制藥行業純化水系統預處理工藝

田欣（國藥集團重慶醫藥設計院有限公司，重慶400042）

從使用角度進行分類，制藥用水可分為散裝水與包裝水兩大類。散裝水也成為原料水，特指制藥生產工藝過程中使用的水。《中華人民共和國藥典》認可的散裝水包括純化水和注射用水。包裝水也稱為產品水，指按照制藥工藝流程生產的包裝成品水。《中國藥典》認可的包裝水為滅菌注射用水。《歐洲藥典》與《美國藥典》中對散裝水和包裝水的定義有所不同。制藥用水還可以分為藥典水和非藥典水，其中非藥典水指的是為被藥典收錄，但是可以用于制藥生產的制藥用水，列入飲用水、軟化水、蒸餾水和反滲透水。

中國藥典規定的純化水為符合官方標準的飲用水經過蒸餾法、離子交換法、反滲透法或其他適宜方法制備的制藥用水。電導率、總有機碳、微生物限度、及細菌內毒素為純化水關鍵檢測指標。常用的純化水制備方法包括：膜過濾、離子交換、電去離子（EDI）、蒸餾等。其中膜過濾法又分為：微濾、超濾、納濾和反滲透（RO）等。目前制藥行業大多采用的純化水制備系統一般由預處理系統和純化系統兩部分組成。預處理系統通常由原水箱、多介質過濾器、微濾、超濾、納濾、活性炭過濾、軟化器等多個單元組成。預處理系統的主要目的是去除原水中的不溶性雜質，可溶性雜質，有機物和微生物，使其主要的幾個指標滿足純化系統的進水要求，從而有效的降低后續純化系統的雜質負荷，避免了對純化系統造成污染和損害，對于純化系統起到很好的保護作用。

我國的原水質量因地域差異較大導致水質千差萬別。比如當藥企采用地下水為制藥生產的原水時，雖然原水中的有機物含量比較穩定，但是由于不同地方的地下水中，所含有的礦物質和無機鹽組分和含量也會不同；又如當采用地表水（河流）作為制藥原水時，則有機物含量會比地下水中的含量高，并且原水中的有機物的含量也會隨著人類生產活動和季節性的變化不同而千差萬別。目前我國大部分的藥企制藥用水工藝基本上采用的原水為市政供水。市政供水的最大特點就是水質要求相同，水中的雜質及微生物含量也會受到控制。通常市政供水在水處理時會添加化學物質來抑制微生物的生長和繁殖，很大程度的把控住了原水的水質。在制藥用水水質指標中，微生物值是一個重要的指標。我們通常在預處理階段添加次氯酸鈉等化學試劑來防止微生物的滋生。制藥企業中基本上采用先經過軟化器再過活性炭的方式進行預處理。以下分別介紹預處理中主要的步驟和設備。

1 原水箱

原水箱是預處理的第一個單元，通常根據用水量設置一個相應的緩沖水罐，保證后續系統能夠穩定運行。由于罐體的緩沖時間會造成水流速度較慢，存在微生物繁殖的風險，所以在進入緩沖罐前添加一定量的次氯酸鈉溶液。建議添加完后保證水與次氯酸鈉接觸30min以上，水中余氯含量保持在0.3mg/L以上，且不宜過高，一般控制在0.3mg/L至0.5mg/L范圍內。

2 多介質過濾器

多介質過濾器一般是利用無煙煤、石英砂和不同粒徑（不同級配）的濾料組合，主要作用是去除原水中的懸浮物、膠體等粒徑較大的雜質。相比于單層的石英砂過濾器，無煙煤濾料和石英砂濾料所組成的雙層濾料過濾器具有納污能力強、過濾周期長的優點。

制藥工程中的多介質過濾器工作原理：采用加壓泵對原水加壓后進入過濾器進行正向過濾。多介質過濾器內的填料順序如下：最上層為無煙煤，中間層為1-2mm石英砂，下層為石英砂承托層。最底部利用集水系統（水帽）有效的阻止了填料層被水沖走丟失。頂部也會配置V 型繞死濾管防止反洗時填料流失。多介質過濾器清洗程序比較簡單，運行成本也相對較低。當多介質過濾器運行趨于飽和時，只需定期對其進行反沖洗即可。多介質過濾器可以通過SDI 檢測，進出口壓差檢測來判定是否需要啟動反沖洗程序。一般情況反沖洗水采用原水，流速應為設計流速的兩倍以上，反沖洗結束后最后進行正沖洗，使介質歸位。系統長期運行期后，還要定期對裝置內的填料介質進行更換以保證原水處理效果，通常更換周期為2 年左右。

