一些有机药物容易因氧化而失效，长期接触氧气会增加失效风险，严重时可能会威胁患者安全。为了控制氧气浓度，制药行业广泛使用充氮工艺，并以顶空残氧量作为充氮保护效果的评价指标。国内西林瓶灌装线%，而国际领先水平则在1%以下。然而，随着近几年国内市场之间的竞争愈发激烈，国产制药装备走向国际已成为一种趋势，制药装备的创新及性能提升已迫在眉睫。
图1为某制药产线西林瓶灌装充氮系统，此系统包含前、后两个充氮装置，即灌装前充氮和灌装后充氮，其中灌装前充氮采用针头充氮形式，灌装后充氮采用针头与氮幕结合的充氮形式。详细的充氮工位布置如图2所示，西林瓶在进入灌装工位前，针头充氮装置向西林瓶内充氮气，接着进行无菌灌装，灌装完成后，对西林瓶内未被灌装的顶部空间进行针头充氮氮气吹扫，接着进行压塞，压塞过程中通过氮幕保证胶塞凹槽及过程中的氮气环境。
基于CFD仿真技术对整个灌装机进行瞬态仿真分析，模型考虑隔离器内部层流风的影响，同时，充氮流量为35L/min，前充氮、灌装、后充氮和压塞工位停滞时间为2s，灌装到后充氮工位停滞时间为4s。
综合图3和图4，前后充氮工位短时间之内可将瓶中充满氮气（云图显示红色）。前充氮完成后，在灌装工位和停留区瓶口处于敞开状态，由于氮气存在浓度差，且层流风对瓶口周围气流的影响，瓶中氮气会快速溢出，含量迅速降低，越靠近瓶口氮气溢出的越快，越往下由于瓶内氮气浓度梯度差减小，且外部气流环境的影响小，氮气溢出变慢，瓶内氮气呈“下浓上稀”趋势。在不考虑药液灌装时带入的外界空气，灌装2s，四个瓶中氮气占比最小约为86%。瓶子移动到停留区，氮气含量进一步减少，4s后氮气浓度占比低至30%。在灌装工位和停留区，尽管有氮气溢出，液面附近的氮气浓度仍然较高，能短暂阻止药液和氧气接触。但氮气溢出后，西林瓶顶部氧含量增加，要进一步置换氧气，这就体现了后充氮吹扫的必要性。压塞工位是充氮保护，也是影响残氧量指标的关键一步。由压塞工位瓶内氮气浓度变化曲线可知，极短时间内，瓶内氮气会有少量减少，氮幕的快速补充，使得氮气浓度慢慢升高，其中，远离后充氮工位的瓶内氮气浓度升高较慢，2s后的氮气占比约72%，即空气占比约28%，顶空残氧量约5.88%（空气中氧占比21%），很明显距离国际水平还有很大差距。
由于压塞工位的氮气保护效果对残氧量指标至关重要，针对氮幕装置提出以下优化方案，如图5所示，基于包裹式气体填充原理，利用充气罩将整个瓶口区域罩住接着进行氮气填充，保证短时间之内西林瓶瓶口封闭在氮气环境中。
综合图6和图7，由于充气罩将整个瓶口区域罩住，仅在瓶口边缘留有一定的间隙，保证了瓶口上方区域短时间内被氮气快速填充。充氮2s后瓶内氮气浓度约为97.5%，即空气占比约为2.5%，顶空残氧量约为0.525%，满足小于1%的国际要求。
文章采用CFD仿真技术对西林瓶灌装机充氮系统来进行数字化模拟分析，依据分析结果可得出以下结论：（1）经优化后的充氮装置可实现的顶空残氧量为0.525%。（2）CFD仿真技术可快速且直观地辅助工程了解充氮装置实际在做的工作过程中氮气及氧气含量的变化，并获取较详细的分析数据，为充氮保护效果的评价及性能优化提供方向。
展望未来，仿真技术在制药装备企业数字化转型中将扮演重要的角色。市场之间的竞争的加剧，开发周期的缩短，研发成本的降低，为新产品的开发设计及技术创新提出了更高的要求，CFD仿真等新技术的应用将持续伴随项目开发，以实现更高效、低成本、更高质量的研发和设计。
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