蒸汽壓縮工藝制備注射用水的水質(zhì)與節(jié)能降耗探析

任紅雨 周立法

（安奎柯凈化科技有限公司，上海 200051）

蒸汽壓縮工藝制備注射用水的水質(zhì)與節(jié)能降耗探析

任紅雨 周立法

（安奎柯凈化科技有限公司，上海 200051）

簡介熱壓式蒸餾水機(jī)制取注射用水的工作流程和原理，并以細(xì)菌內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性試驗的結(jié)果分析了熱壓式蒸餾水機(jī)對細(xì)菌內(nèi)毒素的高去除率。以制備注射用水時耗用的電、工業(yè)蒸汽、冷卻水為要素剖析了熱壓式工藝在制備注射用水過程中的節(jié)能降耗措施和效果。

蒸汽壓縮；熱壓式蒸餾水機(jī)；注射用水；細(xì)菌內(nèi)毒素；節(jié)能降耗

注射用水（WFI）作為一種制藥工藝用水被廣泛地使用在各類注射液（包括大小水針）輸液、無菌凍干配液、生物發(fā)酵、檢驗試劑配制工序。除了作為無菌制劑的配液用水外，2010版后的中國藥典[1]把注射用水的應(yīng)用范圍拓展到滴眼劑、乳化劑的配制?！八幤飞a(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范及附錄”[2]2010年修訂版也標(biāo)明了注射用水作為精洗用水用在直接與藥品接觸的包裝容器（玻瓶、膠塞、鋁桶等）最后一道清洗用水，也是設(shè)備清洗時的最后精洗用水。

對注射用水的制取方式各國藥典均有明文規(guī)定，除了美國藥典允許使用（RO法）反滲透法制備注射用水外，其他國家藥典均規(guī)定只能使用蒸餾方法來制備注射用水。中國藥典[1]規(guī)定：“注射用水是使用純化水為原料水，通過蒸餾的方法獲取的，99.99 %內(nèi)毒素可以除去的，制藥工藝用水?！闭麴s方法制取注射用水通常使用三種蒸餾方式：①單效式蒸餾方式；②多效式蒸餾方式；③熱壓式蒸餾方式，這三種方式制備的注射用水均可以作為藥用工藝用水，其比較見表1所示。

對于目前使用廣泛的多效蒸餾水機(jī)在各刊物雜志上多有相關(guān)論述文章發(fā)表，在此不多敘述。本文僅對使用蒸餾壓縮工藝制備注射用水的熱壓式蒸餾方式作簡明剖析，從注射用水水質(zhì)分析，及該型式設(shè)備的節(jié)能降耗功效作一次深入的探析，供藥界同仁參考。

表1 藥典允許的三種制備WFI的蒸餾方式Tab.1 Water for injection three preparation method of pharmacopoeia

1 熱壓式蒸餾工藝制備注射用水的工藝流程簡介

熱壓式蒸餾工藝制備注射用水的工藝流程見圖1所示。

1.1 經(jīng)過預(yù)處理的原水（純化水）進(jìn)入系統(tǒng)中與產(chǎn)出的注射用水進(jìn)行熱量交換進(jìn)行預(yù)熱后噴灑在系統(tǒng)的蒸發(fā)管束上（以霧化狀態(tài)），噴灑的混合水一部分蒸發(fā)為水蒸氣，另一部分進(jìn)入集水器中以備循環(huán)使用。

1.2 在蒸發(fā)器上產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)除霧器后被吸入離心壓縮機(jī)中，經(jīng)壓縮后水蒸氣的溫度升到

121℃/250°F，該蒸汽在蒸發(fā)器的管束內(nèi)進(jìn)行冷凝從而制得純凈的蒸餾水，蒸餾水在泵的作用下經(jīng)過換熱器進(jìn)入蒸餾水貯罐備用。

2 熱壓式蒸餾工藝制備注射用水的制水原理

2.1 用離心壓縮機(jī)的壓縮能替代工業(yè)蒸汽和冷卻水的熱能來制備蒸餾水，原水（純化水）經(jīng)一次蒸發(fā)冷凝的過程生成蒸餾水（WFI），是以壓縮能替代熱

能，或以電能替代工業(yè)蒸汽熱能的形式表示出來（類似于電動機(jī)車替代蒸汽機(jī)車的形式）。

圖1 熱壓式蒸餾工藝制備WFI流程示意Fig.1 Vapor compression distillation P&ID

2.2 熱壓式蒸餾工藝制備注射用水時其產(chǎn)水量與壓縮機(jī)輸入能量成正比例，而壓縮機(jī)輸入能與設(shè)備的傳熱面積和壓縮機(jī)前后飽和蒸汽的溫度差相關(guān)聯(lián)。其關(guān)系見以下公式：

