制藥用水在線電導率儀補償方式研究

摘要：目前大部分制藥用水在水機出水與分配循環系統上安裝在線電導率儀對水質進行監控，同時對電導率儀進行溫度補償。不同品牌電導率檢測設備之間存在不同的補償方式，導致同一水樣在使用不同品牌的電導率儀進行在線檢測時結果不一樣，而且同一個儀器在不同的補償方式下檢測出來的結果也不一樣。鑒于此，對電導率測量的概念、原理，溫度補償的目的、補償方式、解決方案等方面進行了詳細闡述。

關鍵詞：制藥用水;線性25 ℃補償;補償系數

中圖分類號：TP216 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.015

0 引言

制藥用水作為制藥企業生產過程中的重要原料，貫穿于整個藥品生產的全過程，因此制藥用水水質對產品質量有著很大的影響。制藥用水電導率作為水質監控中重要的指標，其優點是能夠快速反映水質狀況，所以制藥用水系統無論是在產水口還是分配循環系統末端均安裝在線電導率儀，以實時監測制藥用水電導率指標，并配合控制系統來完成水系統供水過程的電導率在線監測。

1 電導率概念及原理

1.1 電導率測量的概念

電導率是溶液中所有溶解離子種類（鹽、酸、堿和一些有機物）的非特征性綜合指標參數，反映物質傳送電流的能力，是電阻率的倒ORgvJPGmrhXCvyB/tDQm5g==數。

根據歐姆定律，通過溶液的電壓（V）與電流（I）成正比：

V=RI

電阻（R）為比例常數，如果已知電壓就可以測出電流：

I=V/R

電導G為電阻的倒數：

G=1/R

電導測量值還取決于測量池的幾何形狀，由電極常數（K）表示，計算方法為電極間距（L）除以介于電極之間電解質的有效橫斷面積（A）：

K=L/A

在進行電導率探頭校準時，除先校準溫度以外，對電導檢測部分的校準就是校準電極常數（K）。2020版《中國藥典》“0681 制藥用水電導率測定法”規定，電極常數必須在儀器規定數值±2%范圍內[1]。

電導率k：

k=GK

1.2 電導率測量原理

電導率測量池由一對帶電的電極組成，通過儀器測量電流并計算電導率。當對電極施加直流電時，正電荷離子（陽離子）會朝向負極（陰極）移動，而負電荷離子（陰離子）會朝向正極（陽極）移動。影響電導率的主要因素為溶液中的溶質類型、溶質含量與溫度。電導率是用于測定溶質含量的，但溫度會影響離子的移動速度，因此不同溫度下測定同樣的溶劑，溫度將會影響電導率。溫度高時離子移動速度更快，則溶液的電導率隨溫度升高而升高。

電導率與溫度的關系取決于溶液中離子類型和濃度，由于每種溶液的離子類型和濃度都不相同，因此補償時要選擇合適的方式。為了比較不同溫度下的測量值，需要把它們補償到參考溫度，最好是降到同一溫度進行測量。若無法實現，那么測量儀表將會采用不同的溫度系數α，將不同溫度下測量的電導率值補償至參考溫度下的電導率值。溶液的溫度系數α是每1 ℃的電導率百分比變化量，取決于介質的化學成分和溫度，是一個隨時變化的值。補償計算公式為：

K（T）=K（T0）[1+α（T-T0）]

式中：K（T）為不補償的電導率;K（T0）為線性補償后的電導率;T為真實溫度;T0為需補償到的溫度，例如25 ℃。

2 電導率補償的目的

1）目前電導率使用“三步法”進行測定。在第一步中，如將在線電導率作為放行標準來執行，就必須使用不補償的方式。如果在線數據不作為放行標準，只用于過程控制，而把第二步離線測定作為放行標準，那么理論上在線電導率儀表上可以進行補償，但是補償方式沒有規定。

2）為了準確、連續監測水的純度，會使用在線儀表，但這種監測的關鍵是去除溫度對電導率的影響，在更高的溫度下，離子變得更具流動性，因此導電性更好，所以溫度波動就會造成電導率的波動。為了在過程控制環節去除溫度的影響，為系統控制與報警提供固定的限度值[2]，就需要對電導率進行溫度補償。溫度補償去除了溫度波動對電導率檢測的影響，這樣能更好地進行趨勢分析，制定出準確的警戒限和行動限。

3 補償方式

現在能接觸到的電導率儀設備大部分來自梅特勒或E+H等一線大品牌，圖1、圖2是不同補償模式下，同一個梅特勒電導率儀在監測過程中注射用水水質相對穩定的情況下的在線數據顯示。

1）同一種水質（溫度略微變化）在線性25 ℃補償模式的電導率為0.237 μS/cm，標準補償模式的電導率為0.033 μS/cm，不補償電導率為0.539 μS/cm。由此可見，選擇合理的補償方式是呈現電導率檢測數據的關鍵。

