胶塞清洗机的设计结构和清洗工艺

一、基本概况
胶塞清洗机是用于药瓶胶塞的冲洗、清洗、精漂洗、硅化、冲洗、灭菌、干燥及自动加料和出料等多道工序联合处理的一种新型现代化制药装备的通称，可在自动控制下，分序连续完成各工序的处理，最后自动出料。具有不转序、无交叉污染、质量好、效率高、劳动强度低等特点。选用清洗机时，应根据不同的要求，选购不同型号规格机型才能满足要求。
温州亚光机械制造有限公司于1996年根据我国普遍推行“GMP”认证需要，在与有关单位的合作下，首先研制出我国第一代DQX型的干法灭菌胶塞清洗机，安装试车一次成功。当时对天然胶塞的清洗、硅化、灭菌、干燥等各项工序的处理均达到了良好效果，效率高，处理质量好，自动进出料，劳动强度低。
经过十来年的艰苦努力和不断创新，现在已发展到第三代产品,更加合理及人性化，以KJCS、KJQS系列全自动湿法超声波、气冲式清洗机为主体，共开发出5种型号30多种规格产品，满足了制药企业的不同要求和需要，现有800多台各种型号规格的清洗机在全国各地制药企业在线运行。
为了更好地为用户服务，使广大用户真正的全面了解胶塞清洗机的关键部件设计结构和各工序的工艺特点，特此做如下的简要介绍。

二、关键部件的设计结构
清洗机的关键部件由清洗筒（笼）、清洗水箱（清洗箱）、进出料门、水管路、真空泵、主传动机构等部件组成：
1、清洗筒（笼）
清洗筒的材质为SUS316L，经数控冲床选用特制的冲头冲出特型小孔后，弯卷成簿壁的筛孔圆筒。为了避免内壁筛孔周边的锐角，冲孔时应冲成下凹的圆弧形。卷成圆筒后，内表面经精密抛光至Ra0.3μm，外表面拖光至Ra0.6μm。
清洗筒的容积大小，对胶塞的清洗质量影响极大。容积小，装塞容量大，使胶塞在清洗时产生堆积而无法浮动，相挤压磨擦，会严重产生胶塞皮屑和清洗不好。选用合理容积比（装胶塞容积与清洗筒容积比）是很重要的，经过我们的试验优化，其容积比不要大于0.4。一般选用0.33～0.35。
进料口是开在清洗桶侧壁上,由圆弧拉板紧贴筒体表面由人工拉开和关闭。起初第一代机型是由中心管从后部进料。由于中心管进料后，管壁难于清洗，特别在灭菌后抽真空时，因管壁水分减少，粘附在管壁上的尘垢被真空吸落后飞至清洗箱内与胶塞易产生二次污染，成为污染源。另外，此种进料方式使得喷淋管无法从中间进入，只能从清洗筒外部实现喷淋。距离远，冲洗水被清洗筒阻挡掉一大部分，效果不好，因此现改为侧壁进料。进料后，拔下临时进料管后，在清洗箱内就不留任何附加零件，有利于不产生污染。
出料口和出料门：
出料口设计得比较大，分φ370和φ380两种，其好处有以下两点：
a．出料时不会产生挤压。出料胶塞的温度还比较高时，一经挤压，因磨擦胶塞易产生皮屑，出料口大就保证了胶塞的绝对安全出料。
b．可做维修清洗人孔。清洗筒的内壁，在使用过程中要保持高度清洁，在经过较长时间的运行后，有可能因硅化时在内筒壁上重复生成硅化膜，在簿膜内还夹有毛点及其他脏物，使内壁不洁净。这些脏物是很难处理的，一般方法清理不下来，不清理掉就不能继续使用。我们在设计时已考虑到这种可能，故将出料口加大，以便维修人员进入内筒进行人工打磨抛光，修复如新，还延长了清洗机的使用寿命。
由于出料口的加大，出料门也加大了。出料门的直径大，带来了出料门的轴向推力大，故出料门的设计制造难度也大大增加。现在设计使用的出料门是一个多功能出料门，它不仅具有大的力矩放大比和横梢锁紧密闭结构，操作特别轻便，还具有隔热，单向自锁安全装置，操作轻巧安全等优点。此装置的技术是我公司的专利。
2、清洗水箱（清洗箱）
清洗箱是清洗机的关键部件之一，清洗粉针胶塞、冻干丁基大输液胶塞、铝塑复合胶塞等不同胶塞，其设计功能要求各不相同，但基本功能应符合以下要求：
（1）清洗箱与清洗筒的直径比要合理。为了减少外形尺寸和节约材料，把直径设计得过小，会使清洗筒外壁与清洗箱内壁距离太小，因清洗筒慢速转动时产生的径向水流与清洗箱内壁相撞后又产生反向水流而影响溢流效果。所以应尽力将清洗箱的直径设计大一些，合理一些。
（2）溢流槽是排除清洗下来的漂浮物的通道。其槽口的水平位置高度，首先要保证清洗筒中的胶塞堆积上平面到溢流口水位有合理距离，使胶塞随清洗桶慢速转动能产生一定的漂浮状态，这样才使胶塞有翻转的可能，易于排出脏物。另外要有最大的轴向长度，减少溢流盲区。KJQS等系列的清洗机，其溢流槽长度均不小于清洗箱轴向长度的75%。
（3）由于清洗桶和清洗箱的内壁在长期的负荷运行后，会产生一定厚度的污垢，影响胶塞的清洗。特别被硅化膜覆盖的污垢，有的会叠加覆盖。产生了这种现象后，必须加以清除。我们在设计时已考虑对其清除的方法。
（4）为保持10万级工作室的温度，清洗箱外壁需全部保温，保温材料采用硅酸铝棉，外加簿板不锈钢全部封闭，不漏保温棉。
以上两个关键部件，是决定一台清洗机的功能好坏和技术水平的重要内容，再加上精湛的制造工艺，严格的质量控制保证，就可以生产稳定高质量的清洗机。