式中 Q ——壓縮機(jī)輸入能（電能），kW；

A ——換熱面積，m2；

V ——傳熱系數(shù)；

ΔT —— 壓縮機(jī)前后級的飽和蒸汽凈溫度差，℃。

2.3 預(yù)處理后的原水在蒸發(fā)器的管外側(cè)被蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸汽再經(jīng)過汽液分離器，除去蒸汽中夾帶的液滴（該液滴可能夾帶雜質(zhì)），以確保純凈的蒸汽被離心式壓縮機(jī)吸入從而保證蒸餾水的優(yōu)良水質(zhì)。沒有被蒸發(fā)的原水進(jìn)入再循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)被蒸發(fā)。對熱壓式蒸餾水機(jī)而言，其進(jìn)水水質(zhì)要求較低，可以不使用二級RO純化水。其進(jìn)水水質(zhì)要求見表2所示。

2.4 進(jìn)入離心壓縮機(jī)的潔凈蒸汽經(jīng)壓縮后增加0.2～0.34 bar（3～5 Psi），蒸汽溫度上升4 ～ 5 ℃（7～10 °F），該具有較高能量的蒸汽被送到換熱器列管內(nèi)側(cè)冷凝并釋放出的潛熱又通過列管傳遞給列管外的原水，使原水蒸發(fā)為水蒸氣，再經(jīng)汽液分離器除去液滴后被吸入壓縮機(jī)里，蒸發(fā)與冷凝的過程以此原理往復(fù)循環(huán)。

表2 熱壓式工藝制WFI對原水水質(zhì)要求Tab.2 Vapor Compression WFI， the requirement for the feedwater

2.5 純凈的蒸汽在換熱器內(nèi)側(cè)被冷凝生成注射用水，一般情況下出水溫度在80 ～ 85 ℃之間，完全可以滿足GMP規(guī)定的注射用水可采用70 ℃以上的保溫循環(huán)以防止外界對注射用水的污染。當(dāng)然也可以加裝換熱器的方式獲取注射用水點(diǎn)的其他使用溫度。（其釋放的熱量又可以用來預(yù)熱原水，回收熱能。）

2.6 含有雜質(zhì)（TDS）的少量廢水應(yīng)及時從系統(tǒng)中排出。

3 熱壓蒸餾工藝制備注射用水雜質(zhì)去除率的分析

GMP規(guī)定注射用水必須在防止細(xì)菌內(nèi)毒素產(chǎn)生的設(shè)計條件下生產(chǎn)、貯存及分裝，其質(zhì)量應(yīng)符合中國藥典：注射用水項下的規(guī)定，各國藥典對注射用水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均有明確規(guī)定，見附表3所示。

表3 中國、歐洲、美國藥典對注射用水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[3-4]Tab.3 Chinese pharmacopeia and the FDA and EU regulations about WFI

由表3可知：三大藥典在注射用水（WFI）主要水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)趨于一致（電導(dǎo)率，微生物限量，細(xì)菌內(nèi)毒素），其中關(guān)鍵質(zhì)量控制要素為細(xì)菌內(nèi)毒素的含量。細(xì)菌內(nèi)毒素（熱原）通常是細(xì)菌（微生物）細(xì)胞生長時的分泌脫落物，多為脂多糖類有機(jī)化合物或者是多類微生物細(xì)胞的尸體，可以使哺乳動物發(fā)熱導(dǎo)致不良反應(yīng)的一種物質(zhì)。除去細(xì)菌內(nèi)毒素是注射用水的一項關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。因此對注射用水進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性試驗可以驗證蒸餾水水質(zhì)的優(yōu)劣。

3.1 在原水內(nèi)注入一定量的細(xì)菌內(nèi)毒素進(jìn)行60 min內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性測試，其結(jié)果見表4所示。（熱壓式蒸餾水機(jī)制備的注射用水）

表4 15個批次挑戰(zhàn)性試驗檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Comprehensive results for endotoxin challenge tests

3.2 測試條件

在注射內(nèi)毒素30 min后開始取樣。用無菌無熱原（細(xì)菌內(nèi)毒素）容器取2個原水水樣來備用。

3.2.1 測試方法

采用凝膠試驗法。

3.2.2 測試結(jié)果

原水樣本中可以測到有內(nèi)毒素檢出。

蒸餾水水樣中內(nèi)毒素檢出量均在0.03 EU/mL以下。

15個批次挑戰(zhàn)性試驗檢測數(shù)據(jù)見表4所列。

從表4測試結(jié)果不難看出熱壓式蒸餾工藝制取的注射用水，內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性測試結(jié)果表明熱壓式蒸餾水機(jī)平均內(nèi)毒素去除率為4.8個Log。

3.3 由上述內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性試驗的結(jié)果再次證明了用熱壓式蒸餾工藝制取的注射用水水質(zhì)優(yōu)良，完全可以達(dá)到US.P、 CH.P3、EU.P藥典規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，實際上

