いくつかの缶式装置の温度制御方式とその応用

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この投稿は、2019年7月31日19時19分にyunrunによって最終的に編集されました。タンク型装置の温度制御とは、簡単に言えば、材料の温度を所定の温度に合わせるためのプロセス制御のことです。本稿では、いくつかのタンク型装置の温度制御方法の長所と短所を比較分析し、同装置の温度制御の参考としています。 缶式装置における材料の温度調節には、通常いくつかの方法がある：①加熱または冷却媒体を直接材料に接触させる；②タンクのジャケットによる熱伝達；③熱交換器を使用する。温度調節の過程において、温度制御器は温度センサーからの温度信号に基づき、加熱または冷却用媒体の供給時間と強度を制御することで、タンク内の物質の温度を管理し、工程の要求を満たします。通常、どの温度制御方式を採用するかは、タンク類の設備構造、工程条件、および投資額によって決定されます。昌晖計器では、参考にしていただけるよう、一般的なタンク式装置の温度制御方式をいくつか紹介します。 1、タンクのジャケットに加熱または冷却用の媒体を流し込む温度制御システム。このシステムの設計原理は間壁式熱交換であり、その特徴は、冷たい流体と温かい流体が固体壁によって分離され、その固体壁を介して熱が伝わることである。この設計では、蒸気と冷媒が直接ジャケットに供給され、タンク内の物質の温度と異なるため、タンク壁を介して熱が伝達され、物質の温度が上昇または低下する。このシステムは、蒸気や冷媒を供給する時間と強度によって、タンク内の物質の温度制御を実現します。タンクのジャケットに加熱または冷却用の媒体を流し込む温度制御システムは、溶液調製タンクや材料貯蔵タンク、さらには一部の反応タンクの温度制御に広く使用されている。 ①冷媒非戻し式の温度制御システム　冷媒非戻し式の温度制御システムは図1の通りで、材料に温度制御が不要な場合、ジャケット内に蒸気や冷媒を送り込まない。タンク内の物質を加熱したり、高温を維持したりする必要がある場合、蒸気はジャケットの上部から供給され、温度が低いタンク壁に触れると熱を放出して液体に凝縮し、重力によって壁面に沿って流れ落ちます。同時に、その熱がタンク壁を通じてタンク内の物質に伝わり、物質の温度を上昇させたり、高温を維持したりします。温度制御が終了したら、蒸気の供給を止め、ジャケットの上部から圧縮空気を送り込んでジャケット内に残っている蒸気や凝縮水を吹き飛ばし、完全に除去されたら圧縮空気の供給を止めます。タンク内の物質を冷却したり、低温状態を維持したい場合、冷却剤はジャケットの下部から供給される。温度が高いタンク壁に触れると、冷却剤は熱伝達によって熱を吸収し、冷却剤が絶えず供給・排出されることで物質が冷却される。冷却加熱が終了したら、冷媒の供給を止め、ジャケットの上部から圧縮空気を送り込んでジャケット内に残っている冷媒を排液管へ吹き出します。完全に吹き出されたら、圧縮空気の供給を停止します。ジャケット配管には、ジャケットの圧力が過度に上昇して安全事故が起こるのを防ぐために安全弁を設置する必要があります。缶内には温度センサーを設置し、材料のリアルタイムの温度を監視する必要があります。ジャケットの凝縮水排出口には、凝縮水がスムーズに排出されるようにドレンバルブを設置する必要があります。温度制御の精度を考慮して、ジャケット内の蒸気や冷媒の供給時間および強度を制御するために温度調節器を使用し、材料のリアルタイムの温度に応じて迅速にフィードバック調整を行う必要がある。冷媒を戻さない温度制御システムは、製薬業界において、冷却媒体が水の溶液調製タンクや材料貯蔵タンク、そして一部の反応タンクの温度制御に広く使用されている。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png 図1 冷媒を再循環しない温度制御システム ②冷媒を再循環する温度制御システム 運用コストの削減や汚染物質の低減を目的として、できるだけ多くの冷媒を再利用したい場合、熱交換後にジャケット内に残った冷媒は直接排出されることなく、再循環配管を通じてすべて回収される。冷媒リバースブローの温度制御システムは図2の通りで、この方式では適切な位置に冷媒リバースブロー配管を追加している。材料の昇温・保温プロセスの制御は、冷媒が逆流しない温度制御システムと同じです。温度制御が終了すると、冷媒の供給を止め、ジャケットの上部から圧縮空気を送り込んで吹き抜けさせ、ジャケット内に残った冷媒をリターン配管に送って回収する。製薬生産において、タンク類の冷却媒体として水を使用せず、エチレングリコールなどの溶液を使用する場合、この設計案を採用することができる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png 図2 冷媒の戻し流量を制御する温度制御システム 2. 加熱または冷却用媒体をタンク内に直接送り込む温度制御システム 加熱または冷却用媒体をタンク内に直接送り込む温度制御システムの原理は混合式熱交換であり、その特徴は、冷たい流体と温かい流体がタンク内で直接混ざり合う形で熱交換が行われる点にある。