摘  要：在制药企业的冻干粉针剂生产中，对自动进出料系统的需求日益增加。鉴于此，介绍了Azbil Telstar开发的一种全新的自动进出料系统，其采用了一种非接触式磁力驱动机构（又称磁力螺杆）。该系统通过消除波纹管提高清洁性，可对进入冷冻干燥腔体内的所有部件进行灭菌，通过减短前推进器的长度和去除后推动器使得系统布局更加紧凑。

      关键词：非接触式磁力驱动；GMP；磁力螺杆；洁净传输系统；冻干机

       0  引言

        Azbil Telstar拥有超过50年的设计和生产药用冻干机的经验。对于冻干粉针剂生产而言，西林瓶在冻干机腔室的进出料模式，可采用手动、半自动或全自动操作。虽然一套冻干机全自动进出料系统（图1）需要较高的初始投资，也需较大的安装空间，但是它具有如下明显优势：可减少人工干预，缩短操作循环时间，从而降低人工成本，提高生产效率，并确保产品质量，免除操作人员的繁重工作，同时自动进出料系统可配备隔离器装置，使得人员对有毒产品的操作处理更加安全。

       在设计冻干机全自动进出料系统时，制造商必须遵循GMP要求，包括质量管理体系、原材料的质量、设计的考虑事项、强大的操作程序等方面，以确保所生产药品的质量和纯度。

       虽然国内外自动化技术有了飞速发展，但是此类全自动进出料系统技术还没有太大进展，系统在GMP及其占用空间性方面仍有改进的余地。考虑到客户的需求，Azbil Telstar开发了一种全新的拥有非接触式磁力驱动机构的进出料系统，其结构紧凑，易于集成到隔离器和屏障系统（RABS）。该系统具有一个物理屏障来限制污染物进入，并且通过HEPA过滤器实现单向气流控制，以保持区域洁净。

       1  目前的冻干机自动进出料系统

       1.1  双推杆（Push-push）系统

冻干机双推杆进出料系统（图2）包含机器前面的一个长推杆，成列地推进小瓶，直到最后一次推进完成冻干机整个层板的装载。卸载小瓶时，冻干机内有一个后推杆（称Colt），可以与封闭在筒内的几个推杆一起工作，它们一个接一个地被释放与耦合，一次接一次地将冻干机箱内的小瓶推出。这种配置使得机器布局更紧凑，但是费用更昂贵、结构更复杂。在双推杆系统中，也可以用一个长的后推杆器来替换Colt，但是这个选项并不常见。

       1.2  推杆+传送带（Push-pull）系统

       在冻干机推杆+传送带进出料系统（图3）中，用一传送带机构代替图2所示的后推杆（Colt或后长推杆）。该系统在进料阶段，与在Push-push系统中一样，使用前长推杆推小瓶。而在出料阶段，前后由传送带连接的推杆，将小瓶从冻干机腔室内拉出。该系统结构比双推杆系统更紧凑。

       2  冻干机进出料系统的改进

       Azbil Telstar目前对上述两种进出料系统进行了改进，如图4所示，以更好地满 足客户需求，包括更好地遵循GMP要求，减少占地面积，减少维护操作，通过自动程序更容易地清洁系统。

        2.1  双推杆（Push-push）系统的改进

        双推杆（Push-push）系统可改进的地方就是波纹管。波纹管是由塑料或不锈钢制成的弹簧状部件，在正常操作期间可压缩和延伸，且能封闭由于推杆线性运动可能产生的颗粒污染。由于波纹管外表面具有狭窄的凹槽，因此难以被全面清洁，并且存在污染的风险。此外，双推杆系统前面有一个很长的推杆，限制了操作员工的工作空间。

        由于双推杆系统需要密封长推杆，使得隔离器的设计和RABS的打开或关闭更加复杂。Colt是一种紧凑型的推杆，由转鼓和几个独立的推杆组成，这些推杆可以相互连接，形成一个长推杆。它安装在机器的后面，限制了冻干机冷凝器的设计。

       对双推杆系统的理想改进方式是将波纹管和推杆从系统中移除或缩短推杆的长度。

       2.2  推杆+传送带（Push-pull）系统的改进

       对于推杆+传送带（Push-pull）系统，需要导带器将传送带引导到冻干机内。由于传送带是薄金属片，传送带的导带器具有非常狭窄的凹槽。因此，传送带导带器难以被完全清洁和灭菌。

       对推杆+传送带系统的理想改进方式是去除像传送带导带器那样的狭窄凹槽。

       3  磁力螺杆

       3.1  磁力螺杆开发的意义

       螺杆以其高精度线性输送物料的特点被广泛应用于自动运输系统。然而，对于一个在操作中需要高度洁净、无菌的生产区域而言，由于螺杆和螺母之间的接触会产生颗粒，使得螺杆在无菌区域的使用受到GMP限制。此外，螺杆和螺母之间通常使用润滑脂，存在相当大的污染风险。为了避免这些问题，传统的螺杆需要在洁净方面进行改进，例如用波纹管隔离。然而，由于波纹管本身结构的限制与泄漏风险，使得最大允许冲程、定期维护、清洁的难度和成本增加。

       鉴于此，磁力螺杆执行器被研究和开发出来，其是通过磁耦合来传递驱动力。磁力螺杆解决了传统螺杆在制药洁净生产应用中的难题，因为磁力螺杆的螺杆和螺母之间没有直接接触，因此不会产生颗粒。然而，磁力螺杆只具备较小的传递能力，并且刚性比传统机械螺杆差，因此设计时必须考虑到这些特性。另一方面，磁力技术的性质允许发生错位，但不破坏任何机械部件。

