罐类设备温度控制简而言之就是让物料升温或降温符合预期温度的过程控制，本文对比分析几种罐类设备温度控制方案优缺点，为罐类设备温度控制提供参考。
罐类设备中物料的温度调节通常有几种方式：①直接将加热或冷却介质直接与物料接触；②通过罐体的夹套传热；③使用换热器。在温度调节过程中，温控仪根据温度传感器反馈的温度信号，控制加热或冷却介质的通入时间和强度来实现对罐内物料温度的控制，以满足工艺的要求。通常由罐类设备结构、工艺条件和投资来决定采用哪一种温度控制方案。昌晖仪表介绍几种常见的罐类设备温度控制方案供大家借鉴。
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1、罐体夹套通入加热或冷却介质的温度控制系统
该系统设计的原理为间壁式换热，其特点是冷热流体被一固体壁隔开，通过固体壁进行传热。该设计中，蒸汽和冷媒直接通入夹套，因为与罐内物料的温度不同，会通过罐壁发生热量传递，使物料的温度升高或降低。系统利用通入蒸汽或冷媒的持续时间和强度大小，来实现对罐类物料的温度控制。罐体夹套通入加热或冷却介质的温度控制系统普遍使用于溶液配制罐和物料储存罐，以及一些反应罐的温度控制。
①冷媒不回吹的温度控制系统
冷媒不回吹的温度控制系统如图1，当物料不需要温度控制时，夹套内不通入蒸汽或冷媒。当罐内物料需要升温或维持高温时，蒸汽从夹套的上部界面通入，接触到温度较低的罐壁时，蒸汽放热并凝成液体，在重力作用下沿壁面留下，同时热量通过罐壁传递给罐内物料，使其升温或维持高温。温度控制结束时，停止蒸汽的通入，从夹套上部通入压缩空气对夹套内剩余的蒸汽和冷凝水进行吹扫，待吹扫干净后关闭压缩空气。当罐内物料需要降温或维持低温时，冷媒从夹套的下部界面加入，接触到温度较高的罐壁时，冷媒通过热传递吸收热量，并随着冷媒的不断通入和排出而使物料降温。降温热结束时，停止冷媒的通入，从夹套上部通入压缩空气将夹套内剩余的冷媒吹扫进排污管道，待吹扫干净后关闭压缩空气。夹套管路中需要设置安全阀，防止夹套的压力过大造成安全事故。罐内需要设置温度传感器，监控物料的实时温度。夹套冷凝水排放处需要设置疏水阀，确保冷凝水的顺利排尽。出于温度控制的精确性考虑，需要使用温控器控制夹套内蒸汽或冷媒的通入时间和强度，并根据物料的实时温度及时做出反馈调节。冷媒不回吹的温度控制系统在制药行业中广泛使用于冷却介质为水的溶液配制罐和物料储存罐，以及一些反应罐的温度控制。
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图1 冷媒不回吹的温度控制系统
②冷媒回吹的温度控制系统
当出于节约运行成本或减少污染物的考虑，需要尽量多地重复利用冷媒时，热交换后残留在夹套中的冷媒就不进行直接排放，而是通过回吹管道全部回收。冷媒回吹的温度控制系统如图2，该方案在合适的位置增加了冷媒回吹管道。物料升降温和维持温度的过程控制与冷媒不回吹的温度控制系统一样。当温度控制结束时，停止冷媒的通入，从夹套上部通入压缩空气进行吹扫，将夹套内剩余的冷媒吹入回流管道进行回收。制药生产中，当罐类设备的冷却介质不采用水，而采用乙二醇等溶液时，可以采用此设计方案。
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图2  冷媒回吹的温度控制系统
2、加热或冷却介质直接通入罐内的温度控制系统
加热或冷却介质直接通入罐内的温度控制系统的原理为混合式换热，其特点是冷热流体在罐内以直接混合的形式进行热交换。该设计中，蒸汽和冷媒通入罐内，直接与物料混合进行热量传递，使物料升降温或维持温度。相比较夹套温度控制方式，该设计传热系数和换热面积都得到较大的增加，具有传热速率高、设备简单等优点。系统控制通入蒸汽或冷媒的持续时间和强度大小，来实现对罐内物料的温度控制。但该系统的加热或冷却介质因为直接接触物料，所以需要进行风险评估，以确保他们对物料的适用性无不良影响。
加热或冷却介质直接通入罐内的温度控制系统如图3，当物料不需要温度控制时，罐内不通入蒸汽或冷媒。当罐内物料需要升温或维持高温时，蒸汽从蒸汽界面通入，接触到温度较低的物料时，蒸汽放热并凝成液体，使物料升温或维持高温，同时冷凝水停留在罐内与物料混合。加热结束时，停止蒸汽的通入。当罐内物料需要降温或维持低温时，冷媒从冷媒介面加入，接触到温度较高的物料时，冷媒吸收热量使物料降温或维持低温，同时冷媒停留在罐内与物料混合。降温结束时，停止冷媒的通入。由于蒸汽的冷凝水和冷媒在加入后都会停留在罐内，因此采用此方式进行温度控制时，需要考虑达到预期温度控制效果时蒸汽和冷媒的添加量。该系统可用于对控制精度要求不高且对温度不敏感的物料的温度控制，以及一些废弃物灭活的处理罐的温度控制。例如重组蛋白药物原液车间中含菌废液的灭活罐，可以采用此温度控制系统。
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图3 加热或冷却介质直接通入罐内的温度控制系统
3、通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统
通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统原理为间壁式换热，该温度控制系统需要配置一个控温回路，由夹套、管道、泵、换热器、温控器和温度传感器等组成。控温回路中充满载热体，在泵的推动下不断循环，流经夹套时通过罐壁与物料进行热交换，对罐内物料进行温度升降或维持控制。载热体可以为水，也可以为导热油等。系统通过换热器对热载体进行温度调节，并通过夹套的间壁式换热来实现对罐内物料的温度控制。系统需要设置阀门用于载热体的更换和补充，也需要设置膨胀罐或膨胀槽以维持回路中载热体压力的稳定。
