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 智能低溫膠體磨的計算化的創(chuàng)新設(shè)計論文

溫州昊星機械設(shè)備制造有限公司  楊劍英  郵編325025

【摘要】目的：探索高速智能管線式低溫膠體磨的創(chuàng)新設(shè)計理念科學(xué)合理的計算機化操作和低溫控制冷卻系統(tǒng)驗證方法，以確保各類智能化裝備和信息化系統(tǒng)的GMP合規(guī)性，為低溫膠體磨管線式制造行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)自動化、信息化提供有效的合規(guī)性途徑。方法：通過對很新的能低溫膠體磨創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)特點分柝和國內(nèi)外GMP法規(guī)和指南中關(guān)于計算機化系統(tǒng)的要求的解讀，結(jié)合膠體磨在數(shù)據(jù)完整性、計算機系統(tǒng)方面的常見缺陷，提出計算機化系統(tǒng)驗證的基本要求和思路。結(jié)果與結(jié)論：結(jié)合目前國內(nèi)低溫膠體磨系統(tǒng)在物料粉碎過程中，其冷源形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)，使能源得到充分利用和行業(yè)計算機化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及法規(guī)要求，只要能合理運用基本的計算機化系統(tǒng)驗證方法，就可以滿足合規(guī)性的要求。 
  【關(guān)鍵詞】高速管線式設(shè)計；低溫膠體磨系統(tǒng)驗證；計算機化系統(tǒng)；GMP合規(guī)性；細(xì)度

0引言 
  當(dāng)前，中國膠體磨的大部分是中小型企業(yè)，不到十幾家公司。即使與其他國內(nèi)機械行業(yè)相比，在設(shè)備和技術(shù)方面也存在很大差距。2000以前在大型制藥，食品，石油化工，催化劑和合成脂管道等重大項目中，配套膠體磨主要依靠進(jìn)口。僅有昊星科技能夠獨立研究和開發(fā)高端產(chǎn)品。因此，昊星公司研發(fā)流體含顆粒超微級或納米級剪切分散粉碎研磨是代替進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化改造必然性。我國制藥行業(yè)的工業(yè)自動化和信息化水平，相對于其他領(lǐng)域仍比較薄弱，制藥行業(yè)的特殊性是其中一個重要的影響因素。制藥行業(yè)生產(chǎn)的是藥品，而藥品作為一種特殊的商品在藥品的整個生命周期各階段，從研發(fā)，臨床、生產(chǎn)、配送、經(jīng)營等都需要遵守相應(yīng)的質(zhì)量管理規(guī)范(通稱為GxP)，嚴(yán)格的法規(guī)監(jiān)管導(dǎo)致一些新型的、創(chuàng)新技術(shù)制藥行業(yè)中難以有效推廣。 
  隨著2015年我國政府發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺，制造業(yè)向智能化方向的轉(zhuǎn)型升級，即智能制造將作為信息化與工業(yè)化深度融合的主攻方向[1]。因此，近年來智能裝備和分析儀器、自動化和信息化系統(tǒng)等在制藥行業(yè)內(nèi)快速發(fā)展，相關(guān)的計算機化系統(tǒng)在法規(guī)符合性的問題也日益突出。盡管國家食品藥品監(jiān)督管理總局已于2015年后發(fā)布公告，自2015年12月1日起實施GMP附錄《計算機化系統(tǒng)》[2]，提供了可靠法規(guī)依據(jù)，且藥品生產(chǎn)企業(yè)在計算機化系統(tǒng)的運用和驗證等方面也有了極大的需要。但是，相對于歐美發(fā)達(dá)國家而言，我國的相關(guān)法規(guī)還不完善，落實到具體的實施層面上，還存在對法規(guī)理解不一致，驗證方法不明確等情況。因此，有必要結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外很新的法規(guī)要求和發(fā)展趨勢，提出科學(xué)合理的計算機化系統(tǒng)驗證方法，以保障國內(nèi)制藥行業(yè)在合規(guī)的前提下，膠體磨廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和民生的各個領(lǐng)域。由于需要適應(yīng)各種工況的要求，向高速智能低溫膠體磨制造的水平快速發(fā)展有著廣闊前景。

1 計算機化系統(tǒng)的合規(guī)性要求

目前，國內(nèi)適用于計算機化系統(tǒng)的現(xiàn)行法規(guī)是2010版GMP附錄《計算機化系統(tǒng)》，其首條明確了適用范圍和定義：“本附錄適用于在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理過程中應(yīng)用的計算機化系統(tǒng)。計算機化系統(tǒng)由一系列硬件和軟件組成，以滿足特定的功能”[2]。同時，也對計算機化系統(tǒng)的驗證、軟件分級、權(quán)限管理、變更管理、數(shù)據(jù)完整性等方面作了規(guī)定。

