一級(jí)RO+EDI技術(shù)在藥用純化水制備上的應(yīng)用

魏達(dá)義，李建宏，焦震元，陳小亮，王 弢

（蘭州生物制品研究所有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730046）

1 引言

在制藥行業(yè)，生活飲用水不能直接用于非無菌生產(chǎn)的配料、洗瓶，以及生物制品生產(chǎn)用容器的初洗，不能直接作為制備注射用水和純蒸汽的水源。生活飲用水必須要經(jīng)過工藝提純制備為純化水，才可以直接用于制藥行業(yè)的生產(chǎn)使用。

純化水制備方法多種多樣，從最初的蒸餾冷凝法、離子交換法[1]、電滲析法[2]、反滲透法[3]到目前應(yīng)用最廣的反滲透（RO）+電去離子技術(shù)（EDI）法，純化水的制備方法達(dá)到了一種穩(wěn)定、成熟的地步。目前蒸餾冷凝法、離子交換法已基本淘汰，主流的RO+EDI法可分為一級(jí)RO+EDI、二級(jí)RO、二級(jí)RO+EDI。一級(jí)RO+EDI法是在反滲透法和電滲析法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，既克服了離子交換法樹脂需要大量酸堿再生廢酸廢堿排放對(duì)環(huán)境有污染的弊端，又完善了蒸餾冷凝法能量消耗巨大的不足，同時(shí)彌補(bǔ)了電滲析法產(chǎn)水純度不高和反滲透法除鹽不徹底的缺點(diǎn)。一級(jí)RO+EDI技術(shù)比二級(jí)RO技術(shù)產(chǎn)水水質(zhì)好，比二級(jí)RO+EDI技術(shù)成本低。

制藥企業(yè)對(duì)純化水的水質(zhì)要求非常嚴(yán)格，純化水制備系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)的好壞直接影響著藥品的質(zhì)量。文章旨在評(píng)估一級(jí)RO+EDI技術(shù)在純化水制備系統(tǒng)中的應(yīng)用，從工藝流程、設(shè)備參數(shù)、工作原理、運(yùn)行效果4個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從而對(duì)此項(xiàng)技術(shù)做出評(píng)估，對(duì)純化水質(zhì)量做出驗(yàn)證以及提出一級(jí)RO+EDI技術(shù)在應(yīng)用上存在不足的地方。

2 純化水水質(zhì)要求

純化水水質(zhì)應(yīng)滿足《中華人民共和國藥典（2020年版）》二部[4]。具體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 純化水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3 純化水制備工藝流程與設(shè)備參數(shù)

制水間根據(jù)原水水質(zhì)情況及純化水水質(zhì)要求，綜合研究得出由預(yù)處理、一級(jí)RO+EDI、終端設(shè)備組成的工藝流程制備純化水。在系統(tǒng)控制上使用可編程邏輯控制器PLC，在人員操作上使用人機(jī)交互屏HMI。制備的純化水用以供應(yīng)制備注射用水和純蒸汽的原料水以及生物制品生產(chǎn)用容器的初洗、凍干實(shí)驗(yàn)室等使用。

純化水制備工藝流程如圖1所示。

圖1 純化水制備工藝流程

3.1 預(yù)處理

預(yù)處理包括多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、軟化器等設(shè)備。原水為市政自來水，由于原水的供水量和水壓不斷變化，為了保證后續(xù)用水的穩(wěn)定性，首先設(shè)置原水罐，由液位控制器和進(jìn)水電磁閥控制原水罐進(jìn)水，通過原水增壓泵提高壓力后，進(jìn)入多介質(zhì)過濾器。原水罐容積為2.23 m3。原水增壓泵采用不銹鋼泵，流量為21.0 m3/h，揚(yáng)程為58.0 m，功率為5.5 kW。

多介質(zhì)過濾器內(nèi)裝有不同粒徑的石英砂，主要用于過濾除去原水中的懸浮顆粒物和泥沙，降低水的濁度，提高水的澄清度，確保一級(jí)RO高壓水泵的安全運(yùn)行和反滲透進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。多介質(zhì)過濾器的尺寸為Φ92 cm×113 cm，材質(zhì)為不銹鋼。

活性炭過濾器內(nèi)裝有活性炭，活性炭表面充滿直徑為納米級(jí)的微孔，數(shù)量龐大，吸附能力很強(qiáng)，能很好地去除水中的殘余氯、氣味和微生物。并且活性炭的表面具有催化作用，能促使水、氯分子的電解。在活性炭過濾器后安裝余氯檢測(cè)裝置，要求余氯濃度<0.1 ppm，活性炭過濾器的尺寸為Φ92 cm×113 cm，材質(zhì)為不銹鋼。