3 雙聯軟化器

水垢俗稱“水銹、水堿”，是指硬水所含礦質附著在容器內慢慢形成的白色塊狀和粉末狀物質，其中主要成為有硫酸鎂、硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂、氯化鈣、氯化鎂等。原水的硬度會導致系統結垢，主要出現在后端反滲透裝置中。為了防止硬水在管道中結垢和反滲透濃水側因為濃縮而產生的沉積結垢，減少設備和系統的操作維護費用、增加反滲透膜的使用壽命，必須對原水進行軟化處理。軟化器的主要功能是去除水中的鈣鎂離子。軟化器通常由盛裝樹脂的容器、樹脂、閥門管件以及控制系統組成。軟化器工作原理是通過鈉型樹脂對原水中的鈣、鎂離子等進行離子交換，從而將其去除。在軟化器離子交換過程中，水中的鈣、鎂離子被RNa 型樹脂中的鈉離子置換出來后停留在樹脂中。通常情況下，原水經過軟化器后出水硬度能降低至3mg/L以下。

軟化器的設置方式有單臺和雙臺之分。但是考慮到聲場過程中單臺軟化器的再生時間比較長，為了保證純化水系統能連續運行，通常一套系統會配置兩臺串聯使用的軟化裝置。當其中一臺需要進行再生的步驟時，軟化器過濾系統會根據前期設置好的程序自動切換為并聯運行的方式。既一臺進入再生反沖洗模式，另一臺正壓過濾。這樣的設計能很好的避免水中微生物的滋生。軟化器的再生控制依據有以下兩種方式：1、通過運行時間來監控；2、根據系統處理水量或者是出水的硬度來檢測控制，目前藥企應用最多的還是定期再生。樹脂再生的方法是將轉型后的樹脂用食鹽水還原，樹脂中的鈣、鎂離子被置換出來后，重新生成RNa型離子，并將廢液排出。

因地區不同，有些地區的原水中鐵離子和錳離子的含量會超標，重金屬對于軟化器中的軟化樹脂有很強的破壞作用，會導致軟化樹脂中毒進而引起樹脂失效。因此需要在進軟化器之前就對這些重金屬離子進行處理。

4 活性炭過濾器

預處理過程中活性炭過濾器的主要原理是通過活性炭表面自由基和其內部多孔結構的毛細孔吸附能力去除原水中的余氯、色素、有機物以及其他重金屬。對水中余氯的除去能力是考察活性炭過濾器的主要指標，經過活性炭過濾器處理的余氯含量不應大于0.1mg/L。

活性炭過濾運行過程中會截留部分從前端漏過來的雜質，且長期運行的活性炭之間會有摩擦，產生細微的額粉末，所以需定期對活性炭裝置進行反沖洗。由于活性炭具有多孔的特點，會吸附部分有機物，有可能導致微生物的繁殖，長期運行后產生的微生物一旦發生泄漏，將會對后續處理單元帶來很大的微生物污染風險。因此需要為活性炭過濾器設置高溫消毒系統，控制其微生物的負荷。目前采用最多的是巴氏消毒法和蒸汽消毒法。消毒周期根據實際情況來評估，通常為1-3 月/次。活性炭過濾器在長期使用過程中，總量會減少，應對其定期更換保證其去除余氯效果。

在制藥用水系統中，化學加藥是必不可少的單元。通常情況下，化學加藥單元設置在預處理系統中。常用的化學藥劑有：混凝劑PAC（聚合氯化鋁）、消毒劑（次氯酸鈉）、還原劑（亞硫酸氫鈉）等。

混凝劑的主要原理是通過壓縮雙電層、吸附電中和、吸附橋架、沉淀物捕捉等方式，使水中的細微懸浮粒子和膠體脫穩，聚集，絮凝，混凝，沉淀達到凈化的目的。

次氯酸鈉溶液是采用較多的消毒劑，它是一種強氧化劑，投入水中后會立即消解形成次氯酸。這種物質能與細胞壁發生作用，且因分子小，不帶電荷，能侵入到細胞內與蛋白質反應，使細胞代謝失調死亡。次氯酸鈉溶液通常以10%的濃度進行添加。次氯酸鈉的投加量一般與后續的余氯檢測傳感器進行連鎖，濃度控制在0.3-0.5mg/L，因為濃度過低為有微生物滋生的風險，濃度過高會導致后續還原劑消耗過高，甚至氧化RO膜。

只有通過嚴格的原水處理工藝后的水才能有效的進入后續純化工藝進行進一步處理，因此預處理工藝的可靠性對于后續設備穩定運行以及水質起到了至關重要的作用。