浅析纯化水系统制水的过程控制

2014-03-06陈琦

机电信息 2014年11期

陈琦

（南京白敬宇制药有限责任公司，江苏南京210038）

0 引言

水是制药过程中一种十分重要的原料，也是制药设备清洗过程中必不可少的材料。在药品生产中，工艺用水的水质直接关系到产品的质量。所以，制药企业都非常重视对水系统的设计、安装、验证、运行和维护的各个环节。纯化水是制药生产中使用范围最广与用量最大的原料，其水质的好坏将直接影响药品内在质量。

纯化水为饮用水经蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他适宜的方法制得的供药用的水，不含任何添加剂。

制水过程控制是对工艺过程的温度、压力、流量、成分、电压、几何尺寸等物理量和化学量进行控制。过程控制的主要作用有：保证生产过程稳定，防止事故发生；保证产品质量；减少原料、能源消耗，降低成本；提高劳动生产率，充分发挥设备潜力。

1 纯化水系统

我公司的避孕药车间的纯化水系统是一条0.5t/h的生产线，纯化水系统流程如图1所示。

以一级反渗透和EDI电除盐技术为核心，饮用水进入原水箱，通过原水泵经过石英砂过滤器、活性碳过滤器、1号软化器、2号软化器、一级反渗透装置，再通过淡水泵经过EDI电除盐装置到达纯化水箱，最后通过纯化水泵经过紫外灭菌、微孔过滤器到达各使用点，以此生产出符合中国药典2010版标准的纯化水。

图1 避孕药车间纯化水系统流程框图

2 纯化水系统的过程控制

纯化水系统过程控制是对纯化水系统流量、压力、污染指数、余氯监测、硬度监测、电导率等工艺过程中的物理量和化学量进行控制。

2.1 纯化水系统石英砂过滤器

石英砂过滤器利用石英砂作为过滤介质，在一定的压力下，把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒状的石英砂过滤，有效地截留除去水中的悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物、氯、嗅味及部分重金属离子等，最终达到降低水浊度的目的。石英砂过滤器的污染指数接受标准为污染指数＜4.0。

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统石英砂过滤器的出水污染指数（SDI）历史数据进行了整理分析，以确定纯化水系统石英砂过滤器出水污染指数在分析周期内是否发生了大的波动和变化及对后续设备及水质的影响。污染指数监测周期为7天监测1次，统计全部数据，并将每月避孕药车间纯化水系统石英砂过滤器出水污染指数的平均值和最大值的数据（表1）绘制成趋势图（图2），以进行趋势分析。

表1 纯化水系统石英砂过滤器每月污染指数的平均值和最大值

在分析周期内，纯化水系统石英砂过滤器的污染指数均符合可接受标准，平均值为2.61，标准偏差为0.12，最大值仅为2.86，警戒限度为2.85，纠偏限度为2.97。数值均比较稳定，均在纠偏限度内且没有大的波动。以后继续严格执行SOP，确保污染指数符合可接受标准。

图2 纯化水系统石英砂过滤器污染指数检测趋势图

2.2 纯化水系统活性炭过滤器

活性炭过滤器主要用于去除水中的有机物、胶体硅、余氯等，其对臭味、色度、重金属离子的吸附能力很强，活性炭过滤是通过活性炭床来完成的。组成炭床的活性炭颗粒有非常多的微孔和巨大的比表面积，具有很强的物理吸附能力。水通过炭床，水中有机污染物被活性炭有效吸附。此外活性炭表面非结晶部分上有一些含氧官能团，使通过炭床的水中有机污染物被活性炭有效吸附，同时能够吸附前级过滤中无法去除的余氯，可有效保证后级设备的使用寿命，提高出水水质，防止污染。活性炭过滤器余氯接受标准为＜0.1mg/L。

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统活性炭过滤器的出水余氯历史数据进行了整理分析，确定纯化水系统活性炭过滤器余氯在分析周期内是否发生大的波动和变化及对后续设备和水质的影响。余氯监测周期为7天监测1次，统计全部数据，并将每月避孕药车间纯化水系统活性炭过滤器余氯的平均值和最大值的数据（表2）绘制成趋势图（图3），进行趋势分析。