三、清洗工艺
清洗机的清洗工艺是指进料、冲洗、粗洗、精洗、硅化、冲冼、灭菌、干燥、自动出料等全过程的工序工艺。要对比一台清洗机的性能，一要看主要关键部件的设计功能，其次要分析工序工艺的技术水平，第三要看各工序处理后的质量指标（水份、洁净度、无菌等），是否符合“GMP”规定。下面就各工序的工艺方法和要求做一介绍。
1、进料：我国20世纪90年代初，从国外引进的清洗机，均为人工加料，由于进料量大，劳动强度也大，工艺方法不够先进。1997年温州亚光机械制造有限公司进行了创新，首先采用了真空抽吸加料，取得了良好效果。效率高、质量好又减轻了劳动强度。现在又有个别制造厂也采用了真空加料，但从中心轴中心小孔加料，这种加料由于在水平金属中心小孔中滚动，会对胶塞产生一定表面损伤。同时由于伸到清洗桶部份的轴孔无法与清洗桶隔断，对加料时残留在孔壁上的污垢不易清除，在灭菌后抽真空干燥时会再次脱落飞向清洗桶污染胶塞，因此有一定的不足之处。
2、冲洗：冲洗分预冲洗、置换式冲洗和CIP自冲洗。如果没有以上的冲洗工序，对胶塞的清洗工序会产生不利影响。
a．预清洗：当胶塞加料完成后，在清洗桶慢速转动状况下，由中心喷水管对桶内胶塞进行强力喷淋，对胶塞表面进行喷洗，使粘附胶塞表面较大较重的污垢经冲洗后从清洗箱中排出。
b．置换式冲洗：当胶塞粗洗后并排完水，在加充注射水之前，对清洗桶进水管线内壁、清洗箱内壁、清洗桶外壁的各个方位完全冲洗干净。中心管喷洗，则对胶塞表面及脐眼深处的纯化水进行冲洗干净，以免该两处的污物及纯化水带入下一工序。
c．CIP冲洗：胶塞在经硅化并排完水后，应在清洗桶慢速转动下，立即进行全方位的CIP自清洗，将粘附在箱壁，桶壁上的脏物彻底冲洗干净。为下一批胶塞的清洗做准备。
3、清洗
胶塞的清洗是清洗机的关键工序。由于胶塞的形状复杂，体积虽小，但表面积又很大。特别各种大输液胶塞、管状胶管、针筒活塞等，其脐眼很深，或管孔小而长，连清洗液都进不去。另外，粘附在胶塞表面和脐眼深处的脏物均具有一定的粘附强度，不易在清洗液中一泡就能自动被剥离清除掉。所以清洗胶塞是一个复杂而重要的工序。需要其他工艺部份的合理配置，有机的组合才能达到理想的清洗目的。
A、清洗液充装量的合理配置。胶塞的比重是比水大，静止状态是下沉水面堆积成一个扇形胶塞堆。根据清洗容量的大小，其扇形面最大高度可达300~500mm，所以任何清洗方法被清洗下来的污垢想通过这么厚的胶塞堆积层后排出是很困难的，如排不出的这此脏物只能在胶塞堆积层之间转移和相互传染。因此，在清洗时，第一要保证清洗液上水位要高出堆积胶塞的上平面一个合理距离，第二要使清洗桶慢速转动，在搅拌叶的带动下，使胶塞堆积层松动并使胶塞在清洗液中呈漂浮状态。这样就可拉大胶塞堆积相互之间的距离，清洗下来的脏物在胶塞之间，曲径上浮至清洗液表面，轻漂脏物经溢流口排出，比重稍大的被循环水泵抽出。
