于泳錢玲
(東南大學(xué)成賢學(xué)院,江蘇南京210088)
純化水系統(tǒng)防止污染的設(shè)計(jì)與管理
于泳錢玲
(東南大學(xué)成賢學(xué)院,江蘇南京210088)
基于國(guó)內(nèi)外已有的研究成果,探究了純化水貯存和分配系統(tǒng)可能存在的污染途徑,并針對(duì)污染途徑給出了合理的設(shè)計(jì)與管理方案。結(jié)果表明,可以通過(guò)選擇安全無(wú)毒的材質(zhì)、控制流速、定期清洗和消毒等措施,來(lái)降低純化水貯存和分配系統(tǒng)的污染風(fēng)險(xiǎn)。
純化水;貯存和分配系統(tǒng);設(shè)計(jì)與管理;防止污染
藥品生產(chǎn)過(guò)程離不開(kāi)水,制藥用水質(zhì)量的高低決定了藥品質(zhì)量的優(yōu)劣。新版GMP也提高了對(duì)制藥用水的要求,純化水作為制藥用水之一,在其使用和備用過(guò)程中極易受到污染而變質(zhì)。因此,需要對(duì)純化水系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到管理進(jìn)行嚴(yán)格控制,以防止污染。制藥用水系統(tǒng)存在很多污染風(fēng)險(xiǎn),它可能存在于制藥用水的生產(chǎn)、貯存、分配輸送等的全部過(guò)程和系統(tǒng)。雖然關(guān)于純化水和注射用水制備的研究很多,但是這些研究主要集中于工藝用水的前處理部分,對(duì)于純化水后期如何保證將達(dá)標(biāo)的水貯存并輸送至各使用點(diǎn)的研究并不多。因此,需要在已有的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐學(xué)習(xí)中加強(qiáng)對(duì)工藝用水系統(tǒng)防止污染的研究。
對(duì)于純化水而言,最理想的狀態(tài)就是水系統(tǒng)制備出來(lái)的水全部能及時(shí)地用于工藝生產(chǎn)。但是,事實(shí)上,藥品生產(chǎn)的不同時(shí)期,對(duì)純化水使用的時(shí)間、用量、溫度等都不盡相同。因此,恰當(dāng)?shù)馁A存和輸送方式可以有效地減少水資源浪費(fèi)和降低水污染。
污染可分為外源性污染與內(nèi)源性污染。最主要的外源性污染就是原水,原水水質(zhì)因制藥企業(yè)的地理位置的不同而略有差異,季節(jié)變化對(duì)水質(zhì)也有影響,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)制藥企業(yè)所采用的原水都是城市用水。內(nèi)源性污染相對(duì)比較復(fù)雜,污染途徑繁多,就純化水貯存和分配系統(tǒng)可能存在的污染途徑而言,大致可包括貯罐、除菌過(guò)濾器、換熱器、管道系統(tǒng)部件、輸送泵及循環(huán)管路、各使用點(diǎn)等方面。
2.1 貯罐
貯罐材質(zhì):塑料、不銹鋼、陶瓷、橡膠等均可用作純化水貯罐的材質(zhì),不同的材質(zhì)具有不同的特點(diǎn)。塑料貯罐,輕便,投入成本低,大多數(shù)塑料材料耐酸、耐堿、絕緣性好,但是溫度較高時(shí),塑料容易受熱而變形,并且隨著溫度的升高,塑料材質(zhì)中對(duì)人體有害的物質(zhì)會(huì)逐漸融出,融出的物質(zhì)會(huì)對(duì)純化水造成污染。陶瓷貯罐,具有不掉色、易清洗、耐高溫等優(yōu)點(diǎn),但易碎是陶瓷材料作為貯罐的最致命的缺點(diǎn)。玻璃鋼貯罐,具有耐腐蝕、絕緣性能好、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但是,長(zhǎng)期使用后耐溫性差、容易老化等是其不可忽視的缺點(diǎn)。不銹鋼材質(zhì)的貯罐相比其他材質(zhì)的貯罐,綜合性能相對(duì)更好些。不銹鋼材料因其表面上富鉻氧化膜的形成,具有良好的不銹性和耐蝕性,被廣泛應(yīng)用于制藥企業(yè)的純化水系統(tǒng)。
