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★貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司

吹灌封BFS（Blow-Fill-Seal）是制藥工業(yè)正在快速發(fā)展的制劑領(lǐng)域，在像眼科滴液類(lèi)、疫苗類(lèi)藥品制劑過(guò)程中，BFS具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

1　BFS概述

如圖1所示，BFS先是由主機(jī)對(duì)聚合物顆粒進(jìn)行配料、稱(chēng)重、加熱后處于熔融狀態(tài)，并通過(guò)螺桿擠出到模腔中，然后由吹氣閥動(dòng)作來(lái)進(jìn)行瓶子本身的吹制。在吹制完成后即可進(jìn)行液體制劑的灌注，并進(jìn)行熱封的封口，完成后開(kāi)模即可獲得灌裝完成的成型產(chǎn)品。

圖1 BFS原理圖（來(lái)源：國(guó)際吹灌封操作者協(xié)會(huì)）

2　BFS的優(yōu)點(diǎn)

BFS的優(yōu)點(diǎn)首先在于它更為快捷的生產(chǎn)過(guò)程，避免了像傳統(tǒng)安瓿瓶、西林瓶復(fù)雜的洗瓶、消毒、烘干、灌裝、軋蓋/封蓋的過(guò)程復(fù)雜性。采用塑料的瓶子也可以讓藥物使用中更為安全（避免玻璃碎片的傷害）。另外，BFS更快的節(jié)拍，也可以讓藥物在空氣中更低的暴露時(shí)間，避免污染。第三，通過(guò)BFS方式生產(chǎn)藥物更為高效，它的瓶子大小無(wú)需額外的機(jī)械工裝夾具，而由控制參數(shù)配置即可實(shí)現(xiàn)不同的瓶子容積生產(chǎn)。而整個(gè)BFS的生產(chǎn)效率也是更高的，易于形成獨(dú)立的生產(chǎn)中心，更為緊湊，對(duì)于清洗而言也更為便捷。因此，BFS被應(yīng)用于很多疫苗、液體制劑、眼科滴液等的生產(chǎn)中。

3　自動(dòng)化系統(tǒng)硬件的特殊性需求

制藥工業(yè)，考慮到避免由環(huán)境帶來(lái)的不必要的藥物污染，以及生產(chǎn)環(huán)境對(duì)電子電氣系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要符合行業(yè)特別需求的硬件設(shè)計(jì)，包括像對(duì)HMI的純平設(shè)計(jì)、防護(hù)等級(jí)等需求。

3.1　IP69K防護(hù)等級(jí)的Panel PC

在制藥行業(yè)，由于對(duì)于潔凈度的要求，需要機(jī)器的操作面板具有高防護(hù)等級(jí)，這包括很多方面的設(shè)計(jì)需求，而貝加萊的Panel PC有專(zhuān)門(mén)針對(duì)制藥工業(yè)所需的工業(yè)平板電腦，它采用懸臂安裝，本身的外殼也采用316SS不銹鋼進(jìn)行加工，并進(jìn)行了工業(yè)級(jí)的密封性設(shè)計(jì)，以達(dá)到IP69K的防護(hù)等級(jí)，這意味著它可以工作在制藥這種需要沖洗的環(huán)境中。

圖2 防護(hù)等級(jí)IP69K的工業(yè)平板

Panel PC可以帶有操作的鍵—這種專(zhuān)利設(shè)計(jì)的發(fā)光按鍵設(shè)計(jì)精美，還有RFID—它可以用于用戶(hù)的識(shí)別，這在制藥工業(yè)里非常重要的原因在于，必須清楚是誰(shuí)在什么時(shí)間對(duì)這個(gè)機(jī)器進(jìn)行的操作。

Panel PC并非純粹的顯示單元，它實(shí)際上是將Windows任務(wù)和基于RTOS的實(shí)時(shí)任務(wù)集成于一體，采用Hypervisor技術(shù)，在多核處理器里進(jìn)行了分割，以使得兩個(gè)操作系統(tǒng)都可以運(yùn)行，分別執(zhí)行不同的任務(wù)。

3.2　ACOPOSmotor伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)

還有一個(gè)對(duì)于制藥也是需要高防護(hù)等級(jí)的是伺服驅(qū)動(dòng)，在這里，貝加萊的ACOPOSmotor就是基于這樣的設(shè)計(jì)。

圖3 ACOPOSmotor驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一體化設(shè)計(jì)

