摘要 ：文章介紹了目前比較先進(jìn)的純化水制備系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)與純化水制備原理，有利于指導(dǎo)純化水制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、使用、檢修與維護(hù)，以進(jìn)一步提高純化水制備效率，節(jié)能減排，有利于進(jìn)一步確保純化水質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)較高的純化水制備自動(dòng)化控制水平，以獲得符合藥用要求的水質(zhì)，滿足藥品試制生產(chǎn)、分析檢驗(yàn)用水需求。
引言
純化水是由飲用水利用蒸餾、反滲透等方法制得的供藥用的水，一般作為配制普通口服或外用藥物制劑的溶劑或者對(duì)應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器的清潔用水 ；注射用水是由純化水再經(jīng)蒸餾所制得水，又稱為無(wú)熱原水，主要用作注射劑、滴眼劑的溶劑或稀釋劑以及容器的清洗溶劑 ；滅菌注射用水是注射用水經(jīng)滅菌工藝所制得的水，是無(wú)菌無(wú)熱原的水，主要用于注射用無(wú)菌粉（粉針）的溶劑或者注射液的稀釋劑。由此可見(jiàn)純化水的應(yīng)用較為廣泛，不僅可以直接用于藥物制劑的制備，還可以作為注射用水（或滅菌注射用水）制備的水源。因此在藥品生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)中，高質(zhì)量純化水的制備尤為重要，它不僅影響藥品的生產(chǎn)過(guò)程，還影響到藥品的檢驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)而綜合影響到藥品的質(zhì)量。
結(jié)合本公司的按照歐盟 GMP 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的新車間純化水制備系統(tǒng)，詳細(xì)介紹目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的純化水制備系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)與制備原理，克服了普通（或傳統(tǒng)）純化水制備系統(tǒng)自動(dòng)化水平低、水能源消耗高、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了較高水平的自動(dòng)化控制，軟化水的循環(huán)重復(fù)利用，從而節(jié)約用水，連續(xù)生產(chǎn)制備純化水而又不影響軟化器再生過(guò)程，從而進(jìn)一步提高連續(xù)制水的生產(chǎn)效率的。
1、 純化水制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程
常見(jiàn)的純化水制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程圖如圖 1所示。
圖 1 純化水制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程圖
2、 純化水制備系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)主要處理單元功能與原理介紹
2.1 多介質(zhì)過(guò)濾器
多介質(zhì)過(guò)濾器主要用于過(guò)濾自來(lái)水中的顆粒、懸浮物、膠體以及有機(jī)物等雜質(zhì)，其填充介質(zhì)主要由具有一定體積、粒徑大小要求的沙子、礫石以及無(wú)煙煤組成。比如 ：設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)濾能力達(dá) 5 m3/h的多介質(zhì)過(guò)濾器，假設(shè)填充罐體的直徑按 1 m 設(shè)計(jì)，那么至少填充礫石 200 kg 左右，石英砂 900 kg 左右，無(wú)煙煤 250 kg 左右，各種填料介質(zhì)填料順序有一定要求，不能隨機(jī)填充。為了確保多介質(zhì)過(guò)濾器的持續(xù)過(guò)濾效果，多介質(zhì)過(guò)濾器一般配裝有多功能切換閥（多動(dòng)閥），實(shí)現(xiàn)過(guò)濾和反洗功能的轉(zhuǎn)換，定期清除過(guò)濾截留的顆粒、懸浮物、膠體以及有機(jī)物等雜質(zhì)。多介質(zhì)過(guò)濾器填料介質(zhì)更換周期一般需要根據(jù)過(guò)濾水質(zhì)質(zhì)量情況、運(yùn)行時(shí)間綜合考慮制定，一般建議更換周期為 3 年左右。
