制药行业纯化水系统预处理工艺

田欣 2023-09-25

制药用水通常指制药工艺过程中用到的跟踪质量标准的水。所谓的制药用水是指制药生产过程的制药原料，参与了整个制药生产工艺过程，包括如下几个过程：原材料生产、中间体及产品分离纯化、以及产品、设备、工器具等清洗过程。因此，在制药生产过程中，制药用水系统是至关重要的组成部分。

从使用角度进行分类，制药用水可分为散装水与包装水两大类。散装水也成为原料水，特指制药生产工艺过程中使用的水。《中华人民共和国药典》认可的散装水包括纯化水和注射用水。包装水也称为产品水，指按照制药工艺流程生产的包装成品水。《中国药典》认可的包装水为灭菌注射用水。《欧洲药典》与《美国药典》中对散装水和包装水的定义有所不同。制药用水还可以分为药典水和非药典水，其中非药典水指的是为被药典收录，但是可以用于制药生产的制药用水，列入饮用水、软化水、蒸馏水和反渗透水。

中国药典规定的纯化水为符合官方标准的饮用水经过蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他适宜方法制备的制药用水。电导率、总有机碳、微生物限度、及细菌内毒素为纯化水关键检测指标。常用的纯化水制备方法包括：膜过滤、离子交换、电去离子（EDI）、蒸馏等。其中膜过滤法又分为：微滤、超滤、纳滤和反渗透（RO）等。目前制药行业大多采用的纯化水制备系统一般由预处理系统和纯化系统两部分组成。预处理系统通常由原水箱、多介质过滤器、微滤、超滤、纳滤、活性炭过滤、软化器等多个单元组成。预处理系统的主要目的是去除原水中的不溶性杂质，可溶性杂质，有机物和微生物，使其主要的几个指标满足纯化系统的进水要求，从而有效的降低后续纯化系统的杂质负荷，避免了对纯化系统造成污染和损害，对于纯化系统起到很好的保护作用。

我国的原水质量因地域差异较大导致水质千差万别。比如当药企采用地下水为制药生产的原水时，虽然原水中的有机物含量比较稳定，但是由于不同地方的地下水中，所含有的矿物质和无机盐组分和含量也会不同；又如当采用地表水（河流）作为制药原水时，则有机物含量会比地下水中的含量高，并且原水中的有机物的含量也会随着人类生产活动和季节性的变化不同而千差万别。目前我国大部分的药企制药用水工艺基本上采用的原水为市政供水。市政供水的最大特点就是水质要求相同，水中的杂质及微生物含量也会受到控制。通常市政供水在水处理时会添加化学物质来抑制微生物的生长和繁殖，很大程度的把控住了原水的水质。在制药用水水质指标中，微生物值是一个重要的指标。我们通常在预处理阶段添加次氯酸钠等化学试剂来防止微生物的滋生。制药企业中基本上采用先经过软化器再过活性炭的方式进行预处理。以下分别介绍预处理中主要的步骤和设备。

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原水箱

原水箱是预处理的第一个单元，通常根据用水量设置一个相应的缓冲水罐，保证后续系统能够稳定运行。由于罐体的缓冲时间会造成水流速度较慢，存在微生物繁殖的风险，所以在进入缓冲罐前添加一定量的次氯酸钠溶液。建议添加完后保证水与次氯酸钠接触30min以上，水中余氯含量保持在0.3mg/L以上，且不宜过高，一般控制在0.3mg/L至0.5mg/L范围内。

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多介质过滤器

多介质过滤器一般是利用无烟煤、石英砂和不同粒径（不同级配）的滤料组合，主要作用是去除原水中的悬浮物、胶体等粒径较大的杂质。相比于单层的石英砂过滤器，无烟煤滤料和石英砂滤料所组成的双层滤料过滤器具有纳污能力强、过滤周期长的优点。

制药工程中的多介质过滤器工作原理：采用加压泵对原水加压后进入过滤器进行正向过滤。多介质过滤器内的填料顺序如下：最上层为无烟煤，中间层为1-2mm石英砂，下层为石英砂承托层。最底部利用集水系统（水帽）有效的阻止了填料层被水冲走丢失。顶部也会配置V型绕死滤管防止反洗时填料流失。多介质过滤器清洗程序比较简单，运行成本也相对较低。当多介质过滤器运行趋于饱和时，只需定期对其进行反冲洗即可。多介质过滤器可以通过SDI检测，进出口压差检测来判定是否需要启动反冲洗程序。一般情况反冲洗水采用原水，流速应为设计流速的两倍以上，反冲洗结束后最后进行正冲洗，使介质归位。系统长期运行期后，还要定期对装置内的填料介质进行更换以保证原水处理效果，通常更换周期为2 年左右。