貯罐類型:純化水貯罐有立式貯罐和臥式貯罐兩種,至于制水站到底是選擇何種類別,取決于水站的廠房的空間和高度[1]。采用臥式貯罐可能會(huì)造成貯罐里的水外排不徹底,排不盡,淤積在罐底的水就很容易滋生微生物和細(xì)菌,從而對(duì)純化水造成污染。因而采用臥式罐需要加裝噴淋球,以便于對(duì)純化水貯罐進(jìn)行清洗,噴淋球最好是可以旋轉(zhuǎn)的,或者是萬(wàn)向噴淋球,以確保清洗時(shí)每個(gè)部位都能被清洗到,否則貯罐內(nèi)將很容易藏污納垢,污染純化水[1]。
貯罐容積:貯罐的大小要根據(jù)生產(chǎn)需求和與之相匹配的泵的能力確定。貯罐太小,可能會(huì)導(dǎo)致用水高峰期時(shí)水不夠用,影響生產(chǎn)進(jìn)度,對(duì)企業(yè)造成損失。貯罐太大,不僅浪費(fèi)投資成本,而且在其清洗、殺菌等方面可能會(huì)存在盲區(qū)。此外,貯罐里的水儲(chǔ)存周期不宜過(guò)長(zhǎng),貯罐太大必然會(huì)存在某一時(shí)期用水量較小,純化水長(zhǎng)期儲(chǔ)存在罐內(nèi)不循環(huán),促使微生物生長(zhǎng),污染純化水。
2.2 除菌過(guò)濾器
純化水貯罐里的水被分配輸送到各使用點(diǎn)時(shí),貯罐液位就會(huì)下降,此時(shí),很容易引起污染,所以《中國(guó)藥典》規(guī)定,純化水的貯罐上需要安裝除菌過(guò)濾器以防止液位降低時(shí)的污染。除菌過(guò)濾器的孔徑通常是0.2 μm,疏水性材料通常采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等,過(guò)濾器要能承受消毒溫度。除菌過(guò)濾器需要做完整性測(cè)試[1]。雖然除菌過(guò)濾器可以有效地防止因液位降低而引起的污染,但是除菌過(guò)濾器對(duì)于純化水而言本身就是一個(gè)污染源,除菌過(guò)濾器的底部可能存在積水問(wèn)題,這容易引發(fā)微生物滋生。
2.3 換熱器
換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,其主要種類有套管式換熱器、板式換熱器、管殼式換熱器、雙管板換熱器等。板式換熱器具有低成本的優(yōu)勢(shì),但因其可能存在較大的污染,而很少在純化水分配系統(tǒng)中使用。換熱器在安裝時(shí),焊縫兩側(cè)容易被污染,焊接接頭是比較薄弱的部位,容易發(fā)生殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力的發(fā)生就會(huì)致使管板開(kāi)裂,污染物就會(huì)從裂縫中進(jìn)入進(jìn)而污染純化水。
2.4 管道系統(tǒng)部件
管道系統(tǒng)部件主要由管道和管子、管配件、閥門等組成。管道焊接方式有卡箍型快開(kāi)式衛(wèi)生連接、法蘭連接、螺紋連接、焊接等,這些方法都存在一定的缺陷,焊接法和卡箍型快開(kāi)式衛(wèi)生連接法因其各自的優(yōu)點(diǎn),目前被普遍應(yīng)用。雖然采用了這兩種(或其中的一種)連接方法基本可以使管道表面光滑,然而管道內(nèi)部仍有不光滑的部位存在,這就有可能滋生微生物。
管道、閥門的材質(zhì)對(duì)純化水水質(zhì)有影響,若閥門與管道之間存在小的縫隙,雜質(zhì)、粉塵等可能會(huì)從縫隙中進(jìn)去污染純化水,所以一般會(huì)在兩者之間加一個(gè)墊片。墊片材質(zhì)主要有橡膠、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、金屬等,長(zhǎng)澳采用的墊片材質(zhì)就是PTFE的??紤]到純聚四氟乙烯墊片是一種結(jié)晶的密封產(chǎn)品,對(duì)其所接觸的物質(zhì)幾乎沒(méi)有任何污染,因而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)中。墊片的大小要與管道的大小相適應(yīng),否則密封性得不到保障。
2.5 輸送泵及循環(huán)管路
