一级RO+EDI技术在药用纯化水制备上的应用

魏达义，李建宏，焦震元，陈小亮，王 弢

（兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃 兰州 730046）

1 引言

在制药行业，生活饮用水不能直接用于非无菌生产的配料、洗瓶，以及生物制品生产用容器的初洗，不能直接作为制备注射用水和纯蒸汽的水源。生活饮用水必须要经过工艺提纯制备为纯化水，才可以直接用于制药行业的生产使用。

纯化水制备方法多种多样，从最初的蒸馏冷凝法、离子交换法[1]、电渗析法[2]、反渗透法[3]到目前应用最广的反渗透（RO）+电去离子技术（EDI）法，纯化水的制备方法达到了一种稳定、成熟的地步。目前蒸馏冷凝法、离子交换法已基本淘汰，主流的RO+EDI法可分为一级RO+EDI、二级RO、二级RO+EDI。一级RO+EDI法是在反渗透法和电渗析法的基础上发展起来的，既克服了离子交换法树脂需要大量酸碱再生废酸废碱排放对环境有污染的弊端，又完善了蒸馏冷凝法能量消耗巨大的不足，同时弥补了电渗析法产水纯度不高和反渗透法除盐不彻底的缺点。一级RO+EDI技术比二级RO技术产水水质好，比二级RO+EDI技术成本低。

制药企业对纯化水的水质要求非常严格，纯化水制备系统产水水质的好坏直接影响着药品的质量。文章旨在评估一级RO+EDI技术在纯化水制备系统中的应用，从工艺流程、设备参数、工作原理、运行效果4个方面对系统进行了研究，从而对此项技术做出评估，对纯化水质量做出验证以及提出一级RO+EDI技术在应用上存在不足的地方。

2 纯化水水质要求

纯化水水质应满足《中华人民共和国药典（2020年版）》二部[4]。具体质量标准见表1。

表1 纯化水质量标准

3 纯化水制备工艺流程与设备参数

制水间根据原水水质情况及纯化水水质要求，综合研究得出由预处理、一级RO+EDI、终端设备组成的工艺流程制备纯化水。在系统控制上使用可编程逻辑控制器PLC，在人员操作上使用人机交互屏HMI。制备的纯化水用以供应制备注射用水和纯蒸汽的原料水以及生物制品生产用容器的初洗、冻干实验室等使用。

纯化水制备工艺流程如图1所示。

图1 纯化水制备工艺流程

3.1 预处理

预处理包括多介质过滤器、活性炭过滤器、软化器等设备。原水为市政自来水，由于原水的供水量和水压不断变化，为了保证后续用水的稳定性，首先设置原水罐，由液位控制器和进水电磁阀控制原水罐进水，通过原水增压泵提高压力后，进入多介质过滤器。原水罐容积为2.23 m3。原水增压泵采用不锈钢泵，流量为21.0 m3/h，扬程为58.0 m，功率为5.5 kW。

多介质过滤器内装有不同粒径的石英砂，主要用于过滤除去原水中的悬浮颗粒物和泥沙，降低水的浊度，提高水的澄清度，确保一级RO高压水泵的安全运行和反渗透进水水质达到标准。多介质过滤器的尺寸为Φ92 cm×113 cm，材质为不锈钢。

活性炭过滤器内装有活性炭，活性炭表面充满直径为纳米级的微孔，数量庞大，吸附能力很强，能很好地去除水中的残余氯、气味和微生物。并且活性炭的表面具有催化作用，能促使水、氯分子的电解。在活性炭过滤器后安装余氯检测装置，要求余氯浓度<0.1 ppm，活性炭过滤器的尺寸为Φ92 cm×113 cm，材质为不锈钢。

软化器由软化器1和软化器2串联而成，主要作用是去除水中的钙、镁等金属离子，降低水的硬度，防止金属离子在RO膜表面结垢。软化器内填充的是球形阳离子交换树脂，树脂具有选择交换性，树脂上的钠离子置换水中的金属离子，将金属离子吸附到树脂上，而钠离子脱离树脂进入下一级程序，即进入RO设备。当树脂上置换吸附的金属离子达到一定程度时，树脂的置换能力达到饱和，此时需使用氯化钠浓溶液对树脂进行再生，利用离子交换原理置换出树脂中的金属离子，恢复树脂原来的状态，这就是树脂的再生。软化器再生步骤为：反洗-吸盐-浸泡-慢冲-快速冲洗。软化器尺寸为Φ72 cm×113 cm，材质为不锈钢。盐罐用于软化器再生，NaOH加药罐用于调节软化水pH。在软化器后还配有在线硬度检测仪检测软化水的硬度。