2）梅特勒變送器具有以下補償類型：

（1）標準補償包括對非線性高純度效應和常規中性鹽雜質進行補償，并應符合ASTM標準D1125和D5391要求。

（2）Light84補償與T. Slight博士在1984年發表的關于高純水的研究結果一致，只有對此方法進行標準化之后才能使用。

（3）Std75 ℃補償是75 ℃下的標準補償算法。在較高溫度下測量超純水時，首選此補償方式（超純水的電阻率在75 ℃時是2.481 8 MΩ·cm）。

（4）線性25 ℃補償利用一個表示“%/℃”（偏離25 ℃）的系數來調節讀數，只有當溶液具有良好的線性溫度系數時才使用。出廠默認值為2.0%/℃。

（5）線性20 ℃補償利用一個表示“%/℃”（偏離20 ℃）的系數來調節讀數，只有當溶液具有良好的線性溫度系數時才使用。出廠默認值為2.0%/℃。

3）E+H變送器具有以下補償類型：

（1）線性溫度補償;

（2）NaCl補償;

（3）NaCl超純水補償（中性補償）;

（4）HCl超純水補償（酸性補償）。

儀表說明書顯示，梅特勒的標準補償適用于超純水18.20 MΩ·cm（25 ℃），制藥用水指標達不到超純水的指標，顯然選用標準補償模式是不正確的;E+H的線性溫度補償為25 ℃線性溫度補償模式。為了在不同廠家與不同應用環境下做出統一的補償，最好的方式為采用25 ℃線性溫度補償模式。

根據圖3，如果選擇線性25 ℃補償，不同儀器之間默認的補償系數不同，25 ℃線性補償就是將α作為一個固定值進行計算。梅特勒為α=2%/℃，E+H為α=2.1%/℃。α=2%/℃的斜率適用于天然水、飲用水、冷卻水等，不適用于制藥用水。因此，合理的補償系數成為電導率補償后數據真實性的關鍵。

4 補償系數的計算

在設備安裝好以后，工程公司或設備廠家很少會對設備的補償系數進行調整，一般為默認值，因此需要設備維護人員經過計算后進行調整，在不補償模式下，根據USP表對比不同溫度下的電導率[3]。

以下使用90 ℃補償到25 ℃時電導率為1.3 μS/cm的水，根據梅特勒電導率的溫度補償系數進行計算。

根據電導率補償計算公式K（T）=K（T0）[1+α（T-T0）]，令α=2%/℃，當K（T0）=1.3 μS/cm，T=90 ℃時，計算得出K（T）=2.99 μS/cm，而2.99 μS/cm@90 ℃的水超過USP表中的2.7 μS/cm@90 ℃。如果按照這個補償系數進行反推，補償后原2.99 μS/cm@90 ℃的水補償到25 ℃時是1.3 μS/cm，原不合格的水經過補償后就合格了，顯然在實際運行過程中選用2%的補償系數是不合適的，具體的補償系數需要根據具體的循環溫度進行相應調整。

例如，循環溫度為85 ℃，由于溫度波動一般在80～90 ℃，選擇90 ℃時套入公式K（T）=K（T0）[1+

α（T-T0）]，當K（T0）=1.3 μS/cm時，K（T）=2.7 μS/cm@

90 ℃。經過計算α=1.65%/℃。80 ℃時套入公式K（T）=

K（T0）[1+α（T-T0）]，當K（T0）=1.3 μS/cm時，K（T）=

2.7 μS/cm@80 ℃。經過計算α=1.96%/℃。因此，根據現場情況斜率應該在1.65%～1.96%進行選擇。

由圖4可知，針對不同的循環溫度應選擇其中最高的溫度來計算相關的斜率，例如最高溫度90 ℃在1.65%補償系數模式下，電導率都會在標準不補償的范圍之內，處于USP標準限值以內。但是如果選用80 ℃/1.96%的補償系數模式，90 ℃超標的水，經過補償后也會合格。所以，要在最高溫度下去計算并選取相應的補償溫度系數。

補償后使用人員制定設備和系統電導率的警戒限和行動限更加方便。但補償后的數據不是最真實的數據，目前注射水系統的電導率采用不補償的在線檢測已經成為趨勢。

5 解決方案建議

目前部分品牌的電導率監測設備，有的型號具備同時傳輸補償和不補償信號的功能，可以在水系統監控系統上同時接入兩個電導率信號，將補償后的數據進行歸檔，用于系統趨勢分析，根據趨勢分析做出報警限，此報警限范圍是一定在USP表限值以內的，這樣可以去除溫度影響做出合理的警戒限及行動限。如果需要最真實的報警限，也可以將USP表植入程序內部，做一個固定數據的補償，將USP表對應的溫度值減去設定固定補償值等于報警值，這樣報警范圍也在USP表限值以內。將不補償的信號作為顯示或生產數據，具體管理可由公司QA部門作出相應規定。同時接收兩組信號可以很好地避免電導率檢測時溫度波動的影響，并滿足未來的趨勢，顯示出最真實的電導率值。

6 結束語

制藥用水電導率檢測在實際生產中有著極其重要的作用，選擇合適的溫度補償方式與補償系數是企業生產過程中制定相應質量控制線的重要依據。設備維護人員可以根據產水與循環溫度對儀表初始補償系數進行調整，選用最高溫度的點作為補償系數的計算基準點。

[參考文獻]

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典[M].北京：中國醫藥科技出版社，2020.

[2] 張功臣.制藥用水[M].北京：化學工業出版社，2021.

[3] 高天兵，鄭強，曹軼，等.藥品GMP指南 廠房設施與設備[M].2版.北京：中國醫藥科技出版社，2023.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：羅建偉（1991—），男，四川眉山人，工程師，研究方向：設備維護。