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双联软化器

水垢俗称“水锈、水碱”，是指硬水所含矿质附着在容器内慢慢形成的白色块状和粉末状物质，其中主要成为有硫酸镁、硫酸钙、碳酸钙、碳酸镁、氯化钙、氯化镁等。原水的硬度会导致系统结垢，主要出现在后端反渗透装置中。为了防止硬水在管道中结垢和反渗透浓水侧因为浓缩而产生的沉积结垢，减少设备和系统的操作维护费用、增加反渗透膜的使用寿命，必须对原水进行软化处理。软化器的主要功能是去除水中的钙镁离子。软化器通常由盛装树脂的容器、树脂、阀门管件以及控制系统组成。软化器工作原理是通过钠型树脂对原水中的钙、镁离子等进行离子交换，从而将其去除。在软化器离子交换过程中，水中的钙、镁离子被RNa型树脂中的钠离子置换出来后停留在树脂中。通常情况下，原水经过软化器后出水硬度能降低至3mg/L以下。

软化器的设置方式有单台和双台之分。但是考虑到声场过程中单台软化器的再生时间比较长，为了保证纯化水系统能连续运行，通常一套系统会配置两台串联使用的软化装置。当其中一台需要进行再生的步骤时，软化器过滤系统会根据前期设置好的程序自动切换为并联运行的方式。既一台进入再生反冲洗模式，另一台正压过滤。这样的设计能很好的避免水中微生物的滋生。软化器的再生控制依据有以下两种方式：1、通过运行时间来监控；2、根据系统处理水量或者是出水的硬度来检测控制，目前药企应用最多的还是定期再生。树脂再生的方法是将转型后的树脂用食盐水还原，树脂中的钙、镁离子被置换出来后，重新生成RNa型离子，并将废液排出。

因地区不同，有些地区的原水中铁离子和锰离子的含量会超标，重金属对于软化器中的软化树脂有很强的破坏作用，会导致软化树脂中毒进而引起树脂失效。因此需要在进软化器之前就对这些重金属离子进行处理。

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活性炭过滤器

预处理过程中活性炭过滤器的主要原理是通过活性炭表面自由基和其内部多孔结构的毛细孔吸附能力去除原水中的余氯、色素、有机物以及其他重金属。对水中余氯的除去能力是考察活性炭过滤器的主要指标，经过活性炭过滤器处理的余氯含量不应大于0.1mg/L。

活性炭过滤运行过程中会截留部分从前端漏过来的杂质，且长期运行的活性炭之间会有摩擦，产生细微的额粉末，所以需定期对活性炭装置进行反冲洗。由于活性炭具有多孔的特点，会吸附部分有机物，有可能导致微生物的繁殖，长期运行后产生的微生物一旦发生泄漏，将会对后续处理单元带来很大的微生物污染风险。因此需要为活性炭过滤器设置高温消毒系统，控制其微生物的负荷。目前采用最多的是巴氏消毒法和蒸汽消毒法。消毒周期根据实际情况来评估，通常为1-3月/次。活性炭过滤器在长期使用过程中，总量会减少，应对其定期更换保证其去除余氯效果。

在制药用水系统中，化学加药是必不可少的单元。通常情况下，化学加药单元设置在预处理系统中。常用的化学药剂有：混凝剂PAC（聚合氯化铝）、消毒剂（次氯酸钠）、还原剂（亚硫酸氢钠）等。

混凝剂的主要原理是通过压缩双电层、吸附电中和、吸附桥架、沉淀物捕捉等方式，使水中的细微悬浮粒子和胶体脱稳，聚集，絮凝，混凝，沉淀达到净化的目的。

次氯酸钠溶液是采用较多的消毒剂，它是一种强氧化剂，投入水中后会立即消解形成次氯酸。这种物质能与细胞壁发生作用，且因分子小，不带电荷，能侵入到细胞内与蛋白质反应，使细胞代谢失调死亡。次氯酸钠溶液通常以10%的浓度进行添加。次氯酸钠的投加量一般与后续的余氯检测传感器进行连锁，浓度控制在0.3-0.5mg/L，因为浓度过低为有微生物滋生的风险，浓度过高会导致后续还原剂消耗过高，甚至氧化RO膜。

只有通过严格的原水处理工艺后的水才能有效的进入后续纯化工艺进行进一步处理，因此预处理工艺的可靠性对于后续设备稳定运行以及水质起到了至关重要的作用。

参考文献

[1]陈鹏翔.制药行业纯化水系统设计与应用[D].上海交通大学.2015.

[2]张功臣.制药用水系统（第二版）[M].北京：化学工业出版社.2016.

撰稿人 | 田欣

责任编辑 | 胡静

审核人 | 何发