摘  要：在制藥企業(yè)的凍干粉針劑生產(chǎn)中，對自動進出料系統(tǒng)的需求日益增加。鑒于此，介紹了Azbil Telstar開發(fā)的一種全新的自動進出料系統(tǒng)，其采用了一種非接觸式磁力驅(qū)動機構（又稱磁力螺桿）。該系統(tǒng)通過消除波紋管提高清潔性，可對進入冷凍干燥腔體內(nèi)的所有部件進行滅菌，通過減短前推進器的長度和去除后推動器使得系統(tǒng)布局更加緊湊。

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

       0  引言

        Azbil Telstar擁有超過50年的設計和生產(chǎn)藥用凍干機的經(jīng)驗。對于凍干粉針劑生產(chǎn)而言，西林瓶在凍干機腔室的進出料模式，可采用手動、半自動或全自動操作。雖然一套凍干機全自動進出料系統(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：可減少人工干預，縮短操作循環(huán)時間，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，同時自動進出料系統(tǒng)可配備隔離器裝置，使得人員對有毒產(chǎn)品的操作處理更加安全。

       在設計凍干機全自動進出料系統(tǒng)時，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、設計的考慮事項、強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。

       雖然國內(nèi)外自動化技術有了飛速發(fā)展，但是此類全自動進出料系統(tǒng)技術還沒有太大進展，系統(tǒng)在GMP及其占用空間性方面仍有改進的余地?？紤]到客戶的需求，Azbil Telstar開發(fā)了一種全新的擁有非接觸式磁力驅(qū)動機構的進出料系統(tǒng)，其結構緊湊，易于集成到隔離器和屏障系統(tǒng)（RABS）。該系統(tǒng)具有一個物理屏障來限制污染物進入，并且通過HEPA過濾器實現(xiàn)單向氣流控制，以保持區(qū)域潔凈。

       1  目前的凍干機自動進出料系統(tǒng)

       1.1  雙推桿（Push-push）系統(tǒng)

凍干機雙推桿進出料系統(tǒng)（圖2）包含機器前面的一個長推桿，成列地推進小瓶，直到最后一次推進完成凍干機整個層板的裝載。卸載小瓶時，凍干機內(nèi)有一個后推桿（稱Colt），可以與封閉在筒內(nèi)的幾個推桿一起工作，它們一個接一個地被釋放與耦合，一次接一次地將凍干機箱內(nèi)的小瓶推出。這種配置使得機器布局更緊湊，但是費用更昂貴、結構更復雜。在雙推桿系統(tǒng)中，也可以用一個長的后推桿器來替換Colt，但是這個選項并不常見。

       1.2  推桿+傳送帶（Push-pull）系統(tǒng)

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

       2  凍干機進出料系統(tǒng)的改進

       Azbil Telstar目前對上述兩種進出料系統(tǒng)進行了改進，如圖4所示，以更好地滿 足客戶需求，包括更好地遵循GMP要求，減少占地面積，減少維護操作，通過自動程序更容易地清潔系統(tǒng)。

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

        雙推桿（Push-push）系統(tǒng)可改進的地方就是波紋管。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動可能產(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，并且存在污染的風險。此外，雙推桿系統(tǒng)前面有一個很長的推桿，限制了操作員工的工作空間。

        由于雙推桿系統(tǒng)需要密封長推桿，使得隔離器的設計和RABS的打開或關閉更加復雜。Colt是一種緊湊型的推桿，由轉(zhuǎn)鼓和幾個獨立的推桿組成，這些推桿可以相互連接，形成一個長推桿。它安裝在機器的后面，限制了凍干機冷凝器的設計。

       對雙推桿系統(tǒng)的理想改進方式是將波紋管和推桿從系統(tǒng)中移除或縮短推桿的長度。

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

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

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

       3  磁力螺桿

       3.1  磁力螺桿開發(fā)的意義

       螺桿以其高精度線性輸送物料的特點被廣泛應用于自動運輸系統(tǒng)。然而，對于一個在操作中需要高度潔凈、無菌的生產(chǎn)區(qū)域而言，由于螺桿和螺母之間的接觸會產(chǎn)生顆粒，使得螺桿在無菌區(qū)域的使用受到GMP限制。此外，螺桿和螺母之間通常使用潤滑脂，存在相當大的污染風險。為了避免這些問題，傳統(tǒng)的螺桿需要在潔凈方面進行改進，例如用波紋管隔離。然而，由于波紋管本身結構的限制與泄漏風險，使得最大允許沖程、定期維護、清潔的難度和成本增加。

       鑒于此，磁力螺桿執(zhí)行器被研究和開發(fā)出來，其是通過磁耦合來傳遞驅(qū)動力。磁力螺桿解決了傳統(tǒng)螺桿在制藥潔凈生產(chǎn)應用中的難題，因為磁力螺桿的螺桿和螺母之間沒有直接接觸，因此不會產(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)機械螺桿差，因此設計時必須考慮到這些特性。另一方面，磁力技術的性質(zhì)允許發(fā)生錯位，但不破壞任何機械部件。

        3.2  磁力螺桿的原理

       磁力螺桿由一個螺桿軸和一個螺母組成。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。為了形成一個閉合的磁路，在螺母（磁鐵）周圍有一個磁軛。