在分析周期内，纯化水系统活性炭过滤器的出水余氯值均符合可接受标准，平均值为0.043mg/L，标准偏差为0.011，最大值为0.06mg/L，警戒限度为0.064mg/L，纠偏限度为0.075mg/L。数据均比较稳定，均在纠偏限度内且没有大的波动。

2.3 纯化水系统软化器

软化器即降低水硬度的设备，主要除去水中的钙、镁离子。由于水的硬度主要由钙、镁离子形成，钠离子交换软化处理的原理是将原水通过钠型阳离子交换树脂，使水中的硬度成分Ca2+、Mg2+与树脂中的Na+相交换，从而吸附水中的Ca2+、Mg2+，使水得到软化。如以RNa代表钠型树脂，其交换过程如下：2RNa+Ca2+=2RCa+2Na+，2RNa+Mg2+=2RMg+2Na+，即水通过钠离子交换器后，水中的Ca2+、Mg2+被置换成Na+。随着树脂内Ca2+、Mg2+的增加，树脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐渐降低。当树脂吸收一定量的钙、镁离子之后，就必须进行再生，再生过程就是用盐箱中的食盐水冲洗树脂层，把树脂上的硬度离子置换出来，随再生废液排出罐外，树脂就又恢复了软化交换功能。软化器出水硬度接受标准＜40×10-6。

表2 纯化水系统活性炭过滤器每月余氯监测的平均值和最大值

图3 纯化水系统活性炭过滤器出水余氯检测趋势图

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统软化器的出水硬度历史数据进行了整理分析，确定纯化水系统软化器出水硬度在分析周期内是否发生大的波动和变化及对后续设备和水质的影响。软化器出水硬度监测周期为每天监测1次，统计全部数据，并将每月避孕药车间纯化水系统软化器出水硬度的平均值和最大值的数据（表3）绘制成趋势图（图4），进行趋势分析。

表3 纯化水系统软化器出水硬度每月的平均值和最大值

图4 纯化水系统软化器出水硬度检测趋势图

在分析周期内，纯化水系统软化器的出水硬度均符合可接受标准，平均值为24.46×10-6，标准偏差为2.53，最大值为30×10-6，警戒限度为29.52×10-6，纠偏限度为32.05×10-6。数据均比较稳定，均在纠偏限度内且没有大的波动。以后继续严格执行SOP，软化器每10天清洗1次，确保污染指数符合可接受标准。

2.4 纯化水系统保安过滤器

为了防止预处理中未能完全去除或新产生的悬浮颗粒进入反渗透系统，保护高压泵和反渗透膜，通常在反渗透进水前设置滤芯式保安过滤器。保安过滤器属于精密过滤器，其原理是利用PP滤芯5μm的孔隙进行机械过滤。水中残存的微量悬浮颗粒、胶体、微生物等，被截留或吸附在滤芯表面和孔隙内。

保安过滤器随着制水时间的增长，滤芯因截留物的污染，其运行阻力逐渐上升。保安过滤器滤芯每3个月更换1次，同时当运行至进出口水压差达0.1MPa时，更换滤芯。

2.5 纯化水系统一级反渗透

反渗透装置是借助压力使水分子强迫透过对水分子有选择作用的反渗透膜，可除去水中的溶解性盐类、胶体、微生物、微粒和有机物等。反渗透是一种以压力梯度为动力的膜分离过程，其如同分子过滤器一样可有效地去除水中的溶解盐类胶体细菌和有机物。反渗透过程是自然渗透的逆过程。在使用过程中，为产生反渗透过程需用水泵将含盐水溶液施加压力以克服其自然渗透压，从而使水透过反渗透膜，将水中溶解盐类等杂质阻止在反渗透膜的另一侧。同时，为防止原水中溶解盐类杂质在膜表面聚集，运行时浓水应不断地冲洗膜表面并将浓水中及膜面上的杂质带出，继而实现反渗透除盐净化的全过程。

一级反渗透出水电导率及回收率可接受标准：出水电导率＜20μs/cm；55%≤回收率≤80%。

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统的一级反渗透出水电导率、一级反渗透产水流量、一级反渗透流量、一级反渗透产水回收率历史数据进行了整理分析，可知道一级反渗透在这段时间的运行情况，水质是否发生波动和变化，找出其在不同时间段水质的区别及影响水质的原因，从而找出改进的措施。

