★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。

1　BFS概述

如圖1所示，BFS先是由主機對聚合物顆粒進(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，避免了像傳統安瓿瓶、西林瓶復雜的洗瓶、消毒、烘干、灌裝、軋蓋/封蓋的過(guò)程復雜性。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)需額外的機械工裝夾具，而由控制參數配置即可實(shí)現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，易于形成獨立的生產(chǎn)中心，更為緊湊，對于清洗而言也更為便捷。因此，BFS被應用于很多疫苗、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)境對電子電氣系統的潛在風(fēng)險，因此，需要符合行業(yè)特別需求的硬件設計，包括像對HMI的純平設計、防護等級等需求。

3.1　IP69K防護等級的Panel PC

在制藥行業(yè)，由于對于潔凈度的要求，需要機器的操作面板具有高防護等級，這包括很多方面的設計需求，而貝加萊的Panel PC有專(zhuān)門(mén)針對制藥工業(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)級的密封性設計，以達到IP69K的防護等級，這意味著(zhù)它可以工作在制藥這種需要沖洗的環(huán)境中。

圖2 防護等級IP69K的工業(yè)平板

Panel PC可以帶有操作的鍵—這種專(zhuān)利設計的發(fā)光按鍵設計精美，還有RFID—它可以用于用戶(hù)的識別，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)間對這個(gè)機器進(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)操作系統都可以運行，分別執行不同的任務(wù)。

3.2　ACOPOSmotor伺服驅動(dòng)與電機

還有一個(gè)對于制藥也是需要高防護等級的是伺服驅動(dòng)，在這里，貝加萊的ACOPOSmotor就是基于這樣的設計。

圖3 ACOPOSmotor驅動(dòng)與電機一體化設計

ACOPOSmotor對于系統最大的優(yōu)勢在于它降低了接線(xiàn)的需求，可以就近安裝于傳動(dòng)所需的機械本體上，無(wú)需占用額外的電柜空間，這同時(shí)意味著(zhù)接線(xiàn)的成本下降。ACOPOSmotor與其它貝加萊ACOPOS驅動(dòng)系統一樣，可以達到較高的百微秒等級位置環(huán)控制。

4　BFS的軟件方案構成

對于機器的解決方案而言，硬件是基礎，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“合規性”，即所需的電子簽名認證。

4.1　合規性認證需求

在FDA Gamp認證中，21CFR Part 11是針對制藥裝備的電子電氣系統的要求，它要求對于機器的整個(gè)操作、運行過(guò)程中的所有事件、參數、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，這對于監管及制藥企業(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)針對審計追蹤的功能塊，它是滿(mǎn)足于21CFR Part 11的合規性需求的。它可以被系統快速配置，并對所有過(guò)程進(jìn)行追蹤，例如，不同的用戶(hù)對于機器進(jìn)行的每個(gè)操作都將被記錄在案，并以加密的CSV或PDF文件形式輸出報告，以確保這些數據是合規的。

4.2　溫控技術(shù)

對于BFS控制系統中，溫度控制影響著(zhù)制品的品質(zhì)，也會(huì )影響系統的節拍。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，對于溫度的需求是不同的。而另一方面，溫度的控制響應速度，也會(huì )影響整個(gè)BFS的節拍。它需要一個(gè)更為高速且高精度的溫控，以達到高品質(zhì)、高效的生產(chǎn)。

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

為了提高響應能力，并降低過(guò)度調節帶來(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，針對不同的液壓控制回路，也有mappHydraulic的設計，它會(huì )針對不同的泵（定量、伺服泵）、閥（比例閥、伺服閥等）這樣的物理對象，以及特性進(jìn)行液壓的定位、同步控制。在BFS中，針對液壓的機械或電動(dòng)機構，貝加萊都會(huì )有相應的控制方案。液壓庫的支撐如圖5所示。

圖5 液壓庫的支撐

4.4　精準的壁厚控制

對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，節省材料。當然，對于壁厚控制而言，液壓系統的大滯后、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，這些都是在系統里可被配置的。

除了mappTemperature、mappAudit、mappHydraulic這些機電控制模塊，像mappVIEW更為精美的HMI設計、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用，以便整機的應用軟件快速配置。

5　整體架構

圖6是貝加萊針對BFS的控制系統架構，Panel PC通過(guò)POWERLINK網(wǎng)絡(luò )連接IP67防護等級的I/O系統，以及ACOPOSremote——這是一個(gè)IP67等級的電源，通過(guò)單電纜技術(shù)（動(dòng)力電纜、通信及信號電纜于一體），級聯(lián)的方式連接ACOPOSmotor伺服電機與驅動(dòng)。

圖6 BFS控制系統架構

對于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模塊化應用快速地構建機器的應用軟件系統。

精彩觀(guān)點(diǎn)