通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统如图4，当物料不需要温度控制时，控温回路可以不运行，或不控温运行。当罐内物料需要升温或维持高温时，控温回路中的载热体被加热，然后携带热量经过夹套，通过罐壁传递给罐内物料，使物料升温或维持高温。当罐内物料需要降温或维持低温时，控温回路中的载热体被冷却，然后低温状态流经夹套，通过罐壁带走罐内物料的热量，使物料降温或维持低温。温度控制结束时，停止控温回路中泵的运行或热载体的温度控制，从而停止对物料的温度控制。如果有需要，也可以在回路上设置压缩空气接入口，对整个回路或夹套部分进行吹扫。罐内物料的温度是通过夹套中的载热体进行温度控制，而载热体是由控温回路中换热器来控制，过程需要经过两次间壁换热，所以换热效率不高，但此系统可以实现较高的温度控制精度。该系统由于控温回路不与物料直接接触，在组件选型上不需要满足卫生型设计要求，建造成本较低。通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统一般用于温度精度要求较高且需要长时间控温，并且物料不适宜剧烈搅动的制药生产工序，例如血液制品生产中的巴氏灭活罐或S/D灭活罐，可以采用此温度控制系统。
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图4 通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统
4、通过控温回路进行罐内直接控温的温度控制系统
通过控温回路进行罐内直接控温的温度控制系统原理为间壁式换热，该温度控制系统由一个控温回路与罐类设备组成循环系统，控温回路由管道、泵、换热器、仪表等组成。物料储存在罐类设备中，通过泵在控温回路中不断循环，在流经换热器时被加热或冷却，然后流回罐内与其他物料混合，罐内的温度仪表反馈调节换热器的蒸汽或冷媒的通入时间和强度，实现对物料的温度控制。
通过控温回路进行罐内直接控温的温度控制系统如图5，当物料不需要温度控制时，控温回路可以不运行，或不控温运行。当罐内物料需要进行温度控制时，开启回路中的泵，使物料在罐类设备和控温回路中循环，物料在流经换热器时被加热或冷却，然后回到储罐与其他物料混合后再次进入回路，通过不断循环来使物料的温度调节或维持在合适的温度。此设计方案中，罐内物料的温度是通过换热器直接进行加热或冷却，过程中仅需要一次间壁换热，所以换热效率较高，而且此系统也可以实现较高的温度控制精度。在该设计中，物料需要在控温回路中循环，所以该系统中接触物料的部分均需要满足GMP的相关要求，不得对药品质量产生任何不利影响，因此会造成建造和维护成本的增加。通过控温回路进行罐内直接控温的温度控制系统适用于能够集中储存，需要同时供应多个使用点，对温度要求较高且耐受剧烈搅动的物料系统，例如制药用水分配系统和血液制品生产中的低温乙醇系统的温度控制。
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图5 通过控温回路进行罐内直接控温的温度控制系统
应用分析
不同生产工艺对物料的温度控制要求不同，设计者要根据不同工况选择不同的设计方案。以上提到的几种设计方案是基本的设计方案，实际应用中，除了可以单独使用某种设计方案外，还可以对某种设计方案进行简化，或者几种设计方案变化组合使用。
以下介绍几种典型的应用方案：
①溶液储存罐
常规溶液储存罐，通常只需要冷却功能，且温度不高于规定温度即可，此工况下，可以简化加热或冷却介质直接通入夹套的温度控制系统，只保留其冷却功能即可，具体可见图6。
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图6 只需要冷却功能的溶液储存罐温度控制设计
②生物废弃物灭活罐
生物废弃物灭活罐可以结合加热或冷却介质直接通入罐内的温度控制系统和加热或冷却介质直接通入夹套的温度控制系统的特点，设计成蒸汽通入罐内混合加热，而冷媒通入夹套进行间壁冷却，这样既增加了废弃物灭活的处理速率，又增加了每批废弃物处理的处理量，具体可见图7。
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图7 直接加热和间接冷却的生物废弃物灭活罐温度
③工艺较为复杂的罐类设备
对一些工艺较为复杂的罐类设备，如发酵罐，在培养基对温度不敏感的前提下，可以采用组合使用加热或冷却介质直接通入夹套的温度控制系统和通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统，具体可见图8。在控温回路上加入蒸汽和冷媒的接入口， 在培养基灭菌时采用加热或冷却介质直接通入夹套的温度控制系统，提高换热的效率，缩短工序时间。而在发酵培养时，采用通过控温回路进行夹套间接控温的温度控制系统，确保培养温度的稳定和精确， 使生产严格按照确定的工艺进行。
培养基快速灭菌和发酵过程精确控温的发酵罐温度控制设计
图8 培养基快速灭菌和发酵过程精确控温的发酵罐温度控制设计
罐类设备温度控制除以上列举工况外，还有很多其他工况。在进行罐类设备温度控制系统工程设计中，需要在满足生产工艺的前提下，综合考虑建造成本和法规要求，设计出符合各种要求的温度控制系统。文中几种温度控制系统的设计思路和运行方式，在实际生产过程中获得了较好的应用，同时这些控制方案可以作为温度控制方案的设计参考。
作者：严留俊