过滤洗涤干燥三合一设备设计报告.docx

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过滤洗涤干燥三合一设备设计报告

过滤、洗涤、干燥三合一设备

设计研究报告

项目完成单位：

总裁：

环保副总裁：

项目负责人：

报告编写人：

报告完成时间：

2012年3月

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目录

1前言..........................................................................................................2

2设备工作原理及功能特点.....................................................................2

2.1设备工作原理.................................................................................2

2.2设备功能特点.................................................................................4

3设备结构设计及相关技术要求.............................................................5

3.1设备结构设计.................................................................................5

3.2相关技术要求.................................................................................7

4设备相关参数说明..................................................................................9

5应用及经济性评价................................................................................10

5.1应用...............................................................................................10

5.2经济性评价...................................................................................10

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1前言

过滤、洗涤、干燥是化工医药食品等行业十分重要的单元操作，一般由过滤机、打浆槽以及干燥机等多个设备来完成。

这些设备分别对应各自的配套装置，因而占地面积大、造价贵，单元与单元间物料的搬运或输送较困难，不但劳动强度大，还易造成物料的走失和浪费，而对易燃易爆、有毒或剧毒的物料或不允许有污染的生物制品、药品、食品等，要求密闭操作，此时各单元操作间物料的输送难度就更高，有时常常会由此而使整套装置处于不能完全正常操作的状态，有的装置虽能操作，但劳动强度大、生产周期长、能耗大、效率低甚至影响产品质量等。

针对上述情况，瑞士、日本以及美国等国从20世纪80年代起曾先后研发具有过滤、洗涤以及干燥等功能的设备，该类设备使物料的过滤、洗涤、干燥等多种操作在一台设备内完成，大大缩短了工艺流程，减少了设备投资和厂房的投资，已在化工、制药、食品、冶金等领域得到广泛使用。

我国从20世纪90年代开始研发生产这种集过滤、洗涤、干燥于一体的多功能设备，目前，国内一般通过测绘仿制自行研制、引进技术等方法进行设备的研制，虽然可实现在同一台设备中完成药物结晶后的固液分离和干燥，但由于制造方式不同以及在如何符合GMP验证的要求和药厂内部质量管理规程方面，尤其是把该设备应用于无菌药物的生产时，还有许多需改进提高的地方。

针对上述国内过滤、洗涤和干燥三合一设备存在的问题，结合“过滤、洗涤、干燥三合一设备的技术开发与应用“项目的研究要求，课题组进行了全面细致的研究工作，着重进行了设备的程序控制系统及各种工作条件下设备结构和工艺的设计，以达到量产化生产三合一设备的国家标准。

通过科学细致的研究和分析，课题组已基本完成了本项目的设计研究任务，并编写提交本设计研究报告。

2设备工作原理及功能特点

2.1设备工作原理

“三合一”设备的工作原理：

“三合一”设备是在一个密闭容器中把结晶后的固液混合物利用滤饼前后的压力差为推动力进行固液分离，并在同一设备完成过滤→清洗→再过

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滤→再清洗→过滤或压滤→干燥等工艺过程。

因此，无论是初过滤还是清洗后的再过滤，都是滤饼方式的过滤，即在一个压力差为推动力的作用下，使结晶后的晶体与液体的固液混合悬浮液经过多孔烧结网板，使晶体（固体状的颗粒）被截流在过滤介质的上面，而母液（液体）则经过介质而分离出来。

（1）过滤速率的计算

“三合一”设备的过滤原理为滤饼过滤，在过滤的过程中，晶体颗粒被截留在过滤介质的一侧，而不断增厚的滤饼层也逐渐形成了一个过滤介质层，而在介质的另一侧是滤出的清液。

由于滤饼的可压缩性，随着滤饼层厚度的增加使其也越来越紧密，与之产生的过滤阻力也随之增大，而对滤饼两侧外加的压力差（或用压缩气体或抽真空）即为过滤过程的推动力，因此，可由下列公式中推算出过滤速率：

P?

过滤过程中的推动力=过滤速率

过滤介质层的阻力其中，过滤速率指的是在单位时间通过单位过滤面积所得的过滤后的液体量。

推动力P可由施加于过滤介质两侧的压差计算获得。

阻力来自于两个方面，一是过滤网介质?