3.2 一级RO

预处理精密过滤器又称保安过滤器，它是一级RO组件的前端保安系统，过滤精度达到5 μm，主要作用为去除从预处理设备中溢出的活性炭粉末、树脂颗粒，使反渗透装置进水SDI值（淤泥密度指数）满足小于3的要求。精密过滤器作为一道预处理系统和一级RO+EDI处理系统之间的一道保险，是水系统日常运行巡检的必要关注点。精密过滤器的运行状态主要根据进出口压力的差值来判断，当精密过滤器进出口压力的差值超过2 bar时，就要立即更换精密过滤器的滤芯。正常情况下，每两个月更换一次精密过滤器滤芯。

一级RO装置作为初级脱盐，其作用就是去除软化水中的无机离子、细菌、病毒以及分子量大于100的有机分子，降低电导率、TOC（总有机碳）、细菌含量，使产水水质更好。一级RO高压泵就是强行给RO膜加压的装置，RO膜是一级RO最核心的部件，它的孔径只有0.000 1 μm，精度极高。一级RO装置采用两段压力容器1∶1排列组合，每段压力容器长4.4 m，每段内部充装4支膜元件，总共8支膜元件。

一级RO高压泵采用国产不锈钢立式多级离心泵，转速为2 919 r/min，流量为10 m3/h，扬程为149.4 m，功率为7.5 kW，最大工作压力为25 bar，最大工作温度为120 ℃。

3.3 EDI

EDI装置的作用是进一步去除一级RO产水中残留的二氧化碳、盐、硅、硼和有机碳化物。EDI装置将游离离子聚集到浓水室和极水室然后随浓水和极水回流到原水罐，将去除离子的淡水室中的脱盐水作为纯化水。

EDI装置采用2台EDI模块并联运行。品牌为西门子IONPURE，型号为：IP-LXM30HI-3，工作压力为0.6 MPa，最大工作压力0.7 MPa，直流电压：0～600 V，工作温度为25 ℃，功率为1.2 kW，重量为92 kg。

3.4 储罐

纯化水储罐储存EDI的产水，容积为5.7 m3，材质为316 L不锈钢。储罐上安装的0.2 μm的疏水性空气过滤器，具有保持储罐内部与外界压力平衡，防止储罐内部压力过高的作用，还有防止大气中尘埃颗粒和细菌进入储罐的作用。

3.5 控制系统

纯化水制备系统采用可编程逻辑控制器（PLC）和人机交互触摸屏（HMI）控制，既可自动控制也可随时切换到手动状态。利用PLC控制储罐液位，水泵及各装置的工作状态。系统实时监测水质指标，包括一级RO产水电导率、流量以及温度，EDI产水电导率、流量以及温度。每个指标都设定了警戒线与纠偏线，一旦超过纠偏线就会触发报警。HMI人机界面可显示工艺流程图，阀门、泵的开关状态以及系统当前所处状态，在人机界面还可以查看参数设置、报警记录、消除报警等操作。

纯化水机产水顺控：主机补水-循环检测-启动（冲洗）-启动（冲洗RO）-启动（冲洗EDI）-产水-间隔冲洗-循环-停机冲洗-RO循环冲洗-一级RO冲洗。控制系统设定每隔2 h对一级RO和EDI进行冲洗，目的在于冲洗掉RO反渗透膜表面的污垢，提高RO膜的工作效率。

4 一级RO、EDI工作原理

4.1 一级RO工作原理

一级RO装置工作原理示意图如图2所示。一级RO装置主要由一级RO高压泵、RO膜元件、压力容器3部分组成。软化水通过一级RO泵加压到RO膜上面，压力大于自然渗透压，一级RO泵的压力方向与渗透压的方向相反，这样在高压作用下盐类离子向浓度较稀的一侧运动，但由于RO膜的孔径为纳米级别，盐类等离子、细菌、病毒等无法穿过RO膜，会被阻挡在RO膜外面。

RO膜采用横流+竖流的组合过滤方式，即软化水一部分沿与膜垂直的方向流入，一部分沿与膜平行的方向流入用来冲洗RO膜表面，以防止盐类在RO膜表面浓差极化堆积结垢。

RO膜具有选择透过性和方向性。选择透过性是指膜允许不超过一定质量的水分子透过而不允许盐透过；方向性是指RO膜为非对称膜，有表层和支持层，安装时要将表层置于高压浓水中，将支撑层置于淡水中，这样RO膜才能正常工作，压力升高水通量、脱盐率也会提高。如果颠倒，盐类等将会透过RO膜，脱盐率几乎为0，水通量将大大增加，RO装置将不存在除盐的功能。

