CIP过程中的常见问题

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CIP问题一直是大型生物制药罐管系统工程的一个痛点和难点——为此笔者团队针对CIP过程中的常见问题开展系列专题讨论，只有在探索进程中才能有的放矢去研究新技术。
供应商提供的设备CIP清洗时间非常长，电导率指标始终达不到清洗要求，甚至有的设备WFI终洗时间长达1个多小时。我们认为这是一个非常不合理的现象，不但造成了清洗介质的浪费，也可能为生产排班带来风险，引发更严重的后果。
这些问题高频集中在同一个工况：一个CIP站需要同时兼顾大设备和小设备或管道，清洗小设备或管道时CIP时间过长。

## 原因分析
影响 CIP 的要素主要包括温度、时间、机械作用、化学作用。这四个影响因素与 CIP 清洗效果的关系可以用 TACT 模型来表示：

![](/media/202401/2024-01-30_093723_989676.png)
式中 CR——清洗效果；
Ti——时间；
A——机械作用；
C——化学作用；
Tc——温度。

![](/media/202401/2024-01-30_093715_704052.png)
图：CIP的四大影响因素
CIP清洗终点通常通过电导率来进行判定，在电导率合格的前提条件下，清洗效果(CR)一致，相同清洗配方的化学作用（C，此处特指清洗剂浓度）和温度（Tc）一定，时间（Ti）的数值过大，说明清洗的机械作用（A）存在缺陷。
而在CIP系统中，机械作用主要源于流体的湍流度。而湍流度可以通过雷诺数进行计算，在其他条件不变的情况下，雷诺数与流速成正比，则流速越大，雷诺数越大，湍流度越大，进而在相同工况条件下清洗时间更短。雷诺数与流速的关系可用下式表示：

![](/media/202401/2024-01-30_093703_223210.png)
式中，
Re：雷诺数
d：管道内径，m
u：流速，m/s
ρ：密度，kg/m3
μ：动力粘度，Pa·s
但是过大的流速也会带来其他的不利影响，例如管道损失增加和水锤风险增加。根据范宁（Fanning）公式，流速越大，沿程损失越大。

![](/media/202401/2024-01-30_093651_994862.png)
式中，
△pf：单位体积流体的沿程损失，Pa
l: 管道长度，m
d：管道内径，m
u：流速，m/s
ρ：密度，kg/m3
λ：摩擦系数
过大的管道损失会导致泵的选型增大，最终导致前期设备投入和后期长期能耗的增加。而这个问题在设计前期可以完全避免。

![](/media/202401/2024-01-30_093637_598563.png)
图：ASME BPE标准中的建议
ASME BPE中建议CIP的流速应达到1.5m/s，但是这个流速并不是固定不变的，还应根据不同的管道走向、介质流向、管径、相关部件等综合考虑。
二 结 论
通过分析得出，主要影响的原因是清洗小规格管道或设备所需流量较小，导致整体CIP循环管道的流速偏低，影响了管道整体的湍流度，导致机械冲刷力的降低，在同等清洗要求和介质的情况下，导致清洗时间的增加。而问题的根源往往在于回水主管清洗困难而不是目标设备或管道本身。
但是，在大型生物制药罐管系统中，往往因为工艺或整体成本考虑，不可避免的需要使用==一套CIP站清洗差距较大的设备或管道==。因此不可避免地，==CIP分配管道，尤其是回水管道，需要采用较大的尺寸以匹配最大罐子或设备的清洗，产生大管洗小管的问题==。由此带来的不仅仅是清洗时间的增加和清洗介质的浪费，同时也会带来泵憋压导致使用寿命的缩短。我们以常见的亲和层析为例：
亲和层析上样罐和收样罐有时体积会相差十倍左右，同时层析的上样管道往往尺寸较小，例如某单抗项目：亲和层析上样罐体积8000L，收样罐体积只有800L，而层析上样管道尺寸仅仅只有3/4”，而为了层析上样罐的清洗，根据不同的布局情况，CIP供水主管可能要达到2”，回水主管会达到2”甚至2.5”。
如果不进行特殊设计，清洗3/4”管道时，总体流量只能达到大约1400L/h，2”管道的流速大约只能达到0.2m/s，远低于1.5m/s，雷诺数也只有10000左右，虽然达到湍流范围，但机械作用大幅降低，清洗时间增加在所难免。
## 三解决方案
笔者团队针对每一个特殊工况的清洗困难点，笔者团队都会进行详细计算，避免流速问题导致清洗困难，避免后期改造造成的时间和机会成本浪费。
在管道及程序设计时，针对不同的工况，笔者团队会针对性的进行不同的特殊设计，在不增加成本的情况下，通过管道连接方式、逻辑顺序、清洗策略等方式实现设计。在CIP时，保证大管清洗流速，保证清洗效果，保证总体清洗时间短，清洗介质耗量低。
四 总 结
CIP设计是决定一个大型生物制药系统成败的关键一环，设计上需要多方位考虑，不可执着于标准设计。设计应针对每个特殊工况进行调整，需综合考虑整体布局、管道实际情况、生产排班以及控制方式等。通过合理的前期设计，可以缩短调试时间，减少长期能耗，降低使用风险，有利于缩短投产时间，为业主带来更好的收益和使用体验。