ACOPOSmotor對(duì)于系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于它降低了接線的需求，可以就近安裝于傳動(dòng)所需的機(jī)械本體上，無(wú)需占用額外的電柜空間，這同時(shí)意味著接線的成本下降。ACOPOSmotor與其它貝加萊ACOPOS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣，可以達(dá)到較高的百微秒等級(jí)位置環(huán)控制。

4　BFS的軟件方案構(gòu)成

對(duì)于機(jī)器的解決方案而言，硬件是基礎(chǔ)，而同時(shí)也需要軟件的支持能力。制藥工業(yè)比較特別地在于它需要考慮“合規(guī)性”，即所需的電子簽名認(rèn)證。

4.1　合規(guī)性認(rèn)證需求

在FDA Gamp認(rèn)證中，21CFR Part 11是針對(duì)制藥裝備的電子電氣系統(tǒng)的要求，它要求對(duì)于機(jī)器的整個(gè)操作、運(yùn)行過(guò)程中的所有事件、參數(shù)、動(dòng)作等進(jìn)行記錄，并以不可篡改的形式輸出，以確保整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的可追溯性，這對(duì)于監(jiān)管及制藥企業(yè)自身的追溯都是至關(guān)重要的。

mappAudit是貝加萊mapp軟件中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)審計(jì)追蹤的功能塊，它是滿(mǎn)足于21CFR Part 11的合規(guī)性需求的。它可以被系統(tǒng)快速配置，并對(duì)所有過(guò)程進(jìn)行追蹤，例如，不同的用戶(hù)對(duì)于機(jī)器進(jìn)行的每個(gè)操作都將被記錄在案，并以加密的CSV或PDF文件形式輸出報(bào)告，以確保這些數(shù)據(jù)是合規(guī)的。

4.2　溫控技術(shù)

對(duì)于BFS控制系統(tǒng)中，溫度控制影響著制品的品質(zhì)，也會(huì)影響系統(tǒng)的節(jié)拍。溫度控制在BFS比較關(guān)鍵在于它在整個(gè)吹制過(guò)程的不同階段，對(duì)于溫度的需求是不同的。而另一方面，溫度的控制響應(yīng)速度，也會(huì)影響整個(gè)BFS的節(jié)拍。它需要一個(gè)更為高速且高精度的溫控，以達(dá)到高品質(zhì)、高效的生產(chǎn)。

mappTemperature是貝加萊針對(duì)溫控的專(zhuān)用模塊，它最為重要的是其嚴(yán)格精密的溫度斜坡跟蹤功能，在不同的階段，軟件將按照預(yù)先設(shè)定的溫度曲線精準(zhǔn)工作，這確保了生產(chǎn)的高品質(zhì)。

為了提高響應(yīng)能力，并降低過(guò)度調(diào)節(jié)帶來(lái)的波動(dòng)，mappTemperature分別引入了前饋和Kalman濾波來(lái)解決這些問(wèn)題。

4.3　液壓/電動(dòng)控制均可

在B&R的mapp中，針對(duì)不同的液壓控制回路，也有mappHydraulic的設(shè)計(jì)，它會(huì)針對(duì)不同的泵（定量、伺服泵）、閥（比例閥、伺服閥等）這樣的物理對(duì)象，以及特性進(jìn)行液壓的定位、同步控制。在BFS中，針對(duì)液壓的機(jī)械或電動(dòng)機(jī)構(gòu)，貝加萊都會(huì)有相應(yīng)的控制方案。液壓庫(kù)的支撐如圖5所示。

圖5 液壓庫(kù)的支撐

4.4　精準(zhǔn)的壁厚控制

對(duì)于較大容量的瓶子而言，由于吹制過(guò)程中，型胚自重的影響，在型胚上發(fā)生減薄和縮頸的現(xiàn)象。因此，在擠出中，胚壁的厚度控制是產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵，通過(guò)電液位置控制原理，可以改變擠出口模成型間隙的開(kāi)度，以控制型胚厚度的變化，使得中空制品的壁厚均勻，節(jié)省材料。當(dāng)然，對(duì)于壁厚控制而言，液壓系統(tǒng)的大滯后、大慣量也是必須予以考慮的。不過(guò)，基于貝加萊在吹瓶壁厚領(lǐng)域的控制經(jīng)驗(yàn)，這些都是在系統(tǒng)里可被配置的。

除了mappTemperature、mappAudit、mappHydraulic這些機(jī)電控制模塊，像mappVIEW更為精美的HMI設(shè)計(jì)、mappUser用戶(hù)管理、mappRecipe配方管理、mappPackML、mappAlarmX等軟件功能也可以快速被調(diào)用，以便整機(jī)的應(yīng)用軟件快速配置。