この設計では、蒸気と冷媒がタンク内に送り込まれ、直接材料と混合して熱交換を行い、材料の温度を上昇・下降させたり、一定に保ったりする。ジャケット式の温度制御方式と比較して、この設計では伝熱係数と熱交換面積が大幅に向上し、伝熱速度が高く装置がシンプルであるといった利点がある。システムは、蒸気や冷媒の供給時間および強度を制御することで、タンク内の物質の温度を管理します。しかし、このシステムの加熱または冷却媒体は材料と直接接触するため、材料に悪影響を及ぼさない適用性があることを確認するためにリスク評価が必要となる。 加熱または冷却用媒体をタンク内に直接送り込む温度制御システムは図3の通りで、材料に温度制御が不要な場合は、タンク内に蒸気や冷媒は送り込まれない。タンク内の物質を加熱したり、高温状態を維持したりする必要がある場合、蒸気が蒸気界面から供給され、温度が低い物質に触れると蒸気は熱を放出して液体に凝縮し、物質の温度を上昇させたり高温状態を維持したりします。同時に、凝縮水はタンク内に留まり物質と混ざり合います。加熱が終了したら、蒸気の供給を止めます。タンク内の物質を冷却したり、低温状態を維持したい場合、冷媒が冷却媒体側から供給され、温度が高い物質に触れると、冷媒は熱を吸収して物質を冷却したり低温状態を維持したりします。同時に、冷媒はタンク内に留まり物質と混ざり合います。冷却が終了したら、冷媒の供給を止めます。蒸気の凝縮水と冷媒は投入後もタンク内に留まるため、この方法で温度制御を行う際には、所定の温度制御効果を得るための蒸気と冷媒の添加量を考慮する必要がある。このシステムは、制御精度の要求が低く、温度に敏感でない物質の温度制御や、一部の廃棄物の不活化処理用タンクの温度制御に利用できる。例えば、組換えタンパク質医薬品の原液製造工程における細菌含有廃液の不活化タンクには、この温度制御システムを用いることができる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png 図3 加熱または冷却媒体をタンク内に直接送り込む温度制御システム 3、温度制御回路を介してジャケットで間接的に温度を制御する温度制御システム 温度制御回路を介してジャケットで間接的に温度を制御する温度制御システムの原理は間壁式熱交換であり、この温度制御システムにはジャケット、配管、ポンプ、熱交換器、温度制御器、温度センサーなどから構成される温度制御回路が必要となる。制御回路内には熱媒体が満たされており、ポンプによって絶えず循環し、ジャケットを通過する際にタンク壁と物質との間で熱交換を行うことで、タンク内の物質の温度を上昇・下降させたり、一定に保ったりします。熱媒体は水の他、断熱油などでも構いません。システムは熱交換器によって熱媒体の温度を調節し、ジャケットの間壁式熱交換によってタンク内の物質の温度制御を行う。システムには、熱媒体の交換や補充のためのバルブを設置する必要があり、また、回路内の熱媒体圧力を安定させるために膨張タンクや膨張槽も設置する必要がある。 図4に示すのは、温度制御ループを用いてジャケットで間接的に温度を制御する温度制御システムであり、材料に温度制御が不要な場合は、温度制御ループを動作させないか、制御なしで動作させることができる。タンク内の物質を加熱したり、高温を維持したりする必要がある場合、温度制御回路内の熱媒体が加熱され、その熱がジャケットを通ってタンク壁を介してタンク内の物質に伝わり、物質の温度を上昇させたり高温を維持したりします。タンク内の物質を冷却したり、低温状態を維持したりする必要がある場合、温度制御回路内の熱媒体が冷却され、その低温の状態でジャケットを流れてタンク壁を通じてタンク内の物質から熱を奪い、物質を冷却したり低温状態を維持したりします。温度制御が終了すると、制御回路内のポンプの運転または熱媒体の温度制御を停止させ、それによって材料の温度制御も停止します。必要であれば、回路に圧縮空気の接続口を設けて、回路全体またはジャケット部分をブローすることもできます。缶内の物質の温度は、ジャケット内の熱媒体によって制御され、この熱媒体は温度制御回路内の熱交換器によって管理される。このプロセスでは2回の間壁熱交換が必要となるため、熱交換効率は高くないが、このシステムでは高い温度制御精度を実現できる。このシステムは、温度制御回路が材料と直接接触しないため、コンポーネントの選定において衛生設計の要件を満たす必要がなく、建設コストも低いです。制御回路によってジャケットで間接的に温度を制御する温度制御システムは、高い温度精度が求められ、長時間にわたる温度制御が必要であり、かつ材料を激しくかき混ぜることが適さない製薬生産工程に一般的に用いられる。例えば、血液製剤の製造におけるパストゥール滅菌釜やS/D滅菌釜などにこの温度制御システムを採用することができる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png 図4 ジャケットを介した間接的な温度制御を行う温度制御システム 4. 温度制御回路を用いてタンク内で直接的に温度制御を行う温度制御システム 温度制御回路を用いてタンク内で直接的に温度制御を行う温度制御システムの原理は間壁式熱交換であり、この温度制御システムは温度制御回路とタンク類の装置からなる循環システムで構成されている。