       螺桿軸由兩端的軸承支撐，使其能旋轉(zhuǎn)。螺母由導向機構支撐，不能旋轉(zhuǎn)，但能沿軸向移動。當螺母的磁極對準螺桿的螺紋時，其為最穩(wěn)定狀態(tài)。圖5為磁力螺桿的穩(wěn)定位置。當螺桿軸旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生磁極和螺紋之間的相對位移，由此生成一個回復力。圖6為回復力產(chǎn)生的相對位移，然后通過磁耦合來恢復到一個穩(wěn)定的位置。通過這種方式，螺母隨著螺桿軸的轉(zhuǎn)動而線性移動。

       由于相鄰的磁性耦合可能會相互干擾，磁性螺桿中的磁路很復雜，難以計算回復力。因此，可用有限元法（FEM）計算回復力?；貜土拖鄬ξ灰浦g的關系如圖7所示。根據(jù)計算，回復力的峰值出現(xiàn)在45°時產(chǎn)生相對位移，在相反方向135°、在相對位移為0°、90°或180°時沒有回復力。因此，可使用雙螺紋作為螺桿，如果相對位移達到180°，則螺母的磁極與螺桿軸的下一個螺紋相耦合?？杉僭O以180°為一個周期重復。為了將這種機制應用于傳動系統(tǒng)，最為重要的是要考慮峰值推力是否足夠用于進出料系統(tǒng)以及磁力螺桿的剛性對定位精度的影響。

       4  磁力驅(qū)動的自動進出料系統(tǒng)試驗

        4.1  系統(tǒng)配置

       為了試驗新型進出料系統(tǒng)的性能，我們建立了一個全尺寸的測試臺，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為試驗測試臺及其配置，包括以下內(nèi)容：

（1）層板：放置加載小瓶的地方，位于凍干機干燥箱的內(nèi)部。

（2）輸送帶：用于運輸小瓶，并可循環(huán)執(zhí)行耐久性測試。

（3）橋架：作為在輸送帶和凍干機內(nèi)部層板之間輸送小瓶的中間過渡，橋架的       作用是，當轉(zhuǎn)動橋架后可以順利打開或關閉凍干機干燥箱門（在這個模型中，腔體門被省略）。

（4）推進器：用于將小瓶從輸送帶推進到橋架上。

（5）驅(qū)動單元：由磁力螺桿軸和滑動器的導向機構組成，其運行在層板和橋架的兩側，并且由不同的部件組成，可以彼此連接和斷開。

（6）滑動器：包含磁力螺桿的螺母，可以從橋架移動到層板上。它有兩個長桿，橫跨橋架或?qū)影?，用于拉出或推進小瓶。

（7）理瓶機（圖中未顯示）：用于儲存小瓶，并連接到輸送帶，以實現(xiàn)連續(xù)進料和出料。

        4.2  裝載和卸載順序

       裝載小瓶的順序：首先，將小瓶從理瓶機輸送至輸送帶上，并排成一行。接下來，推進器將排成一行的小瓶從輸送帶上推出，再返回待機位置。重復上述步驟，直到所有的小瓶被推出輸送帶。需說明一點，由于推進器的推桿沒有很長的行程，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，滑動器可移動到橋架的末端，并用推桿拉動小瓶以完成整個層板的進料。

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

        4.3  系統(tǒng)特點

        4.3.1  易于清潔

該系統(tǒng)摒棄了原傳統(tǒng)機械螺桿中的小凹槽與孔的結構。圖9為該系統(tǒng)中的螺桿軸外形及其與滑動器（內(nèi)置螺母）的結合示意，可見，磁力驅(qū)動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。由于推進器行程小，且可通過具有旋轉(zhuǎn)密封件的旋轉(zhuǎn)機構實現(xiàn)線性運動，因此推進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)可實現(xiàn)凍干機干燥箱內(nèi)滑動器的SIP或CIP，如圖10所示?？刂苹瑒悠魑灰撇恍枰娫淳€、信號電纜或其他接線，當干燥箱門關閉時，滑動器可以停留在凍干機干燥箱內(nèi)?；瑒悠饔刹讳P鋼和經(jīng)FDA批準的塑料部件組成，具有良好的耐溫和耐腐蝕特性，因此滑動器可以承受化學清洗和蒸汽滅菌過程。

許多其他自動進出料系統(tǒng)需要操作人員手動清理，導致系統(tǒng)可能存在留存污染物的風險。

       4.3.3  系統(tǒng)布局緊湊

       因為滑動器將小瓶從橋架裝載到層板上，所以推進器不需要原來系統(tǒng)的長行程。這樣就使得系統(tǒng)布局更緊湊，如圖11所示，推進器部件對傳送帶前的工作區(qū)域無任何干擾，沒有后推進器，為用戶提高了布局靈活性。

       4  結語

       非接觸式磁力驅(qū)動西林瓶自動進出料系統(tǒng)是為凍干機研發(fā)的一套具有改革性意義的自動進出料系統(tǒng)，是最先進的西林瓶自動進出料系統(tǒng)技術解決方案。其獨特的專利設計，具有非接觸式磁力驅(qū)動滑動器組件和緊湊型前推桿，可輕松安裝隔離器和封閉式RABS，無需波紋管，沒有后推動器和傳送帶機構，可對進入腔體以及和產(chǎn)品有接觸的所有部件進行滅菌。Azbil Telstar這一新開發(fā)的系統(tǒng)將為制藥行業(yè)的客戶提供更好的特別是與凍干機相連的小瓶管理的解決方案。

[參考文獻]

[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.