磁力搅拌的原理与应用.PDF

磁力搅拌的原理与应用 张功臣 搅拌是使液体或气体介质强迫对流并均匀混合的过程。搅拌器作为最常用的传 动设备之一，广泛应用在化工、食品、染料、化妆品和制药行业中，如何选择适用 的搅拌器型式，对制药工艺起到至关重要的作用。能否证明搅拌器可以在线清洗和 在线灭菌、轴承材质是否安全等已成为当今生物制药搅拌器选型前的主要质量标准。 搅拌的原理与应用 搅拌在制药流体工艺系统中的主要作用包括使液体料液混合均匀、强化传热、 使固体粒子在液相中均匀悬浮、强化相间的传质（如萃取和吸收等过程）、使气体 或者固体颗粒在液相中很好地分散或均匀细化、使不相溶的液相充分乳化等。不同 的制药工艺及搅拌目的，决定了不同的搅拌方式，例如细菌发酵罐需要中高速多层 搅拌器，搅拌能使空气或者氧气快速混匀到液体里，以满足细菌高需氧量；动物细 胞悬浮培养用的生物反应器却需要低速、低剪切力的搅拌器，尽可能不损伤细胞， 还需要使贴附有贴壁细胞的微载体或者巨载体不会在更换培养基时流走，篮式搅拌 器则可以满足此要求。 搅拌的分类 搅拌器是搅拌设备的核心部件，根据搅拌器的安装位置，可以分为上搅拌、侧 搅拌和底搅拌；根据机械传动方式，可以分为磁力式和机械式；根据桨叶的形状， 可以分为推进式搅拌桨、篮式搅拌桨、斜叶桨、板框式搅拌桨、圆盘震荡式搅拌桨、 螺旋式搅拌桨和锚式搅拌桨。 其中，安装在罐体底部的磁力搅拌器，避免了轴封和物料的交叉污染，获得了 越来越高的市场认可度，市场占有率逐年攀升。其原理为利用中间有隔离套隔开的 内外两个磁钢，靠电机驱动后产生磁力耦合达到传动的目的，可以做到完全无泄漏， 并且能量转化最高效。 磁力搅拌器分为台式、下置和上置等形式。台式磁力搅拌器（图1）的工作原 理是利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座两端的极性来推动磁性搅拌 1 棒转动，其缺点是能量转化效率低，只适合实验规模的小体积液体搅拌。下置磁力 搅拌器和上置磁力搅拌器两种主要应用于工业。与下置磁力搅拌器（图2 ）相比， 上磁力搅拌器（图3 ）仍然没有完全去除轴封带来的风险，其应用领域相对较局限。 图1 台式磁力搅拌器 图2 下置磁力搅拌器 图3 上置磁力搅拌器 磁力搅拌器简介及其优势 由于生物制药对搅拌器轴封的无菌性和风险控制提出了更高要求，下置磁力搅 拌器成为生物制药市场的主流，并继续朝着简洁、大扭矩、大剪切力或者极低剪切 力、轴承材质安全、易于在线清洗和在线灭菌的方向发展。其中，可清洁性与搅拌 器桨叶形式、轴承的结构设计等直接相关，例如不锈钢之间的夹角需设计为钝角并 避免清洗死角的存在。需要注意的是，如果工艺罐体是压力容器，下置磁力搅拌器 的焊接底板必须符合《固定式压力容器安全技术监察规程》的相关要求。其安装部 位往往位于罐体斜底部，位置和人孔/手孔正对，避开罐底阀的安装位置，这种设计 可有效形成涡流和湍流（如图4 ），从而达到最佳的搅拌效果。 同安装在罐体顶部的上置机械搅拌器相比，下磁力搅拌器的优势非常明显：（1） 可实现罐体的低液位搅拌，特别适合高附加值无菌产品的配制；（2 ）无机械密封， 从而避免了交叉污染及泄漏润滑油的风险；（3 ）无需安装挡流板，搅拌效率更高、 有利于保证在线清洁的效果；（4 ）易于清洗，对于体积较小的配液罐体，只需安 装一个喷淋球；（5 ）无菌设计、维护成本低。 2 图4 下置磁力搅拌器的工作示意图 不同的物料性质，搅拌器选择不同的转速： （1）低速、低剪切力型磁力搅拌器（50～490rpm ）主要用于含有蛋白质、多 肽类等生物大分子、悬浮细胞等组分的液液混合、易溶性固体的溶解、容易互溶的 液液混合与热传递，尤其适合于血液制品、蛋白、多肽、悬浮动物细胞等对剪切力 敏感、或者均一性混悬液在终产品灌装前的混匀。 （2 ）中速、中度剪切力型磁力搅拌器（50～1800rpm）主要用于培养基配制、 不含蛋白质/多肽类组分的无菌制剂配液混合、大体积无菌液体的混合、大体积无菌 缓冲液的制备和大体积易溶固体的溶解。 （3 ）高速、高剪切力型磁力搅拌器（350～5200rpm ）主要用