特別指出的是，隨著近年來越來越多的數(shù)據(jù)造假問題在全球藥品監(jiān)督檢查中被發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)完整性也已經(jīng)成為制藥行業(yè)內(nèi)一個重要的議題，自2015年以來各國藥監(jiān)機構(gòu)和國際組織相繼推出了數(shù)據(jù)完整性相關(guān)的法規(guī)和指南。對于計算機化系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)完整性體現(xiàn)在電子數(shù)據(jù)上，相比紙質(zhì)記錄更容易發(fā)現(xiàn)問題，隨著各類計算機化系統(tǒng)在制藥行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，電子數(shù)據(jù)問題得以集中體現(xiàn)。我國也已經(jīng)于2018年1月5日再次發(fā)布《藥品數(shù)據(jù)管理規(guī)范（征求意見稿）》，明確規(guī)定了數(shù)據(jù)管理是藥品質(zhì)量管理體系的一部分，應(yīng)當(dāng)貫穿整個數(shù)據(jù)生命周期[3]。該規(guī)范還對電子數(shù)據(jù)、計算機化系統(tǒng)提出了非常具體和明確的要求。

相比國內(nèi)而言，國外的計算機化系統(tǒng)在制藥行業(yè)的應(yīng)用起步較早，除法規(guī)要求外，還有很多相關(guān)的指南文件，在自動化系統(tǒng)驗證、軟件驗證、數(shù)據(jù)完整性等方面都有非常具體的定義和指導(dǎo)，我國制藥行業(yè)可以結(jié)合國內(nèi)的法規(guī)要求，制定出合理的計算機化系統(tǒng)驗證方法，以滿足法規(guī)要求。

2 計算機化系統(tǒng)的驗證方法

通用的計算機化系統(tǒng)驗證方法，主要參考由國際藥物工程協(xié)會（ISPE）出版的第5版GAMP，GAMP即“Good Automation Manufactory Practice”（良好自動化生產(chǎn)實踐指南）[4]，這也是目前國際上認(rèn)可的計算機化系統(tǒng)驗證通用指南。

實驗室相關(guān)的計算機化系統(tǒng)驗證可參考?xì)W洲藥品質(zhì)量管理局（EDQM）于2018年8月修訂的Validation of Computerised Systems《計算機化系統(tǒng)驗證指南》，它主要包括了實驗室常用的Excel計算工作表驗證及實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）等復(fù)雜系統(tǒng)的驗證方法[5]。軟件驗證可參考美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的General Principles of Software Validation; Final Guidance for Industry and FDA Staff《通用軟件驗證指南》 [6]。

3低溫膠體磨系統(tǒng)驗證

昊星科技研制高速智能管線式膠體磨創(chuàng)新設(shè)計有多方面創(chuàng)新，并用戶自行配置計算機S/D自動化遠(yuǎn)程控制，并根據(jù)要求可以設(shè)置具有使用冷卻液等冷源不與研磨介質(zhì)接觸，只作為間接冷卻媒體，實現(xiàn)超低溫粉碎，物料的隔爆，防氧化而不污染物料符合GMP標(biāo)準(zhǔn)等綜合效果，而被粉碎后的物料保持著原生狀態(tài)。整體膠體磨研磨系統(tǒng)和過濾器、補償裝置、傳動裝置、智能溫控等機械組成為新型智能膠體磨機組，只需在線連接進(jìn)料和出料或回流管道即能在密閉條件下運行的機械化、自動化程度高好，高速管線式膠體磨是一種新型分散、均質(zhì)、混合、高剪切超微粒研磨等多功能。廣泛應(yīng)用于二氧化鈦、白炭黑、硅油、碳黑、化學(xué)助劑:消泡劑、發(fā)泡劑、催化劑、消光劑、膠粘劑、顏料、阻燃材料、涂層漿料、乳化油、瀝青、煤漿、石墨烯、納米材料等食品、化工、制藥、日化、生物工程、水處理、礦產(chǎn)、新能源等行業(yè)領(lǐng)域。

低溫膠體磨為第四代新型膠體研磨機，該系統(tǒng)以制冷源為間接媒源與介質(zhì)無任何接觸，被粉碎物料通過冷卻在低溫下狀態(tài)后，進(jìn)入機械粉碎機腔體內(nèi)通過膠體研磨輪(定子和轉(zhuǎn)子)相對高速旋轉(zhuǎn)，物料與葉片，齒盤，物料與物料之間的相互反復(fù)沖擊，碰撞，剪切，混合、攪拌、乳化、均質(zhì)、研磨、摩擦等綜合作用下，達(dá)到超微粒粉碎的理想效果。