层的阻力，另一个是滤饼层的阻力。

各类结晶在过滤过程中形成的

滤饼层的阻力可以经过小样试验求出。

（2）洗涤与洗涤时间

晶体洗涤的作用是把残留在滤饼中的滤液或者把溶于洗涤剂中的可溶物逐步置换掉，保证药物晶体的纯度，它的原理是置换作用。

然而，洗涤时间也可先做小样试验再决定。

洗涤阶段一般分3个阶段，初始洗涤阶段，清洗出大部分母液；中间洗涤阶段，其洗涤剂中的母液含量越来越少；后洗涤阶段，滤饼中大部分母液已被置换出来，滤饼层中的结晶颗粒为纯净的药物结品固形物。

洗涤时间不是越长越好，而是从小样试验中找出一个最经济合适的时间及洗涤次数。

（3）滤饼厚度

在选择“三合一”设备（尤其在决定过滤面积大小）时，应先推算一下晶体滤饼的厚度，根据下列经验公式可以估算出滤饼的厚度：

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W4H=

2?

D?

ddHW为湿滤饼的比容，为湿滤饼的重量）。

；（kg）；（g/ml式中，（为湿滤饼的厚度mm）dWD可以做小样试验得出，）；其中，三合一”过滤板的有效直径和（m拟选定的“计算出来的滤饼厚度可与下列表（参考数值）中经验数值比对，如果厚度值靠近选定的规格，则说明选择正确。

若有偏差则再选择其他数值的直径，计算后进行比对，找出最佳滤板直径。

除了结晶非常松散极易过滤的物料外，当滤饼厚度超过500mm以上，由于在滤饼层产生阻力也越来越大，过滤时间加长，过滤效率下降，因此建议不宜随意增大滤饼的厚度。

2.2设备功能特点

经实际生产验证，本项目开发的设备具有结构简单、操作方便及一体化等特点，具备在位清洗和在位灭菌功能，符合GMP（GoodManufacturingPractice）对原料药生产设备的要求，避免了环境对物料可能产生的污染。

具体可实现以下几部分功能：

搅拌过滤功能结晶罐中结晶后的物料（固液混悬物）进行搅拌均匀，然后过滤进行晶体与母液的固液分离。

滤饼清洗过滤功能滤饼的淋洗或置换清洗，对易清洗的物料，可以不翻起晶体的滤饼层进行清洗、过滤。

对于难于清洗的物料，可搅起晶体的滤饼层，用洗涤剂进行置换清洗及过滤，可进行一次，也可以反复进行几次，直到清洗干净，达到工艺要求为止。

脱液延展功能对滤饼进行压碾，除去滤饼中的龟裂缝，克服过滤中的断路现象，用压空或真空方式，使过滤顺利进行，固液分离清晰。

干燥出料功能低温真空干燥达到干燥标准指标后，可以自动出料。

真空干燥时，抽真空可由罐体上面抽，也可以从罐体滤板下方抽，同时在筒体夹套、搅拌轴、浆叶通入恒温热水对物料进行加热，从而达到干燥的目的。

干燥后，开启搅拌阀和排料阀进行自动出料。

CIP和SIP功能工艺操作结束后，在筒体内和排料阀腔中对整个筒体和排料阀进行在位清洗（内部均安装旋转喷淋球）清洗后再用蒸汽灭菌，完成CIP和SIP功能过

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程。

3设备结构设计及相关技术要求

3.1设备结构设计

本项目开发的过滤、洗涤、干燥“三合一”设备的结构示意图，如图1所示，主要有过滤、洗涤、干燥机组本体、搅拌装置、过滤盘与底座、排料装置、液压装置及控制箱等组成。

（1）过滤--洗涤--干燥机组本体

过滤--洗涤--干燥机组本体称为“筒体”，是一个带有夹套装置的受压容器（夹套可以是半管夹套或蜂窝夹套）。

由椭圆形封头及圆柱形筒体焊接而成，封头顶部配有搅拌装置接口、（人/手）孔、灯视镜、（压力/真空）表口、进料口、清洗剂或洗涤液的进料

图1“三合一“设备结构示意图

口、旋转喷淋球安装口、真空或压缩气体（净化或惰性气体）口及安全阀口等；筒体侧面有排料口（兼取样与验证用）。

夹套外面有保温层，最外层为304板材装饰保持本体，便于表面清洁。

（2）搅拌装置

搅拌装置由电机、减速机、轴封装置、搅拌轴、搅拌浆叶和变频器组成。

电机选用

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防爆电机；减速机的减速箱整体锻造而成，齿轮采用优质合金经渗碳淬火处理进行加工，用于增强减速机的承载能力；轴封装置采用机械密封，为防止泄露，在主轴外面加一道不锈钢（316L）波纹管套，其两端头固定在机械密封装置与搅拌浆叶上；搅拌轴采用空心结构，可通入热媒介质使其与空芯浆叶连通，在筒体内起到对物料干燥时的加热作用；根据过滤面积的大小，搅拌桨叶为“S”型双桨叶结构；变频器，安装于控制箱内，用来控制搅拌轴的转速。

