制藥行業(yè)純化水系統(tǒng)預(yù)處理工藝

田欣（國(guó)藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400042）

從使用角度進(jìn)行分類，制藥用水可分為散裝水與包裝水兩大類。散裝水也成為原料水，特指制藥生產(chǎn)工藝過程中使用的水?！吨腥A人民共和國(guó)藥典》認(rèn)可的散裝水包括純化水和注射用水。包裝水也稱為產(chǎn)品水，指按照制藥工藝流程生產(chǎn)的包裝成品水?！吨袊?guó)藥典》認(rèn)可的包裝水為滅菌注射用水?！稓W洲藥典》與《美國(guó)藥典》中對(duì)散裝水和包裝水的定義有所不同。制藥用水還可以分為藥典水和非藥典水，其中非藥典水指的是為被藥典收錄，但是可以用于制藥生產(chǎn)的制藥用水，列入飲用水、軟化水、蒸餾水和反滲透水。

中國(guó)藥典規(guī)定的純化水為符合官方標(biāo)準(zhǔn)的飲用水經(jīng)過蒸餾法、離子交換法、反滲透法或其他適宜方法制備的制藥用水。電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、微生物限度、及細(xì)菌內(nèi)毒素為純化水關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)。常用的純化水制備方法包括：膜過濾、離子交換、電去離子（EDI）、蒸餾等。其中膜過濾法又分為：微濾、超濾、納濾和反滲透（RO）等。目前制藥行業(yè)大多采用的純化水制備系統(tǒng)一般由預(yù)處理系統(tǒng)和純化系統(tǒng)兩部分組成。預(yù)處理系統(tǒng)通常由原水箱、多介質(zhì)過濾器、微濾、超濾、納濾、活性炭過濾、軟化器等多個(gè)單元組成。預(yù)處理系統(tǒng)的主要目的是去除原水中的不溶性雜質(zhì)，可溶性雜質(zhì)，有機(jī)物和微生物，使其主要的幾個(gè)指標(biāo)滿足純化系統(tǒng)的進(jìn)水要求，從而有效的降低后續(xù)純化系統(tǒng)的雜質(zhì)負(fù)荷，避免了對(duì)純化系統(tǒng)造成污染和損害，對(duì)于純化系統(tǒng)起到很好的保護(hù)作用。

我國(guó)的原水質(zhì)量因地域差異較大導(dǎo)致水質(zhì)千差萬(wàn)別。比如當(dāng)藥企采用地下水為制藥生產(chǎn)的原水時(shí)，雖然原水中的有機(jī)物含量比較穩(wěn)定，但是由于不同地方的地下水中，所含有的礦物質(zhì)和無機(jī)鹽組分和含量也會(huì)不同；又如當(dāng)采用地表水（河流）作為制藥原水時(shí)，則有機(jī)物含量會(huì)比地下水中的含量高，并且原水中的有機(jī)物的含量也會(huì)隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)和季節(jié)性的變化不同而千差萬(wàn)別。目前我國(guó)大部分的藥企制藥用水工藝基本上采用的原水為市政供水。市政供水的最大特點(diǎn)就是水質(zhì)要求相同，水中的雜質(zhì)及微生物含量也會(huì)受到控制。通常市政供水在水處理時(shí)會(huì)添加化學(xué)物質(zhì)來抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖，很大程度的把控住了原水的水質(zhì)。在制藥用水水質(zhì)指標(biāo)中，微生物值是一個(gè)重要的指標(biāo)。我們通常在預(yù)處理階段添加次氯酸鈉等化學(xué)試劑來防止微生物的滋生。制藥企業(yè)中基本上采用先經(jīng)過軟化器再過活性炭的方式進(jìn)行預(yù)處理。以下分別介紹預(yù)處理中主要的步驟和設(shè)備。

