GMP制药企业纯化水预处理超滤工艺

文/ 贺振宇

PROCESS-Tip

*更多信息请登录：

pharm.vogel.com.cn

*反馈编码：210650

目前，大多数制药企业的纯化水系统采用的是传统预处理工艺——超滤（UF）作为纯化水预处理工艺，已经得到了部分药企的青睐，在较大处理量情况下，如大于10 t/h的用量，超滤的前期投入、运行成本与出水质量相对传统工艺有其优势。本文针对制药生产用纯化水的预处理超滤工艺进行讨论，但经纯化水设备（EDI）处理之后采用超滤来降低纯化水内毒素不在本文讨论范围之内。

1 超滤膜与工艺简介

1.1 超滤工艺简介

传统制药软化水系统包括多介质过滤器、软化器及活性炭处理，可作为纯化水后处理工序制备原水。超滤工艺可完全替代多介质过滤器，其出水品质完全超过多介质过滤器，大大减轻了后续水处理过程的负担。

完整的超滤水处理系统一般由预处理部分、超滤膜装置部分和辅助设备部分（如反洗、气擦洗和就地化学清洗设备）组成。超滤系统可以去除水中的悬浮物、胶体颗粒、细菌以及大部分病毒和大分子有机物等杂质。根据行业要求不同，为了达到最终产品水的水质要求，有时还需要采用后续处理步骤，比如采用纳滤（NF）和反渗透（RO）或者离子交换树脂进行除盐。

超滤膜装置本身包括：超滤膜组件、给超滤系统供水的进水泵、恢复超滤膜过滤性能的反洗泵和气擦洗压缩空气系统、自清洗过滤器、仪表、管道和阀门等。超滤系统设计还应包括设置就地化学清洗设备，以对超滤膜进行定期化学清洗。

根据原水类型或超滤进水水质的波动等情况，超滤前也可选用其他预处理技术，如凝聚/絮凝、澄清/沉淀、气浮或颗粒介质过滤等，原水水质达到超滤进水标准的话可不需要进行上述预处理，只需配备预过滤器即可。

