满阳（1970－）男，高级工程师，主要从事制药工程设计和项目管理工作。Tel：[phone]-2901　　E-mail：[e-mail]1　概述在制药工业中，纯蒸汽广泛应用于以下情况：（1）对反应罐、容器、管道系统等进行在线灭菌；（2）对直接接触产品的包装容器、灌装设备、胶塞及可能与产品接触的工器具等的湿热灭菌；（3）作为隔离气体保持无菌屏障；（4）加湿。纯蒸汽既是影响消毒、灭菌效果的主要因素，也是消毒、灭菌过程中重要污染风险源。在上述设备或系统风险分析时都是直接影响因素。纯蒸汽分配系统是洁净公用工程验证的重点。除了选择合格、可靠的纯蒸汽发生器外，设计科学、建造合理的纯蒸气分配系统对于保证和监控纯蒸气分配质量至关重要。纯蒸汽分配系统设计，首先要根据项目验证计划，明确纯蒸汽分配系统的用途、质量标准和验证要求。然后根据国内外标准、规范、工程指南和工程实践，进行科学的设计和建造。2　纯蒸汽的不同定义和质量要求国际上对于制药用纯蒸汽有不同的命名，主要有洁净蒸汽（cleansteam）和纯蒸汽（puresteam），对他们有着不同定义和质量要求。2.1　美国FDA和美国药典（USP）美国FDA没有对制药用纯蒸汽的相关要求。美国药典USP33-NF27在“纯蒸汽”条目和第1231节“制药用水-纯蒸汽”中对纯蒸汽有明确的定义和质量要求，归纳起来如下：纯蒸汽也被称为洁净蒸汽。纯蒸汽是已经加热到100度以上的水，并且以防止源水夹带的方式被蒸发，它不含任何添加物质。蒸气的饱和度或干燥度，以及不可冷凝气体的总量均由纯蒸汽的具体用途决定。纯蒸汽的目的是在蒸气或其冷凝物与物件或配制相接触的情况下使用。纯蒸汽的质量在其蒸气状态下难以评估；所以将其冷凝物的属性用于测定其质量。纯蒸汽冷凝水主要指标见表1。··医药工程设计2011年　第32卷　第5期　10月20日出版Pharmaceutical&EngineeringDesign2011，32(5)制药装备应用与研究　表1　美国药典纯蒸汽冷凝水质量指标项　目质量标准相关条目电导率2.1µS/cm，（25℃）645总有机碳500ppm643细菌内毒素0.25EU/ml85微生物10cfu/ml2.2　欧盟的相关要求欧盟GMP附录1《无菌药品生产》（2010）第96条：“注意确保用于灭菌的蒸汽有相应的质量要求，并且包含的添加物的量不足以污染产品或设备。”欧洲药典中没有相关条目。但是，欧洲标准EN285和英国健康技术备忘录HTM2010专门对灭菌用蒸汽的质量要求、测试方法等进行了规定，而且这两个标准具有国际性。EN285在第13.3条对灭菌用蒸汽质量作出了具体规定，见表2。表2　EN285规定的灭菌用蒸汽质量项　目质量指标标准条目不凝气≤3.%(V/V)13.3.2干度(不饱和度)≥0.95(灭金属装载物)≥0.90(灭其他装载物)13.3.3过热度≤25℃13.3.4EN285在附录B表B.2中，明确了在灭菌柜进口取得的灭菌用蒸汽凝结水的污染物指标，主要指标见表3。表3　EN285规定的灭菌用蒸汽凝结水质量项　目凝结水质量二氧化硅≤0.1mg/l氯离子≤0.1mg/l重金属，除铁、镉、铅外≤0.1mg/l电导率(25℃)≤3µs/cmpH值5~7硬度(碱土总离子数)≤0.02mmol/l2.3　国际制药工程协会（ISPE）国际制药工程师协会在基本指南4《水和蒸汽系统》（2001版）第7章中，分析了各种特定用途蒸汽的生产方法，综合了制药行业对纯蒸汽的不同称谓和定义，用术语“洁净蒸汽”来代替所有的其他叫法。并给出定义如下：制药洁净蒸汽是用不含挥发性添加物，如：胺或联氨的已处理水制备的，并用于热消毒或灭菌工艺。需要特别注重的是要防止注射药品受到这类污染。虽然该指南中提出了要进行纯度取样和蒸汽“质量”取样。但没有给出洁净蒸汽的蒸汽质量指标和凝结水质量指标。国际制药工程协会在良好实践指南《制药水和蒸汽系统的调试和确认》（2007）中，更多采用“纯蒸汽”术语，并定义如下：纯蒸汽是蒸汽发生器生产的直接影响蒸汽，它的凝结水符合美国药典或欧洲药典注射用水的质量要求。纯蒸汽主要用于灭菌。用于国际标准制药生产的纯蒸汽，还应符合欧盟标准EN285用于湿热灭菌柜和容器在线灭菌（SIP）的不凝性气体的要求。纯蒸汽也用于没有不凝性气体要求的用途。而且在该指南的关于纯蒸汽用户需求规格书（URS）条目中，有如下两条：—纯蒸汽产自发生器，凝结水应满足注射用水（WFI）的化学和内毒素质量要求。—纯蒸汽产自发生器，用于可渗透的装载物的湿热灭菌时，干度值不低于0.9；用于金属的装载物的湿热灭菌时，干度值不低于0.95；过热度不超过25℃，不凝性气体体积不超过3.5%。有的蒸汽应用不需要考虑不凝性气体限度。从国际制药工程协会不同版本指南可以看出，纯蒸汽的定义和要求的发展变化。2.4　中国GMP和中国药典《药品生产质量管理规范（2010年修订）》没有对提及灭菌用蒸汽或纯蒸汽。中国药典（2010版）也没有纯蒸汽条目。目前，国内普遍使用“纯蒸汽”这一术语，并且接受美国药典的概念。但普遍忽略了纯蒸汽用于湿热灭菌柜和容器在线灭菌（SIP）时要符合EN285/HTM2010的相关要求，没有在纯蒸汽分配系统中设计蒸汽质量取样点和冷凝水取样点。