1 原水箱

原水箱是預(yù)處理的第一個(gè)單元，通常根據(jù)用水量設(shè)置一個(gè)相應(yīng)的緩沖水罐，保證后續(xù)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。由于罐體的緩沖時(shí)間會(huì)造成水流速度較慢，存在微生物繁殖的風(fēng)險(xiǎn)，所以在進(jìn)入緩沖罐前添加一定量的次氯酸鈉溶液。建議添加完后保證水與次氯酸鈉接觸30min以上，水中余氯含量保持在0.3mg/L以上，且不宜過高，一般控制在0.3mg/L至0.5mg/L范圍內(nèi)。

2 多介質(zhì)過濾器

多介質(zhì)過濾器一般是利用無煙煤、石英砂和不同粒徑（不同級(jí)配）的濾料組合，主要作用是去除原水中的懸浮物、膠體等粒徑較大的雜質(zhì)。相比于單層的石英砂過濾器，無煙煤濾料和石英砂濾料所組成的雙層濾料過濾器具有納污能力強(qiáng)、過濾周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

制藥工程中的多介質(zhì)過濾器工作原理：采用加壓泵對(duì)原水加壓后進(jìn)入過濾器進(jìn)行正向過濾。多介質(zhì)過濾器內(nèi)的填料順序如下：最上層為無煙煤，中間層為1-2mm石英砂，下層為石英砂承托層。最底部利用集水系統(tǒng)（水帽）有效的阻止了填料層被水沖走丟失。頂部也會(huì)配置V 型繞死濾管防止反洗時(shí)填料流失。多介質(zhì)過濾器清洗程序比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本也相對(duì)較低。當(dāng)多介質(zhì)過濾器運(yùn)行趨于飽和時(shí)，只需定期對(duì)其進(jìn)行反沖洗即可。多介質(zhì)過濾器可以通過SDI 檢測(cè)，進(jìn)出口壓差檢測(cè)來判定是否需要啟動(dòng)反沖洗程序。一般情況反沖洗水采用原水，流速應(yīng)為設(shè)計(jì)流速的兩倍以上，反沖洗結(jié)束后最后進(jìn)行正沖洗，使介質(zhì)歸位。系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行期后，還要定期對(duì)裝置內(nèi)的填料介質(zhì)進(jìn)行更換以保證原水處理效果，通常更換周期為2 年左右。

3 雙聯(lián)軟化器

水垢俗稱“水銹、水堿”，是指硬水所含礦質(zhì)附著在容器內(nèi)慢慢形成的白色塊狀和粉末狀物質(zhì)，其中主要成為有硫酸鎂、硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂、氯化鈣、氯化鎂等。原水的硬度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)垢，主要出現(xiàn)在后端反滲透裝置中。為了防止硬水在管道中結(jié)垢和反滲透濃水側(cè)因?yàn)闈饪s而產(chǎn)生的沉積結(jié)垢，減少設(shè)備和系統(tǒng)的操作維護(hù)費(fèi)用、增加反滲透膜的使用壽命，必須對(duì)原水進(jìn)行軟化處理。軟化器的主要功能是去除水中的鈣鎂離子。軟化器通常由盛裝樹脂的容器、樹脂、閥門管件以及控制系統(tǒng)組成。軟化器工作原理是通過鈉型樹脂對(duì)原水中的鈣、鎂離子等進(jìn)行離子交換，從而將其去除。在軟化器離子交換過程中，水中的鈣、鎂離子被RNa 型樹脂中的鈉離子置換出來后停留在樹脂中。通常情況下，原水經(jīng)過軟化器后出水硬度能降低至3mg/L以下。

軟化器的設(shè)置方式有單臺(tái)和雙臺(tái)之分。但是考慮到聲場(chǎng)過程中單臺(tái)軟化器的再生時(shí)間比較長(zhǎng)，為了保證純化水系統(tǒng)能連續(xù)運(yùn)行，通常一套系統(tǒng)會(huì)配置兩臺(tái)串聯(lián)使用的軟化裝置。當(dāng)其中一臺(tái)需要進(jìn)行再生的步驟時(shí)，軟化器過濾系統(tǒng)會(huì)根據(jù)前期設(shè)置好的程序自動(dòng)切換為并聯(lián)運(yùn)行的方式。既一臺(tái)進(jìn)入再生反沖洗模式，另一臺(tái)正壓過濾。這樣的設(shè)計(jì)能很好的避免水中微生物的滋生。軟化器的再生控制依據(jù)有以下兩種方式：1、通過運(yùn)行時(shí)間來監(jiān)控；2、根據(jù)系統(tǒng)處理水量或者是出水的硬度來檢測(cè)控制，目前藥企應(yīng)用最多的還是定期再生。樹脂再生的方法是將轉(zhuǎn)型后的樹脂用食鹽水還原，樹脂中的鈣、鎂離子被置換出來后，重新生成RNa型離子，并將廢液排出。