水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各國藥典要求。

4 熱壓式蒸餾工藝制備注射用水的節(jié)能降耗效果剖析

熱壓式蒸餾水機(jī)以壓縮能（電能）替代工業(yè)蒸汽的熱量制備注射用水。其制水工藝流程及各個功能區(qū)段（蒸發(fā)，冷凝，壓縮，汽液分離等）的溫度分布狀況見圖2所示。

圖2 熱壓式蒸餾水機(jī)制水工藝流程及各個功能區(qū)段的溫度分布狀況Fig.2 Vapor compression distillation P&ID and temperature distribution

4.1 濕潤率高，傳熱效果好，又可以自清洗的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。

從圖2可以看出，原水在蒸發(fā)器蒸發(fā)階段由特殊設(shè)計的噴嘴使得原水以霧化狀態(tài)噴灑在列管外側(cè)，具備非常高的潤濕率從而加快原水的蒸發(fā)。不僅可以處理高密度的固定雜質(zhì)從而節(jié)約原水預(yù)處理的成本，霧化狀的噴灑又具備了自清洗的功能?？梢郧宄e存在列管外側(cè)的潛在污垢，保障了列管外側(cè)的傳熱效果，達(dá)到了熱能被充分利用的目的。

4.2 原水（純化水）在蒸發(fā)器列管的管束外被蒸發(fā)，經(jīng)過汽液分離后保證了其在壓縮過程中始終維持純凈狀態(tài)，無任何污染物質(zhì)帶入，在列管內(nèi)側(cè)產(chǎn)生注射用水，無污染物也不會對列管的內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕，保障了注射用水的優(yōu)良品質(zhì)和設(shè)備的使用壽命。

4.3 從熱交換效率比較由于熱壓式蒸餾工藝熱能利用率高，每1 000 BTU熱量可以產(chǎn)出3.24 g注射用水。（而使用了工業(yè)蒸汽為熱能的多效蒸餾工藝每1 000 BTU熱量產(chǎn)出1.84 g注射水）兩種制備注射用水工藝的能耗比較見圖3所示。

圖3 熱壓式與多效式蒸餾工藝制備注射用水的能耗比較Fig.3 Horizontal vapor compression VS MED operation cost comparison

4.4 由圖3可以清晰地看出在同樣的產(chǎn)量（5 m3/h WFI）下熱壓式蒸餾水機(jī)比多效式蒸餾水機(jī)更節(jié)約能量。（以制水時消耗的三個主要元素：電、工業(yè)蒸汽、冷卻水為例）兩種制水方式能耗不同，在節(jié)能降耗方面熱壓式工藝明顯優(yōu)于多效式。

5 結(jié)束語

本文簡明概要地介紹了用蒸汽壓縮工藝制取注射用水的工作流程和原理，并對熱壓式蒸餾水機(jī)制備的注射用水（WFI）進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)毒素挑戰(zhàn)性驗證試驗，證實了熱壓式蒸餾水機(jī)內(nèi)毒素去除率高，平均除去率可達(dá)到4.8個Log，水質(zhì)優(yōu)良。同時又對制水時使用的電能、工業(yè)蒸汽、冷卻水耗用量進(jìn)行剖析后可知，用熱壓式制備注射用水每1 000 BTU熱量可以產(chǎn)出3.24 g的注射用水，節(jié)能效果明顯優(yōu)于多效式蒸餾水機(jī)組。

但對于熱壓式而言，由于機(jī)組中增加了蒸汽壓縮機(jī)，一次性設(shè)備投資要比多效式高出很多。因此筆者建議在注射用水產(chǎn)量需求較大的情況下，采用熱壓式蒸餾水機(jī)，比如大于3 t/h，這樣設(shè)備投資成本回收快（通常18個月即可收回多余投資成本），日常運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能降耗效果好。

[1]中華人民共和國藥典2015版[S].

[2]藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范及附錄[S].

[3]藥品GMP實施指南（廠房，設(shè)施與設(shè)備）分冊，國家食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證管理中心[M]. 北京，中國醫(yī)藥科技出版社.

[4]JB/T-20030-2012，多效蒸餾水機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Analysis and Discussion of Water Quality in Vapor Compression Process for Preparation of Water for Injection and Energy Saving and Emission Reduction

Ren Hongyu, Zhou Lifa
（Aqua-Chen Co. (Shanghai), Shanghai 200051）

The working procedure and principle of vapor compression distillation machine to prepare water for injection (WFI) were introduced in this article. With the results from endotoxin challenging test, high rate of removing endotoxin in bacterium by using vapor compression distillation machine was analyzed. Based on the factors of electricity, industrial steam and cooling water consumed for preparation of water for injection, the measures and effects of energy saving and emission reduction in vapor compression process were analyzed.

vapor compression; vapor compression distillation machine; water for injection; endotoxin in bacterium; energy saving and emission reduction

TQ 085+.1

A

2095-817X（2016）05-0054-000

2016-06-06

任紅雨（1978—），男，工程師，主要研究方向：制藥產(chǎn)業(yè)化設(shè)備工程應(yīng)用與實施。