罐類設備中物料的溫度調節通常有幾種方式：①直接將加熱或冷卻介質直接與物料接觸；②通過罐體的夾套傳熱；③使用換熱器。在溫度調節過程中，溫控儀根據溫度傳感器反饋的溫度信號，控制加熱或冷卻介質的通入時間和強度來實現對罐內物料溫度的控制，以滿足工藝的要求。通常由罐類設備結構、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的溫度控制系統
該系統設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。該設計中，蒸汽和冷媒直接通入夾套，因為與罐內物料的溫度不同，會通過罐壁發生熱量傳遞，使物料的溫度升高或降低。系統利用通入蒸汽或冷媒的持續時間和強度大小，來實現對罐類物料的溫度控制。罐體夾套通入加熱或冷卻介質的溫度控制系統普遍使用于溶液配制罐和物料儲存罐，以及一些反應罐的溫度控制。
①冷媒不回吹的溫度控制系統
冷媒不回吹的溫度控制系統如圖1，當物料不需要溫度控制時，夾套內不通入蒸汽或冷媒。當罐內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物料，使其升溫或維持高溫。溫度控制結束時，停止蒸汽的通入，從夾套上部通入壓縮空氣對夾套內剩余的蒸汽和冷凝水進行吹掃，待吹掃干凈后關閉壓縮空氣。當罐內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。降溫熱結束時，停止冷媒的通入，從夾套上部通入壓縮空氣將夾套內剩余的冷媒吹掃進排污管道，待吹掃干凈后關閉壓縮空氣。夾套管路中需要設置安全閥，防止夾套的壓力過大造成安全事故。罐內需要設置溫度傳感器，監控物料的實時溫度。夾套冷凝水排放處需要設置疏水閥，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蒸汽或冷媒的通入時間和強度，并根據物料的實時溫度及時做出反饋調節。冷媒不回吹的溫度控制系統在制藥行業中廣泛使用于冷卻介質為水的溶液配制罐和物料儲存罐，以及一些反應罐的溫度控制。
圖1 冷媒不回吹的溫度控制系統
②冷媒回吹的溫度控制系統
當出于節約運行成本或減少污染物的考慮，需要盡量多地重復利用冷媒時，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一樣。當溫度控制結束時，停止冷媒的通入，從夾套上部通入壓縮空氣進行吹掃，將夾套內剩余的冷媒吹入回流管道進行回收。制藥生產中，當罐類設備的冷卻介質不采用水，而采用乙二醇等溶液時，可以采用此設計方案。
圖2 冷媒回吹的溫度控制系統
2、加熱或冷卻介質直接通入罐內的溫度控制系統
加熱或冷卻介質直接通入罐內的溫度控制系統的原理為混合式換熱，其特點是冷熱流體在罐內以直接混合的形式進行熱交換。該設計中，蒸汽和冷媒通入罐內，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，該設計傳熱系數和換熱面積都得到較大的增加，具有傳熱速率高、設備簡單等優點。系統控制通入蒸汽或冷媒的持續時間和強度大小，來實現對罐內物料的溫度控制。但該系統的加熱或冷卻介質因為直接接觸物料，所以需要進行風險評估，以確保他們對物料的適用性無不良影響。
加熱或冷卻介質直接通入罐內的溫度控制系統如圖3，當物料不需要溫度控制時，罐內不通入蒸汽或冷媒。當罐內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與物料混合。加熱結束時，停止蒸汽的通入。當罐內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與物料混合。降溫結束時，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，因此采用此方式進行溫度控制時，需要考慮達到預期溫度控制效果時蒸汽和冷媒的添加量。該系統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。
圖3 加熱或冷卻介質直接通入罐內的溫度控制系統
3、通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統
通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統原理為間壁式換熱，該溫度控制系統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，流經夾套時通過罐壁與物料進行熱交換，對罐內物料進行溫度升降或維持控制。載熱體可以為水，也可以為導熱油等。系統通過換熱器對熱載體進行溫度調節，并通過夾套的間壁式換熱來實現對罐內物料的溫度控制。系統需要設置閥門用于載熱體的更換和補充，也需要設置膨脹罐或膨脹槽以維持回路中載熱體壓力的穩定。