（3）过滤盘与底座

过滤盘与底座组件由过滤板、支撑环、底盘（座）及脚轮组成。

其中，过滤板采用固体性的多孔物质烧结而成的烧结板，单层结构，材质选用316L，孔径在5～50μm范围内（根据物料性状决定）；支撑环由过滤花板及支撑架组成，用来支撑烧结过滤板，二者焊接而成，然后固定在地盘上；底盘下置夹层可通入热媒对干燥物料起加热作用，而过滤板（片）支撑环花板则全部与底盘联结，底盘再通过卡箍与“三合一”机组本体相连结。

（4）排料装置

本体圆筒下侧面设置排料阀，并与设备本体内壁紧密吻合。

其中，阀杆外

面套有波纹管，材质选用316L，在阀腔中配置自动清洗装置，而阀腔下方出料口配有卡箍式快开盲板，平时闷住排料阀出口，出料时打开。

排料阀可全自动液压开/闭，也可以手动操作。

（5）液压装置

液压系统由液压缸、分流阀、电机、油泵、引导止逆阀、流量阀、滤油器空气滤清器、压力表组、油箱、油路板及油路管组成。

液压系统用于自动打开或关闭底盘及排料阀，控制底盘的上升或下降，同时用于搅拌轴在垂直方向的上升或下降。

（6）控制箱

控制箱一部分置于配电机中，一部分放在机组周围，便于操作控制。

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3.2相关技术要求

（1）设备选用要求

由于本项目设计的设备为无菌级设备，因此，该产品需进行无菌、热源以及澄明度等指标检测，且设备操作方式采用机电一体化的模块式自动操作模式。

（2）制造要求

筒体材质以及选用316L不锈钢制作，进行表面抛光处理（机电抛光+电抛）Ra<0.3μm。

筒体内部设置的清洗球、搅拌轴、浆叶、搅拌轴套（耐压波纹管）及功能管接口的材质选用316L不锈钢，进行表面抛光处理（机电抛光+电抛）Ra<0.3μm。

自动卸料阀为无积液结构，其材质选用316L不锈钢，并进行表面抛光处理（机电抛光+电抛）Ra<0.3μm，阀杆套选用聚四氟波纹管或耐压不锈钢波纹管。

设备上部的搅拌装置（电机、减速器等），材质选用304不锈钢，电机减速器为固定式减速器，固定部分用304不锈钢外罩壳包起来，便于清洁，使其更加符合GMP规范中无菌管理的清洁卫生制度的要求。

滤板、盘、支撑架，无菌级设备用316L不锈钢制作，进行表面抛光处理（机电抛光+电抛）Ra<0.4μm。

（3）设备控制要求

控制系统采用可编程控制器（PLC）集中控制，并配备集散控制系统（DSC）。

“三合一”设备控制部分按常规配置，分为两部分，一是控制箱，另一个是操作箱，为便于现场（在洁净室内）操作及临场控制，系统采用触摸控制（HMI），对工艺操作和整个机组进行监控。

做法是：

控制箱放在现场（洁净区）防爆区域内，所以必须使用防爆结构，如果把触摸屏放在洁净区内进行操作，则触摸屏也必须是防爆型产品。

控制柜放在非防爆区域，采用非防爆结构。

三合一”设备的控制系统可控制搅拌浆叶的正转（顺时针）/反转（逆时针），而浆叶的转速调整则由机组的变频调速器进行直接控制。

搅拌浆叶的升降、过滤板盘的升降、

页共页第811卡箍的开/关、排料阀的开/关等工艺操作过程均由PLC控制的液压系统中的电磁阀来完成。

在控制系统中设有手动和自动控制功能。

在手动状况下，电机、电磁阀均可以按工艺过程进行控制和操作。

在安装完毕初期调试时，必须先用手动操作，对各类工艺参数进行测试、调整。

另外，当设备正常自动运行遇到意外情况时，需紧急停车，即可用手动方式对故障进行排除。

整个控制过程包括：

搅拌、过滤、清洗碾压、抹平、干燥、排料及排料阀的清洗等过程。

在自动控制时，也应该对工艺中每个工序都能有效地控制操作，而每个工序也可以进行组合，连续运行。

（4）设备安装及系统配置要求

设备安装于1万级洁净厂房，与结晶罐邻近分开安置（也可以同置于一室），并由卫生级管路连结。

凡进入“三合一”设备中的物料，如晶体与母液混合浮悬液、压缩气体纯化水、注射用水、清洗剂（溶剂）等均需进行无菌过滤后方可加入筒体里面。

系统安装流程图，如图2所示，主要外接口有原料液进入、空气及氮气进入口、真空抽出管道、滤液排出管道、热水进出管道及固体物料排出，此外还可以根据工艺要求配备一定种类的外接管道。

