I装备应用与研究◆zhuangbeiyingyong Yu Yanjiu 论制药行业纯化水制备系统的优化配置 李松庆 (上海信谊药厂有限公司,上海201206) 摘要:从制备纯化水的设备配置出发,通过对纯化水的水质质量、投资、运行及节能环保等几方面进行分析比较, 提出了制药行业较高性价比的纯化水制备系统的配置方案,以供同行参考。 关键词:纯化水;优化配置;制备系统;超滤;预处理;反渗透 0 引言 透装置的正常运行。 超滤装置系统的出水水质应达到以下标准:污染指 众所周知,在制药行业的硬件中,制药用水和通风 数SDI≤5,最佳在3以下;浊度<1 NTU,最佳在0.2NTU: 1 mg/L;总硬度<3 mg/L;总有机碳<10 mg/L。 是2个极其关键的系统环节,其应当建立确认的文件和 余氯<0.记录,并能以文件和记录证明达到设计确认、安装确 1.1.2一般流程 认、运行确认及性能确认的预定目标。 饮用水一饮用水储罐一饮用水泵一叠片过滤器一 GMP(2010年修订版)中在第5章(设备)第6节(制 超滤装置一超滤水储罐一加药装置。其过程主要由叠 药用水)章节中专门对制药用水做了规定,可见制药用 片过滤器和超滤装置组成。水的重要性。根据规范,制药用水分为3类,即饮用水、 纯化水和注射用水(灭菌注射用水),制药用水应当适 1.1_3叠片过滤器 叠片式过滤器的作用主要是过滤原水中50 m以 合其用途,并符合《中华人民共和国药典》的质量标准 上的大颗粒杂质,以防止砂等颗粒进入超滤膜组件,划 及相关要求。纯化水是这3类制药用水中使用最为广泛 伤超滤膜表面和造成超滤中空纤维毛细管堵塞。的一种制药用水,目前在制药行业的纯水制备系统中, 较多地使用“多介质预处理+二级反渗透装置(Reverse Osmosis,简称RO)+电除盐装置(Electrodeionization,简 1.1.4超滤装置 超滤装置利用聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚 砜等材料制成的中空纤维超滤膜的细微孔径来过滤、 称EDI)”的制备系统,而笔者通过研究比较,结合实际 去除和分离水中有效直径为0.001~0.1哪的颗粒和分 生产,更倾向于下文中的纯化水制备系统的配置方案。 子量在1 000 500 000范围内的杂质,可减少反渗透 膜的胶体污染和微生物污染,提高反渗透的进水水质, 1 纯化水制备系统的优化配置方案 使反渗透膜的单位面积渗透通量增大,从而提高反渗 透装置的回收率。 配置:超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置。 1.1.5其他装置 1.1超滤预处理装置 1.1.1 目的 在超滤装置后设有加药装置,主要投放碳酸氢钠、 氢氧化钠和阻垢剂,用于去除余氯等微量氧化物质、 超滤是以筛分为分离原理、以压力为推动力的膜 CO:,并防止结垢。 分离过程,过滤、去除和分离水中的直径0.001~0.1 Ixm 1.1.6清洗和再生 的颗粒和分子量在1 000 ̄500 000范围内的杂质,能去 叠片式过滤器内单个过滤单元进、出水压差上升 除细菌和大多数病毒、胶体、悬浮物、蛋白质、大分子有 到一定值时,利用超滤后的出水清洗1 min。超滤膜一 机物等,使出水达到反渗透装置的进水要求,保证反渗 般3个月清洗1次,每次清洗60 rain,3年更换1次。 10中国制药装备・2014年5月・第5辑 Zhuangbeiyingy。ng Yu Yanjiu◆装备应用与研究_ 1.2反渗透装置 1.2.1 目的 1.3电除盐装置 1.3.1 目的 采用膜分离手段去除水中的绝大部分无机盐类和 去除溶解在水中的微量元素、溶解气体和其他微 几乎全部的有机物、微生物,达到脱盐纯化目的。