軟化器由軟化器1和軟化器2串聯(lián)而成，主要作用是去除水中的鈣、鎂等金屬離子，降低水的硬度，防止金屬離子在RO膜表面結(jié)垢。軟化器內(nèi)填充的是球形陽離子交換樹脂，樹脂具有選擇交換性，樹脂上的鈉離子置換水中的金屬離子，將金屬離子吸附到樹脂上，而鈉離子脫離樹脂進(jìn)入下一級(jí)程序，即進(jìn)入RO設(shè)備。當(dāng)樹脂上置換吸附的金屬離子達(dá)到一定程度時(shí)，樹脂的置換能力達(dá)到飽和，此時(shí)需使用氯化鈉濃溶液對(duì)樹脂進(jìn)行再生，利用離子交換原理置換出樹脂中的金屬離子，恢復(fù)樹脂原來的狀態(tài)，這就是樹脂的再生。軟化器再生步驟為：反洗-吸鹽-浸泡-慢沖-快速?zèng)_洗。軟化器尺寸為Φ72 cm×113 cm，材質(zhì)為不銹鋼。鹽罐用于軟化器再生，NaOH加藥罐用于調(diào)節(jié)軟化水pH。在軟化器后還配有在線硬度檢測(cè)儀檢測(cè)軟化水的硬度。

3.2 一級(jí)RO

預(yù)處理精密過濾器又稱保安過濾器，它是一級(jí)RO組件的前端保安系統(tǒng)，過濾精度達(dá)到5 μm，主要作用為去除從預(yù)處理設(shè)備中溢出的活性炭粉末、樹脂顆粒，使反滲透裝置進(jìn)水SDI值（淤泥密度指數(shù)）滿足小于3的要求。精密過濾器作為一道預(yù)處理系統(tǒng)和一級(jí)RO+EDI處理系統(tǒng)之間的一道保險(xiǎn)，是水系統(tǒng)日常運(yùn)行巡檢的必要關(guān)注點(diǎn)。精密過濾器的運(yùn)行狀態(tài)主要根據(jù)進(jìn)出口壓力的差值來判斷，當(dāng)精密過濾器進(jìn)出口壓力的差值超過2 bar時(shí)，就要立即更換精密過濾器的濾芯。正常情況下，每兩個(gè)月更換一次精密過濾器濾芯。

一級(jí)RO裝置作為初級(jí)脫鹽，其作用就是去除軟化水中的無機(jī)離子、細(xì)菌、病毒以及分子量大于100的有機(jī)分子，降低電導(dǎo)率、TOC（總有機(jī)碳）、細(xì)菌含量，使產(chǎn)水水質(zhì)更好。一級(jí)RO高壓泵就是強(qiáng)行給RO膜加壓的裝置，RO膜是一級(jí)RO最核心的部件，它的孔徑只有0.000 1 μm，精度極高。一級(jí)RO裝置采用兩段壓力容器1∶1排列組合，每段壓力容器長4.4 m，每段內(nèi)部充裝4支膜元件，總共8支膜元件。

一級(jí)RO高壓泵采用國產(chǎn)不銹鋼立式多級(jí)離心泵，轉(zhuǎn)速為2 919 r/min，流量為10 m3/h，揚(yáng)程為149.4 m，功率為7.5 kW，最大工作壓力為25 bar，最大工作溫度為120 ℃。

3.3 EDI

EDI裝置的作用是進(jìn)一步去除一級(jí)RO產(chǎn)水中殘留的二氧化碳、鹽、硅、硼和有機(jī)碳化物。EDI裝置將游離離子聚集到濃水室和極水室然后隨濃水和極水回流到原水罐，將去除離子的淡水室中的脫鹽水作為純化水。

EDI裝置采用2臺(tái)EDI模塊并聯(lián)運(yùn)行。品牌為西門子IONPURE，型號(hào)為：IP-LXM30HI-3，工作壓力為0.6 MPa，最大工作壓力0.7 MPa，直流電壓：0～600 V，工作溫度為25 ℃，功率為1.2 kW，重量為92 kg。

3.4 儲(chǔ)罐

純化水儲(chǔ)罐儲(chǔ)存EDI的產(chǎn)水，容積為5.7 m3，材質(zhì)為316 L不銹鋼。儲(chǔ)罐上安裝的0.2 μm的疏水性空氣過濾器，具有保持儲(chǔ)罐內(nèi)部與外界壓力平衡，防止儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力過高的作用，還有防止大氣中塵埃顆粒和細(xì)菌進(jìn)入儲(chǔ)罐的作用。

3.5 控制系統(tǒng)

