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生物制药企业纯化水系统简析

时间:2023-10-11

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生物制药生产过程中,制药用水是一个关键的物料,而常用的制药用水有两种:纯化水和注射用水。


纯化水主要用于工器具、物料、设备CIP的初次清洁使用,同时也用于注射用水的生产;注射用水主要用于接触产品器具的最终淋洗、设备CIP的最终淋洗、工艺溶液配制等。纯化水设备应用领域甚广,主要应用于医药行业、生物行业、科研,用于制药用水、中成药生产、一次性注射器、输血器等医疗器械、保健品、中成药生产等。


本文将主要针对纯化水制备及分配系统进行简要分析,供各位读者参考。




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纯化水系统的组成.jpg


纯化水系统主要由制备单元存储与分配单元两部分组成。


制备单元主要功能为连续、持续的将原水“净化”成符合药典要求的纯化水。存储与分配单元主要包括存储单元、分配单元和用点管网单元,其主要功能为以一定缓冲能力,将纯化水输送到所需的工艺岗位,满足其流量、压力和温度等需求,并维持水质符合药典要求。



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1、工艺流程

通常情况下,纯化水制备系统应根据不同的原水水质情况进行分析与设计,然后配置相应的单元操作来依次把各指标处理到允许的范围之内。任何经过确认的恰当纯化技术或组合技术均可用于制备纯化水。



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2、纯化水制备系统各单元介绍


2.1 原水箱
原水箱是预处理的第一个处理单元,一般设置一定体积的缓冲水罐,其体积的配置应与系统产量相匹配,具备足够的缓冲时间并保证整套系统的运行,通过原水泵向预处理过滤装置输送稳定的原水。

一般在进入原水罐前添加一定浓度的次氯酸钠溶液,避免市政水进入制水系统可能产生微生物繁殖的风险。次氯酸钠的浓度一般控制在0.3-0.5 mg/L。


2.2 多介质过滤器
多介质过滤器大多数填充石英砂、无烟煤等,其作用是通过薄膜过滤、渗透过滤及接触过滤作用,去除水中的大颗粒杂质、悬浮物、胶体等,降低出水浊度≤3、SDI(污染指数)≤5。多介质过滤器的日常维护比较简单,通过自控程序可实现定期反洗/正洗,将截留在滤料孔隙中的杂质排出,从而实现多介质过滤器的过滤功能再生。




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2.3 活性炭过滤器

活性炭过滤器主要是通过碳表面毛细孔的吸附能力去除水中的游离氯、色度、微生物、有机物以及部分重金属等有害物质,以防止它们对反渗透膜系统造成影响。过滤介质通常由颗粒活性炭(如椰壳、褐煤或无烟煤)构成固定层。经过处理后的出水余氯应小于0.1 mg/L。


由于活性炭过滤器有多孔吸附的特性,大量的有机物杂质被吸附后会导致活性炭空隙中的微生物繁殖,长时间运行后产生的微生物一旦泄露至后端处理单元,将会对后端处理单元的使用效果产生影响并带来很大的微生物污染风险,因此需要为活性炭过滤器设置高温消毒系统。同时,也需定期进行反洗和正洗。


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2.4 软化器

软化器通常由承装树脂的容器、树脂、阀门及控制系统组成。其软化原理主要是通过Na+软化树脂对水中的Ca2+、Mg2+进行离子交换,从而把其去除,防止Ca2+、Mg2+等在RO膜表面结垢,通常情况下,软化器的出水硬度能达到小于1.5 mg/L,其交换过程如下:


2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+     


2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+


当离子树脂吸收一定量的Ca2+、Mg2+后就必须进行再生。软化器内树脂的再生是将转型后的树脂用食盐水还原,树脂中的Ca2+、Mg2+由被Na+转换出来,恢复树脂的交换能力,并将废液污水排出。再生过程的离子反应为:


R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2


R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2


2.5 反渗透系统(RO)