2.2 軟化器
軟化器中最常采用的是鈉離子交換樹脂，原理是利用生成物的溶解度小，容易生成沉淀來(lái)去除水溶液中某些雜質(zhì)（特別是 Ca2+、Mg2+、Al3+ 等），降低水的硬度，其實(shí)也是化學(xué)平衡的應(yīng)用。為了確保制水連續(xù)進(jìn)行，軟化器通常配備 2 組，可通過(guò)串聯(lián)方式和并聯(lián)方式切換使用，反洗操作可以通過(guò)手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式進(jìn)行，自動(dòng)模式通常采用設(shè)定固定的運(yùn)行時(shí)間間隔、累計(jì)流量或軟化次數(shù)實(shí)現(xiàn)一組軟化器反洗再生的同時(shí)另外一組軟化器軟化制水，再生程序通常包括反洗、吸鹽、置換、正沖等步驟，整個(gè)再生程序需要持續(xù) 1.5~2 h。軟化器填料介質(zhì)（離子交換樹脂）更換周期一般需要根據(jù)水質(zhì)質(zhì)量情況、運(yùn)行時(shí)間綜合考慮制定，一般建議更換周期為 3 年左右。
公益｜藥品生產(chǎn)驗(yàn)證、確認(rèn)與上市后變更專題
2.3 活性炭過(guò)濾器
活性炭過(guò)濾器主要用于吸附、去除水中的余氯、色素、鐵氧化物、有機(jī)物等雜質(zhì)，其填充介質(zhì)主要由具有一定體積、粒徑大小的沙子和活性炭組成，比如 ：設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)濾能力達(dá) 5 m3/h 的活性炭過(guò)濾器，假設(shè)填充罐體的直徑按 750 mm 設(shè)計(jì)，那么至少填充石英砂 150 kg 左右，椰殼活性炭 150 kg 左右，各種填料介質(zhì)填料順序有一定要求，不能隨機(jī)填充。為了確?；钚蕴窟^(guò)濾器的持續(xù)過(guò)濾效果，活性炭過(guò)濾器一般配裝有多功能切換閥（多動(dòng)閥），實(shí)現(xiàn)過(guò)濾和反洗功能的轉(zhuǎn)換，定期清除過(guò)濾截留吸附的余氯、色素、小分子有機(jī)物、鐵氧化物等雜質(zhì)?；钚蕴课搅擞袡C(jī)物、懸浮粒子，特別有利于微生物的生長(zhǎng)，為防止活性炭過(guò)濾器微生物滋生、繁殖，還需要定期進(jìn)行消毒處理，一般采用巴氏消毒（控制水溫在 80 ℃以上連續(xù)消毒 1 h 以上，消毒周期可以控制在 1 個(gè)月左右），使已經(jīng)吸附的有機(jī)物或微生物解吸附，最后被反洗去除。活性炭過(guò)濾器填料介質(zhì)更換周期一般需要根據(jù)過(guò)濾吸附水質(zhì)質(zhì)量情況、運(yùn)行時(shí)間綜合考慮制定，一般建議更換周期為1 年左右。
2.4 RO 膜組（反滲透系統(tǒng)）
RO 膜反滲透技術(shù)實(shí)際上是應(yīng)用了半透膜的性質(zhì)和反滲透壓的原理。滲透壓的大小一般取決于溶液的固有屬性，與濃溶液一側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，溶劑的流動(dòng)方向與原來(lái)的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動(dòng)，這一過(guò)程稱為反滲透。反滲透是滲透的反向遷移運(yùn)動(dòng)，是一種在壓力的驅(qū)動(dòng)下，借助半透膜的選擇截留作用將溶液中溶質(zhì)與溶劑分開的分離方法。在水處理工藝中，經(jīng)過(guò)軟化的水，通過(guò)增加泵的增壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于滲透壓力時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)用反滲透技術(shù)將原水中的幾乎所有的無(wú)機(jī)鹽（包括重金屬離子）、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒、膠體等雜質(zhì)截留去除。但隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，RO 膜會(huì)被一些沉積的碳酸鹽、磷酸鹽、微生物等阻塞或者污染，因此需要在產(chǎn)水量明顯下降時(shí)或反滲透效率降低時(shí)，進(jìn)行清洗。RO 膜更換周期一般需要根據(jù)水質(zhì)質(zhì)量情況、運(yùn)行時(shí)間綜合考慮制定，一般建議更換周期為 3~5 年。