使反 弱电离的化合物,进一步提高水质,使出水水质满足制 渗透装置的出水达到电除盐装置的进水要求,不损坏 药行业纯化水要求。电除盐装置的出水水质可达到电 电除盐装置。 反渗透装置的出水水质应达到以下标准:电导 率<43 S/cm;污染指数SDI ̄<1;色度<5度;余氯< 0.05 mg/L ̄总硬度<l mg/L ̄总有机碳<0.5 mg/L。 1.2.2一般流程 超滤出水一一级高压泵_÷一级反渗透装置一反渗 透水储罐。其主要由一级反渗透装置组成。 1.2.3一级反渗透 1.2-3.1 原理 纯水与含盐水有一张只能透过水的半透膜隔开, 水会流入含盐水侧,含盐水侧高于纯水侧平衡时的压 差即为渗透压,如在含盐侧施加大于渗透压的压力使 含盐水中水流入纯水侧,即为反渗透。 1.2-3.2反渗透装置 反渗透装置内装有反渗透膜,利用高压泵的高渗 透压,预处理过后的清水经过半透膜(芳香聚酰胺反渗 透膜),可去除Ga2+,M[ ,Fe2-等无机盐、微粒及细菌、病 毒等有机物。一般情况下,一级反渗透装置的脱盐率可 在95%以上。 1.2.3.3反渗透装置的重要参数 脱盐率和回收率是反渗透装置的2个重要参数。 脱盐率=(进水含盐量一产水含盐量)/进水含盐 量X 100%。也可利用近似公式:脱盐率=(进水电导率一 产水电导率)/进水电导率X 100%。一般一级反渗透装 置的脱盐率在95%左右。 回收率=(产水流量/进水流量)×100%。一般一 级反渗透装置的回收率在70% ̄75%,二级反渗透装置 的回收率在80% ̄85%。 1.2.4清洗和再生 反渗透膜一般3个月清洗1次,用清洗液闭路循环 1~2 h。3年更换1次反渗透膜,最长不超过5年。 阻率>l6 Mn・cm的标准。 1.3.2一般流程 反渗透产水一电除盐泵一电除盐装置一纯化水储 罐。其主要由电除盐装置组成。 1.3.3 电除盐 1.3.3.1原理 利用混合离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子, 同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下,分别 透过阴阳离子交换膜而被去除。 1.3.3.2 电除盐装置 离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间形成纯 化室,用网状物将每个电除盐单元隔开,形成浓水室。 在纯化室的电势梯度高的特定区域,能够通过电化学 分解使水产生大量的晰ⅡOH一,离子交换树脂得到不断 再生,并释放出H%' ̄IOH一,置换出给水中的阴阳离子;在 直流电压的加载下,阴阳离子分别在电场作用下向正负 极迁移,阴离子通过阴离子膜,阳离子通过阳离子膜, 进入到浓水室,从而得到电阻率在16 MQ・cm以上的 纯化水。 1-3.3.3 电除盐装置的重要参数 . 回收率是电除盐装置的重要参数。回收率=[淡水 产水流量/(淡水产水流量+浓水排放流量+极水出口流 量)]×100%。一般电除盐装置的回收率在90% ̄95%。 1.3.4清洗和再生 当出水水质达不到要求时,根据电除盐装置的情况 进行清洗及消毒。清洗一般需8 h,清洗淡水室后需将 电除盐模块再生16 h,电除盐模块一般5年更换1次。 2 目前常用的纯化水制备系统配置方案 配置:预处理+二级反渗透装置+电除盐装置。 机电信息2014年第14期总第404期11 I装备应用与研究◆zhuangbeiyingYong Yu Yaniiu 2.1 多介质预处理装置 2.1.1 目的 2.1.7清洗和再生 一般情况下,机械过滤器、活性炭过滤器和软化过 通过过滤、吸附、交换等方法去除原水中可能会对 滤器均需每隔2天清洗和再生。机械过滤器及活性炭过 ain,软化过滤器再生流程约 反渗透膜产生污染的物质。