通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統如圖4，當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。當罐內物料需要升溫或維持高溫時，控溫回路中的載熱體被加熱，然后攜帶熱量經過夾套，通過罐壁傳遞給罐內物料，使物料升溫或維持高溫。當罐內物料需要降溫或維持低溫時，控溫回路中的載熱體被冷卻，然后低溫狀態流經夾套，通過罐壁帶走罐內物料的熱量，使物料降溫或維持低溫。溫度控制結束時，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，也可以在回路上設置壓縮空氣接入口，對整個回路或夾套部分進行吹掃。罐內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，過程需要經過兩次間壁換熱，所以換熱效率不高，但此系統可以實現較高的溫度控制精度。該系統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生型設計要求，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工序，例如血液制品生產中的巴氏滅活罐或S/D滅活罐，可以采用此溫度控制系統。
圖4 通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統
4、通過控溫回路進行罐內直接控溫的溫度控制系統
通過控溫回路進行罐內直接控溫的溫度控制系統原理為間壁式換熱，該溫度控制系統由一個控溫回路與罐類設備組成循環系統，控溫回路由管道、泵、換熱器、儀表等組成。物料儲存在罐類設備中，通過泵在控溫回路中不斷循環，在流經換熱器時被加熱或冷卻，然后流回罐內與其他物料混合，罐內的溫度儀表反饋調節換熱器的蒸汽或冷媒的通入時間和強度，實現對物料的溫度控制。
通過控溫回路進行罐內直接控溫的溫度控制系統如圖5，當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。當罐內物料需要進行溫度控制時，開啟回路中的泵，使物料在罐類設備和控溫回路中循環，物料在流經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，通過不斷循環來使物料的溫度調節或維持在合適的溫度。此設計方案中，罐內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，而且此系統也可以實現較高的溫度控制精度。在該設計中，物料需要在控溫回路中循環，所以該系統中接觸物料的部分均需要滿足GMP的相關要求，不得對藥品質量產生任何不利影響，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直接控溫的溫度控制系統適用于能夠集中儲存，需要同時供應多個使用點，對溫度要求較高且耐受劇烈攪動的物料系統，例如制藥用水分配系統和血液制品生產中的低溫乙醇系統的溫度控制。
圖5 通過控溫回路進行罐內直接控溫的溫度控制系統
應用分析
不同生產工藝對物料的溫度控制要求不同，設計者要根據不同工況選擇不同的設計方案。以上提到的幾種設計方案是基本的設計方案，實際應用中，除了可以單獨使用某種設計方案外，還可以對某種設計方案進行簡化，或者幾種設計方案變化組合使用。
以下介紹幾種典型的應用方案：
①溶液儲存罐
常規溶液儲存罐，通常只需要冷卻功能，且溫度不高于規定溫度即可，此工況下，可以簡化加熱或冷卻介質直接通入夾套的溫度控制系統，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計
②生物廢棄物滅活罐
生物廢棄物滅活罐可以結合加熱或冷卻介質直接通入罐內的溫度控制系統和加熱或冷卻介質直接通入夾套的溫度控制系統的特點，設計成蒸汽通入罐內混合加熱，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工藝較為復雜的罐類設備
對一些工藝較為復雜的罐類設備，如發酵罐，在培養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直接通入夾套的溫度控制系統和通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統，具體可見圖8。在控溫回路上加入蒸汽和冷媒的接入口， 在培養基滅菌時采用加熱或冷卻介質直接通入夾套的溫度控制系統，提高換熱的效率，縮短工序時間。而在發酵培養時，采用通過控溫回路進行夾套間接控溫的溫度控制系統，確保培養溫度的穩定和精確， 使生產嚴格按照確定的工藝進行。
圖8 培養基快速滅菌和發酵過程精確控溫的發酵罐溫度控制設計
罐類設備溫度控制除以上列舉工況外，還有很多其他工況。在進行罐類設備溫度控制系統工程設計中，需要在滿足生產工藝的前提下，綜合考慮建造成本和法規要求，設計出符合各種要求的溫度控制系統。文中幾種溫度控制系統的設計思路和運行方式，在實際生產過程中獲得了較好的應用，同時這些控制方案可以作為溫度控制方案的設計參考。
作者：嚴留俊
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