3　纯蒸汽分配系统设计参数的确定纯蒸汽管道作为压力管道，管道的材料、设计和计算、制作与安装、检验与实验等都要遵循《压力管道规范-工业管道》（GB/T20801-2006）。该规范在内容编制上参考了美国规范ASMEB3.1《工艺管道》（ProcessingPiping），在结构上参考了欧盟EN13480《金属工业管道》（MetallicIndustrialPiping）。这部规范是与国际规范接轨的，可以参照使用。（1）设计压力纯蒸汽湿热灭菌温度在121~135℃之间，对应的压力大致在0.1~0.22MPa之间。纯蒸汽发生器的供汽压力一般在0.2~0.5MPa范围可调，纯蒸汽分配系统依据《压力管道规范-工业管道》第3部分第4.1.1··医药工程设计2011年　第32卷　第5期　10月20日出版Pharmaceutical&EngineeringDesign2011，32(5)条，通常可以把设计压力确定为≤0.6MPa(下游直接连接设备设计压力超过此值的除外)。（2）设计温度管道系统中每个管道组成件的设计温度应按操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的温度确定。同一管道系统中不同的管道组成件的设计温度可以不同。依据《压力管道规范-工业管道》第3部分第4.1.2b)条，纯蒸汽分配系统作为外隔热管道，设计温度可以取介质温度，表压0.6MPa的饱和蒸汽温度为163.03℃，通常可以设计温度确定为180℃。（3）管道安全等级工业金属压力管道按其安全等级分为GC1、GC2、GC3三级。其中GC1级安全等级最高；GC3安全等级最低。依据《压力管道规范-工业管道》第1部分第4.3条，纯蒸汽分配系统的属于“输送无毒、非可燃流体介质，设计压力小于或等于1.0MPa且设计温度高于-20℃但不高于186℃的管道”，安全等级为GC3。4　纯蒸汽分配系统设计一般原则纯蒸汽分配系统的设计，首先要符合蒸汽管路设计的一般原则，主要有以下几点：（1）高压输送；（2）管径合理；（3）支吊架和膨胀量吸收装置布置合理；（4）避免水锤和使用点带冷凝水；（5）合理保温。4.1　输送压力纯蒸汽发生器的供汽压力一般在0.2~0.5MPa范围内可调，纯蒸汽分配系统的设计压力要根据使用点的需求和节能输送综合确定。从节能的角度看，蒸汽输送的原则是高压输送、低压使用。可以考虑主管用较高压力，个别分支管道用减压阀减压的方法来满足低压使用的需求。4.2　管径计算管道口径要根据供汽压力、供汽量，以一定的流速或压降限值来确定。通常称为流速法和压降法。这两种方法都可以通过计算法或查表法求得供汽管道口径。在确定蒸汽主管口径时，考虑到补偿设计误差和未来可能的扩容，应该留有一定的余量。管道供汽量的确定，首先要确定各使用点的最大、最小和平均用汽量，以及同时系数；估算疏水量，再乘以一定的余量系数，即可求得管道供汽量最大、最小和平均用量。管道流速一般选择在15~40m/s。可以用流量除以面积求得。压降一般不宜超过0.02MPa/100m。可以用经验公式（1）求得：ΔP=(LVgm2)/(0.8D5)　　　　　　　　　（1）式中：ΔP—蒸汽管道压降，MPa；　L—管道长度，m；　m—质量流量；kg/h　Vg—比容，m3/kg；　D—管道内径（m）。具体管道口径确定方法如下：（1）计算法工程实际中，经常采用流速法用以下公式（2）计算管道口径：D=[4（Q/V）/π]1/2　　　　　　　　　　　（2）式中：D—管道内径，m；　Q—蒸汽体积流量，m3/s；Q=ms•Vg　V—流速，m/s；　ms—质量流量，kg/s；　Vg—比容(m3/kg)。例1：车间各使用点需要0.5MPa的纯蒸汽，供汽量为2000kg/h，管道总长200m，流速不超过25m/s，试确定管径，并校核压降。解：查表得0.5MPa饱和蒸汽的Vg=0.319704m3/kgQ=ms•Vg=(2000/3600)×0.3197=0.1776kg/sD=[4(Q/V)/π]1/2=[4(0.1776/25)/π]1/2=0.095m圆整取齐后，选择公称直径100mm的管道。ΔP=(LVgm2)/(0.8D5)　=（200×0.3197×20002）/（0.8×1005）　=0.032MPa每100m的压降为0.016MPa，小于0.02MPa/100m的工程限值。（2）查表法：通过查阅工程手册或设计手册，可以直接查得所需管径（内径或公称直径）。4.3　膨胀量吸收装置和支吊架布置管道支吊架除了考虑管道和介质重力应力外，更重要的要考虑热胀冷缩应力，通常与膨胀量吸收装置布置综合设计安装。二者的合理设计、安装，即是保证蒸汽管道安全、可靠运行的重要保障。也可以避免水平管道管道下垂弯曲而使系统的自排尽能力下降。4.3.1　膨胀量计算管道膨胀量用以下公式（3）求得：··医药工程设计2011年　第32卷　第5期　10月20日出版Pharmaceutical&EngineeringDesign2011，32(5)ΔL=LαΔt　　　　　　　　　　　　　　（3）式中：ΔL—膨胀量，m；　L—支撑点之间的距离，m；　α—线膨胀系数，m