如防止胶体物质、悬浮固体 滤器的清洗流程各约30 rrain。 微粒、有机物、微生物等对反渗透膜的污堵及氧化性物 为100 质对反渗透膜的氧化破坏,使出水能达到反渗透装置 石英砂全部的更换周期约2年,果壳活性炭全部的 的进水要求。 2.1.2一般流程 饮用水一饮用水储罐一饮用水泵一机械过滤器一 活性炭过滤器一软化过滤器一保安过滤器。其主要由 机械过滤器、活性炭过滤器、软化过滤器组成。 2.1-3机械过滤器 机械过滤器内装优质无烟煤和各种规格的优质石 英砂,可去除大部分水中的粉尘、铁锈、泥砂、颗粒等悬 浮物及部分胶体杂质。 2.1.4活性炭过滤器 活性炭过滤器内装优质果壳活性炭,可吸附水中的 色度、气味、易沉积的重金属离子、溶解性有机物及游 离氯、臭氧等氧化剂。特别是有机物会反污染渗透膜, 余氯会将反渗透膜分解,而目前大多用来作为原水的城 市自来水中会添加氯,其游离氯的标准在0-3~4 mg/L, 实际一般在1.2 mg/L左右,因此通过活性炭过滤器在 去除有机物的同时又去除余氯,能很好地保护反渗 透膜。 2.1.5软化过滤器 软化过滤器内装优质强酸型阳树脂,通过与原水中 的钙、镁等离子置换,去除钙、镁等离子,防止反渗透膜 结垢,降低水的硬度,软化还可去除铁和其他过渡金属。 另外,软化可以提高反渗透系统的出水率和反渗透装置 的进水pH值(一般反渗透出水会偏酸性),并可使后续 的反渗透装置和电除盐装置更有效地去除碳酸盐和硅。 2.1.6其他装置 其他装置,如保安过滤器,主要去除5 p,m以上的管 道杂质或破裂的活性炭颗粒,防止损伤反渗透膜和堵 塞反渗透膜。 12中国制药装备・2014年5月・第5辑 更换周期约为8个月,阳树脂全部的更换周期约为4年, 保安过滤器滤芯的更换周期不超过60天。 2.2反渗透装置 采用二级反渗透装置,基本同1.2所述,但有以下 说明。 2.2.1一般流程 预处理的清水一一级高压泵一一级反渗透装置一 中间储罐一中间水泵一加氢氧化钠装置一二级高压 泵一二级反渗透装置一反渗透水储罐。其主要有一级 或二级反渗透装置组成。 2.2.2特点 一般一级反渗透装置的脱盐率可在95%以上,而 二级反渗透装置可进一步去除水中的盐分,使水质进 一步提高。二级反渗透装置的脱盐率因一级反渗透装 置已脱去大部分盐,实际脱盐率一般在70%左右,甚至 当一级反渗透装置脱除效果好的情况下,二级反渗透 的脱盐率低至50%以下,经过二级反渗透装置后,反渗 透水的电导率完全可以达到1~2 p,S/cm,已经符合 2010版《中国药典》中的纯化水质量标准。 2.2.3指标 一般一级反渗透装置的回收率在70% ̄75%,二级 反渗透装置的回收率在80% ̄85%。 2.2.4其他装置 其他装置,如加碱装置,在二级反渗透装置前投加 氢氧化钠将游离的CO 转化成碳酸氢根盐,通过反渗透 装置去除碳酸氢根盐,以此来去除水中的CO:,且调节 fpH值。 2.3电除盐装置 电除盐装置同1_3节,这里不再赘述。 ZhuangbeiyingYong Yu Yanjiu◆装备应用与研究_ 3 2种纯化水制备系统配置的比较 3.1.2一级和二级反渗透装置出水水质的比较 以笔者公司在上海2个区的2套二级反渗透出水水 3,1 处理效果的比较 质为例进行比较,结果如表1、表2所示。 3.1.1超滤预处理与多介质过滤器 表1装置1二级反渗透出水水质 预处理装置的比较 3.1.1.1优点[11 (1)超滤能阻挡所有不溶物,超 滤出水的SDI一般在0.2~1,浊度在 0.1 NTU以下,远比多介质过滤器的 出水SDI为4、浊度在0.2~1 NTU要 好,能很好地阻挡胶体,大大降低胶 体对反渗透膜的污染,使反渗透膜的 清洗周期大大延长,并可使反渗透 膜的通水量增加约10% ̄20%; (2)超滤对有机物的截留效果显 著,可以有效地减少反渗透膜的有机 污染; 合理选择型号,功能模块应、密闭以及相互连 (3)超滤出水水质更稳定,不受原水水质变化的影 通,以便建成功能齐全、通用、灵活的多功能原料药车间。 