2.5 EDI 模塊（連續(xù)電除鹽）
EDI 模塊（連續(xù)電除鹽裝置）主要由陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和混合離子交換樹脂有規(guī)律的間歇循環(huán)排列組合而成。在一對(duì)陰陽(yáng)離子交換膜之間充填混合離子交換樹脂就形成了一個(gè) EDI 單元。EDI 長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、離子交換膜阻塞、微生物污染以及樹脂老化等現(xiàn)象。需每隔一定的周期進(jìn)行消毒，一般采用巴氏消毒（控制水溫在80 ℃以上連續(xù)消毒 1h 以上，消毒周期可以控制在1~3 個(gè)月）。EDI 連續(xù)電除鹽裝置通常配有在線沖洗程序。EDI 更換周期一般需要根據(jù)水質(zhì)質(zhì)量情況、運(yùn)行時(shí)間綜合考慮制定，一般建議更換周期為 3~5 年。
3、 本純化水制備系統(tǒng)與普通（或傳統(tǒng)）純化水制備系統(tǒng)分析比較
3.1 自動(dòng)化控制水平顯著提高
本機(jī)采用高端西門子觸摸屏與 PLC 實(shí)現(xiàn)純化水制備過(guò)程的全程自動(dòng)化控制，操作員只要在觸摸屏中點(diǎn)擊一次“開機(jī)”按鈕圖標(biāo)，就能依次連鎖啟動(dòng)所有的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)純化水制備系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程包括沖水、啟動(dòng)、預(yù)沖洗 RO 膜、預(yù)沖洗 EDI、緩沖預(yù)留、運(yùn)行、沖洗、循環(huán)、內(nèi)部沖洗、循環(huán)沖洗等步驟。純化水制備系統(tǒng)啟動(dòng)后依次進(jìn)行到“運(yùn)行”步驟，開始制備出合格的純化水，直至純化水儲(chǔ)罐達(dá)到設(shè)定液位（即停止進(jìn)水液位），然后系統(tǒng)則自動(dòng)運(yùn)行切換到“循環(huán)”步驟，實(shí)現(xiàn)管路當(dāng)中水的循環(huán)流動(dòng)，既確保管路當(dāng)中始終有流動(dòng)的水經(jīng)過(guò)以最大限度減少微生物的滋生，又減少了水資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)自動(dòng)切換，無(wú)需人員干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了較高水平的自動(dòng)化控制。
在純化水制備系統(tǒng)當(dāng)中，多介質(zhì)過(guò)濾器的反洗、軟化器的再生和反洗、活性炭的反洗等單元操作均可以根據(jù)程序當(dāng)中設(shè)定的周期，在純化水制備過(guò)程當(dāng)中自動(dòng)自由切換，實(shí)現(xiàn)單元操作后重新自動(dòng)切換進(jìn)行純化水的制備，從而可以最大限度上避免普通（或傳統(tǒng)）純化水制備系統(tǒng)需人工手動(dòng)控制執(zhí)行有可能會(huì)出現(xiàn)遺漏、差錯(cuò)的現(xiàn)象，從而確保單元組件的良好性能，維持良好的產(chǎn)水效率。同時(shí)純化水制備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了余氯、SDI 的在線自動(dòng)在線檢測(cè)，便于操作，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄。
3.2 軟化水實(shí)現(xiàn)循環(huán)重復(fù)利用而節(jié)約用水
當(dāng)純化水儲(chǔ)存分配系統(tǒng)中的儲(chǔ)罐達(dá)到設(shè)定液位（即停止進(jìn)水液位），即完成制水過(guò)程，純化水制備系統(tǒng)自動(dòng)切換為循環(huán)模式，此時(shí)維持一個(gè)相對(duì)較低的產(chǎn)水速率，制備好的純化水（即 EDI 出水）通過(guò)管道閥門切換進(jìn)入 RO 膜組出水管道中或活性炭過(guò)濾器出水管道中參與純化水制備系統(tǒng)管路循環(huán)，同時(shí)在循環(huán)模式下，RO 膜組出水管路自動(dòng)切換三通閥將一部分軟化水輸送至原水罐，即確保純化水制備系統(tǒng)管路，既有水流動(dòng)有利于抑制微生物的滋生，又節(jié)約了飲用水的消耗量和純化水的排出量。