B、溢流排污的动态条件
清洗下来的脏物升至清洗液表面后，如何又使其向径向两侧流动，穿过清洗桶桶壁上致密的筛孔而流走呢？这就要有两组水流动力。第一是在清洗桶底部装有补充水喷水管，喷水管的水流经过清洗桶上溢，带走脏物至液面。第二要造成清洗箱中心水面在轴向通长部位能产生径向水流波，迫使这些脏物向清洗桶外部排污。这个水流波的形成是由清洗桶搅拌叶，在慢速转动时带着胶塞上提至清洗桶右上角45°处连续慢速下流时，伴随着中心喷淋管喷射出来的水流一起向清洗箱中心倾散时的微冲击，产生的水流动力。加上溢流补水，就合成了径向水流和良好的溢流效果。
C、有合理的溢流槽设计，为了保证顺畅地拔除表面脏物不仅要有足够面积，更重要的要有最大的轴向长度比，以免产生溢流盲区。这个轴向长度比应不少于75%。
D、要有足够容量的水循环过滤系统
胶塞清洗下来的脏物主要是粘结在胶塞表面，特别是脐眼处的脏物，这些脏物的比重有重有轻，颗粒有大有小，所以有的漂浮在液面，有的则混杂在液体中，不能单一用溢流方法排除。因此，还要有一个流量较大、经过粗、精两级过滤的水循环系统，将这些脏物经循环过滤全部截留在两级过滤器中，使清洗液始终保持高洁净状态。循环水经中心喷淋管强力喷淋清洗，又达到节水的目的。
（5）清洗时间与清洗质量
清洗时间分总处理时间和单一的工序时间。总的清洗时间要分处理什么用途和材质的胶塞。如洁净度较差，用于粉针的胶塞，则要全工序处理而处理质量又高，如水分要求要高于“GMP”标准1‰，达到0.5‰。这是很难做到的指标。与5‰的指标相比，相差十倍。另外与处理的容量有关。处理2万只/批与处理20万只/批相比也差十倍。如果要处理冻干丁基胶塞，那就更不能相比。因为第一、处理程序只是一部分，胶塞可以省掉部分清洗工序，第二水分要求不高，因此其处理时间就不能与全程序的清洗机相比。
（6）关于“皮屑”的问题
橡胶是具有很好回弹性和延伸率的，在模制硫化后并有相应的硬度，表面光滑，并要达到药用胶塞的各项质量标准。如针刺试验等。在常温下发生表面滚动，轻量挤压，均不可能产生损伤。
实际上胶塞的“皮屑”产生，在以下的工况条件均有可能产生的。
A、热粘连后撕裂 由于天然胶塞耐热温度低，胶塞在干法灭菌或箱式灭菌柜中灭菌时，另加堆积受压和温度分配不均，产生过热软化而粘连，当翻转或滚动时很容易产生撕裂、磨损等皮屑。这在干法胶塞清洗机清洗过程中有过实例。
B、清洗桶容积小，装塞量过大，充水量又不足时，在转动搅拌时长时间产生干磨擦，也很容易造成皮屑。
C、因出料口过小，在带温出料时，出料开始时会产生严重挤压和磨擦而产生皮屑。