响,不会产生过滤残渣或絮凝污泥等; 由上述2张表比较可知,一级反渗透装置的脱盐 (4)超滤装置系统比多介质过滤器操作简单稳定, 效果很好,大部分杂质在一级反渗透装置中脱除,一级 占地面积小。 反渗透的水质已可以作为电除盐装置的进水,而二级 3.1.1.2缺点 反渗透装置的脱除效果显然没有一级反渗透装置好, (1)一些溶解在水中的有机物可以通过超滤膜对 无非就是进一步去除盐分,为电除盐装置的进水水质 反渗透膜产生污染; 创造更好的条件。 (2)余氯等氧化剂较难去除; 3.1.3 对电除盐装置出水水质的影响 (3)为了提高超滤的产水水质,会加入絮凝剂,部 (1)进水电导率是电除盐装置的重要进水指标,产 分絮凝剂不能充分反应,会通过超滤膜对反渗透膜产 水电阻率与进水电导率的关系如图1所示,在进水电导 生污染。 率小于10 ixS/cm时,不同操作电流下的产水电阻率均 3.1.1-3解决办法 达到17 MIZ・cm以上,当进水电导率大于10 la,S/cm时, (1)加入碳酸氢钠等还原剂,去除氧化物; 在同一操作电流下,产水电阻率随着电导率上升而下降, (2)严格控制絮凝剂、氧化剂的加入剂量; 但可以通过加大操作电流使产水电阻率上升E 。实验证 (3)加入适量的阻垢剂。 明,在进水电导率升高幅度及持续时间有限的情况下, 3.1.1.4 比较 不会损伤电除盐装置模块,从上文可看到,一级反渗透 通过比较,可看出经过超滤装置及相应的加药装 装置的出水电导率稳定在10 ̄S/cm以下,经过电除盐装 置,其出水污染指数、浊度、总硬度、总有机碳和余氯等 置处理,可得到超过17 MQ・cm的产水,即便一级反渗透 可满足反渗透装置的进水要求。 装置的出水电导率偶尔超过10I ̄S/cm,也不会使EDI模块 机电信息2014年第l4期总第404期13 鱼 里 加 zhuangbe ngyong yu Yanjiu Ⅲ3.g \糌西.申* m 8 6 4 2 O 6 4 2 O 8 6 4 2 O 受到伤害。因此,一级反渗透装置完全能满足电除盐 表3 2010版《中国药典》纯化水质量标准[41 的进水要求。 g 0 ● c= \ 槲 岛 脚 * {L 进水电导率l(p,Slcm) 图1 产水电阻率与进水电导率的关系曲线嘲 (2)进水游离CO:<9 mg/L时,产水电阻率与进水 游离cO2浓度的关系如图2所示,水解离产生的OH-可将 游离转化为HCO 或CO,},并通过EDI模块去除,EDI 的出水电阻率可达l4 MQ・cm以上[3]。 进水游离CO2浓度/(rag/L) 图2产水电阻率与进水游离CO 浓度的关系曲线【3I (3)进水TOC<0.5 mg/L、可溶性硅<0.6 mg/L、总 硬度<0.9 mg/L时,EDI出水电阻率可达15 MQ・cm 以上[3]o 通常情况下,经过前期的超滤和一级反渗透装置, 可使电除盐装置的进水电导率<10 v,S/cm、TOC< 0.5 mg/L、可溶性硅<0.2 m#L、总硬度<0.2 m#L、游 离CO <5 mg/L,同时污染指数、色度和余氯等也满足 电除盐装置的进水要求。经电除盐装置处理的出水可 完全满足2010版《中国药典》纯化水质量标准(表3)。 