生物药作为药品，在20世纪80年代开始产业化，近年来占据着越来越重要的角色。2012年底国务院颁布了《生物产业发展规划》，将生物产业列为国民经济的支柱产业。2015年开始，大量的资本开始涌入，大批海外人才开始回归，国内生物药迎来了蓬勃发展期。注射用水作为关键的产品原辅料之一，在生物制药中占有很重要的地位。
按照中国、欧盟和美国药典，注射用水水质需要符合以下要求，如表1 所示。
表1 各国药典注射用水水质要求
各国注射用水的要求基本是一致的，欧美检测项较少是因为发达国家的饮用水要求高于我国，并且三步法电导率检测中已包含pH、氨等限值要求。
现今合格的产水设备都能产出达到以上要求的注射用水，各大厂商也已将自己的产品标准化。所以一个工厂水质的稳定主要在于其分配系统设计是否合理、安装质量是否严格、验证是否充分、预防性维护是否全面及时，日常监测是否具有代表性。
生物制品生产过程中需要用到大量的注射用水。并且由于大多数产品不耐热，常温注射用水需求又占了主要用量。除去清洗机，设备 CIP，灌装前的洗瓶等需要热注射用水外，其他基本都为常温需求。比如单抗、苗生产中无论是细胞培养，培养基配置，缓冲液配置，蛋白收获，纯化还是灌装制剂都会用到大量常温注射用水，使用温度通常在 25 ℃左右。
具体以一个典型的 2 000 L 一次性反应器生产单克隆抗体和相应的下游纯化为例，如表2 所示。采用常规流加模式，蛋白表达量 4g/L，收获采用深层过滤，下游纯化采用亲和层析加阴阳离子层析工艺。
表2 2000L动物细胞悬浮培养制备单克隆抗体常温注射用水耗量（每批）
由表2 可知，一个批次的产品用掉了约 32 t 左右的常温注射用水。表2 统计的只是原液生产部分，没有包括灌装制剂的用量，但已可见生物制药对常温注射用水需求量很大。
对于储存与分配方式，法规是必须要满足的要求。根据《药品生产质量管理规范（2010 年修订）》第 99 条 ：注射用水的贮存和分配应当能够防止微生物的滋生，注射用水可采用 70℃以上保温循环
[4]
。新版欧盟 GMP 附录 1《无菌产品生产（修订稿）》中规定 ：注射用水的制备应由符合经确认的标准的水制备，应采用尽可能降低微生物滋生的方式储存与分配（例如，通过在 70℃以上温度持续循环）
[5]
。WHO第 55 届药物制剂规范专家委员会技术报告 TRS No.1033 附录 3《制药用水 GMP 指南》指出纯水和注射用水贮存和分配应设计为回路，连续循环，必要时维持系统在较高温度（例如>70℃）。如果工艺需要降低水温，则应尽可能在短时间内降温。在系统确认期间应证明冷循环持续时间满足要求。
所以，循环、热储存都是各国 GMP 推荐的注射用水分配方式，其他温度循环也是允许的，但持续时间在验证阶段需确认其满足系统和水质要求，这就给常温循环注射用水分配提供了法规依据。
具体到工程实践上，分配系统的种类和选择，ISPE Baseline 第 4 卷给出了较全面的例子，其判断选择图如图1 所示[6]。
图1 水系统分配形式判断图
该判断图涵盖了纯水和注射用水的各种分配形式。按照法规要求，注射用水一般为热储存，循环分配系统。结合生物制药注射用水多种温度需求，常温用水量大，用点多的特点。其常温注射用水分配系统一般选用储罐旁通冷循环（Cooled BypassCirculation），子回路冷循环（Cooled Sub-loop）和二次分配冷循环系统（Secondary Distribution）。对于一些比较分散的用点，同时结合旁路（Slip stream）或带热消毒的冷点进行分配系统的设计。
二次分配冷循环系统，带热消毒的冷用点，这 2种系统是较早的传统设计，具有投资和运行成本较高的缺点，本文不再累赘，着重讨论旁路冷用点，储罐旁通冷循环和子回路冷循环系统。
对于常见的单个用点或邻近的 2 至 3 个使用点降温使用，通常使用该方案。相对于需要引入纯蒸汽消毒的冷用点，旁路冷点在不用水时，一直处于热水自消毒状态，更有利于降低系统微生物负荷，并且投资和运行费用都较低。未达到使用温度前的注射用水可以直接排掉也可以返回主循环。若采取排放策略，可将使用阀、排放阀、回水阀以及取样阀集成为一个零死角的块阀，其典型的系统图如图2 所示。
图2 注射用水旁路冷点系统图（冷水不回流）
若使用点设计用量较大，并且未达使用温度的水采用返回主循环的设计，回水会引起主循环温度下降较多，应在旁路安装调节阀和流量计，对系统控制要求较高。既要控制主循环冷热水混合后的温度，又要让旁路管道内的水保持在完全湍流状态，其典型系统图如图3 所示。
图3 带回水流量调节的注射用水旁路冷点系统图（冷水回流）
对于旁路，主要的阻力降为注射用水换热器。洁净型双管板换热器阻力降一般在 0.01 ~ 0.07 MPa，单个旁路阻力在 0.02 ~ 0.08 MPa。按照并联管路各支路阻力相同原理，每个旁路的阻力也会反映在主循环上。若该类型用点太多，最后整个循环系统的压力降会较大，并且市售卫生型循环泵的扬程一般不超过0.8 MPa，因此实际在项目中，也很少见到超过 8 个旁路冷点串联在一个循环分配系统内。