设备运行时，避孕药车间的纯化水系统一级反渗透出水电导率、一级反渗透产水流量、一级反渗透浓排流量每2h监测1次，统计每天的一级反渗透出水电导率最大值，并将每月每天一级反渗透出水电导率最大值的平均值和最大值的数据（表4）绘制成趋势图（图5），进行趋势分析。统计纯化水系统每月一级反渗透产水流量、一级反渗透浓排流量的最大流量值和最小流量值（表5），对一级反渗透产水流量、浓排流量检测进行趋势（图6）分析。计算出一级反渗透每月的最大产水回收率和最小产水回收率（表5），对一级反渗透每月的最大产水回收率和最小产水回收率进行趋势（图7）分析。

表4 纯化水系统一级反渗透每月每天出水电导率最大值的平均值和最大值

在分析周期内，纯化水系统一级反渗透每天出水电导率最大值平均值7.56μs/cm，标准偏差为0.83，警戒限度为9.22μs/cm，纠偏限度为10.05μs/cm，数据在纠偏限度内且没有大的波动，比较稳定，均在可接受标准范围内。

图5 纯化水系统一级反渗透出水电导率检测趋势图

表5 一级反渗透每月产水流量、浓排流量的最大流量值和最小流量、最大产水回收率和最小产水回收率

在分析周期内，纯化水系统一级反渗透产水回收率最大值的平均值为63.8%，最大值为64%；产水回收率最小的平均值为62.0%，最小值为61.7%；标准偏差为0.1；一级反渗透产水回收率上警戒限度为64%，下警戒限度为61.8%，上纠偏限度为64.1%，下纠偏限度为61.7%。数据均比较稳定，均在可接受标准范围内。

2.6 纯化水系统EDI电除盐装置

EDI是一种电渗析技术和离子交换技术相融合的先进技术，系统能够通过电磁场对阴、阳离子的选择性透过作用与离子交换树脂对离子的交换作用，在直流电场的作用下实现离子的定向迁移，从而完成水的深度除盐，系统能够完成树脂连续不断地自动再生，无需停机使用酸碱再生树脂，从而能连续制取高品质纯化水。EDI电除盐装置的出水电阻率及回收率可接受标准：出水电阻率≥2.0MΩ·cm；55%≤回收率≤80%。

图6 纯化水系统一级反渗透产水流量、浓排流量检测趋势图

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统的EDI电除盐装置的出水电阻率、EDI电除盐装置产水流量、EDI电除盐装置浓排量、EDI电除盐装置产水回收率的历史数据进行了整理分析，可知EDI电除盐装置在这段时间的运行情况，水质是否发生波动和变化，找出其在不同时间段水质的区别及影响水质的原因，从而找出改进的措施。

图7 纯化水系统一级反渗透产水回收率趋势图

设备运行时，对EDI电除盐装置出水电阻率、EDI电除盐装置产水流量、EDI电除盐装置浓排量每2h监测1次，统计每天的出水电阻率最小值，并将每月每天EDI电除盐装置出水电阻率最小值的平均值和最小值的数据（表6）绘制成趋势图（图8），进行趋势分析。

表6 纯化水系统EDI电除盐装置每月每天出水电阻率最小值的平均值和最小值

图8 纯化水系统EDI电除盐装置出水电阻率检测趋势图

统计每月EDI电除盐装置产水流量、EDI电除盐装置浓排流量的最大流量值和最小流量值（表7），对EDI电除盐装置产水流量、EDI电除盐装置浓排流量的最大流量值和最小流量值绘制成趋势图（图9）分析。计算出EDI电除盐装置每月的最大产水回收率和最小产水回收率（表7），对EDI电除盐装置每月的最大产水回收率和最小产水回收率绘制成趋势图（图10）分析。

在分析周期内，EDI电除盐装置每天出水电阻率的最小值平均值为10.25MΩ·cm，最小值为9.70MΩ·cm，标准偏差为0.33，警戒限度为9.59MΩ·cm，纠偏限度为9.26MΩ·cm。数据在纠偏限度范围内且没有大的波动，比较稳定，均在可接受标准范围内。