純化水制備系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)交互觸摸屏（HMI）控制，既可自動(dòng)控制也可隨時(shí)切換到手動(dòng)狀態(tài)。利用PLC控制儲(chǔ)罐液位，水泵及各裝置的工作狀態(tài)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)，包括一級(jí)RO產(chǎn)水電導(dǎo)率、流量以及溫度，EDI產(chǎn)水電導(dǎo)率、流量以及溫度。每個(gè)指標(biāo)都設(shè)定了警戒線與糾偏線，一旦超過糾偏線就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。HMI人機(jī)界面可顯示工藝流程圖，閥門、泵的開關(guān)狀態(tài)以及系統(tǒng)當(dāng)前所處狀態(tài)，在人機(jī)界面還可以查看參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄、消除報(bào)警等操作。

純化水機(jī)產(chǎn)水順控：主機(jī)補(bǔ)水-循環(huán)檢測(cè)-啟動(dòng)（沖洗）-啟動(dòng)（沖洗RO）-啟動(dòng)（沖洗EDI）-產(chǎn)水-間隔沖洗-循環(huán)-停機(jī)沖洗-RO循環(huán)沖洗-一級(jí)RO沖洗。控制系統(tǒng)設(shè)定每隔2 h對(duì)一級(jí)RO和EDI進(jìn)行沖洗，目的在于沖洗掉RO反滲透膜表面的污垢，提高RO膜的工作效率。

4 一級(jí)RO、EDI工作原理

4.1 一級(jí)RO工作原理

一級(jí)RO裝置工作原理示意圖如圖2所示。一級(jí)RO裝置主要由一級(jí)RO高壓泵、RO膜元件、壓力容器3部分組成。軟化水通過一級(jí)RO泵加壓到RO膜上面，壓力大于自然滲透壓，一級(jí)RO泵的壓力方向與滲透壓的方向相反，這樣在高壓作用下鹽類離子向濃度較稀的一側(cè)運(yùn)動(dòng)，但由于RO膜的孔徑為納米級(jí)別，鹽類等離子、細(xì)菌、病毒等無法穿過RO膜，會(huì)被阻擋在RO膜外面。

RO膜采用橫流+豎流的組合過濾方式，即軟化水一部分沿與膜垂直的方向流入，一部分沿與膜平行的方向流入用來沖洗RO膜表面，以防止鹽類在RO膜表面濃差極化堆積結(jié)垢。

RO膜具有選擇透過性和方向性。選擇透過性是指膜允許不超過一定質(zhì)量的水分子透過而不允許鹽透過；方向性是指RO膜為非對(duì)稱膜，有表層和支持層，安裝時(shí)要將表層置于高壓濃水中，將支撐層置于淡水中，這樣RO膜才能正常工作，壓力升高水通量、脫鹽率也會(huì)提高。如果顛倒，鹽類等將會(huì)透過RO膜，脫鹽率幾乎為0，水通量將大大增加，RO裝置將不存在除鹽的功能。

圖2 一級(jí)RO裝置工作原理示意

4.2 EDI工作原理

EDI裝置工作原理示意圖如圖3所示。EDI裝置主要由正、負(fù)電極，陰、陽離子選擇透過性膜，陰、陽離子交換樹脂，淡水室通道，濃水室通道以及極水室通道6個(gè)部分組成。陰離子選擇透過性膜、陽離子選擇透過性膜交替分布在正、負(fù)電極之間，靠近正極的首先是陽離子選擇透過性膜，靠近負(fù)極的首先是陰離子選擇透過性膜，不能互換，否則EDI裝置無法工作。正極與陽離子選擇透過性膜之間、負(fù)極與陰離子選擇透過性膜之間形成的空間是極水室，陽離子選擇透過性膜與陰離子選擇透過性膜之間的空間是濃水室，夾在2個(gè)濃水室中間的是淡水室。陰陽離子交換樹脂以混合填充的方式填充在淡水室中，樹脂再生依靠電場(chǎng)作用將水分子電解成H+和OH-[5]。極水室產(chǎn)出的水是極水，極水中陰陽離子的濃度達(dá)到極致不平衡，濃水室產(chǎn)出的水是濃水，濃水中陰陽離子濃度很高但二者保持平衡，鹽度大。淡水室產(chǎn)出的水是除鹽水，也就是EDI淡水，即是藥用純化水。