图2 一级RO装置工作原理示意

4.2 EDI工作原理

EDI装置工作原理示意图如图3所示。EDI装置主要由正、负电极，阴、阳离子选择透过性膜，阴、阳离子交换树脂，淡水室通道，浓水室通道以及极水室通道6个部分组成。阴离子选择透过性膜、阳离子选择透过性膜交替分布在正、负电极之间，靠近正极的首先是阳离子选择透过性膜，靠近负极的首先是阴离子选择透过性膜，不能互换，否则EDI装置无法工作。正极与阳离子选择透过性膜之间、负极与阴离子选择透过性膜之间形成的空间是极水室，阳离子选择透过性膜与阴离子选择透过性膜之间的空间是浓水室，夹在2个浓水室中间的是淡水室。阴阳离子交换树脂以混合填充的方式填充在淡水室中，树脂再生依靠电场作用将水分子电解成H+和OH-[5]。极水室产出的水是极水，极水中阴阳离子的浓度达到极致不平衡，浓水室产出的水是浓水，浓水中阴阳离子浓度很高但二者保持平衡，盐度大。淡水室产出的水是除盐水，也就是EDI淡水，即是药用纯化水。

图3 EDI装置工作原理示意

当EDI装置通电工作时，靠近正极的极水室中的Na+、Mg2+、Ca2+、H+等阳离子由于正极的排斥力穿过阳膜进入浓水室，而Cl-、OH-等阴离子由于正极的吸引力和阳膜的阻挡留在极水室，故该极水室中阴离子浓度就要大于阳离子浓度。同理，靠近负极的极水室中的Cl-、OH-等阴离子由于负极的排斥力穿过阴膜进入浓水室，而Na+、Mg2+、Ca2+、H+等阳离子由于负极的吸引力和阴膜的阻挡留在极水室，故该极水室中阳离子浓度就要大于阴离子浓度。淡水室中的阳离子在负极的相吸力作用下通过阳膜进入浓水室，阴离子在正极的相吸力作用下通过阴膜进入浓水室，这样一级RO淡水中的阴、阳离子被再次去除，水的盐度再次降低，从而达到深度除盐。

5 系统运行效果

5.1 设备维护情况

纯化水制备系统和输配系统自2021年3月改造升级完成至2022年6月已运行1年多时间，在这一年多时间中，系统除了更换过pH检测电极、UV杀菌器灯管，管道接口处垫片老化漏水更换垫片之外没有更换过重要关键部件，也没有发生过重大运行故障。一级RO膜除盐效果良好没有清洗，EDI膜堆运行良好，一级RO和EDI的设备没有发生过任何故障，没有任何维修。

5.2 制水效果

汇总分析2021年4月—2022年6月纯化水水质数据可知，产水量和电导率均达到设计值，EDI产水量可达6 000 L/h，EDI出水电导率保持在0.1 μS/cm以下。送水电导率不超过0.62 μS/cm，回水电导率不超过0.63 μS/cm，回水TOC（总有机碳）不超过12.20 ppb，回水pH保持在5.80～6.10的范围内，表明使用点使用的纯化水水质符合药典要求。具体水质数据见表2。

表2 水质数据

6 总结

一级RO反渗透能有效去除微生物、有机物以及无机盐，达到了初步除盐的目的。EDI电去离子装置能够从一级RO淡水中进一步去除离子，达到深度除盐的目的。EDI的产水电导率不超过0.1 μS/cm，能充分达到药典设定的≤5.1 μS/cm的质量标准，满足制药企业的水质要求。EDI装置的IONPURE LXM30HI膜堆是专门针对需要对RO产水进行进一步的精处理的制药行业设计的，相比于其他型号的膜堆，此型号的膜堆最大优点在于可以用85 ℃的热水即时消毒，而不需要缓慢升降温操作，消毒时间只需1.5 h，相比需要缓慢升降温的HWS膜堆节省了约1.5 h，并且可用85 ℃热水消毒次数能达150多次。同时还具有可连续不间断产水，无须用化学药剂再生，无废水排放，再生时不需要停机，设备占地空间小，安装方便等优点[6]。一级RO反渗透装置和EDI电去离子装置是纯化水制备系统的核心，一级RO+EDI技术能够在药用纯化水的制备上取得良好的效果。在产水上具有除盐效果可靠、产水流量稳定、电导率低、温度波动范围小等优点，在系统设计上具有自动化程度高、运行稳定、维护方便、绿色环保等优点。

一级RO+EDI技术在纯化水制备上的应用也是因地制宜，企业在应用时由于其他原因的限制会存在一些不足。如在一级RO淡水与EDI进水的中间没有设置中间水箱，RO出水速率与EDI进水速率不平衡时会对设备稳定性有一定影响。一级RO浓水直接排放没有回收再利用，有一定程度的水资源浪费，且对环境有一定污染，原因在于在软化水与一级RO浓水连接处没有加置过滤膜，由于一级RO浓水盐度很大，不经过过滤处理直接回收容易在RO膜表面结垢，使RO膜表面反渗透效果减弱，所以只能排放。还有在一级RO膜前端未设置反渗透阻垢剂加药装置，这样反渗透膜表面容易结垢，使RO膜性能下降。