由于工艺管路倾斜角度不当或阀门配件内的物料影响截留对业主所造成的损失每年将达到数百万美元。清洁与排放能力是生物制药厂商或业主在工艺管线上所必须面对的最为关键的问题。生产原料药或者药用原料工厂的洁净标准也日益被提高到与生物制药厂商相同的水平。因此，优化流体系统的组件时必须把清洁和排放能力考虑进来。

在生物制药生产中，有一些是连续生产的, 但多数情况是分批生产的，这样在批与批之间就必须采用在线蒸汽（SIP），或在线清洗（CIP），或是同时采用两种方式进行清洁。无论哪种方式都需要在清洁过程使用化学药剂。在一个构建合理的系统中，当阀门关闭以后，整个系统的下游流体应能完全排放干净，因此可以最大程度地减少工艺管线或阀门及接头周围和内部的残留物或截留。但是，业主应该了解清洁和排放能力是最为重要的要求。

影响系统排放和清洁的变量包括：系统的倾斜度、死角、管子内表面光洁度、阀门和接头产品的选型和设计以及接头与阀门比。业主和承包商应当在设计和施工阶段就采取措施加强系统的清洁和排放能力。

系统倾斜度、死角和内表面光洁度

一些关于系统倾斜度和排放能力的具体规定在ASME BPE（美国机械工程生物工艺设备标准学会，
www.asme.org/Communities/Technical/BPE/）的SD 3.12章节中给出。尽管这些标准中没有给出倾斜度的具体数值，但是大多数公司使用的指导标准为每英尺至少为1/8 或1/4英寸。也就是说，每英尺的管子，管线应当降低1/8 到 1/4 英寸。

死角通常是以不连续流动为特征的一段管道（比较典型的是通向阀门或阀门组件的T形管道），当进行在线清洗的时候，化学药剂或蒸汽不能到达这些地方，或者流体可能会滞留在那儿没有完全排放干净，从而导致污染。 因此在设计系统的时候，使死角的数量最小化是非常关键的。下面列出了三种排除死角的方法，其理想程度依次增加。

在结构A中，有三处焊缝的三通接头有一段水平管路与阀门连接。死角区域就在三通接头和阀门之间。在三个结构中，这种方式所产生的死角最长，这是由于受到三通接头根部的限制,阀门不可能靠近交叉点。对于这种结构最好的解决方案就是选择根部最短的，直径最大的三通接头。这种结构在清洗时容易获得而且能够将流体截流区域减至最低。

在结构B中，使用阀门来代替三通接头。通过在阀门的侧面或底部钻孔，然后将直立的管子焊接在阀门上，这样就形成了一个三通。因为焊接的三通接头不是流路的一部分，这样到直立管道阀门的距离就比结构A中的要短。

结构C是最好的设计解决方案，通过使用定制阀门组件死角可以完全被清除。在这些阀门组件中，两个阀门通过同一阀块驱动，一个控制垂直方向的流路，另一个控制水平方向的流路。 业主和设计者应当特别注意这种阀门组件，他们有许多不同的组合选择，而且这种组件要比两个单独阀门的性价比高。

管子内表面的光洁度会同时影响排放和清洁能力。如果内表面光滑，没有孔或坑，在这两方面的表现会更好。如果内表面用电解抛光，可以产生化学钝化层来抑制腐蚀，清洁性还可以进一步提高。除了肉眼检查以外，还可以用一些其它的工具来测量内表面光洁度。

选型与设计

在选择阀门时需要慎重考虑。阀门与阀门之间的品质是不尽相同的。在关键的需要关闭的场合，两种最常用的阀门是堰式阀门和径向隔膜阀。堰式阀门是工业标准的，在经过验证的系统中，其表现出来的性能长期以来一直非常优越。然而，这种阀门的密封设计本身就有可能造成流体截留或污染。隔膜设计用来密封围堰的外缘，这样，在阀门开的位置上，膜片抬起并收缩，阀体沿着阀腔的边缘暴露在流路中。当阀门关上的时候，膜片向着阀体的方向关闭，使得少量的流体残留。

全新的径向隔膜阀设计可以改善这项缺陷。在这些设计中，隔膜沿着阀腔的边缘密封。在任何时候隔膜都不会抬离阀腔的边缘，因此就不会导致流体截留。而且，碗形的结构以及进出口的结构都可以保证流体的流路可以被清洗干净，并且使排放能力达到最佳。

在选择堰式阀门或是径向隔膜阀的时候，业主应当慎重考虑应用的灵敏性，如排放、流体截留、潜在污染及系统的流动要求。例如，同样尺寸的堰式阀门可以提供更高的流速，对于需要高流量的场合是更为合适的选择，而径向隔膜阀更适合于对清洁或开关次数要求高的场合。

接头也是影响排放能力的一个重要因素。目前市场上出现了新型的特殊角度的弯头，其角度为88?或92?，公差±0.5?。这样的角度可以保证更好的排放性能。标准接头的角度为90?，而ASME BPE 所允许的角度变化范围是±1.3?。有些承包商会使用这种公差，将90?的接头预先分类成锐角或钝角方向，用在需要不同斜度的场合，这种过程耗时且不准确。

通常，标准的90?接头需要对角度进行调整来得到需要的倾斜度。这通常使用两种方法来达到这个目的，一种方法需要端面车刀。在90?弯头的末端做一个斜面切口，然后一段直管通过对焊焊接在斜切口上，这样会产生一定的倾斜度。也可能需要通过弯管来调整倾斜度。