輸送泵:輸送泵材質(zhì)以及是否做鈍化和電拋光處理,泵類上部結(jié)構(gòu)中可能存在氣蝕現(xiàn)象,泵體底部是否裝有排水閥,可將泵殼中的水排盡,這些問(wèn)題的存在,將對(duì)純化水造成污染或影響其水質(zhì)要求。
循環(huán)管路:循環(huán)輸送狀態(tài)是把合格的純化水送至各個(gè)使用點(diǎn),再根據(jù)pH值、電導(dǎo)率、回水溫度等參數(shù)判斷回水是否合格,合格水打回儲(chǔ)水罐繼續(xù)循環(huán)使用,不合格水則在回罐前排放,以免污染純化水儲(chǔ)罐[2]。循環(huán)管路中的純化水必須在完全湍流的狀態(tài)下才能抑制微生物的生長(zhǎng),流速過(guò)低,就給微生物滋生提供了溫床。循環(huán)管路的管道是否光滑平整,管材是否安全無(wú)毒,這些都會(huì)影響純化水水質(zhì),甚至對(duì)其造成污染。同一循環(huán)管路中,隨著取樣點(diǎn)增加,越到管道后面,流量會(huì)變小,流速隨之減慢,必然會(huì)存在流速過(guò)低的危險(xiǎn)[2]。
2.6 各使用點(diǎn)
達(dá)標(biāo)的純化水在輸送到各使用點(diǎn)時(shí),可能會(huì)因?yàn)槿藛T操作不當(dāng),使得用于藥品生產(chǎn)的水被污染。此外,使用點(diǎn)處的閥門是否是衛(wèi)生級(jí)的,閥門處是否被污染等,都關(guān)系到純化水的污染情況。
鑒于純化水的貯存和分配系統(tǒng)對(duì)藥品生產(chǎn)質(zhì)量有重大影響,故而需要對(duì)其加大關(guān)注力度。由于純化手段的不徹底性和污染的可變性以及水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的滯后性,所以我們需要加強(qiáng)對(duì)純化水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理,保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)。
3.1 選擇合適的材質(zhì)
對(duì)于材質(zhì)的選擇,新版GMP要求管道、貯罐等的材質(zhì)必須是無(wú)毒、耐腐蝕的。凡是與純化水直接接觸的物體,其材質(zhì)應(yīng)盡可能安全無(wú)毒、表面光滑平整,并且方便清洗消毒等。
制藥企業(yè)目前廣泛采用不銹鋼作為貯罐和管道的材質(zhì),這是因?yàn)椴讳P鋼表面具有一層富鉻氧化膜,使其不易生銹和不易腐蝕。304和316L不銹鋼已經(jīng)成為制藥企業(yè)作為管道、貯罐材質(zhì)的首選[3-4]。 316L不銹鋼因其添加了化學(xué)元素Mo,Mo元素會(huì)與氯離子結(jié)合生成MoOCl2保護(hù)膜,故而具有耐蝕性和耐高溫的優(yōu)點(diǎn),可在苛刻條件下使用[4]。但是316L不銹鋼的成本比304不銹鋼的成本高,由于貯罐體積比較大,很多企業(yè)的貯罐采用的都是304不銹鋼。對(duì)于計(jì)劃采用常規(guī)鈍化處理的材料,其在整個(gè)工藝系統(tǒng)中材質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)保持一致[1]。
選擇了合適的材質(zhì)之后,還需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理,比如鈍化、拋光等,這是為了增加材料表面的耐蝕性和光滑性。拋光不但可以去除材料表面原有的微觀凸點(diǎn),防止其在純化水水流的長(zhǎng)期沖擊下脫落而污染純化水,而且還可以破壞微生物借以滯留和滋生的微小空隙的“安樂(lè)窩”,對(duì)于防止純化水系統(tǒng)污染大有裨益。
3.2 選擇適宜的貯罐容積