3.3 連續(xù)生產(chǎn)制備純化水而又不影響軟化器再生過(guò)程
純化水制備系統(tǒng)采用兩組軟化器串聯(lián)和并聯(lián)互相切換的方式，兩組軟化器可以按照串聯(lián)方式或并聯(lián)方式同時(shí)運(yùn)行，也可以分別單獨(dú)運(yùn)行，當(dāng)其中一個(gè)軟化器出水硬度高，便自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換，一組再生另一組軟化，輪換使用實(shí)現(xiàn)了軟化器軟化再生的同時(shí)確保純化水制水過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行，提高了純化水制備系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)效率。軟化過(guò)程可以設(shè)定為自動(dòng)模式，激發(fā)軟化過(guò)程的控制指標(biāo)可以選擇為時(shí)間間隔、流量、次數(shù)比例以及硬度等。
3.4 反滲透系統(tǒng)（RO 膜組）實(shí)現(xiàn)了高效在線循環(huán)清洗，提高了清洗效率
為了確保 RO 膜組（反滲透系統(tǒng)）的反滲透效率，RO 膜的使用壽命延長(zhǎng)，需要定期清洗 RO 膜。一般清洗方法包括在線清洗和離線清洗，在線清洗方法操作起來(lái)比較方便，但是清洗液容易被迅速稀釋，然后迅速排掉，該方法消耗的清洗液比較多，而且清洗效率不高。離線清洗操作程序比較復(fù)雜，需要拆除純化水機(jī)部分閥門管道，從 RO 膜安裝滾筒中將 RO 膜取出，然后浸泡于裝有清洗液的容器中，清洗完畢后進(jìn)行離線純化水沖洗，最后重新安裝。此方法不僅操作流程復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且增加了 RO 膜在空氣當(dāng)中的暴露時(shí)間，會(huì)加速 RO 膜的氧化，久而久之會(huì)縮短 RO 膜的使用壽命。
本純化水制備系統(tǒng)克服了以上兩種清洗方法的缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)反滲透系統(tǒng) RO 膜在線清洗操作程序進(jìn)行一系列改進(jìn)。首先增加了一臺(tái)便捷可移動(dòng)的氣動(dòng)隔膜泵接入純化水制備系統(tǒng)中，將出水端采用快卡的方式接入 RO 膜安裝滾筒的進(jìn)水口，然后將RO 膜安裝滾筒的出水口用快卡的方式接入外接出水管，同樣將氣動(dòng)隔膜泵抽水端用快卡的方式接入外接進(jìn)水管，最后將氣動(dòng)隔膜泵外接進(jìn)水管、外接出水管一并放入配好清洗液的攪拌桶中，開啟壓縮空氣開關(guān)，通過(guò)減壓閥的適當(dāng)調(diào)控可以控制氣動(dòng)隔膜泵開度的大小，控制清洗液的流量和壓力，最后實(shí)現(xiàn)純化水系統(tǒng)反滲透系統(tǒng) RO 膜循環(huán)在線清洗。
采用此種方法可以最大限度地減少管道、閥門的拆卸，尤其不用拆卸 RO 膜安裝滾筒取出 RO 膜，從而避免了 RO 膜在空氣當(dāng)中的暴露氧化。由于本法實(shí)現(xiàn)了在線循環(huán)清洗，因此可以最大限度地減少清洗液的過(guò)度稀釋和流失 ；同時(shí)通過(guò)合理調(diào)整氣動(dòng)隔膜泵開度大小可以適當(dāng)增加清洗液的清洗壓力，進(jìn)一步增強(qiáng)清洗效果。
4、 結(jié)語(yǔ)
本文主要通過(guò)結(jié)合本公司設(shè)計(jì)的目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的純化水制備系統(tǒng)，對(duì)純化水制備系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)與制備原理進(jìn)行了相對(duì)詳細(xì)的介紹與分析，從而有利于促進(jìn)純化水制備系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，并不斷提高純化水制備的生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)出高質(zhì)量的純化水，從而進(jìn)一步保證藥品質(zhì)量。
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