圖3 EDI裝置工作原理示意

當(dāng)EDI裝置通電工作時(shí)，靠近正極的極水室中的Na+、Mg2+、Ca2+、H+等陽離子由于正極的排斥力穿過陽膜進(jìn)入濃水室，而Cl-、OH-等陰離子由于正極的吸引力和陽膜的阻擋留在極水室，故該極水室中陰離子濃度就要大于陽離子濃度。同理，靠近負(fù)極的極水室中的Cl-、OH-等陰離子由于負(fù)極的排斥力穿過陰膜進(jìn)入濃水室，而Na+、Mg2+、Ca2+、H+等陽離子由于負(fù)極的吸引力和陰膜的阻擋留在極水室，故該極水室中陽離子濃度就要大于陰離子濃度。淡水室中的陽離子在負(fù)極的相吸力作用下通過陽膜進(jìn)入濃水室，陰離子在正極的相吸力作用下通過陰膜進(jìn)入濃水室，這樣一級(jí)RO淡水中的陰、陽離子被再次去除，水的鹽度再次降低，從而達(dá)到深度除鹽。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

5.1 設(shè)備維護(hù)情況

純化水制備系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)自2021年3月改造升級(jí)完成至2022年6月已運(yùn)行1年多時(shí)間，在這一年多時(shí)間中，系統(tǒng)除了更換過pH檢測(cè)電極、UV殺菌器燈管，管道接口處墊片老化漏水更換墊片之外沒有更換過重要關(guān)鍵部件，也沒有發(fā)生過重大運(yùn)行故障。一級(jí)RO膜除鹽效果良好沒有清洗，EDI膜堆運(yùn)行良好，一級(jí)RO和EDI的設(shè)備沒有發(fā)生過任何故障，沒有任何維修。

5.2 制水效果

匯總分析2021年4月—2022年6月純化水水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)水量和電導(dǎo)率均達(dá)到設(shè)計(jì)值，EDI產(chǎn)水量可達(dá)6 000 L/h，EDI出水電導(dǎo)率保持在0.1 μS/cm以下。送水電導(dǎo)率不超過0.62 μS/cm，回水電導(dǎo)率不超過0.63 μS/cm，回水TOC（總有機(jī)碳）不超過12.20 ppb，回水pH保持在5.80～6.10的范圍內(nèi)，表明使用點(diǎn)使用的純化水水質(zhì)符合藥典要求。具體水質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

一級(jí)RO反滲透能有效去除微生物、有機(jī)物以及無機(jī)鹽，達(dá)到了初步除鹽的目的。EDI電去離子裝置能夠從一級(jí)RO淡水中進(jìn)一步去除離子，達(dá)到深度除鹽的目的。EDI的產(chǎn)水電導(dǎo)率不超過0.1 μS/cm，能充分達(dá)到藥典設(shè)定的≤5.1 μS/cm的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足制藥企業(yè)的水質(zhì)要求。EDI裝置的IONPURE LXM30HI膜堆是專門針對(duì)需要對(duì)RO產(chǎn)水進(jìn)行進(jìn)一步的精處理的制藥行業(yè)設(shè)計(jì)的，相比于其他型號(hào)的膜堆，此型號(hào)的膜堆最大優(yōu)點(diǎn)在于可以用85 ℃的熱水即時(shí)消毒，而不需要緩慢升降溫操作，消毒時(shí)間只需1.5 h，相比需要緩慢升降溫的HWS膜堆節(jié)省了約1.5 h，并且可用85 ℃熱水消毒次數(shù)能達(dá)150多次。同時(shí)還具有可連續(xù)不間斷產(chǎn)水，無須用化學(xué)藥劑再生，無廢水排放，再生時(shí)不需要停機(jī)，設(shè)備占地空間小，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。一級(jí)RO反滲透裝置和EDI電去離子裝置是純化水制備系統(tǒng)的核心，一級(jí)RO+EDI技術(shù)能夠在藥用純化水的制備上取得良好的效果。在產(chǎn)水上具有除鹽效果可靠、產(chǎn)水流量穩(wěn)定、電導(dǎo)率低、溫度波動(dòng)范圍小等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

一級(jí)RO+EDI技術(shù)在純化水制備上的應(yīng)用也是因地制宜，企業(yè)在應(yīng)用時(shí)由于其他原因的限制會(huì)存在一些不足。如在一級(jí)RO淡水與EDI進(jìn)水的中間沒有設(shè)置中間水箱，RO出水速率與EDI進(jìn)水速率不平衡時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性有一定影響。一級(jí)RO濃水直接排放沒有回收再利用，有一定程度的水資源浪費(fèi)，且對(duì)環(huán)境有一定污染，原因在于在軟化水與一級(jí)RO濃水連接處沒有加置過濾膜，由于一級(jí)RO濃水鹽度很大，不經(jīng)過過濾處理直接回收容易在RO膜表面結(jié)垢，使RO膜表面反滲透效果減弱，所以只能排放。還有在一級(jí)RO膜前端未設(shè)置反滲透阻垢劑加藥裝置，這樣反滲透膜表面容易結(jié)垢，使RO膜性能下降。