制药用水系统设计实践

2020-07-01何将军

科技创新导报 2020年12期

关键词：循环

何将军

摘要：结合工程实例介绍制药用水循环系统的设计方法，对循环系统的主要部件进行设计计算和选型，并对设计及调试验证过程中发现的问题提出建议。

关键词：纯化水循环平衡分析水力分析

中图分类号：TQ460 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0078-04

制药用水系统设计在医药、制药设计单位大多属于工艺专业或给排水，需要依据工艺操作设计循环分配系统。因此，每个制药用水分配系统的设计都可视为独立子项目，具有定制性和唯一性。

2013年颁布的《医药工艺用水系统设计规范》（GB50913-2013），是我国首部关于医药工艺用水设计的规范，对医药工艺用水系统设计原则、设计方法有了统一规定，对制药用水循环系统的设备、管道、管件选型都有指导性意见。此规范较好的体现了国家标准的原则性和通用性。

文中依据本规范，结合部分设计院和洁净管道工程公司设计方法，系统设计某疫苗生产厂房的制药用水分配系统。该项目为发酵培养，采用离心粗纯和层析精纯工艺生产多种价型原液，精纯采用自动化配液。车间主要用水工艺点主要在发酵、配液、CIP及部分清洗用点。项目分两期，采用一套工艺用水制备及储存系统，分配管路两期分别实施。

1 用户信息收集

（1）产能规划与生产计划。

根据项目单批次产能，初步拟定各设备单位工作时段需要的工艺用水量，确定一个生产周期的每个工艺用水点的用水特性需求及取水需求，特性需求包括水質、压力及水温，取水需求包括用水时段、水量及取水方式等。本项目一个工艺生产周期为6d，第7d用于清洗和生产间隙调整。PS为纯蒸汽，WFI为蒸馏水，PW为纯化水;PW-1为星期一，PE-2为星期二，以此类推。

（2）数据整理，形成需求。

对一个生产周期中，每天每个时段数据整理叠加，确定单位时间用水量和单周期内用水峰值，计算工作时段用水平均值。

峰值与平均值主要用于确定制水设备产能与储罐容量匹配。短时间峰值可采用加大储罐调整峰值，如果长时段处于较高用水量，则需要加大制水设备产能。如果峰值与平均值相差太大，则可以将一些辅助工序用水调整至用水相对低谷时段，以避免系统设计过大而增加投入和能耗。

2 设计

2.1 储罐设计与选择

水处理及其输送系统的设计、安装、运行和维护应当确保制药用水达到设定的质量标准，水处理设备的运行不得超出其设计能力[5]。储罐容量应满足以下原则。

（1）最小储量确定：在有利于微生物生长条件下，保存时间尽可能短。

（2）最大储量确定：满足系统最大用水需求时，罐内应有足够安全液位。

以下分析计算仅以表1中纯化水为例。

对制水设备、用点消耗及储罐液位进行模拟水平衡分析，因储罐满足两期项目需要，纯化水使用量按照表1两倍计算。经多次模拟插值计算和分析，需要配备12T/H纯水机，15T储罐，罐内最低储量出现在周五上午9：30～10：00，储量为4.52T，见图1纯水消耗及储罐液位模拟图。

6张图分别表示星期一至星期六的24h纯化水储罐液位动态，最上面折线为储罐液位，下面折线为该时段消耗累计，直方图表示当前时刻各点使用量。依据以上分析，选择15T椭圆封头的卧式储罐，罐体抛光及接口符合ASME BPE-2014规定。罐体直筒段长3.5m，直径2.2m，罐底出水口距离距离地面0.6m。采用双曲积分计算罐体满容积为16T，15T液位高度为1.923m，4.52T 液位高度0.724m，为确保系统酸洗钝化后罐体内液体能排尽，罐底倾斜1%。

2.2 管路规划与设计

当确定水的制备和存储设备后，需根据工艺设备布局和风管布局规划管路布局，确定管路长度，计算管道直径和管路沿程压损。

（1）设计流量：Q=Qmax+Q附加，Qmax为最大使用流量，Q附加为最大使用流量时回水流量。

不同标准的管道内径不同，制药用水分配系统常用ISO2037和ASMP BPE标准，依据管道流速限制，不同管径的流量范围见表2管道流速流量对照表。

根据工艺用水分时统计表，车间内最大纯化水消耗为5.65T/H，而制水站蒸馏水机和纯蒸汽发生器同时启动时会消耗瞬时流量7T/H，分配管路系统最大消耗应为12.65T/H。项目纯化水管道采用ISO标准管道，壁厚为1.2mm，据此列表计算内径和不同流量下的液体流速，见表3流量流速计算结果表。

（2）设计管径：应保证管道的平均流速在1m/s～3m/s范围内[1]。

回水管径的选择应确保供回水流量差达到12.65T/H时，供回水管道流速仍保持在1～3m/s以内。对照管道流速流量对照表可知回水管径不得低于2”，回水流量为6.62～19.86T/H，则供水流量为19.27～32.51T/H。供水管径可选2.5“或3”。供水管径选择应确保分配系统无水消耗及最大消耗时，管道流速仍在1～3m/s范围内。依据表3可知，当选用2.5“供水管时，管道流速最大达3.08m/s，应选3”供水管道。