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

記者：貝加萊的產(chǎn)品主要應用在醫藥產(chǎn)業(yè)鏈的哪個(gè)環(huán)節？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(zhù)較多的應用，主要聚焦在后道的制劑和包裝這個(gè)環(huán)節，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，在這些設備里，貝加萊的控制器、伺服驅動(dòng)與電機、HMI、機器視覺(jué)產(chǎn)品都可以用到。對于制劑，貝加萊的解決方案主要解決劑量精準控制問(wèn)題，而對于包裝則解決包裝靈活與高效的問(wèn)題。

在2018年左右，貝加萊成立了針對醫療器械組裝的部門(mén)，主要聚焦于醫療器械的組裝業(yè)務(wù)（稱(chēng)為M DA-MedicalDeviceAssembling），這是一個(gè)快速成長(cháng)的市場(chǎng)，隨著(zhù)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：貝加萊在醫藥行業(yè)如何定位自己的產(chǎn)品？核心優(yōu)勢是什么？

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，這與我們在其它裝備制造業(yè)是相同的。首先，這些產(chǎn)品需要滿(mǎn)足制藥行業(yè)的Gamp認證，采用不銹鋼設計的外殼、純平的HMI表面設計，以及防止水沖擊的應用需求。主要是包括IP69K防護等級的工業(yè)平板，它將控制、顯示、操作集成于一體，滿(mǎn)足制藥行業(yè)的高防護等級場(chǎng)景。其次，貝加萊的ACOPOSmotor伺服驅動(dòng)器將驅動(dòng)和電機集成于一體，以滿(mǎn)足制藥行業(yè)緊湊空間、降低接線(xiàn)等需求。另外，8WS是一種不銹鋼的伺服電機，也為制藥工業(yè)所設計。在技術(shù)方面，制藥和醫療器械都有衛生等級的產(chǎn)品。

而在醫療器械組裝方面，ACOPOStrak/ACOPOS 6D主要通過(guò)為產(chǎn)線(xiàn)形成連續流、負載均衡、節拍優(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“自適應制造”理念的體現，即：通過(guò)視覺(jué)的自感知，以及PC的自分析與決策調度，對產(chǎn)品的輸送進(jìn)行最高效的調度與規劃，并智能執行，以實(shí)現醫療器械組裝的高效生產(chǎn)。

記者：近年來(lái)，醫藥行業(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會(huì )？

宋華振：大健康，已經(jīng)將健康從醫院延展到早期與日常的診斷，我們每個(gè)人都可以通過(guò)這些醫療器械來(lái)關(guān)注自身的健康，并調整自己的作息、飲食、睡眠、運動(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、脈搏等的日常監測，以及像一些自用型注射針。

醫療器械主要分為診療設備、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這種偏向于消費端的，像血糖儀、血壓計、可穿戴的醫療器械，它的快速發(fā)展使得這類(lèi)產(chǎn)品快速成長(cháng)。

而這類(lèi)產(chǎn)品的組裝過(guò)去因為依靠人工，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(zhù)人工成本大幅上升，其組裝就更強調于自動(dòng)化組裝線(xiàn)——而這就是貝加萊的ACOPOStrak/ACOPOS 6D的應用場(chǎng)景。貝加萊已經(jīng)在糖尿病類(lèi)醫療器械、IVD實(shí)驗室檢測設備、微給藥、預填充注射筆等領(lǐng)域開(kāi)啟了大量應用，大幅地節省了人工成本，并且，還帶來(lái)更高的品質(zhì)、更高的效率。

近年來(lái)，醫療器械的本土市場(chǎng)規模不斷增大，但它的另一個(gè)特點(diǎn)就是“碎片化”“個(gè)性化”，需要系統方案具有高度的靈活性設計。而這恰恰是ACOPOStrak/ACOPOS6D這樣的柔性輸送系統的用武之地。此外，針對這一行業(yè)的合規性要求，貝加萊系統的FDAGamp認證可以讓制造商滿(mǎn)足制藥、醫療器械領(lǐng)域的數據可追溯、審計追蹤需求，這同樣是貝加萊的優(yōu)勢所在。

記者：您認為自動(dòng)化技術(shù)在醫藥行業(yè)未來(lái)會(huì )有怎樣的發(fā)展趨勢？對于自動(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：醫療器械和制藥行業(yè)一直是對于數據要求比較高的領(lǐng)域，這包括數據的合規性（電子簽名認證），另一個(gè)顯著(zhù)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。這需要一些機器學(xué)習方法的應用。制藥和醫療有幾個(gè)顯著(zhù)的數據應用需求：

（1）數據合規與安全。制藥通常是一個(gè)長(cháng)流程生產(chǎn)（制藥、制劑、包裝），需要水平集成和垂直集成，而這些數據要完全處于監管狀態(tài)，因為這里涉及到合規和安全，有很多工藝Know-How需要保密。

（2）機器學(xué)習如何優(yōu)化參數、提升效率。例如解決藥物組分在線(xiàn)分析、環(huán)境對過(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、機器的早期故障診斷。這些問(wèn)題對于制藥行業(yè)都是亟待解決的。

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

對于這些，貝加萊一直在布局，我們的方案研究院聚焦于機電建模、算法設計，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