病毒类疫苗洁净厂房中工艺给排水系统设计分析

刘海、夏树威、杨巧云、尧桂龙 2023-12-05

归纳总结了疫苗洁净厂房建筑给水排水相关的先行设计规范。针对疫苗洁净厂房建筑给水排水系统设计与常规建筑不同的特点,强调了水质安全、可靠的原则。分析了病毒类疫苗生产厂房在给水和排水系统的设计要点,总结了设计水量计算的参数及要求,以及工艺水水质处理工艺流程和分配系统的特殊要求。

Part

给水排水特点

图1 病毒灭活疫苗工艺流程

疫苗洁净厂房给水系统包括车间人员的生活用水及生产工艺的生产用水。给水系统应根据生产、生活等各项用水对水质、水温、水压和水量的要求,分别设置给水系统。病毒类疫苗的工艺流程(见图1)可以分为以下6个阶段：①细胞复苏培养及扩增，该生产过程为无毒生产过程；②细胞扩增到一定程度后进行细胞洗涤，并加入病毒液接种，然后带毒培养，并不断洗涤；③细胞培养好后,收集疫苗液；④进行病毒灭活、制作过程；⑤配制疫苗原液；⑥分装入库。根据病毒类疫苗生产工艺过程的不同阶段性，结合各阶段生产工序的特点，病毒类疫苗原液生产车间一般分为4个区域，细菌培养无毒区、毒种制作有毒区、配液无毒区、集中清洗灭菌无毒区(见图2)。这4个区域既各自独立，又紧密相连，各个区域都有独立的人、物流通道以及洁具间等公用设施(见图2)。根据《洁净厂房设计规范》(GB50073—2013)可知疫苗生产车间属于洁净车间。病毒灭活疫苗的研发与生产过程中，疫苗株的筛选、多种库的建立、检测方法的建立、生产工艺的研究以及规模化生产等，均需要在三级生物安全实验室和车间(BLS-3)进行[1]。根据《实验动物设施建筑技术规范》(GB50447—2008)中生物实验室的分级与分类，原液生产车间洁净度为6,其他车间洁净度级别为7或8。《医药工艺用水系统设计规范》(GB50913—2013)规定可知^[2]，病毒灭火疫苗生产车间不仅对给水水质具有高要求，疫苗生产过程中会产生有毒废水，需要高温灭菌等要求，因此其排水系统要求也非常严格。排水系统应根据生产排出的废水性质、浓度、水量等确定。疫苗生产过程中有害废水应经废水处理,达到国家排放标准后排出。

图2 疫苗车间平面布置

Part

系统设计

2.1

给水系统

病毒类疫苗洁净厂房设计中,根据水的用途的不同,给水系统可以分为饮用水系统(包括生活和生产工艺)、纯化水系统、注射用水系统。生物疫苗的生产及清洗灭菌需要用到大量的饮用水、纯化水和注射水^[3]。中国药典中对工艺饮用水、纯化水、注射用水应用范围进行了规定(见表1)。病毒类疫苗洁净厂房的用水量计算分为两部分:疫苗生产车间人员的生活用水和疫苗生产工艺的生产用水。

表1 药品生产工艺用水的用途^[4]

饮用水水质应符合现行国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB5749)的有关规定;纯化水水质应符合现行《中华人民共和国药典》纯化水标准的规定;注射用水水质应符合现行《中华人民共和国药典》的注射用水标准的规定。由于生活给水系统水质处理与其他建筑相同,本文重点分析纯化水和注射用水给水系统的水质保证措施。

2.1.1 给水系统水量

生活给水系统最高日用水量根据《建筑给水排水设计标准》(GB50015—2019)中3.2.11工业建筑进行计算^[5]。设计秒流量根据《建筑给水排水设计标准》(GB50015—2019)中3.7.8确定。