5　整體架構(gòu)

圖6是貝加萊針對(duì)BFS的控制系統(tǒng)架構(gòu)，Panel PC通過(guò)POWERLINK網(wǎng)絡(luò)連接IP67防護(hù)等級(jí)的I/O系統(tǒng)，以及ACOPOSremote——這是一個(gè)IP67等級(jí)的電源，通過(guò)單電纜技術(shù)（動(dòng)力電纜、通信及信號(hào)電纜于一體），級(jí)聯(lián)的方式連接ACOPOSmotor伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)。

圖6 BFS控制系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于BFS而言，貝加萊提供的解決方案包含了滿(mǎn)足制藥行業(yè)所需的硬件、軟件需求。能夠通過(guò)mapp模塊化應(yīng)用快速地構(gòu)建機(jī)器的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

精彩觀點(diǎn)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理 宋華振

記者：貝加萊的產(chǎn)品主要應(yīng)用在醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈的哪個(gè)環(huán)節(jié)？提供哪些技術(shù)和解決方案？為用戶(hù)解決了哪些問(wèn)題？

宋華振：在制藥行業(yè)，貝加萊有著較多的應(yīng)用，主要聚焦在后道的制劑和包裝這個(gè)環(huán)節(jié)，這包括壓片、膠囊填充、液體制劑的吹灌封，以及新的BFS（吹灌封），這類(lèi)都屬于“制劑”，它與劑量控制緊密相關(guān)。如藥片/膠囊進(jìn)行泡罩包裝、裝盒、堆垛，在這些設(shè)備里，貝加萊的控制器、伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)、HMI、機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品都可以用到。對(duì)于制劑，貝加萊的解決方案主要解決劑量精準(zhǔn)控制問(wèn)題，而對(duì)于包裝則解決包裝靈活與高效的問(wèn)題。

在2018年左右，貝加萊成立了針對(duì)醫(yī)療器械組裝的部門(mén)，主要聚焦于醫(yī)療器械的組裝業(yè)務(wù)（稱(chēng)為M DA-MedicalDeviceAssembling），這是一個(gè)快速成長(zhǎng)的市場(chǎng)，隨著人工成本的上升，其自動(dòng)化程度也大幅提高。在這個(gè)領(lǐng)域里，貝加萊以ACOPOStrak/ACOPOS 6D技術(shù)應(yīng)用為主，主要解決“組裝”的品質(zhì)、效率問(wèn)題。

記者：貝加萊在醫(yī)藥行業(yè)如何定位自己的產(chǎn)品？核心優(yōu)勢(shì)是什么？

宋華振：貝加萊在制藥行業(yè)定位于提供一體化的解決方案，這與我們?cè)谄渌b備制造業(yè)是相同的。首先，這些產(chǎn)品需要滿(mǎn)足制藥行業(yè)的Gamp認(rèn)證，采用不銹鋼設(shè)計(jì)的外殼、純平的HMI表面設(shè)計(jì)，以及防止水沖擊的應(yīng)用需求。主要是包括IP69K防護(hù)等級(jí)的工業(yè)平板，它將控制、顯示、操作集成于一體，滿(mǎn)足制藥行業(yè)的高防護(hù)等級(jí)場(chǎng)景。其次，貝加萊的ACOPOSmotor伺服驅(qū)動(dòng)器將驅(qū)動(dòng)和電機(jī)集成于一體，以滿(mǎn)足制藥行業(yè)緊湊空間、降低接線等需求。另外，8WS是一種不銹鋼的伺服電機(jī)，也為制藥工業(yè)所設(shè)計(jì)。在技術(shù)方面，制藥和醫(yī)療器械都有衛(wèi)生等級(jí)的產(chǎn)品。

而在醫(yī)療器械組裝方面，ACOPOStrak/ACOPOS 6D主要通過(guò)為產(chǎn)線形成連續(xù)流、負(fù)載均衡、節(jié)拍優(yōu)化，使得單位時(shí)間的產(chǎn)能滿(mǎn)足需求，并確保高品質(zhì)的產(chǎn)品輸出，這是貝加萊提出的“自適應(yīng)制造”理念的體現(xiàn)，即：通過(guò)視覺(jué)的自感知，以及PC的自分析與決策調(diào)度，對(duì)產(chǎn)品的輸送進(jìn)行最高效的調(diào)度與規(guī)劃，并智能執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械組裝的高效生產(chǎn)。