低溫膠體磨巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計避免了物料的污染、研磨粉碎時出現(xiàn)的升溫。由于研磨輪的轉(zhuǎn)速比較低，從而大大減少了因摩擦產(chǎn)生的熱量;冷卻液從冷卻腔直冷粉碎室?guī)С鑫锪系耐瑫r，也帶走了熱量。所以，在常溫下，其介質(zhì)溫度會隨著處理時間延長也隨之下降，可根據(jù)低溫膠體磨和制冷裝置匹配率設(shè)為在0-25℃、25-45℃等多個檔次控制調(diào)節(jié)范圍，完全可以滿足大多數(shù)用戶的需求，針對對低溫要求比較高的特殊用戶，該系列機型可加載水冷卻系統(tǒng)處理能力，且無需加大占用面積，從而達(dá)到更好的低溫效果。

低溫膠體磨系統(tǒng)在物料粉碎過程中，其冷源形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)，使能源得到充分利用，節(jié)省能耗：在研磨粉碎時，處理的物料(固液混合物)在冷源溫度調(diào)節(jié)下長期保持至溫度0-25度的低溫24小時連續(xù)運行，根據(jù)物料的特性溫度，在低溫膠體磨的研磨粉碎過程中其溫度可調(diào)控，選擇很佳粉碎溫度，降低能耗，粉碎細(xì)度可達(dá)到10-700目，甚至達(dá)到微米μ等細(xì)度，區(qū)別于低溫粉碎機采用液氮冷源加注到介質(zhì)直接進(jìn)行冷凍，本設(shè)備優(yōu)點：使用冷卻液等冷源不與研磨介質(zhì)接觸，只作為間接冷卻媒體，實現(xiàn)超低溫粉碎，物料的隔爆，防氧化而不污染物料等綜合效果，而被粉碎后的物料保持著原生狀態(tài)。

3.1 設(shè)有過濾器和多向位移的補償裝置等保護(hù)方面系統(tǒng), 使研磨泵性能更加穩(wěn)定和運行更安全。

3.2 高速管線低溫式膠體磨的組裝接觸面的密封均采用O型靜密封,特別是出料口連接密封面的部件改進(jìn)使機器的機械密封所承受壓力方面和密封強度更勝一籌。

3.3 選用衛(wèi)生級優(yōu)質(zhì)材料SUS304、SUS316L等，實現(xiàn)產(chǎn)品材料國產(chǎn)化，提高產(chǎn)品使用壽命主體部位采用不銹鋼材料；定子和轉(zhuǎn)子與物料接觸部件均采用硬質(zhì)合金材經(jīng)特殊工藝制成，其硬度可達(dá)到布氏硬度HB600左右，具有耐磨、抗腐蝕、難變型、精度高。    

3.4采用降低溫度水沖式水冷卻式組合機械密封裝置(昊星科技級水沖式冷卻式機械密封裝置-專利號CN201020608706.3等)夾套式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，克服了機器缺少液料或空轉(zhuǎn)時候的運轉(zhuǎn)摩損缺點，密封精度高,減小了動靜磨體的摩擦，形成流量壓力穩(wěn)定的流場，提高動靜磨體的研磨均勻度，使粉末分散細(xì)度均小于2UM，增強了穩(wěn)定性和密封性，實現(xiàn)零泄露，并在啟動機械時只需接通冷卻水到水沖式冷卻機械密封裝置時，具有冷卻主軸工作溫度和延長機械壽命。

4自動化軟件分級

軟件分級管理也是計算機化系統(tǒng)驗證中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需結(jié)合風(fēng)險評估的結(jié)果來確定。軟件分級方法通常根據(jù)GAMP 5來進(jìn)行，分為基礎(chǔ)設(shè)施軟件（1類）、不可配置軟件(3類）、可配置軟件（4類）和定制軟件（5類）[4]。但是，在企業(yè)實際使用的部分復(fù)雜系統(tǒng)中，如SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）或MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），存在著組合使用COTS（商用現(xiàn)成品）軟件和定制代碼的可能性。

企業(yè)通常是對整套系統(tǒng)軟件進(jìn)行分級，如果定為3類或4類，可能導(dǎo)致部分影響GxP的關(guān)鍵功能沒有被驗證；如果定為5類，可能大大增加了驗證工作的復(fù)雜程度和難度，會給患者安全和產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的風(fēng)險。因此，需要確保有適當(dāng)?shù)娜藛T協(xié)助，對復(fù)雜的計算機化系統(tǒng)的各個功能模塊進(jìn)行分級評估，以確保影響GxP的關(guān)鍵功能都能經(jīng)過驗證。

4高速管線式創(chuàng)新設(shè)計

4.1 設(shè)備進(jìn)料口和出料口均采用管道連接方法，物料通過管道線路進(jìn)行直接的超微粒粉碎、分散、乳化、解聚、均質(zhì)、混合、研磨和輸送等多功能自動一體化連續(xù)生產(chǎn)的過程。