图2“三合一“设备安装流程示意图

（5）设备控操作要求

1）进料过程开启容器上部的进料阀，把已经在结晶罐或反应罐中结晶好的物料放入“三合一”筒体内，并搅拌均匀。

2）过滤甩干过程可以选用加压方式过滤或抽真空方式进行抽滤，同时也把搅拌浆叶降到晶体滤饼表面，进行压碾并过滤；

3）淋洗晶体（物料）由容器上部的清洗球中加入规定的清洗球（液），喷淋球到晶体滤饼的表面进行抽滤清洗（又称置换清洗）；

4）搅拌清洗淋洗后可以再从清洗喷淋球中加入清洗剂（液），并开启搅拌顺时针方向旋转，把晶体滤饼粉碎松开使其与清洗液充分混合呈糊状，并通过搅拌对晶体进行搅

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拌清洗；

5）压碾过滤、脱液；

6）对晶体物料的表面进行机械性压碾，开始搅拌按逆时针旋转，一边压碾晶体表面，平整并修复滤饼上的裂纹；一边继续进行加压过滤或抽真空过滤；

7）开启真空阀门对筒体内进行减压，同时开夹套加热循环系统（筒体、筒底、搅拌轴、浆叶），按工艺规定的温度进行真空干燥，届时也可以开搅拌，顺时针转动粉碎松开滤饼加快干燥，或更换方式用通入干燥的热空气对物料进行热空气干燥。

8）按生产工艺规定的条件（时间、温度、真空度、水分）进行物料干燥，符合质量标准后，顺时针启动搅拌使干燥好的物料通过旋转的浆叶移到排出口，经排料阀自动排出。

9）卸料完毕后，即可对筒体、排料阀进行在位清洗与在位灭菌。

4设备相关参数说明

主轴：

空心轴，需通入热媒介质；

容器的表面处理：

（机械抛光+电抛）Ra<0.3

轴套：

圆弧形波纹管套

功能性管接口：

拨管（过度管）再焊平接头

轴密封：

单、双端面机械密封

排料阀：

自动排料

搅拌浆叶：

S型双浆叶或三浆叶

设备主材料：

316L（与物料接部分全部为316L）

过滤板材料：

316L多层烧结板

驱动部与轴的移动方式：

驱动部件不动，仅主轴上下移动，减少震动

过滤板安装方式：

凸起形式（便于密封）

底座安装方式：

卡箍连结方式

CIP功能：

必须具备CIP功能

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SIP功能：

必须具备SIP功能

减速机速比：

I=46.3

5应用及经济性评价

5.1应用

从上述分析看出，本设备的过滤面积受设备直径限制，不可能很大，因此适合易于过滤的物料：

固形物为结晶体，滤液粘度小、表面张力小，即非粘性松散型物料。

制药、农药及其他精细化工生产流程的下游，往往是结晶-过滤-洗涤-干燥，固形物为结晶体，滤液及洗液大多是有机溶剂，其粘度小、表面张力小、溶剂价高必须加以回收。

一般说来，易于过滤的物料也易于干燥，由于有机溶剂易于挥发，蒸发潜热小，干燥所需的热量较少。

5.2经济性评价

（1）减少流程物料损耗，增加收益。

以生产能力的500t/a为例，由于密闭操作，减少物料损耗以20%计，则1年增收10t。

若每吨售价6万元（如抗氧剂），则1年增收60万元；

（2）缩短流程，减少设备，降低投资。

以能力为500t/a为例，一台直径1600mm多功能设备需30万元，而购置离心机、洗涤槽及干燥机，估计需45万元，则节省投资15万元；

（3）溶剂回收，增加收益。

采用多功能设备比常规的设备多回收溶剂，若1年多回收100t，去除动力费等消耗，按1t溶剂0.2万元计，则1年增收20万吨；

（4）由于密闭操作，产品不被污染，可无菌操作。

也减少了对环境的污染；

（5）缩短生产周期，可实现过程自动化，提高产品质量，减少操作工人；

（6）减少占地面积。