超滤工艺是一种过滤精度更高的水处理技术，具有抗污染、药剂用量少、水回收率高、占地面积小的特点，是用于反渗透系统预处理工艺的理想选择。

1.2 超滤膜性能特点

超滤膜组件采用高强度、中空纤维膜制造而成，具有如下优点：

● 公称孔径为0.03 μm，可以有效滤除细菌、病毒以及胶体等微粒，以便保护反渗透膜等；

● PVDF聚合中空纤维强度高且耐化学物腐蚀性能好，可延长膜的使用寿命；

● 亲水纤维膜丝，便于清洗，可湿性好，有助于保持性能长期稳定；

●外压式设计允许较大粒径的固态物进入，可降低对预处理工艺的要求；

● 采用U-PVC外壳，可避免使用成本较高的压力容器。

中空超滤膜如图1所示，其相关参数为：

图1 中空超滤膜

● 结构参数：

公称膜孔径约0.03 μm；

公称切割分子量 MWCO约 150 000 dal；

过滤方式为外压式或内压式。

● 膜材料：

聚偏氟乙烯（PVDF）或亲水聚醚砜（PES）：通常改性PVDF化学稳定性优于PES耐受氧化剂能力。

● 性能参数参考如下：

产水浊度 ≤ 0.1 NTU；

＞2 μm颗粒去除率＞ 4 log；

细菌去除率＞4 log；

过滤污泥密度指数(SDI) ≤ 2.5。

● 运行参数参考如下：

过滤通量@25℃40～120 l/m2/hr；

运行时pH值为 2～11；

温度为1～40 ℃；

最大NaOCl耐受浓度为2 000 mg/l；

浊度(最高耐受度)为300 NTU。

1.3 超滤膜组件的操作条件

超滤膜组件推荐的最大限值和设计基准适用条件见表1。

表1 超滤膜组件推荐的最大限值和设计基准适用条件

1.4 超滤膜运行步序

超滤膜通常采用全流过滤模式，大大节约了运行能耗。由于其运行采用的是保持产水量恒定（即恒流）的控制方式，因此超滤膜跨膜压差（TMP）将随着过滤过程的进行不断升高。这就需要每间隔一段时间，就进行一次气擦洗辅助反洗，以此来控制TMP的升高。在膜丝表面截留的固体颗粒，通过定期的气擦洗辅助反洗加以去除，这种反洗不必加入任何的化学清洗剂。固体污染物在定期的气擦洗辅助反洗中被除去，因此避免了其在膜丝表面的沉积。吸附在膜丝表面而不能被反洗去除的污染物，可通过在线的化学加强反洗去除。在化学加强反洗过程中，在反洗水中加入少量的化学药剂，通过短时间的浸泡（通常为5～10 min）后，将化学药剂排出，超滤膜可以恢复到接近初始状态。另外，还需要对超滤膜系统进行定期的就地化学清洗（CIP），以彻底去除污染物，恢复超滤膜性能。CIP药剂可采用氢氧化钠、次氯酸钠、盐酸、柠檬酸等。超滤膜系统运行主要包括过滤、气擦洗、底部排水、上反洗、下反洗、正洗、化学加强反洗以及就地化学清洗几个步骤。

2 PW工艺流程与讨论

前处理工艺及后处理工艺可参考纯化水制备工艺流程简图,如图2所示。

图2 纯化水制备工艺流程简图

2.1 清洗与消毒

由于在膜上形成固体物质积累时膜通量会衰减，但膜组件采用周期性频繁反冲洗的方式可恢复通量。膜自身具备的良好化学稳定性、耐污染、耐余氯及耐化学清洗等特点，能够满足进行化学清洗和化学增强反洗的需求。

由于超滤工艺中通常不配置活性炭处理工艺，所以整个纯化水前处理都处于有余氯的状态（图3）。超滤不可采用巴氏消毒法，这是因为中空超滤膜不耐高温，故要采用化学消毒的方法。

图3 纯化水前处理超滤单元

2.2 除余氯

进反渗透（RO）膜之前必须去除余氯，因为RO膜不耐受余氯。超滤工艺中将采用紫外（UV）的方法来去除余氯，紫外强度可通过计算得出，并由余氯计来检查是否达到标准，如余氯未达标将通过加药（NaHSO3）来补充，因此不再采用活性炭处理的工艺。活性炭在去除余氯后，本身也比较容易滋生微生物，但不可否认其还有去除异味及有机物的作用。通过有效去除微小颗粒、胶体、细菌、病毒及去除大分子有机物可降低总有机碳（TOC）含量。

2.3 软化器的设置

传统的软化器仍然设置在超滤工艺后，软化器的设置可降低水的硬度，有利于更好地保护反渗透膜，并且与传统工艺一样采用热消毒的方法，这也是比较保险的做法。目前也有工艺不设置软化器，而是采用除垢剂，其化学成分及残留还需要进一步的观察，当前并不推荐更多地引入其他化学物质。

2.4 其他设计思考

两路超滤设计可同时使用50%负荷，当一路超滤需要清洗、更换或膜损坏时，另一路超滤单独运行也可达到生产保障。当然，一路超滤冗余设计通过在线完整性测试及跨膜压差监测，可发现损坏的膜，将损坏的膜两端阀门关闭，使用其他未损坏的滤膜，也能达到要求的产能及设计风险控制的目的。

两级RO中，第一级RO采用非耐高温膜作为前处理，第二级RO膜与EDI为后处理工艺，也是一种思路，这样可以采用非耐高温RO来降低膜成本。后处理即使仅采用一级RO和EDI也不会违反GMP的要求，后处理段仍然采用耐高温RO及EDI保持巴氏消毒的能力（图4）。因此将第一级RO设置于前处理不存在违反法规的风险。

图4 纯化水后处理单元

后处理过程仍然建议采用传统RO和EDI的方式进行，本文不再赘述。

结束语

目前，超滤工艺作为纯化水制备的前处理在制药行业的使用并不广泛，大多数企业还是采用传统的纯化水前处理工艺，究其原因主要在于超滤工艺作为纯化水制备的前处理，成本比传统的多介质过滤器略高，用于处理水量较高的工厂才能达到投入成本的平衡。另外，工程人员习惯于传统工艺，不愿意进行新的尝试，担心出现工艺上的风险，或者未完全理解超滤工艺及整体工艺设计的风险控制手段。超滤工艺的出水水质明显优于传统多介质过滤器，这也减轻了后续工艺的压力，确保了纯化水或者注射用水的品质。超滤工艺的维护相对容易，反洗为自动持续进行，根据跨膜压差及产能下降的程度进行化学清洗，大约3～5年更换超滤膜即可。膜技术也在不断地发展中，目前主流制药纯化水机供应商均具备成熟的超滤前处理工艺，也不断有国内制药企业新建项目陆续投入使用。 ●