注射用水若按冷循环设计，一般不会设计冷水储罐。因为储罐内水流动慢，低温储存一般需要 4 ℃以下，能耗很大。所以，冷循环有 2 种设计思路。一种是降温使用后，回水又升温，然后进入储罐，达到热存储的目的。这种降温又升温的系统，能耗也比较大，本文不进行讨论。另一种思路是使用时完全低温循环，待到系统没有降温需求时，再将循环管路温度升至 70℃以上。该类系统，按升温后是否回到储罐，又分为带储罐的旁通冷循环和无储罐的子回路冷循环。
图4 注射用水储罐旁通冷循环系统简图
对于这种冷循环，当有冷水使用需求时，换热器进冷冻水给注射用水降温，关闭冷循环回罐的阀门。当用水结束，关闭冷冻水进水，升温换热器给注射用水进行升温，待冷循环回水达到 70℃以上，自动打开冷循环回罐的阀门。由于用水时，没有热水回到储罐，为了维持热储存的温度，一般需要设计储罐的夹套加热功能。
结合生物制药多种温度的需求，可以将热注射用水用点，比如清洗机，设备 CIP，带上旁路冷点组成热循环，与冷循环共用储罐，如图5 所示。这样既能克服降温使用时，储罐内水不流动的缺点，又免去加热夹套的设计。
图5 冷热循环共用储罐的注射用水系统简图
子回路冷循环类似于二次分配系统，需要在一次分配系统（热循环）引出一个用点作为水源，区别在于该系统不带水储罐，投资和运行费用都较低。典型的子回路冷循环系统简图如图6 所示。
图6 注射用水子回路冷循环系统简图与改进的进水阀示意图
在冷循环不进水时，为了减少死水，冷循环进水阀门前后需要做到 2D。使用一般的阀门，前后的通路都做到 2D 比较困难。可以考虑将冷循环回水直接接入进水阀腔体，同时集成取样阀，定制一个多通道阀。
对于冷热水在阀门腔体内混合，可能增加返回主循环冷水量的顾虑，进行 3 维建模，设定相应的边界条件，然后对内部流体进行 CFD 计算，如图 7 所示。
图7 改进的冷循环进水阀三维模型与内部流体网格划分示意图
从下面的温度分布图可以看出：冷水 25℃（298 K）的回水，对主管道 78℃（351K）的热水基本没有影响。说明冷循环回水对热循环的温度降微乎其微，如图 8 所示。
图8 冷循环进水阀内部温度分布（进水状态）
同时，速度矢量也显示：在保持冷循环回水压力小于热水供水压力时，冷热水交接面处，冷水基本没有返流。这一结果在实际项目中也得到了证实，采用该多通道阀的系统，冷循环使用时，热循环回水温度只比平时回水时低了 0.5℃左右，如图9 所示。
图9 冷循环进水阀内部速度矢量图（进水状态）与局部放大图
值得注意的是，为了保持主循环相对冷循环的压力，设计上需采取一系列考虑。首先，主循环泵的流量要覆盖主循环与冷循环同时使用的峰值量。其次，大型冷循环应尽量将冷循环主阀靠近主循环泵出口，作为主循环的前几个用点比较适宜，可以减少主循环供水压力波动。最后，大型冷循环用水量最好要做控制，而不只是通过冷循环泵来限制。程序内可以限定最大用水量，达到设计值后不允许再开用点。另外，冷循环的温度控制也对回水温度传感器的安装有更高的要求，其位置一定要能确实反映冷循环回水的温度，而不能被热循环进水的温度所干扰。
笔者实际项目中使用的逻辑是，当系统达到设计值后，再有新的用水需求，系统进入排队逻辑，按照用水优先级和各用点开启阀门先后顺序综合考虑。若考虑到配液定容时阀门关小，并未按设计流量进行使用的因素，可以将排队判断关联换热器后的温度，或者在泵出口增加流量计，和回水流量做差值计算实际用水量，但这些也会增加系统的复杂度。
常温注射用水分配可分为不带泵的单点或多点串联系统，带泵的大型冷循环系统。生物制药注射用水分配系统一般结合 2 类系统进行设计。对于旁路冷点，需要着重考虑旁路的流速和阻力。对于大型带泵冷循环系统，带罐旁通冷循环系统较简单，但投资相比不带罐系统较高。对于不带罐的子循环系统，具有投资较低的优点，但对系统控制提出了更高的要求。应用 CFD 技术，对优化的子循环进水阀门内流体进行数值模拟，可以看到集成的多通道阀对系统的稳定和简化起到了积极的作用，并在项目实践结果中得到了证实。
[1] 中国药典委员会.中国药典第二部[S].2020.
[2] European Pharmacopoeia Commission. European Pharmacopoeia10.0[S].Volume III.
[3] USP43-NF38-4651,the United States Pharmacopeial Convention[S].
[4] 国家药品监督管理局.药品生产管理规范（2010 年修订）[S].
[5] European Commission. Revision of EU GMP Annex 1Manufacture of Sterile Medicinal Products[S].2022.
[6] ISPE.Water and steam systems[S].2019.
撰稿人 | 徐舟、彭彩君
责任编辑 | 邵丽竹
审核人 | 何发
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