另一种方法不用车刀，徒手即可完成。将一段直管通过对焊焊接或其它方式连接在接头上。安装人员夹紧直管，用力弯曲成想要的倾斜度或位置。 其中一部分是斜接的， 另外一部分是弯曲成形的。

这两种方法都不是非常精确。事实上，一些生物制药厂商禁止使用这些方法。当我们用强力使管子弯到一个想要的倾斜度或位置时，管子内表面光洁度的完整性就会不同程度地受到破坏，从而导致增加污染的可能性。另外，管子受到温度变化的影响，可能会从受力点回复到原来的位置，或者当维修拆装时，破坏了原来的角度，导致复装变得非常困难。

与这些手动方法相比，另一种方案就是使用预先弯制成88?或92?的接头。通常在弯头或三通的生产中采用预先弯制的方法，然后通过对焊焊接或与焊接法兰通过卡箍连接，或者通过螺纹与螺纹接头连接。

传统的Tri - Clamp卡箍接头是很常见的。 然而，管道标准的四螺栓ANSI法兰不是卫生级的，因此不适用于生物制药生产或其它清洁系统。如果生物制药系统中使用传统的ISO 2852 Tri - Clamp卡箍接头，业主应当意识到会存在潜在的排放和流体障碍方面的问题。当ISO 2852型接头的卡箍夹紧的时候，垫片会挤出进入流道。垫片挤出的程度会随着热循环次数的增加而增加。计算机流体动力学 （CFD） 证明这种垫片挤出会造成流道中的湍流，而且在系统排放时可能会造成流体截留（图1）。

还有另一种设计可以防止垫片挤出进入流道。这种产品可以防止过度拧紧，为垫片提供一个可以伸出（在安装和夹紧时）或膨胀（在热循环过程中）的空间。

接头阀门比

尽管在实际使用过程中并没有一个大家公认的接头阀门比，但是我们始终应该遵循这样一个原则“越少越好”。在选择阀门设计的时候，业主和设计者都应当致力于减少接头和阀体的数量，以此来提高系统的整体效率、成本和性能。

高质量的阀门可以提供多个进出口组合，因此，一个多路阀现在可以完成原来需要两个或更多单个阀门才能完成的工作。由于每个阀门至少需要两个接头（或焊接点），这些多路阀设计不仅可以减少阀体的数量，而且可以减少接头的数量。换言之，准确的阀门选择可以减少阀门的数量，获得更高的接头阀门比，而且很有可能减小整个系统的尺寸和死角。

阀门的一个更加重要的应用是使用点出口。传统意义上，这种阀门以零静态三通的形式出现。三通垂直管段可能具有很好的排放能力，但是水平管段的排放能力可能没有这么好。有时候会在水平三通部分的两端加上或用两个90?的弯头代替，这样会形成一个弯头。

一个更好的选择是“Viking”设计（图3），三通的两个部件不再是水平的，而是被设计成垂直的，并且在进入阀门之前被弯成45?。这样仅靠重力的作用就可以保证将流体完全排净。另外，两根垂直管道之间的距离与ASME BPE 推荐的U形垂直管的距离相符合。堰式阀门和径向隔膜阀可以采用Viking这种形式。

其他因素

有许多精妙之处被用在系统设计中，下面是一些主要的因素：

管子的尺寸合适是非常重要的，合适的管子内径与系统的体积和清洗时所需要的压力有关。清洁器必需提供足够的力量将管子清洗干净。

在线蒸汽是一种很有效的清洗方法，但是系统设计必须能够耐受在线蒸汽。有一些弹性体（垫片或阀门的膜片）和浇铸件（比如在泵中的部件）对于蒸汽工艺是不合适的。在选择垫片和膜片的时候，用户通常应当指定蒸汽灭菌等级。系统中的黑色残留物说明低等级的弹性体在蒸汽灭菌中已经老化。至于泵阀等所使用的钢材，必须是锻造或经过车床加工的。如果是浇铸的，因难以控制浇铸工艺，可能会释放铁离子，从而导致系统在与蒸汽接触的时候被锈蚀。Teflon也可以用在使用蒸汽清洁的系统中。

焊接必须是高质量的。当焊接两片生产工艺不同的不锈钢的时候有可能导致严重的问题，例如，焊池会变得不对称，会偏向于低硫一侧，而且焊接的根部会偏离连接处。为了使偏移最小化，可以通过使用含硫量差别不超过±0.010的不锈钢进行焊接。当含硫量差别较大时，则需要对焊接设置进行调整来达到连接根部的完全穿透。

管路系统必须得到很好的支撑，因为管路本身的重量，或当技术员在上面踩踏或把管路当作扶手时，都有可能导致管路下垂。因此，倾斜管路系统需要特制的托架来支撑整个管路系统。

综上所述，为了避免因污染或排放性能差造成的经济损失或验证失败，业主、设计者和承包商应当在选择流体系统组件时慎重决定。对于较大的系统来说为使其运行正常，阀门、接头和系统的倾斜度都是非常重要的。

随着工业不断向前发展，改进型流体系统组件将被整合到生物制药生产系统中。具有创新性设计的组件可以减少错误的发生，例如特定角度的弯头和三通接头，最新的可以防止垫片挤出进入流道的接头，多路阀和Viking使用点阀门等将会取代精确度低的阀门，加强系统的排放和清洁能力。