疫苗生产车间内生产给水系统包括纯化水和注射用水。循环系统的分配系统时生产车间给水系统的核心^[6]。用水量根据生产工艺、设备、同时用水情况等因素确定。工艺过程中最大用水量的标准,根据疫苗的全年产量,按照具体每一天分时用水量的统计情况来确定,确定用水量的过程中应考虑所设置的工艺用水贮罐的调节能力。纯化水以及注射用水的饮用水补充水量可根据工艺设备厂家提供。无数据时,可通过以下数据进行估算。制取1000kg注射用水需使用1100~1200kg 纯化水;制取1000kg纯蒸汽需1100~1200kg纯化水;制取1000kg纯化水需使用1400~1800kg自来水。

2.1.2 生产给水系统水质措施

图3 纯化用水系统

生产给水系统水质处理工艺包括工艺用水制备、分配系统的设置以及检测和控制设备三部分。饮用水可采用混凝、沉淀、澄清、过滤、软化、消毒、去离子、沉淀、减少特定的无机/有机物等物理、化学和物理化学的方法制备。在国家饮用水标准中,检查项目只有38项,另一些指标,如氨氮、亚硝酸盐、耗氧量、总碱度、钙、镁等,也会对工艺用水的生产产生不利影响,因此必须在饮用水制备过程中采取必要的措施进行处理。纯化水制备的原水应采用饮用水(见图3)。纯化水制备应有效去除水中不溶性杂质、可溶性杂质、有机物、微生物、各种盐份,产水达到纯化水标准^[7]。常用的处理工艺包括蒸馏、离子交换、反渗透、过滤等。注射用水的水源应以纯化水为水源(见图4)。蒸馏、反渗透方法均可生产注射用水。但由于反渗透装置是在常温下运行,不具备可靠的抗微生物污染的能力,因此,注射用水应采用蒸馏方法制备^[8]。

图4 注射用水系统

理想的水系统应是供水等于用水,不用储存水量,但是很难达到,且可靠性差。因此,储罐是生产给水系统不可缺少的一部分。储罐的大小应包括调节容积和备用容积。调节容积根据用水曲线和产水曲线求得调节容积。备用容积应能够保证提供生产一个批次产品或者一个工作周期或其他合理需求的一段时间的用水。由于疫苗洁净厂房常常面积较大,循环系统过长,主系统难以保证循环水温的要求和微生物的控制。因此,主系统回水管上需设置高温消毒(双端板结构卫生型壳管式换热器)外,每个房间均应设置子储罐和单独的高温消毒设施。对于纯化水系统,在1h内用蒸汽将水升温至80 ℃,并在系统内循环运行1h。对于注射用水系统,在1h内用蒸汽将水升温至121 ℃,并在系统内循环运行1h,保证系统所有温度传感器监测点温度不低于121℃。在系统进行消毒时,罐内存水应为各子储罐有效容积25%。消毒完成后再由冷却水将储罐内水降至40℃进行排放。

疫苗车间生产用水分配输送方面,应采用循环系统以确保水质。为了控制微生物在管道内壁的生长,管道中的水流必须保持紊流状态。美国药典(USP)明确要求泵应设计成使分配系统中的水能处于“湍流状态”下流动。要使分配系统中的水处于“湍流状态”下流动,雷诺数Re 必须大于10000。根据表2可知,流速u=1.0m/s是使水处于湍流状态的最低速度。1.5m/s的流速可以避免干管生物膜黏附。《医药工业洁净厂房设计标准》(GB50457—2019)中规定,纯化水和注射用水循环供水流速宜大于1.5m/s。但是回水管路为1.5m/s不利于节能。例如,供水干管流速虽为1.5m/s,但回水管路没有考虑变径或循环流量较小时,也可能不能保证回水管路处于湍流状态。因此,循环回水流量宜大于泵出口流量的50%,且纯化水和注射用水循环回水流速不宜小于1.0m/s。