在分析周期内，EDI电除盐装置产水回收率最大值的平均值为78.0%，最大值为78.2%，标准偏差为0.1；产水回收率最小的平均值为75.4%，最小值为74.8%，标准偏差为0.4；EDI电除盐装置产水回收率上警戒限度为78.2%，下警戒限度为74.6%，上纠偏限度为78.3%，下纠偏限度为74.2%。数据均比较稳定，均在可接受标准范围内。

2.7 纯化水系统进水压力和产水压力

2013年我公司对避孕药车间纯化水系统的进水压力和产水压力历史数据进行了整理分析，从而获知纯化水系统进水和产水运行情况。统计每月避孕药车间纯化水系统的进水压力和产水压力的最大值和最小值（表8），并对避孕药车间纯化水系统进水压力和产水压力最大值和最小值进行趋势分析，如图11所示。

表7 EDI电除盐装置每月产水流量、浓排流量的最大流量值和最小流量、最大产水回收率和最小产水回收率

图9 EDI电除盐装置产水流量、浓排流量检测趋势图

图10 EDI电除盐装置产水回收率趋势图

表8 纯化水系统进水压力和产水压力最大值和最小值

在分析周期内，避孕药车间纯化水系统的进水压力最大值0.3MPa，最小值0.22MPa；产水压力最大值0.19MPa，最小值0.16MPa。数据均比较稳定，均在可接受标准范围内。

3 纯化水系统制备过程中的微生物限度控制

微生物限度检查用于测试纯化水中的细菌、霉菌和酵母菌的数量。

3.1 法定标准

根据中国药典（2010年版），纯化水微生物限度标

图11 EDI电除盐装置进水压力和产水压力趋势图准：取纯化水，采用薄膜过滤法处理后，依据中国药典附录ⅪJ，细菌、霉菌和酵母菌总数每毫升不得超过100个。

3.2 微生物限度取样点及取样频率

日常监测时，对避孕药车间纯化水系统的纯化水贮罐、总送水口、总回水口的微生物检测每周1次，避孕药车间纯化水系统制备中其他取样点的微生物检测每月1次。表9为微生物限度取样点及取样频率。

表9 微生物限度取样点及取样频率

3.3 纯化水微生物限度统计分析

我公司对2013年避孕药车间纯化水系统制备过程中纯化水微生物限度检验历史数据进行了整理分析，根据纯化水系统每月制备过程中纯化水微生物限度最大值，设立警戒限度、纠偏限度，系统考察纯化水系统1年来制备过程中纯化水微生物限度质量情况（表10）。通过微生物限度检验数据，考察2013年度避孕药车间纯化水系统制备过程是否处于稳定状态，避孕药车间纯化水系统运行能力是否与设计要求一致。

从纯化水系统制备过程的微生物限度统计数据看出，纯化水系统制备过程中原水箱、石英砂过滤器、活性炭过滤器、1号软化器、2号软化器、精密过滤器微生物限度菌落数μ+2δ值小于20CFU/mL，μ+3δ值小于25CFU/mL。

根据实际情况，规定原水箱、石英砂过滤器、活性炭过滤器、精密过滤器微生物限度菌落数警戒限度为30CFU/mL，纠偏限度为40CFU/mL；其他取样点微生物限度菌落数警戒限度为10CFU/mL，纠偏限度为20CFU/mL。

3.4 纯化水系统制备中微生物限度情况总结

统计2013年1—12月的监测数据表明：避孕药车间纯化水系统运行良好，纯化水系统制备过程中各取样点的细菌、霉菌和酵母菌落总数最高为18CFU/mL，故系统完全符合设计和生产要求。从纯化水系统运行检测结果来看，避孕药车间纯化水系统制备中取样点的细菌、霉菌和酵母菌落总数均未超过设定的警戒限度。

当取样点的细菌、霉菌和酵母菌落总数值大于警戒限度，就应该关注纯化水系统制备过程，此时纯化水系统制备可能已偏离了正常的运行条件，质量管理部门应会同设备工程部门进行分析调查。当纯化水系统取样点的细菌、霉菌和酵母菌落总数值大于纠偏限度，质量管理部门应会同设备工程部门根据分析结果，对纯化水系统的制备过程采取改进措施。