        3.2  磁力螺杆的原理

       磁力螺杆由一个螺杆轴和一个螺母组成。其中，螺杆轴由磁钢制成，具有固定的螺距和形状；螺母由钕磁铁制成，被磁化呈螺旋状，和螺杆轴有相同的螺距。为了形成一个闭合的磁路，在螺母（磁铁）周围有一个磁轭。

       螺杆轴由两端的轴承支撑，使其能旋转。螺母由导向机构支撑，不能旋转，但能沿轴向移动。当螺母的磁极对准螺杆的螺纹时，其为最稳定状态。图5为磁力螺杆的稳定位置。当螺杆轴旋转时，产生磁极和螺纹之间的相对位移，由此生成一个回复力。图6为回复力产生的相对位移，然后通过磁耦合来恢复到一个稳定的位置。通过这种方式，螺母随着螺杆轴的转动而线性移动。

       由于相邻的磁性耦合可能会相互干扰，磁性螺杆中的磁路很复杂，难以计算回复力。因此，可用有限元法（FEM）计算回复力。回复力和相对位移之间的关系如图7所示。根据计算，回复力的峰值出现在45°时产生相对位移，在相反方向135°、在相对位移为0°、90°或180°时没有回复力。因此，可使用双螺纹作为螺杆，如果相对位移达到180°，则螺母的磁极与螺杆轴的下一个螺纹相耦合。可假设以180°为一个周期重复。为了将这种机制应用于传动系统，最为重要的是要考虑峰值推力是否足够用于进出料系统以及磁力螺杆的刚性对定位精度的影响。

       4  磁力驱动的自动进出料系统试验

        4.1  系统配置

       为了试验新型进出料系统的性能，我们建立了一个全尺寸的测试台，可以模拟从输送带装载小瓶到层板以及从层板卸载小瓶到输送带的效果。

图8为试验测试台及其配置，包括以下内容：

（1）层板：放置加载小瓶的地方，位于冻干机干燥箱的内部。

（2）输送带：用于运输小瓶，并可循环执行耐久性测试。

（3）桥架：作为在输送带和冻干机内部层板之间输送小瓶的中间过渡，桥架的       作用是，当转动桥架后可以顺利打开或关闭冻干机干燥箱门（在这个模型中，腔体门被省略）。

（4）推进器：用于将小瓶从输送带推进到桥架上。

（5）驱动单元：由磁力螺杆轴和滑动器的导向机构组成，其运行在层板和桥架的两侧，并且由不同的部件组成，可以彼此连接和断开。

（6）滑动器：包含磁力螺杆的螺母，可以从桥架移动到层板上。它有两个长杆，横跨桥架或层板，用于拉出或推进小瓶。

（7）理瓶机（图中未显示）：用于储存小瓶，并连接到输送带，以实现连续进料和出料。

        4.2  装载和卸载顺序

       装载小瓶的顺序：首先，将小瓶从理瓶机输送至输送带上，并排成一行。接下来，推进器将排成一行的小瓶从输送带上推出，再返回待机位置。重复上述步骤，直到所有的小瓶被推出输送带。需说明一点，由于推进器的推杆没有很长的行程，只能有部分的小瓶推入层板上，剩下小瓶滞留在桥架上。此时，滑动器可移动到桥架的末端，并用推杆拉动小瓶以完成整个层板的进料。

       卸载小瓶的顺序：首先，滑动器移动到层板的末端。接下来，滑动器将小瓶朝输送带的方向拉出层板。

        4.3  系统特点

        4.3.1  易于清洁

该系统摒弃了原传统机械螺杆中的小凹槽与孔的结构。图9为该系统中的螺杆轴外形及其与滑动器（内置螺母）的结合示意，可见，磁力驱动的螺杆轴和螺母之间存在间隙，即非接触式，其中螺杆轴可以完全用不锈钢管隔离。由于推进器行程小，且可通过具有旋转密封件的旋转机构实现线性运动，因此推进器不需要被波纹管包裹，使得系统更易于清洁。

       4.3.2  易于CIP/SIP

       该系统可实现冻干机干燥箱内滑动器的SIP或CIP，如图10所示。控制滑动器位移不需要电源线、信号电缆或其他接线，当干燥箱门关闭时，滑动器可以停留在冻干机干燥箱内。滑动器由不锈钢和经FDA批准的塑料部件组成，具有良好的耐温和耐腐蚀特性，因此滑动器可以承受化学清洗和蒸汽灭菌过程。

许多其他自动进出料系统需要操作人员手动清理，导致系统可能存在留存污染物的风险。

       4.3.3  系统布局紧凑

       因为滑动器将小瓶从桥架装载到层板上，所以推进器不需要原来系统的长行程。这样就使得系统布局更紧凑，如图11所示，推进器部件对传送带前的工作区域无任何干扰，没有后推进器，为用户提高了布局灵活性。

       4  结语

       非接触式磁力驱动西林瓶自动进出料系统是为冻干机研发的一套具有改革性意义的自动进出料系统，是最先进的西林瓶自动进出料系统技术解决方案。其独特的专利设计，具有非接触式磁力驱动滑动器组件和紧凑型前推杆，可轻松安装隔离器和封闭式RABS，无需波纹管，没有后推动器和传送带机构，可对进入腔体以及和产品有接触的所有部件进行灭菌。Azbil Telstar这一新开发的系统将为制药行业的客户提供更好的特别是与冻干机相连的小瓶管理的解决方案。

[参考文献]

[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.