四、灭菌工艺
1、灭菌方法：湿法灭菌
湿法灭菌是利用饱和水蒸气经喷气管喷入清洗箱内使清洗的温度升高，通常为121℃±1℃。并利用饱和蒸气中的水分使芽孢中稳定的聚合物（钙）水解。另一方面水分直接与由水解引起的蛋白质核酸的变性有关。在灭菌时只要控制灭菌温度为121℃±1℃，保持一定的灭菌时间就可以达到很好的灭菌效果。
2、灭菌时间
根据美国克里德里克.卡利登编著的“无菌制药工艺验证”一书和2000年4月胶塞清洗机在浙江绍兴震元制药有限公司经英国ITS公司所进行的“GMP”认证时提供的资料来确定灭菌时间，即F0值。
“无菌制药工艺的验证”一书中，详细地论述了有关饱和蒸气灭菌的机理和经验数据。首先推荐了D值，D值的定义是将细菌的总量减少一个数量级时，细菌在固定灭菌条件下所需的暴露时间。在121℃条件下灭菌，其D值为2，如果要从106细菌数量级经灭菌后达到10-6存活率。即降低了12个数量级，其灭菌时间则为12×2=24分钟。另外灭菌过程是在某个温度范围内发生，包括升温和冷却，所以灭菌效应是在某个温度范围内累积起来。通常，灭菌方法是通过过度杀灭验证的，所以灭菌工艺可以大于以上的灭菌时间。即基本的灭菌时间为24分钟，而总的灭菌时间F0应高于此数。这个要求与2000年4月在绍兴震元制药有限公司所进行的“GMP”认证时，英国ITS公司所测定的F0值相一致，一般均在30-31分钟，低于此值的灭菌时间应有充分验证依据。

