紫外线(UV)消毒技术在制药行业中的应用

药品生产所要求的纯水质量标准日趋严格，而且针对药品生产的强制性国际标准也越来越多。Craig Howarth ，英国 海诺威（Hanovia）有限公司常务董事，给我介绍了一些在公紫外消毒和脱氯方面许多有趣的新进展。

引言
紫外线 (UV) 技术最初是用来确保城镇自来水的完全消毒。自40 多年前该技术推出以来，现在已经应用于全球范围内许多行业包括制药企业的消毒、TOC（总有机碳的含量）降解、臭氧和氯胺分解以及生产工艺用水的余氯脱除。水是制药过程中用量最大的物质，在更多严格标准的驱动及日益复杂工艺要求下消毒技术已被采用。

药品生产一般都是由几个工艺段组成，在不同阶段之间本身也可能遭至微生物污染，而紫外线消毒可以被用作为有效的保障，从而确保药品在各个工艺段之间不会发生变质。

紫外线安装典型阶段是在活性碳过滤器之后或 RO 之前，或者将紫外消毒及TOC 降解系统设置于精处理单元。活性碳过滤器后面加上合适紫外消毒系统或RO 处理单元之前装一个合适紫外线消毒系统将杀灭进水中 99.9% 的细菌。

紫外消毒技术
紫外线消毒系统通常分为两种截然不同的类型：低压及中压。低压系统紫外线输出单色光谱（254 纳米波长），而中压系统输出多色光谱紫外线（波长介于 240 – 310 纳米之间）。

紫外线通过打断微生物脱氧核糖核酸 (DNA) 的腺嘌呤和硫胺分子，使其无法继续繁殖。微生物因而可在不使用化学药品的情况下被杀死。尽管 254 纳米是有效消毒波长，但脱氧核糖核酸能最有效地吸收的波长为 265 纳米的紫外线（见图1）。了解这些不同波长紫外线杀菌能力差异是设计具有杀菌效果好、效率高的紫外线消毒设备的基础。总体来说，低压系统最好用于小流量、间歇性系统，而中压技术则更适合高流速水体消毒。
紫外线系统的安装
紫外设备可以安装在超纯水系统的各种位置（见图2）。安装或改造现有管道和容器相对简单，可实现最低程度的生产扰动和最小的占地要求。根据使用目的不同，唯一需要进行定期维护的工作是每 12 个月更换一次紫外灯管，可由现场工作人员进行简单的操作即可完成。一旦安装完毕，处理工厂就可以每天 24 小时运作，无需停机对系统进行日常卫生维护和消毒。

有效验证
紫外线剂量可通过 3 个独立的变量进行计算：

紫外线剂量= 紫外线强度 X 停留时间X 水的透光率为确保紫外线剂量测量的准确性，每个工艺参数都需要加以测量。许多紫外监测器都有可调电位计，简单操作即可进行的重新校准。这使测量值即可以是相对值也可是绝对值。监测器的探头应密封，并根据已有的标准进行校准。每只灯管和监测器都应该有提供检测数据的能力，以确保杀菌紫外线灯光输出（以 watts/cm-2 为单位进行测量）的测量，而不是通过估算。对于监控器（以 mw/cm-2 进行测量）同样如此。通常监控摄像头可能无法进行现场调节，那么这些摄像头应该交还给制造商，由其根据检测要求进行重新校准。

每个灯泡应该有唯一的序列号及光谱合格证书。这种标准做法是为了能够进行测量而不是根据推断，紫外线剂量以 mj/cm-2 表示，每个灯泡都配有专用监控摄像头。只有那些采用优良生产工艺制造出的产品，才能记录水体所 接受紫外线的剂量，并且监测验证过程中能包括任何紫外线故障的记录，同时显示日期和时间，并可对故障记录进行永久性的保存。

TOC降解
最近的研究表明，短波紫外线（200 纳米以下）分解水中有机分子的效率很高，特别是低分子量的污染物。海诺威 (Hanovia) 用 PFW（纯净水）回路进行的实验表明，200nm 以下波长的紫外线通过两种方式降解TOC：一种方法是通过直接的光解作用，即由紫外线能量破坏有机物内的化学键；第二种方法是通过光解水分子，产生带电荷的 OH- 自由基，由这些自由基来攻击有机化合物。

