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★貝加萊工業自動化（上海）有限公司

吹灌封BFS（Blow-Fill-Seal）是制藥工業正在快速發展的制劑領域，在像眼科滴液類、疫苗類藥品制劑過程中，BFS具有比較明顯的優勢。

1　BFS概述

如圖1所示，BFS先是由主機對聚合物顆粒進行配料、稱重、加熱后處于熔融狀態，并通過螺桿擠出到模腔中，然后由吹氣閥動作來進行瓶子本身的吹制。在吹制完成后即可進行液體制劑的灌注，并進行熱封的封口，完成后開模即可獲得灌裝完成的成型產品。

圖1 BFS原理圖（來源：國際吹灌封操作者協會）

2　BFS的優點

BFS的優點首先在于它更為快捷的生產過程，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間，避免污染。第三，通過BFS方式生產藥物更為高效，它的瓶子大小無需額外的機械工裝夾具，而由控制參數配置即可實現不同的瓶子容積生產。而整個BFS的生產效率也是更高的，易于形成獨立的生產中心，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、眼科滴液等的生產中。

3　自動化系統硬件的特殊性需求

制藥工業，考慮到避免由環境帶來的不必要的藥物污染，以及生產環境對電子電氣系統的潛在風險，因此，需要符合行業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，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有專門針對制藥工業所需的工業平板電腦，它采用懸臂安裝，本身的外殼也采用316SS不銹鋼進行加工，并進行了工業級的密封性設計，以達到IP69K的防護等級，這意味著它可以工作在制藥這種需要沖洗的環境中。

圖2 防護等級IP69K的工業平板

Panel PC可以帶有操作的鍵—這種專利設計的發光按鍵設計精美，還有RFID—它可以用于用戶的識別，這在制藥工業里非常重要的原因在于，必須清楚是誰在什么時間對這個機器進行的操作。

Panel PC并非純粹的顯示單元，它實際上是將Windows任務和基于RTOS的實時任務集成于一體，采用Hypervisor技術，在多核處理器里進行了分割，以使得兩個操作系統都可以運行，分別執行不同的任務。

3.2　ACOPOSmotor伺服驅動與電機

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

圖3 ACOPOSmotor驅動與電機一體化設計

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

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，而同時也需要軟件的支持能力。制藥工業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操作、運行過程中的所有事件、參數、動作等進行記錄，并以不可篡改的形式輸出，以確保整個生產過程的可追溯性，這對于監管及制藥企業自身的追溯都是至關重要的。

mappAudit是貝加萊mapp軟件中的一個專門針對審計追蹤的功能塊，它是滿足于21CFR Part 11的合規性需求的。它可以被系統快速配置，并對所有過程進行追蹤，例如，不同的用戶對于機器進行的每個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

對于BFS控制系統中，溫度控制影響著制品的品質，也會影響系統的節拍。溫度控制在BFS比較關鍵在于它在整個吹制過程的不同階段，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，也會影響整個BFS的節拍。它需要一個更為高速且高精度的溫控，以達到高品質、高效的生產。

mappTemperature是貝加萊針對溫控的專用模塊，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精準工作，這確保了生產的高品質。

為了提高響應能力，并降低過度調節帶來的波動，mappTemperature分別引入了前饋和Kalman濾波來解決這些問題。

4.3　液壓/電動控制均可

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，以及特性進行液壓的定位、同步控制。在BFS中，針對液壓的機械或電動機構，貝加萊都會有相應的控制方案。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，由于吹制過程中，型胚自重的影響，在型胚上發生減薄和縮頸的現象。因此，在擠出中，胚壁的厚度控制是產品品質的關鍵，通過電液位置控制原理，可以改變擠出口模成型間隙的開度，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，基于貝加萊在吹瓶壁厚領域的控制經驗，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POWERLINK網絡連接IP67防護等級的I/O系統，以及ACOPOSremote——這是一個IP67等級的電源，通過單電纜技術（動力電纜、通信及信號電纜于一體），級聯的方式連接ACOPOSmotor伺服電機與驅動。

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足制藥行業所需的硬件、軟件需求。能夠通過mapp模塊化應用快速地構建機器的應用軟件系統。