五、干燥
胶塞经上述工序处理后，最后是干燥程序。即要去除胶塞表面及内存的水分。“GMP”标准对胶塞的水分要求根据胶塞用途、包装工艺的不同，指标要求也大不相同。所以对各种型号和结构的清洗机总的处理时间，要首先分清各项程序的处理质量指标和处理工艺方法，不能单一从数字进行比较。

六、其它和结语
胶塞清洗机的发展，在我国还仅是开始，尚不到十年时间，技术水平尚低，还有不少技术问题需要我们从事研究、开发药用胶塞清洗机的技术工作者共同努力，相互探讨，互相交流，改革创新，为我国的药机装备现代化做些贡献。作为一个企业来说，更应本着科技兴厂、诚信经营的精神，开创更好的明天。

KJCS系列全自动湿法胶塞清洗机优势

一、我公司清洗机产品从开发投产至今已有10年时间，现已销八百余台，设备运行均很正常、稳定可靠，使整个生产线顺畅运行，保证了使用厂家的利益。各大制药企业和胶塞生产企业均使用本产品；如：哈药集团制药总厂，大小规格产品目前共计40余台 其中每批20万只的就有近20台；华北制药每批12万只的就有12台；石药集团每批20万只的有9台；上海新先锋集团各规格产品有近20台；山东鲁抗12台等；胶塞厂家湖北华强每批18万只的6台，台湾盛州、河南嵩山、江苏博生、江阴兰陵等均使用本公司产品；目前该同类产品远销俄罗斯、乌克兰、越南等国家。具体详见用户清单。

·在设计结构方面的优势

1.PLC、触摸屏、调频器等电子元件均选用进口配件，质量可靠。

2.气动元件及其它元件均选用国内先进的、质量可靠的厂商定点供应。

3.SUS316L及SUS304板材选用进口材料。

4.清洗机设有全自动和手动两种控制，动态显示、故障报警、联锁控制、自动记录打印等功能。

5.控制柜与机组分离设计，防止了因机组运行温升，损坏控制柜的电子元件（几家单位的进口机组已损坏），从而获得了可靠运行。

6.进料取样口联锁。

7.进料口是开在清洗桶侧壁上, 进料完成后，在清洗箱内就不留任何附加零件，有利于不产生污染。我公司第一代机型是由中心管从后部进料，由于中心管进料后，管壁难于清洗，特别在灭菌后抽真空时，因管壁水分减少，粘附在管壁上的尘垢被真空吸落后飞至清洗箱内与胶塞易产生二次污染，成为污染源。另外，此种进料方式使得喷淋管无法从中间进入，只能从清洗筒外部实现喷淋。距离远，冲洗水被清洗筒阻挡掉一大部分，效果不好，经GMP专家建议后改为侧壁进料。

8.出料口设计得比较大，分φ370和φ380两种，其好处有以下两点：1．出料时不会产生挤压。出料胶塞的温度还比较高时，一经挤压，因磨擦胶塞易产生皮屑，出料口大就保证了胶塞的绝对安全出料。2．可做清洗内笼及维护人孔。

9.清洗箱内有全方位CIP自清洗功能，4个360度旋转喷洗头旋转喷洗。

10.具有高强度、高刚性的悬壁支承架，载荷大，不变形。因为采用的是柔性结构设计，另根据产品规格不同，箱体将使用特殊结构的悬浮支撑，确保产品的长时稳定运行；不同于其它厂家的直接轴承支撑，易损坏的轴承不易更换，且可能产生金属屑造成严重污染。

11.可靠耐用的端面机械密封。

12.清洗机在正压、负压、高温、常温交变等复杂情况下工作，为了防止微变形，我公司清洗箱的制造厚度为6mm；大规格清洗机的厚度为8mm。

13.敞明的水、气管路布置，易于观察和随时维修。

14.美观大方的外形设计。

·采用多项先进的清洗技术

·慢速旋转和搅拌，搅拌挡板提升胶塞后自动均匀下流。

·中心管侧向强力上喷，直接喷冲胶塞，使胶塞污垢迅速脱落，形成中心高位径向水波，将污垢经清洗箱溢流口排出。溢流口长度长，沿清洗箱轴向长度约有75%的开口，溢流效果好。

·配置有经合理计算和试验后设计的低频超声波清洗装置，清洗效果好，不残留任何胶塞凹陷部位的清洗死角，污垢洗后洁净度高。同时对某些酸碱洗不完全的胶塞，洗后也不留有白色粉沫。超声波发生器并有功率调节，工作显示等多项功能。

·配置有丹麦格兰富水泵抽吸清洗箱内清洗液，经两级循环过滤再喷淋，使清洗液保持洁净状态，大大节约用水量。

·采用饱和蒸汽灭菌工艺

·饱和压力蒸汽在轴向通长位置径向呈雾状喷向清洗桶内胶塞，在清洗桶　慢速转动搅拌下，灭菌温度分布均匀。经无绳多点温度球测试，在121℃温度时，误差不大于0.8℃，F0值小、灭菌时间快、效果好。