4.2 在調(diào)節(jié)盤后方和定子前面設(shè)置活動墊圈，替代傳統(tǒng)的平面、軸承滑動作用，減少調(diào)節(jié)盤活動公差，并且在無潤滑油的情況下，調(diào)節(jié)盤的調(diào)節(jié)靈巧，結(jié)構(gòu)簡單、精度高，穩(wěn)定好。

4.3 動力傳輸方面：本機器在運轉(zhuǎn)過程中高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生機械離心力的輸出壓力（揚程）可作為泵的動力使用，具有同時輸送物料的功能，并節(jié)約能耗，高線速30-50r/ S運轉(zhuǎn)。

4.4 在位清洗裝置，在不需要打開或拆卸機器和管道連接的情況下，清洗液體直接通過聯(lián)接在位清洗裝置接口進(jìn)行在位清洗，操作方便，快捷靈活，以保證GMP。

4.5 在管線式運行中隨時可以調(diào)節(jié)的定子與轉(zhuǎn)子采用高精密錐形齒輪之間間距的設(shè)計，同時本機器采用定位盤定位結(jié)構(gòu)，使定、轉(zhuǎn)子的間距調(diào)節(jié)進(jìn)退平穩(wěn)，操作簡便，能夠達(dá)到迅速到位。

5 低溫膠體磨結(jié)構(gòu)分類

5.1 進(jìn)料口封蓋開啟方式：封蓋可做半開啟式、人孔式和法蘭封閉式；
5.2 低溫膠體磨與高剪切分散乳化機(間隙式)乳化器使物料分散乳化混合使充分；
5.3 低溫膠體磨與通過控制閥門使物料循環(huán)管道進(jìn)行單一或多次循環(huán)處理
5.4 低溫膠體磨與攪拌機的攪拌器低速攪拌和高速分散相結(jié)合的工作機理使物料分散更均勻
5.5 低溫膠體磨與罐體的罐蓋由罐主體:分為單層或夾層（可按照具體要求和工藝進(jìn)行設(shè)計）
5.6 低溫膠體磨與乳化均質(zhì)機、管線式研磨機(研磨泵)及電子控制柜等配置設(shè)備為全自動設(shè)備。

6 溫度在5-25℃時細(xì)度曲線圖

7 低溫膠體磨技術(shù)參數(shù)

 

結(jié)論

低溫膠體磨系統(tǒng)在物料粉碎過程中，其冷源形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)，使能源得到充分利用，節(jié)省能耗：在研磨粉碎時，處理的物料(固液混合物)在冷源溫度調(diào)節(jié)下長期保持至溫度0-25度的低溫24小時連續(xù)運行，根據(jù)物料的特性溫度，在低溫膠體磨的研磨粉碎過程中其溫度可調(diào)控，選擇很佳粉碎溫度5-25℃，降低能耗，粉碎細(xì)度可達(dá)到1-10目，甚至達(dá)到微米μ等細(xì)度，區(qū)別于低溫粉碎機采用液氮冷源加注到介質(zhì)直接進(jìn)行冷凍，本設(shè)備設(shè)計創(chuàng)新優(yōu)點：使用冷卻液等冷源不與研磨介質(zhì)接觸，只作為間接冷卻媒體，實現(xiàn)超低溫粉碎，物料的隔爆，防氧化而不污染物料等綜合效果，而被粉碎后的物料保持著原生狀態(tài)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中國政府網(wǎng).國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知（國發(fā)〔2015〕28號）[EB/OL].[2018-09-05].http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.  [2] 國家食品藥品監(jiān)督管理總局.國家食品藥品監(jiān)督管理總局關(guān)于發(fā)布《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010年修訂）》計算機化系統(tǒng)和確認(rèn)與驗證兩個附錄的公告（2015年第54號）[EB/OL].[2018-09-05].http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL0087/120500.html.

[3] 中國政府法制信息網(wǎng).藥品數(shù)據(jù)管理規(guī)范（征求意見稿）[EB/OL].[2018-09-05].http://zqyj.chinalaw.gov.cn/readmore?listType=2&id=2332.

[4] ISPE. GAMP 5: A Risk-Based Approach to Compliant GxP Computerized Systems(2008)[S].

[5] EQDM. Revised: “Validation of Computerised Systems” Guideline [EB/OL].[2018-09-05].https://www.edqm.eu/en/news/revised-validation-computerised-systems-guideline.

[6] Food and Drug Administration. General Principles of Software Validation; Final Guidance for Industry and FDA Staff [EB/OL].[2018-09-05].https://www.fda.gov/downloads/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/GuidanceDocuments/ucm085371.pdf.