脱氯
许多制药工厂的供水都来自城市供水，游离氯已被广泛用来保持水体的持续消毒能力，这一做法已有 50 多年的历史了。当氯投入到水中后，就会与天然水体中的腐殖酸、棕黄酸和其它有机物质，形成三卤甲烷 (THM) 化合物。由于部分 THM 已被证实在相对较低的浓度下会导致动物患上癌症，因此监管机构，如美国环境保护局 (USEPA) ，已设定饮用水最高污染物的含量标准（自 1979 年以来美国环境保护局的规定，最高含量为 100 单位每 10 亿 (ppb) ）。

此外，由于氯气的特性，可能损害精密的工艺设备，如反渗透 (RO) 膜和离子交换 (DI) 树脂，因此一旦氯气消毒功能实现 后必须将其消除。

至目前为止，脱氯最常用的两个方法为颗粒活性炭过滤器或另加中和化学物质，如亚硫酸氢钠和焦亚硫酸钠。这两种方法各有其优点，但也存在一些严重的缺陷。GAC 过滤器，因为多孔结构和丰富营养环境，很容易成为细菌的滋生场所。脱氯化学品，如亚硫酸氢钠，通常仅仅在反渗透膜前加注，也会成为细菌的孵化器，造成膜的生物污染。此外，处理这些化学品时存在的危险，并且由于人为错误所致过量或不足都会存在危险。

现在，紫外线作为一种有效的脱氯替代方法越来越普及。它没有 GAC 或中和化学物质的弊端，同时能有效地减少游离氯和氯化合物（氯胺），所形成的副产品也容易被驱除。

波长在 180 纳米至 400 纳米之间的紫外光会产生光化学反应，分解游离氯，使其形成盐酸。分解游离氯的峰值波长范围介于 180 到 200 纳米，而分解的氯化合物（单、双和三氯胺）峰值波长范围为 245 纳米至 365 纳米。单独通过紫外系统就能成功地分解达 5ppm 的氯胺和脱除达 15ppm 的游离氯。

脱氯所需的紫外线剂量取决于氯的总含量、游离氯与化合氯的比例、有机物的含量和目标浓度。去除游离氯常用剂量要高于一般消毒剂量 30,000 微瓦-秒每平方厘米 (mw-s/cm2) 15 至 30 倍。采用紫外线脱氯另一个重要的好处是可实现高效紫外线消毒，TOC 降解并可提高整体水质。

最近宝洁公司 (Procter & Gamble) 在美国北卡罗莱纳州的制造厂安装 Hanovia 公司的紫外线脱氯设备。在此之前采用的是亚硫酸氢钠脱氯。紫外线设备安装在两层反渗透膜前，并且该系统在安装后不久就进行了试运行，数据显示反渗透膜的清洗频率剧减 —— 从平均每月八次到每月只需两次 —— 每年可节省 70,000 美元。反渗透膜的停机维护次数也大大减少。

“我们很高兴采用了海诺威 (Hanovia)紫外系统，”该公司的一位工艺工程师评论说。“自从安装紫外线系统后，我们不仅节省了成本，而且工厂由于反渗透膜污染而停产所造成的停产情况，也大为减少。紫外线提供了高标准的脱氯效果，而且避免了所有化学物质或颗粒活性炭过滤器的缺点。”

结论
紫外线系统是一种重要的工艺工具，可以确保纯净水回路在最高微生物污染标准下运行。其好处是多方面的安装容易，占地面积小；维修简便，可由现场工作人员进行；作为一种非化学处理方法，不会对产品的稳定性造成影响，且产品不会有意外的残留物、颜色和气味。

由于具备独立的跟踪监测能力，现在根据绝对标准进行强度校准后，便可对紫外线剂量进行准确测量，而不是根据计算推断。此外，数据记录确保了操作结果的可测量和证明，而不是简单臆测。它也被一些世界顶级制药厂商成功地运用于TOC 降解、余氯和氯胺脱除.