表2 管道内水的流速、管径、雷诺数和温度的关系

循环系统水泵设计水量为用水量和循环水量之和。关于循环水量的计算应根据回水管径及回水最小流速确定,也可按《医药工业洁净厂房设计标准》(GB50457—2019)中4.4规定纯化水和注射用水循环回水流量宜大于泵出口流量的50%的规定进行估算。但是如果回水流量取值太大,当不使用注射用水时,会增加管道阻力与动力消耗。《洁净厂房设计规范》(GB50073—2013)中规定循环附加水量应为用水量的30%~100%。因此,设计时循环回水流量宜取以及《医药工业洁净厂房设计标准》(GB50457—2019)中4.4规定纯化水和注射用水循环回水流量宜用水量的50%~100%。最后,根据回水流速对初步估算的循环回水量进行校核。

疫苗车间生产用水的检测和控制方面。根据《医药工业洁净厂房设计标准》(GB50457—2019)中4.6规定:纯化水系统和注射用水系统均应安装流量、压力、温度、电导率和总有机碳(TOC)等检测仪表,同时应根据水质要求配置水样的物理、化学和微生物污染等离线检测设备。生产用水系统中需监测参数总结详见表3。

表3 纯化水和注射用水系统检测项目

纯化水和注射用水系统宜设自动化控制系统,并应具有手动控制功能。控制系统应运行安全可靠,应设置故障停机、故障报警装置。

2.2

排水系统

在疫苗生产过程中,包括在线清洗与消毒、部件加工与清洗、工艺水槽和灌装等各工段,会产生大量的生产废水,而在这些废水中,含有部分活着的细菌和病毒,此类废水应按照相关的环保法规和《药品生产质量管理规范》(GMP)要求,这些废水必须要经过严格处理,达到无害化要求才能排放。除此之外,厂房内的排水应清污分流,生产区和生活区、净化区和非净化区排水应尽量分开,集中到厂区废水处理站,经处理后,达标排放。疫苗生产车间的排水量分为两部分,一是疫苗生产车间人员的生活污水,一是疫苗生产工艺的生产废水。

2.2.1 排水水量

疫苗洁净厂房的生活排水水量计算,室内管道水力计算可设计秒流量可参考《建筑给水排水设计标准》(GB50015—2019)中4.5.3确定。室外排水可根据《建筑给水排水设计标准》(GB50015—2019)中4.10.5确定,生活污水系统按照给水用水量的85%~95%取用,由于生产废水系统密闭,生产废水可按照给水用水量的95%取用。生产废水排水量应根据生产单位制剂产生的污水量与产品的日平均产量确定。

2.2.2 生产废水水质措施

病毒类疫苗在生产过程中会产生含培养基营养成分较高的疫苗废水,并且废水中可能存在活性病毒,因此,疫苗废水的有效处理也是疫苗安全生产的重要环节。目前,病毒类疫苗活毒废水广泛采用的都是高温灭活处理的方法,在持续高温的状态下对废水中的疫苗活毒进行消杀,高温灭活具有效果可靠、性能稳定、对自然环境无污染的优点。因此,疫苗废水首先应经专用管道收集至废水收集罐。然后废水通过管道、控制阀门进入灭活罐。在一定压力下,灭活罐将生物废水加热到100~140℃,并保持一定的时间进行保温灭活,保温灭活结束后,冷却至40℃以下后排至污水管网。

根据《实验动物设施建筑技术规范》(GB50447—2008)中生物实验室的分级与分类,原液室洁净度级别为6。根据《洁净厂房设计规范》(GB50073—2013)中7.3的规定,空气洁净度等级严于6级的洁净室内不应设地漏;空气洁净度等级等于或严于7级的洁净室内不应穿过排水立管,其他洁净室内穿过排水立管时不应设检查口。生产废水系统应处于全密闭状态。为了避免设置室外检查井,应将污水处理设备设置于建筑内部。

参考文献

[1] GB50447—2008实验动物设施建筑技术规范[S].

[2] GB50913—2013医药工艺用水系统设计规范[S].

[3] 郭洪涛.医药工业洁净厂房给排水及消防设计探讨[J].住宅与房地产,2019(22):97.

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[5] GB50015—2019建筑给水排水设计标准[S].

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[8] 肖轶文,吴淑英,彭德其,等.多效蒸发注射用水系统的热力过程优化[J].过程工程学报,2021:1-10.