反渗透系统主要由保安过滤器、换热器、高压泵和反渗透膜组成。
保安过滤器可以防止>5 um的颗粒物通过,保护RO膜免受伤害。原水在进入下游的部件时,通过换热器对水温度自动调节至25±2℃,同时换热器还能实现RO/EDI系统的巴氏消毒功能。反渗透分离技术是通过膜组件的半渗透性去除水中的溶解性杂质,半渗透膜允许水通过,但是会阻止溶解盐类、无机分子及分子量大于100的有机分子通过


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2.6 电去离子系统(EDI)


离子交换系统使用一个混合树脂床,采用选择性的渗透膜,其主要功能是进一步除盐。驱动力为恒定的电场,使水中的阴离子向正极电极(阳极)移动,而阳离子向负向移动。与此同时,电位的势能又将水电解成氢离子和氢氧根离子,从而使树脂得以再生,且不需要添加再生剂。




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1、储存与分配单元组成

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2、存储单元


当存储与分配系统设计为巴氏消毒时,罐体一般采用316L的常压或压力设计,按ASME BPE标准进行设计和加工,罐体外壁带保温层以维持温度并防止人员烫伤。罐体附件包含:喷淋球、压力传感器、温度传感器、带电加热套的呼吸器、液位传感器、罐底排放阀。
喷淋球的主要目的是保证罐体始终处于自清洗和全润湿状态、并保证巴氏消毒状态下全系统温度均一

呼吸器为所有GMP均明确提及的基本要求之一,其主要目的是有效阻断外界颗粒物和微生物对罐体水质影响,常用滤芯孔径为0.22 um,材质为聚四氟乙烯(PTFE)。


3、分配单元


3.1 分配单元的主要功能

将符合药典要求的纯化水输送到工艺用点,并保证其压力、流量、温度符合工艺生产或清洗等的需求。


3.2 分配单元主要组成

带变频器的输送泵、换热器、取样阀、隔膜阀、316 L材质的管道管件、温度传感器、压力传感器、电导率传感器与变送器及其配套的集成控制系统。


3.3 微生物控制


3.3.1 表面处理
不锈钢内表面的处理主要通过机械抛光和电解抛光来实现。为了保证储罐具有良好的微生物抑制能力,罐体内表面推荐采用电解抛光处理(Ra≤0.4 um),外表面亚光处理,表面光泽均匀一致。机械抛光与电解抛光的表面光洁度见下图,可以明显看出,电解抛光比机械抛光的表面更加光滑、平整,对微生物的预防效果更好。




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3.3.2 储罐形式

立式储罐是最普遍的,因为具有制造成本低、较小死水容积、简单喷淋球设计、占地面积小等优点。


3.3.3 储罐隔离

对于纯化水储罐,普遍做法是使用0.22 um疏水性呼吸器。


3.3.4 储罐周转率

普遍的做法是储罐的周转率每小时1-5次。适当的周转率对储罐具有避免死区的功能。


3.3.5 管道坡度

实践表明,水平管道的坡度越大,水系统可排尽性越好。“纯化水与注射用水系统的坡度不低于0.5%、纯蒸汽系统的坡度不低于1%”是我国GMP检查实施中对坡度确认的基本要求。


3.3.6 死角
在纯化水系统中,任何死角的存在都会可能导致整个系统的严重污染。工程实践表明,“3D设计”是水系统应遵循的基本设计要求。3D要求为支路末端(或支路阀门中心)到主管内壁的距离小于等于支路直径的3倍。3D值按下图的L/I.D.计算:



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3.3.7 流速

保持常温循环的制药用水系统的全流程管道流速不低于1 m/s是非常关键的,可将泵体变频流量始终设定为1.1-1.2 m/s,WHO推荐值为1.2 m/s。


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选择适合自己的纯水设备需要考虑多个方面,包括纯水设备的种类、水质要求、设备的性能和稳定性、设备的维护和保养、设备的价格和售后服务等。只有综合考虑这些因素,才能选择到适合自己的纯水设备。


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