正确认识纯化水系统的“死角

正确认识系统的“死角”

死角检查是系统进行安装确认（IQ）时的一项重要内容。在制药流体工艺系统（如制药用水系统、制药工艺配液系统、CIP/SIP系统）中，任何死角的存在均可能导致整个系统的污染。

死角过大所带来的风险主要如下：

▪为微生物繁殖提供了“温床”并导致“生物膜”的形成，引起微生物指标、TOC指标或内毒素指标超标，导致水质指标不符合药典要求；

▪系统消毒或灭菌不彻底导致的二次微生物污染；

▪系统清洗不彻底导致的二次颗粒物污染或产品交叉污染。

因此，中国2010版GMP要求“管道的设计和安装应避免死角、盲管”。

《美国机械工程师协会生物加工设备标准》2014版对于死角有准确的定义，《ASMEBPE》（2014）规定：“死角”是指当管路或容器使用时，能导致产品污染

的区域（deadleg: an area of entrapment in a vessel or piping run that could lead tocontamination of the product.）。

1976年，美国FDA在CFR212法规上第一次采用量化方法进行死角的质量管理，工程上俗称“6D”规则，其含义为“当L/d<6时，证明此处无死角”，其中L指“流动侧主管网中心到支路盲板（或用点阀门中心）的距离”，d为支路的直径。随后的研究表明，“3D”规则更符合洁净流体工艺系统的微生物控制要求，其中L的含义变更为“流动侧主管网管壁到支路盲板（或用点阀门中心）的距离”（图1）。

图1 死角的发展

更加准确的死角量化定义来自于《ASMEBPE》规范（图2），该定义明确规定：L是指“流动侧主管网内壁到支路盲板（或用点阀门中心）的距离”，D是指“非流动侧支路管道的内径”。

图2 死角的准确量化定义

死角的消毒验证：小于3D死角的支路（图中为L/D等于0，0，1.5）处很快能达到预定的消毒温度，支路垂直向下或向上的大于3D死角（图中为L/D等于4.0，5.6，9.4）在流速为0.4m/s和1.2m/s时，支路处始终无法达到预定的消毒温度，提高流速到2.0m/s，除垂直向下的4D支路能达到消毒温度外（图3），其他支路处始终无法达到预定的消毒温度（图4）。上述实验说明，死角是影响支路清洗的关键因素，而流速是影响支路清洗的次关键因素。

图3 支路垂直向下时，死角的消毒验证

图4 支路垂直向上时，死角的消毒验证

死角的清洗验证：图5a为采用“ASMEBPE定义”模拟的死角模型，该死角处L/D 等于6，死角处预先放置105个可检测颗粒，清洗合格的标准为最终残留颗粒数<102个。从图中可以看出，当清洗流速为0.5m/s时，死角处的残留颗粒数在清洗初期会有明显下降，但当清洗时间超过10分钟后，残留颗粒数将维持在>104个的较高水平，且颗粒数不再降低；增加清洗流速至1.0m/s，在20分钟的清洗时间内，死角处的残留颗粒数可从105个降低至接近103个；当清洗流速增加2.0m/s和2.5m/s时，其清洗验证的数据曲线基本一致，即在很短的清洗时间内（约1~2分钟），死角处的残留颗粒数可从105个降低至接近102个，但无法达到可接受的清洗标准。

图5b的死角L/D等于2.8，采用同样的工况和可接受清洗标准。从图中可以看出，当清洗流速为0.5m/s时，死角处的残留颗粒数在清洗初期会有明显下降，但当清洗时间超过1分钟后，残留颗粒数下降幅度不大，当清洗时间超过10分钟后，残留颗粒数将维持在接近102个且未达到可接受清洗标准的水平；增加清洗流速至1.0m/s，在很短的清洗时间内，死角处的残留颗粒数会有显著下降；当清洗流速增加2.0m/s

时，在极短的清洗时间内（约10~20秒），死角处的残留颗粒数可从105个降低至可接受的清洗标准之下，之后的时间内也维持在此低水平。

上述模型进一步表明，死角是影响支路清洗的关键因素，而流速是影响支路清洗的次关键因素。

图5 死角的清洗验证

事实上，从上述的消毒验证和清洗验证的角度能有效说明3D死角规则在制药用水系统设计及加工过程中的合理性。大多数GMP法规并未对死角标准做一个最大值的硬性规定（除了WHOGMP），部分GMP也仅仅是在其检查指南中给予了控制3D死角的建议，死角的“3D规则”还是得到了制药行业的普遍认同和推广。

中国GMP、欧盟GMP、WHOGMP和美国FDA cGMP的大多数企业均以“3D”规则（L<3D）作为安装确认的死角检查标准。因生物发酵等制药工艺的交叉污染风险

更大，ASMEBPE标准要求生物制药企业以更加严格的“2D规则”（L<2D）作为死角的安装确认检查标准。

在制药用水系统的设计中，控制死角的设计理念有很多种。例如，制药用水用点阀门的安装包含两种方法，第一种方式为U型弯与两通路阀门连接；第二种方式为安装T 型零死角阀门，上述方法均可满足3D死角要求（图6）。虽然第一种安装方式比零死角阀门的安装方式节省项目投资，但其微生物污染的风险也会相应增加，因此，ISPE 推荐，如果用一个有着较大口径的两通路隔膜阀替代T型零死角阀门，则需要考虑用增加最低速度的方式来弥补其微生物污染的风险。

（a）U型弯设计（b）零死角阀设计

图6 用水点阀门的死角控制

自动氩弧焊接是最安全的不锈钢组件连接方式，采用U型弯与两通路隔膜阀自动焊接并不会影响隔膜阀膜片的更换和维修，该阀门为供应商依据工程公司或客户的实际需求特殊开发的“一端焊接、一端卡接”隔膜阀（图7）。

通过对制药行业隔膜阀标准尺寸的比对发现，采用DN25规格的两通路隔膜阀与U 型弯自动氩弧焊接组合时，可有效满足用水点的3D死角要求；采用DN25阀门与U 型弯卡箍连接会造成用点死角超过3D；理论上讲，采用DN20或DN15阀门与U型弯手工焊接也能达到3D标准，但其手工焊接的焊口质量非常不稳定，内窥镜影像质量往往不是很理想，从工程实践角度并不可取。

图7 一端焊接、一端卡接的隔膜阀

在制药工艺配液系统中，为了使工艺系统具有更好的死角控制、更好的可清洁性、更高的产品可靠性、更紧凑的空间布局和更简单的验证，工程上常使用多通道阀组。多通路阀是指由一整块不锈钢材料锻造加工而成的阀门，它属于“多个两通路阀门组合设计”的进一步结构优化（图8），多通路阀也称为“Block阀”。整块钢的生产工艺使得多通道阀内部没有焊缝，可实现紧凑型设计并可大大减少残液，采用独特的定制设计能够集成各种功能，例如混合、分配、开关、给料或排放。