貯罐的設(shè)置是為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)用水量的不平衡,貯罐容積的大小的設(shè)計(jì),除了能滿足用水高峰期的需求以外,最好還能保證貯存時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。貯罐容積不宜過(guò)大或過(guò)小,要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際來(lái)確定。貯罐容積的大小一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式V=Qt來(lái)計(jì)算,其中Q為連續(xù)生產(chǎn)時(shí)一天中每小時(shí)的最大平均用水量(m3/h),t為每天最大連續(xù)出水的持續(xù)時(shí)間(h)。這些參數(shù)的收集存在一定的困難,可以根據(jù)純化水的日用量的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行確定[5]。
3.3 循環(huán)管路流速不宜過(guò)低
在純化水循環(huán)系統(tǒng)中,純化水需保持湍流的狀態(tài)流動(dòng)方可防止其在管壁形成生物膜,由于微生物的相對(duì)分子量比水的大很多,因此,純化水必須以完全湍流的形式流動(dòng)。流體流動(dòng)狀態(tài)是由雷諾準(zhǔn)數(shù)Re決定的,其相互關(guān)系如表1所示。
雷諾準(zhǔn)數(shù)計(jì)算公式為:
式中 d——管道內(nèi)徑,m;
v——流體流速,m/s;
ρ——流體密度,kg/m3;
μ——黏度,Pa·s。
表1 雷諾準(zhǔn)數(shù)與流體流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系
由于流體已經(jīng)確定為純化水,黏度和密度基本確定,雖然密度會(huì)因純化水溫度的變化而變化,但是影響不是特別大。所以要使純化水以完全湍流的狀態(tài)流動(dòng),可以在設(shè)計(jì)之初增大管徑,但是管徑的增大也意味著企業(yè)投資成本的增加,并且管道變粗會(huì)使純化水流動(dòng)阻力增加,從而使流速降低,故一般不采取增加管徑的方法來(lái)防止純化水污染。通常我們是通過(guò)增加純化水的流速,來(lái)達(dá)到完全湍流的狀態(tài)。長(zhǎng)澳制藥根據(jù)相關(guān)參數(shù)確定其循環(huán)管道的流速為≥1 m/s,并配有流速監(jiān)控儀。對(duì)于同一循環(huán)管路,隨著取樣點(diǎn)的增加,其流速逐漸降低,這就存在污染的風(fēng)險(xiǎn),所以應(yīng)設(shè)計(jì)為漸變縮小的管徑。
3.4 換熱器和閥門的選擇
換熱器應(yīng)采用雙管板式換熱器,雙管板式換熱器也稱P型換熱器,它雖然價(jià)格貴,但是鑒于其可以有效地防止泄漏引起的污染,這就決定了它具有廣闊的市場(chǎng)。閥門選擇的是衛(wèi)生級(jí)隔膜閥和卡箍式衛(wèi)生球閥,并且閥門在安裝時(shí)放有與之大小相匹配的墊片,增加其密封性,防止純化水污染。
3.5 周期性清洗和消毒
純化水貯存及分配系統(tǒng)需要定期清洗及消毒,根據(jù)長(zhǎng)澳制藥水站的相關(guān)SOP文件,清洗主要流程為先堿洗去污,再?zèng)_洗,最后酸洗中和。純化水貯存和分配系統(tǒng)清洗內(nèi)容如表2所示。
純化水貯存和分配系統(tǒng)消毒一般采用巴氏消毒法,消毒時(shí)間為120 min。純化水貯存和分配系統(tǒng)需要消毒的部件有純化水貯罐、輸送管道和各使用點(diǎn),它們的消毒周期均為2個(gè)月。表3為純化水管道及貯罐清洗、消毒記錄,是長(zhǎng)澳水站提供的涉及到純化水貯存和分配系統(tǒng)的部分清洗消毒、記錄。
表2 純化水貯存和分配系統(tǒng)清洗內(nèi)容
3.6 定期維護(hù)和保養(yǎng)