（3）沿程损失计算。

对于医药用水的ISO或ASME BPE管道，粗糙度△=0.38um-0.76um，经验算均满足△<0.4δL，[2]（△为绝对粗糙度，δL为粘性层厚度）管道均为水力光滑管。因此，通过达西公式计算[2]，λ收敛于[0.008，0.04][3]，各段管道计算沿程损失如表4：最大沿程阻力计算表。（其中雷诺数，v为平均流速，d为管道内径，μ为纯水黏度，ρ为纯水的密度。）

3 水泵选择

水泵选择一般需从洁净等级、控制方式、泵头参数等方面选择。洁净等级一般选择与管道一致的粗糙度和抛光等级，顶部45°出水，泵底可排尽;控制方式一般采用变频电机，确保水泵长期自动运行在30～50Hz。文中就本项目泵头参数予以计算。

制药用水虽是闭式循环系统，但由于罐体一般不是充盈状态，且罐顶装有呼吸器，使罐内顶部气压约等于大气压力，水力设计计算按照开式系统计算。

流量计算：根据前面管道计算信息可知，泵的有效工作区间流量应为19.27T/H～35.51T/H，供水管为3”。

扬程计算：项目建筑层高5.4m，共4层，水泵输送高度为21.6m，回罐喷淋球最低运行压力为2Bar（约20m压损），最大输送沿程损失为26.61m（水力分析表中已经包含管件及阀门、换热器的管道当量压损）。因此，输送泵的有效扬程不应低于68.21m。

依据以上两个信息，可以初步选定输送泵，基本参数如下：流量Q为20-40m3/H时，压头H为70-67m，NPSHr为0.8m～1.5m，电力负荷10kW～13.5kW，泵吸入口距地面0.2m。

汽蚀余量计算：为避免离心泵的叶轮和泵壳产生汽蚀，泵在特定运行条件下的汽蚀余量（NPSHr）应小于输送装置的汽蚀余量（NPSHa），即NPSHr

大气压（Pa）：大气压取值应以项目所在地实际气压为准，不宜统一取标准大气压对应的10m水柱。项目所在地标高约511m，计算大气压为0.944atm=95.65kPa，而采用DYM3型空盒气压表实测，夏季平均气压为94.5kPa，冬季平均气压为95.5kPa。取最小值约9.45mH2O水柱。

蒸汽压（Pvp）：本项目取系统消毒时的最高温度为85℃，经查表的蒸汽压为57.9kPa。

灌注高度（hs）：最低液面与泵口吸入端高差值，液面高于吸入端取正值，hs=0.724+（0.6-0.2）=1.124m。

计算系统最高运行温度下NPSHa=9.45+1.124-0.28-5.79=4.504m，大于1.5m。因此，水泵在正常运行及消毒状态下，均不会产生汽蚀，泵选型满足系统稳定运行需求。

4 结果

本项目于2018年实施完成，运行近2年未见系统检测参数、控制系统和水质异常，但在系统验证过程中出现两种非正常现象：

（1）纯化水管道采用121℃过热水灭菌，管道有明显气泡声，且有微小振动。

（2）该项目的注射用水系统依据同样方式设计和施工，在某用水点使用时，泵运行频率不升反降。

5 讨论

（1）纯化水管道一般采用80℃消毒①，本项目纯化水系统管道若采用过热水灭菌，hs≥NPSHr-Pa+hfs+Pvp=1.683m（液位高1.0813m，储水约7.87T），原计算最低液位时会发生汽蚀，需提高罐体液位。实际测试中，hs≥1.5m时，管道已无气泡声，振动极微。

（2）对于出现用水时频率不升反降的情况，根据WFI冷点示意图（见图3）分析。

系统在每个用水点支路和总回水管路安装了流量计，系统正常运行过程保证干管和所有支管路流速不低于1m/s。

当无使用点用水时，换热器支路压损较大，流速偏低，因此水泵提高频率以满足支路流速不低于1m/s，此时总回水流速达到2m/s以上;而当使用点使用时，换热器支管处于排放状态，流速很容易达到1m/s以上，系统控制仅需要维持回水不低于1m/s流速即可，4个换热器支路使用时，实际测试流速为1.3～1.8m/s，泵运行频率和功率不再简单是随用水量增加而增加。

（3）在设计中发现，1”及以上管道流速达到1.5m/s时，沿程阻力已经不能滿足规范[1]第5.3.6条“管道允许的压力损失不宜超过0.05MPa/100m”的规定，项目实施后进行管道压力监测，也确未能完全实现。

（4）在设计中发现，对于较大管径，即使低于1m/s流速也能形成较大的雷诺数，尚需对不同管径研究制药用水在不同温度下的安全输送最低流速，如果可以降低大管道流速输送制药用水，则可在一定程度上降低水泵维保成本和企业运营成本。

注释：

①规范条文中未列出80℃运动粘性系数，文中计算采用经验公式

计算阻力系数。

参考文献

[1] 中国医药工程协会，GB 50913-2013医药工艺用水系统设计规范[S].中国计划出版社，2013.

[2] 尹小力，于布.水力学[M].3版.广州：华南理工大学出版社，2014.

[3] 刘福祥.管道内流动阻力系数的尼古拉兹公式迭代计算收敛区间研究[J].液压气动与密封，2013（8）：24-29.

[4] ISPE Baseline，Pharmaceutical Engineering Guides for New and Renovated Facilities：Volume 4，Water and Steam Systems[S]，2011.

[5] 国家药品食品监督管理局.药品生产质量管理规范（2010年修订）卫生部令第79号[S].2011.

[6] 何国强.制药工艺验证实施手册[M].北京：化学工业出版社，2013.