·清洗桶容积大，胶塞充装系数小（占33%），易于搅拌均匀，在121℃温度时，不易产生胶塞软化挤压、粘连现象，而产生皮屑。有些厂家为了缩小清洗机外形尺寸，胶塞的充装量很大（占70%以上），搅拌很不均匀，温差也大，胶塞的软化挤压也严重。

·真空干燥和再加热真空干燥工艺

·真空干燥和再加热真空干燥工艺，胶塞的水分可达0.5‰，高于国家“GMP”1‰的要求，这是很难达到的指标。

·由于采用此项工艺，因此清洗机的功率配置因空气电加热器功率大，所以整机功率也大。但加热时间短，仅十多分钟，故功耗增加不大。

胶塞补强硫化橡胶的物性

•胶塞的补强物质,一般为高岭土,硬脂酸和聚乙烯等,经酸碱洗处理将析出白色粉末等物质处理掉后才能使用。（由胶塞制造厂负责处理）
•从上表可知药用胶塞是具有良好的回弹性和伸长率，但使用温度有一定限制，在高温下易产生软化和粘连。

超声波清洗的机理

　　超声波清洗基本由三部分组成，即高频发生器、换能器和清洗液组成。 超声波发生器是将50Hz的工频电通过逆变转换成18KHz以上的高频电输 送到换能器上；换能器由若干个组成固定在经特殊设计的振动箱上，并 合理地置放在清洗箱的清洗液中，当高频电源输入换能器时，换能器的 压电元件将电能转换成强有力的高频振动，这种振动的振幅很小，约几 微米至几十微米，具有很高的加速度，当多个换能器被施加相同频率及 电位电压时，就合成一个巨大的高频往复振动，这种振动在清洗液中传 播达到一定压强时，即产生“空化作用”。“空化作用”的强度与声强参数 有关，即声源能量、声强、振动频率及清洗液的静压等，这些参数的确 定除一般计算外，还要根据清洗液容积，清洗物表面积和污垢结构等进 行反复模拟试验后来确定，能够得到一个理想的声强参数。
　 　清洗主要是靠空化作用，由于高频脉冲气泡的强烈振动和爆破，破坏了不洁物体表面与污垢薄膜之间的结合，使污垢膜产生破坏、分离、剥落、乳化及溶解现象。这种现象对于清洗胶塞来说，更加有效地进行，因为当胶塞表面边缘产生气爆时，其加速度很大，振幅很小的微冲击波能使橡胶产生微小形变内凹，增大了与污垢膜之间距离。当橡胶恢复弹性时，又冲击污垢膜，使污垢膜与胶塞表加速剔离、脱落，提高了清洗效果。另外由于橡胶具有极大的扯断伸长率和良好的回弹性，承受这种微振幅的交变冲击，经我们的千万次实践证明，决无产生皮屑的例证。同时由于具有声学辐射压力与声学毛细效应，使清洗液的空化作用能深入到物体任何复杂表面和凹陷的深孔内，这是任何其他清洗工艺所不能达到的。
　　从上述清洗机理，可以清楚了解超声波清洗与胶塞表面粗糙，什么复杂外形和吸声系数等无关，更不会因此产生什么皮屑等缺点。

不同胶塞换算说明

品名	胶塞名称	胶塞规格	对标准塞体积的比	备注
7ml粉针塞	7ml	φ20×8.5	1
冻干塞	7ml	φ20×14.5	1 : 1.66
	2ml	φ13×12	1.9 : 1	注意清洗内桶孔径
丁基大输液	A型塞	φ31×12.2	1 : 5
	B型塞	φ28×11.8	1 : 2.7
软袋大输液	塑料复合盖	φ32×16.6	1 : 6	部分盖浮于表面
	丁基塞平垫	Φ24.7×7	1	注意进料阐门制作
注:1、上述清洗机的清洗能力均以7ml西林瓶塞为基准; 2、冻干机每平方冻干基数7ml为2200个,2ml为4400个