近年来，制药行业的药品安全问题备受社会关注，对药品质量和安全要求也越来越高。其中，药瓶的灭菌效果直接关系到药品使用者的生命及财产安全，因此药瓶灭菌过程的严格控制非常重要。干热灭菌法通过在干燥的空气中将需要灭菌的物品高温加热杀死细菌以达到灭菌的效果，是目前制药产业中药瓶除热原的重要方法，而热风循环式隧道烘箱由于具有灭菌质量和效率高、符合 GMP 要求的特点，被广泛用作西林瓶、安瓿瓶的主要灭菌设备[1]。隧道烘箱在设计时必须重点考虑热风循环所应用的风温、风速以及网带运行的速度等关键参数，而瓶子的温升情况将直接影响到这些参数的确定。目前国内制药装备企业针对隧道烘箱关键参数的确定主要依靠经验，这必然会导致控制精度不够高，以及预留量太大，造成设计效率低效、能源浪费等问题。
工业上常用的热风循环式隧道烘箱一般采用三段式的结构设计：预热段、加热段和冷却段，其中加热段是烘箱的核心部位，灭菌的过程主要在这个阶段进行。网带经过预热的西林瓶传送到这一区域，同时洁净风由循环风机的驱动，经过加热管加热至300℃~350℃，然后再经过高温高效过滤器过滤后对西林瓶进行热交换以达到灭菌和去热原的目的[2]。
图1 某型号隧道烘箱加热段内部气体流型
以10ml西林瓶为例，选取西林瓶瓶口上部（Bottle-point-1），西林瓶颈部（Bottle-point-2），西林瓶瓶身中部（Bottle-point-3），西林瓶瓶内边缘（Bottle-point-4），西林瓶瓶内底中心（Bottle-point-5），西林瓶瓶底中心（Bottle-point-6）六个测点跟踪其温升曲线，如图2所示。
图2 10ml西林瓶瓶身温度测点
图3、图4为利用CFD数字化仿真技术，热风320℃，风速0.45m/s，初始环境温度25℃工况下获得的西林瓶温度分布云图及温升曲线，由图可知瓶底升温趋势明显低于瓶口上部、瓶颈部、瓶身中部及瓶内边缘。同时，Bottle-point-6曲线与Bottle-point-5曲线几乎重合，说明西林瓶瓶底中心和西林瓶瓶内底中心在热风下升温趋势一致，并且升温最慢，为西林瓶升温时的温度最低点，与实际生产中温度表象基本一致。只有保证瓶底的温度（最冷点）才能确保去热源的有效性，基于仿真模拟结果最冷点达到300℃需要约7分多钟，这与实测结果（约8min）基本一致，如图5，从而说明仿真结果的有效性。图6为西林瓶附近的速度分布矢量图，由图可以看出，气流在经过西林瓶时会绕过瓶身，并通过瓶壁与热空气快速的对流换热，西林瓶才得以升温，瓶底由于气流流速小加热最慢。
图3 瓶身温度分布云图
图4 仿真温升曲线
图5 实测温升曲线
图6 瓶身附近速度分布矢量图
西林瓶温升会随着风温、风速的不同而有一定的差异，图7和图8为相同风温（300℃），不同风速下的温升曲线。由图可知，西林瓶在热风温度为300℃的情况下很难快速升温至灭菌所要求的温度，需要花费至少12min的时间才会非常靠近300℃，且随着风速的增大，花费的时间减少。对比图8和图9相同风速，不同风温下的温升曲线，随着风温的增大，西林瓶最冷点达到300℃花费的时间减少明显，风温为320℃，风速0.7m/s工况时的升温时间为320s左右。综合以上模拟结果可知随着温度升高，风速加快，西林瓶的温升曲线更加陡峭，且温度增大时，表现的更加明显。随着温度的升高，实际的设备能耗也会增加，西林瓶不同位置的升温差别也会逐渐加大，出现受热不均且极易导致破瓶的风险，因此工业生产需要综合考虑。
图7 风温：300℃，风速：0.45m/s温升曲线
图8 风温：300℃，风速：0.7m/s温升曲线
图9 风温：320℃，风速：0.7m/s温升曲线
同一款隧道烘箱实际需满足多种规格形式西林瓶的温升需求，分别对2ml，20ml，100ml三种规格的西林瓶进行温升模拟分析，分析工况：风温320℃，风速0.7m/s，初始环境温度25℃，图10是三种规格西林瓶的示意图。
由图11、图12可知，不同规格的西林瓶均表现出瓶口及瓶身升温较快，瓶底升温最慢的趋势。随着西林瓶体积的增大，不同测点的升温趋势差别较大，且升温达到300℃所花费的时间变长，其中100ml升温时间约为1271s，20ml升温时间约为435s，2ml升温时间约为316s。
图10 不同规格西林瓶示意图
图11 不同规格西林瓶温度分布云图
2ml西林瓶温升曲线
20ml西林瓶温升曲线
100ml西林瓶温升曲线
图12 不同规格西林瓶温升曲线
文章基于CFD数字化仿真技术对隧道烘箱西林瓶温升进行模拟分析，依据分析结果可得出以下结论：
(1)CFD数字化仿真技术可辅助隧道烘箱关键结构参数的设计，并辅助工艺参数的优化选型，对工业生产具有相当大的参考价值。
(2)随着风温、风速的加大，西林瓶升温时间缩短，但受热不均匀的情况加剧，破瓶风险增大且能耗增加，因此实际生产中应选择合理的风温、风速。
(3)不同规格大小的西林瓶，其升温时间及趋势差异较大，实际生产中针对不同瓶型应选择不同的工艺控制参数，以达到高效、高质生产的目的。
展望未来，CFD数字化仿真技术作为可视化研究的手段，将会为隧道烘箱及制药装备的高效设计、性能提升起到关键的推动作用，为国内制药装备企业的高质量发展赋能。
参考文献：
[1] 张雪飞, 文秀云, 林拴宝. 药物制剂技术[M]. 世界图书出版公司: 202008.
[2] 杨俊杰. 制药工程原理与设备[M]. 重庆大学出版社: 201707.
撰稿：王志刚
审核：郭尚旭
排版：刘雪
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