精彩觀點

貝加萊工業自動化（中國）有限公司技術傳播經理 宋華振

記者：貝加萊的產品主要應用在醫藥產業鏈的哪個環節？提供哪些技術和解決方案？為用戶解決了哪些問題？

宋華振：在制藥行業，貝加萊有著較多的應用，主要聚焦在后道的制劑和包裝這個環節，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），這類都屬于“制劑”，它與劑量控制緊密相關。如藥片/膠囊進行泡罩包裝、裝盒、堆垛，在這些設備里，貝加萊的控制器、伺服驅動與電機、HMI、機器視覺產品都可以用到。對于制劑，貝加萊的解決方案主要解決劑量精準控制問題，而對于包裝則解決包裝靈活與高效的問題。

在2018年左右，貝加萊成立了針對醫療器械組裝的部門，主要聚焦于醫療器械的組裝業務（稱為M DA-MedicalDeviceAssembling），這是一個快速成長的市場，隨著人工成本的上升，其自動化程度也大幅提高。在這個領域里，貝加萊以ACOPOStrak/ACOPOS 6D技術應用為主，主要解決“組裝”的品質、效率問題。

記者：貝加萊在醫藥行業如何定位自己的產品？核心優勢是什么？

宋華振：貝加萊在制藥行業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是相同的。首先，這些產品需要滿足制藥行業的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防護等級的工業平板，它將控制、顯示、操作集成于一體，滿足制藥行業的高防護等級場景。其次，貝加萊的ACOPOSmotor伺服驅動器將驅動和電機集成于一體，以滿足制藥行業緊湊空間、降低接線等需求。另外，8WS是一種不銹鋼的伺服電機，也為制藥工業所設計。在技術方面，制藥和醫療器械都有衛生等級的產品。

而在醫療器械組裝方面，ACOPOStrak/ACOPOS 6D主要通過為產線形成連續流、負載均衡、節拍優化，使得單位時間的產能滿足需求，并確保高品質的產品輸出，這是貝加萊提出的“自適應制造”理念的體現，即：通過視覺的自感知，以及PC的自分析與決策調度，對產品的輸送進行最高效的調度與規劃，并智能執行，以實現醫療器械組裝的高效生產。

記者：近年來，醫藥行業和“大健康”緊密聯系在一起，它是大健康產業主要的組成部分，也是大健康產業的基石。您怎么看這一問題？貝加萊從中看到了哪些機會？

宋華振：大健康，已經將健康從醫院延展到早期與日常的診斷，我們每個人都可以通過這些醫療器械來關注自身的健康，并調整自己的作息、飲食、睡眠、運動等，以自主地改善自身的健康狀況。人們不用等到疾病發生才去關注，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體外診斷四個大類。在“大健康”的發展下，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，它的快速發展使得這類產品快速成長。

而這類產品的組裝過去因為依靠人工，雖然效率低但人工成本低的時候還是可以進行的，但隨著人工成本大幅上升，其組裝就更強調于自動化組裝線——而這就是貝加萊的ACOPOStrak/ACOPOS 6D的應用場景。貝加萊已經在糖尿病類醫療器械、IVD實驗室檢測設備、微給藥、預填充注射筆等領域開啟了大量應用，大幅地節省了人工成本，并且，還帶來更高的品質、更高的效率。

近年來，醫療器械的本土市場規模不斷增大，但它的另一個特點就是“碎片化”“個性化”，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，針對這一行業的合規性要求，貝加萊系統的FDAGamp認證可以讓制造商滿足制藥、醫療器械領域的數據可追溯、審計追蹤需求，這同樣是貝加萊的優勢所在。

記者：您認為自動化技術在醫藥行業未來會有怎樣的發展趨勢？對于自動化技術帶來了哪些新的需求？貝加萊將如何布局？

宋華振：醫療器械和制藥行業一直是對于數據要求比較高的領域，這包括數據的合規性（電子簽名認證），另一個顯著的場景就是如何通過智能分析來改善制藥過程中的品質、效率問題。這需要一些機器學習方法的應用。制藥和醫療有幾個顯著的數據應用需求：

（1）數據合規與安全。制藥通常是一個長流程生產（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，因為這里涉及到合規和安全，有很多工藝Know-How需要保密。

（2）機器學習如何優化參數、提升效率。例如解決藥物組分在線分析、環境對過程的影響（產品品質易受生產環境中的干擾）、產品缺陷智能分析、機器的早期故障診斷。這些問題對于制藥行業都是亟待解決的。

（3）參數尋優問題。如在生產中的智能參數優化、工藝建模與數據建模的分析、改善品質等。

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，致力為制藥行業用戶提供解決方案。

摘自《自動化博覽》2023年5月刊