温度制御回路は配管、ポンプ、熱交換器、計測器などで構成される。材料はタンク型の装置に保管され、ポンプによって制御回路内で絶えず循環させられる。熱交換器を流れる際に加熱または冷却された後、再びタンク内に戻って他の材料と混ざり合う。タンク内の温度計がフィードバックして、熱交換器への蒸気や冷媒の供給時間や強度を調整することで、材料の温度を制御する。 図5に示すように、温度制御回路を用いてタンク内で直接温度を制御する温度制御システムがある。材料に温度制御が不要な場合、温度制御回路は動作しないか、または温度制御なしで動作することができる。タンク内の物質に温度制御が必要な場合、回路内のポンプを起動して物質をタンク装置や温度制御回路内で循環させる。物質は熱交換器を通過する際に加熱または冷却され、その後貯蔵タンクに戻って他の物質と混合された上で再び回路に戻り、このような繰り返しによって物質の温度を調整したり、適切な温度に維持したりする。この設計案では、タンク内の物質の温度は熱交換器を介して直接加熱または冷却され、プロセス中に隔壁での熱交換は1回のみ必要となるため、熱交換効率が高く、またこのシステムでは高い温度制御精度も実現可能である。この設計では、材料を温度制御回路内で循環させる必要があるため、システム内で材料に接する部分はすべてGMPの関連要件を満たさなければならず、医薬品の品質に何ら悪影響を与えてはなりません。そのため、建設費用やメンテナンスコストが増加することになります。制御回路によってタンク内で直接温度を制御する温度制御システムは、一箇所に集約して保管し、複数の使用場所に同時に供給する必要があり、高い温度管理が求められるうえ、激しい撹拌にも耐えられる物質のシステムに適しており、例えば製薬用純水供給システムや血液製剤製造における低温エタノールシステムの温度制御などがこれにあたる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png 図5 温度制御回路を用いたタンク内での直接温度制御システムの適用分析 異なる製造工程においては、材料の温度制御に対する要求が異なるため、設計者はそれぞれの状況に応じて適切な設計案を選択しなければならない。上で述べたいくつかの設計案は基本的なものですが、実際の応用においては、単独である設計案を使用するだけでなく、ある設計案を簡略化したり、複数の設計案を組み合わせて使用することも可能です。 以下に、いくつかの典型的な適用例を紹介する：①溶液貯蔵タンク　通常の溶液貯蔵タンクでは、冷却機能だけが必要であり、温度が規定値を超えなければよい。この場合、加熱または冷却用媒体をジャケットに直接供給する温度制御システムを簡略化し、冷却機能のみを残せばよい。詳細は図6を参照のこと。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png 図6 冷却機能のみが必要な溶液貯蔵タンクの温度制御設計 ②生物廃棄物不活化タンク 生物廃棄物不活化タンクは、加熱または冷却媒体をタンク内に直接供給する温度制御システムと、ジャケット内に加熱または冷却媒体を直接供給する温度制御システムの特長を組み合わせ、蒸気をタンク内に供給して混合加熱し、一方で冷媒をジャケット内に供給して間接冷却を行うように設計されている。これにより、廃棄物の不活化処理速度が向上するだけでなく、1回の処理で処理できる廃棄物の量も増える。詳細は図7を参照のこと。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png 図7 直接加熱と間接冷却による生物廃棄物の不活化用タンクの温度 ③工程が比較的複雑なタンク型装置 工程が比較的複雑なタンク型装置、例えば発酵タンクの場合、培地が温度に敏感でない限り、加熱剤または冷却剤を直接ジャケットに供給する温度制御システムと、温度制御回路を通じてジャケットの温度を間接的に制御する温度制御システムを組み合わせて使用することができる。詳細は図8を参照のこと。温度制御回路に蒸気と冷媒の接続口を設け、培地の滅菌時に加熱または冷却媒体をジャケット内に直接供給する温度制御システムを採用することで、熱交換効率を高め、工程時間を短縮する。発酵培養時には、温度制御ループを用いたジャケット式の間接的な温度制御システムを採用し、培養温度の安定性と精度を確保することで、生産が厳格に定められた工程に従って行われるようにしている。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png 図8 培地の迅速な滅菌と発酵プロセスにおける正確な温度制御のための発酵タンクの温度制御設計 タンク式装置の温度制御には、上記で挙げた条件以外にも多くのその他の条件が存在する。タンク式装置の温度制御システムのエンジニアリング設計を行う際には、製造工程の要件を満たすと同時に、建設コストや法規制の要求も総合的に考慮し、さまざまな条件に適合する温度制御システムを設計する必要がある。本文で述べられているいくつかの温度制御システムの設計思想と動作方式は、実際の生産プロセスにおいて良好な成果を上げており、またこれらの制御方案は温度制御方案の設計における参考となる。 著者：厳留俊 出典：技術文庫 yunrun.com.cn/tech/