記者：近年來(lái)，醫(yī)藥行業(yè)和“大健康”緊密聯(lián)系在一起，它是大健康產(chǎn)業(yè)主要的組成部分，也是大健康產(chǎn)業(yè)的基石。您怎么看這一問(wèn)題？貝加萊從中看到了哪些機(jī)會(huì)？

宋華振：大健康，已經(jīng)將健康從醫(yī)院延展到早期與日常的診斷，我們每個(gè)人都可以通過(guò)這些醫(yī)療器械來(lái)關(guān)注自身的健康，并調(diào)整自己的作息、飲食、睡眠、運(yùn)動(dòng)等，以自主地改善自身的健康狀況。人們不用等到疾病發(fā)生才去關(guān)注，就像血糖、血壓、脈搏等的日常監(jiān)測(cè)，以及像一些自用型注射針。

醫(yī)療器械主要分為診療設(shè)備、高值耗材、低值耗材和IVD體外診斷四個(gè)大類(lèi)。在“大健康”的發(fā)展下，其中最為迅速的是IVD，IVD這種偏向于消費(fèi)端的，像血糖儀、血壓計(jì)、可穿戴的醫(yī)療器械，它的快速發(fā)展使得這類(lèi)產(chǎn)品快速成長(zhǎng)。

而這類(lèi)產(chǎn)品的組裝過(guò)去因?yàn)橐揽咳斯?，雖然效率低但人工成本低的時(shí)候還是可以進(jìn)行的，但隨著人工成本大幅上升，其組裝就更強(qiáng)調(diào)于自動(dòng)化組裝線——而這就是貝加萊的ACOPOStrak/ACOPOS 6D的應(yīng)用場(chǎng)景。貝加萊已經(jīng)在糖尿病類(lèi)醫(yī)療器械、IVD實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備、微給藥、預(yù)填充注射筆等領(lǐng)域開(kāi)啟了大量應(yīng)用，大幅地節(jié)省了人工成本，并且，還帶來(lái)更高的品質(zhì)、更高的效率。

近年來(lái)，醫(yī)療器械的本土市場(chǎng)規(guī)模不斷增大，但它的另一個(gè)特點(diǎn)就是“碎片化”“個(gè)性化”，需要系統(tǒng)方案具有高度的靈活性設(shè)計(jì)。而這恰恰是ACOPOStrak/ACOPOS6D這樣的柔性輸送系統(tǒng)的用武之地。此外，針對(duì)這一行業(yè)的合規(guī)性要求，貝加萊系統(tǒng)的FDAGamp認(rèn)證可以讓制造商滿(mǎn)足制藥、醫(yī)療器械領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可追溯、審計(jì)追蹤需求，這同樣是貝加萊的優(yōu)勢(shì)所在。

記者：您認(rèn)為自動(dòng)化技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)未來(lái)會(huì)有怎樣的發(fā)展趨勢(shì)？對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了哪些新的需求？貝加萊將如何布局？

宋華振：醫(yī)療器械和制藥行業(yè)一直是對(duì)于數(shù)據(jù)要求比較高的領(lǐng)域，這包括數(shù)據(jù)的合規(guī)性（電子簽名認(rèn)證），另一個(gè)顯著的場(chǎng)景就是如何通過(guò)智能分析來(lái)改善制藥過(guò)程中的品質(zhì)、效率問(wèn)題。這需要一些機(jī)器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用。制藥和醫(yī)療有幾個(gè)顯著的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求：

（1）數(shù)據(jù)合規(guī)與安全。制藥通常是一個(gè)長(zhǎng)流程生產(chǎn)（制藥、制劑、包裝），需要水平集成和垂直集成，而這些數(shù)據(jù)要完全處于監(jiān)管狀態(tài)，因?yàn)檫@里涉及到合規(guī)和安全，有很多工藝Know-How需要保密。

（2）機(jī)器學(xué)習(xí)如何優(yōu)化參數(shù)、提升效率。例如解決藥物組分在線分析、環(huán)境對(duì)過(guò)程的影響（產(chǎn)品品質(zhì)易受生產(chǎn)環(huán)境中的干擾）、產(chǎn)品缺陷智能分析、機(jī)器的早期故障診斷。這些問(wèn)題對(duì)于制藥行業(yè)都是亟待解決的。

（3）參數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題。如在生產(chǎn)中的智能參數(shù)優(yōu)化、工藝建模與數(shù)據(jù)建模的分析、改善品質(zhì)等。

對(duì)于這些，貝加萊一直在布局，我們的方案研究院聚焦于機(jī)電建模、算法設(shè)計(jì)，致力為制藥行業(yè)用戶(hù)提供解決方案。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