鑒于純化水的貯存和分配系統(tǒng)中的一些設(shè)備和部件容易損壞或老化,因而需要定期地對(duì)其進(jìn)行檢修、維護(hù)和保養(yǎng),對(duì)于易損件還應(yīng)定期更換,以確保整個(gè)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,不會(huì)因?yàn)槟骋徊考p壞而使純化水受到污染。涉及到純化水的貯存和分配系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)的內(nèi)容有設(shè)備供電檢修,周期為每季度;接線柱檢查也是每季度一次;貯罐上方的除菌過(guò)濾器的濾芯每半年更換一次。
純化水貯罐上方需要安裝除菌過(guò)濾器,以防止液位下降時(shí)造成水污染,但是除菌過(guò)濾器對(duì)于純化水而言,本身就存在污染的風(fēng)險(xiǎn),需要定期更換除菌過(guò)濾器的濾芯,盡量減少污染風(fēng)險(xiǎn)。
輸送泵的上部結(jié)構(gòu)中可能存在氣蝕現(xiàn)象,氣蝕會(huì)影響到流體的正常流動(dòng),使泵的效率顯著下降,可以通過(guò)降低吸收高度、減小吸入管阻力等方式,來(lái)防止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生[6]。另外,輸送泵需要做鈍化和拋光處理,泵底設(shè)有排水閥。
表3 純化水管道及貯罐清洗、消毒記錄
對(duì)于純化水貯存和分配系統(tǒng)防止污染的設(shè)計(jì)和管理,不僅僅是系統(tǒng)硬件,還應(yīng)當(dāng)包括軟件和人員。硬件方面需要合理的設(shè)計(jì)、精心安裝、嚴(yán)密驗(yàn)證,確保系統(tǒng)達(dá)標(biāo)運(yùn)行,并做好監(jiān)控和及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)工作;軟件方面需要有相關(guān)文件作為支撐,如藥典、新版GMP、生產(chǎn)工藝規(guī)程、崗位標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程等。
此外,還需要做好相關(guān)記錄備查。人員方面需要具備與其崗位相匹配的專業(yè)技能,到崗前后均需要進(jìn)行定期培訓(xùn)和考核等。
對(duì)純化水系統(tǒng)防止污染進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與管理,不僅可以降低投資成本,減少水污染浪費(fèi),而且可以減少藥品因?yàn)榧兓廴径鴮?dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題,從而使企業(yè)獲益。
[1]張愛(ài)萍,孫咸澤.藥品GMP指南[M].北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社,2011.
[2]葉勛,馬濤,王一敏,等.對(duì)醫(yī)藥純化水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2011,33(4):19-22.
[3]李穎君.化工醫(yī)藥廠房純化水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東化工,2006,33(7):56.
[4]王志敏.注射用水系統(tǒng)的安裝、驗(yàn)證及運(yùn)行管理[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2004,25(5):13-15.
[5]馮慶,黃浩.制藥用水儲(chǔ)存及分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2010,31(1):18.
[6]朱衛(wèi)東.關(guān)于氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生因素和避免方法的討論[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2006,27(3):30-32.
2015-05-24
于泳(1988—),女,山東龍口人,助教,碩士研究生,研究方向:藥事管理,國(guó)內(nèi)外藥品注冊(cè)、質(zhì)量管理與監(jiān)督。