因地區(qū)不同，有些地區(qū)的原水中鐵離子和錳離子的含量會(huì)超標(biāo)，重金屬對(duì)于軟化器中的軟化樹脂有很強(qiáng)的破壞作用，會(huì)導(dǎo)致軟化樹脂中毒進(jìn)而引起樹脂失效。因此需要在進(jìn)軟化器之前就對(duì)這些重金屬離子進(jìn)行處理。

4 活性炭過濾器

預(yù)處理過程中活性炭過濾器的主要原理是通過活性炭表面自由基和其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)孔吸附能力去除原水中的余氯、色素、有機(jī)物以及其他重金屬。對(duì)水中余氯的除去能力是考察活性炭過濾器的主要指標(biāo)，經(jīng)過活性炭過濾器處理的余氯含量不應(yīng)大于0.1mg/L。

活性炭過濾運(yùn)行過程中會(huì)截留部分從前端漏過來的雜質(zhì)，且長(zhǎng)期運(yùn)行的活性炭之間會(huì)有摩擦，產(chǎn)生細(xì)微的額粉末，所以需定期對(duì)活性炭裝置進(jìn)行反沖洗。由于活性炭具有多孔的特點(diǎn)，會(huì)吸附部分有機(jī)物，有可能導(dǎo)致微生物的繁殖，長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)生的微生物一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)后續(xù)處理單元帶來很大的微生物污染風(fēng)險(xiǎn)。因此需要為活性炭過濾器設(shè)置高溫消毒系統(tǒng)，控制其微生物的負(fù)荷。目前采用最多的是巴氏消毒法和蒸汽消毒法。消毒周期根據(jù)實(shí)際情況來評(píng)估，通常為1-3 月/次?；钚蕴窟^濾器在長(zhǎng)期使用過程中，總量會(huì)減少，應(yīng)對(duì)其定期更換保證其去除余氯效果。

在制藥用水系統(tǒng)中，化學(xué)加藥是必不可少的單元。通常情況下，化學(xué)加藥單元設(shè)置在預(yù)處理系統(tǒng)中。常用的化學(xué)藥劑有：混凝劑PAC（聚合氯化鋁）、消毒劑（次氯酸鈉）、還原劑（亞硫酸氫鈉）等。

混凝劑的主要原理是通過壓縮雙電層、吸附電中和、吸附橋架、沉淀物捕捉等方式，使水中的細(xì)微懸浮粒子和膠體脫穩(wěn)，聚集，絮凝，混凝，沉淀達(dá)到凈化的目的。

次氯酸鈉溶液是采用較多的消毒劑，它是一種強(qiáng)氧化劑，投入水中后會(huì)立即消解形成次氯酸。這種物質(zhì)能與細(xì)胞壁發(fā)生作用，且因分子小，不帶電荷，能侵入到細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)反應(yīng)，使細(xì)胞代謝失調(diào)死亡。次氯酸鈉溶液通常以10%的濃度進(jìn)行添加。次氯酸鈉的投加量一般與后續(xù)的余氯檢測(cè)傳感器進(jìn)行連鎖，濃度控制在0.3-0.5mg/L，因?yàn)闈舛冗^低為有微生物滋生的風(fēng)險(xiǎn)，濃度過高會(huì)導(dǎo)致后續(xù)還原劑消耗過高，甚至氧化RO膜。

只有通過嚴(yán)格的原水處理工藝后的水才能有效的進(jìn)入后續(xù)純化工藝進(jìn)行進(jìn)一步處理，因此預(yù)處理工藝的可靠性對(duì)于后續(xù)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行以及水質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。