当然,如果经过二级反渗透装置,电除盐装置的进 水水质会更好,对电除盐装置的处理压力也会更小,对 电除盐装置的模块也相对能加以保护,但为什么会选 14中国制药装备・2014年5月・第5辑 酸碱度 符合规定 盐 <O.000 OO6% 亚盐 <0.000 002% 氨 <O.000 03% 电导率 符合规定,不同温度有不同的规定值,例如 1O℃时≤3.6 i. ̄S/cm:20℃时≤4.3 la,S/cm; 25℃时<5.1 ̄S/cm 总有机碳 O.50 mg/L 易氧化物 符合规定 不挥发物 1 mg/lO0mL 重金属 <0.000 0l% 细菌内毒素 微生物限度 100个/mE 一级反渗透装置而不选二级反渗透装置呢,这可以通 过投资与运行费用的比较得出结论。 3.2 投资与运行费用比较(以10 t/h出水为例) 以上海自来水作为原水,符合《生活饮用水卫生标 准》(GB5749--2006)。水质检测结果:色度<5度;浊 度<0.5 NTU;铁=0.025 3 mg/L ̄铜<O.009 mg/L;总硬 度=126 mg/L;溶解性总固体=198 mg/L;氯化物= 27.6 mg/L;COD=0.78 mg/L;pH=7.37。 3.2.1 投资比较 “超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置”的投 资在100万元左右(根据反渗透膜、EDI模块、自控、泵等 品脾配置不同价格有所不同),“多介质预处理+二级反 渗透装置+电除盐装置”的投资在1 15万元左右。在同等 品牌配置下,“超滤预处理十一级反渗透装置+电除盐装 置”的纯化水处理系统节约15万元左右。 3.2.2 运行费用比较 以每年生产300天,每天2班,每班6 h,每小时出水 10 t计。运行费用比较如表4所示。 由表4可知,l套生产10 t/h纯化水的“超滤预处理十 一级反渗透装置+电除盐装置”系统运行费用比“多介 质预处理+二级反渗透装置+电除盐装置”系统要节约 105 640元/年。 Zhuangbeiyingyong Yu Yan ◆装备应用与研究- 表4运行费用比较表 3.3 “超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置” 4 结语 的优点 (1)出水量高,比采用二级反渗透有更高的水的回 随着科学技术的飞速发展,所有事物都在变化中 收率,可节约10%的原水,减少水资源浪费,保护了水 前进,如纯化水的制备,从以前的“传统预处理+电渗析 资源。 +离子交换”发展到现在的“超滤预处理+反渗透+电除 (2)反渗透装置的高压泵用电量大,采用一级反渗 盐”,没有了酸碱的污染,保护了环境。目前,超滤作为 透装置每年可节约3.96 kW・h的电,折合为11.88 t标 反渗透装置的预处理在制药行业中运用不多,但10多 煤,节约了能源,达到节能减排的目的。 年前渗透和电除盐也经历了从疑问、尝试到推广的过 (3)由于二级反渗透的回收率一般在80% ̄85%, 程,到现在已普遍使用。 所以前期预处理的设计能力要相应增大,再加上二级 目前,制药企业大部分已使用城市自来水作为原 反渗透本身,采用一级反渗透装置的总投资可节约15%。 水来制备纯化水,原水的水质起点较高,虽然自来水含 (4)本装置系统的超滤技术通过近年来的发展使 盐量会波动,但完全符合国家饮用水标准,故采用“一 用,已比较成熟,是一种比较先进的技术,并且已在各 级反渗透+电除盐”的纯化水系统即可。另外,由于一级 行各业得到广泛的应用。 反渗透脱盐率极高,二级反渗透脱盐效率远远小于一 (5)超滤工艺对不同水质的适应性较强,采用超滤 级反渗透,其效果并不理想,相反通过电除盐装置,能 膜作为反渗透预处理,其出水浊度非常低,并且由于能 得到非常优良的纯化水水质,故完全不必配置二级反 有效地去除各类有机、无机胶体和微生物,可保护反 渗透。一般情况下,如是固剂生产企业,建议使用 渗透膜,延长反渗透膜的寿命及清洗周期,更能提高反 一级反渗透,因有后续电除盐装置,完全能保证纯化水 渗透脱盐率和回收率。 的水质,没必要再加配二级反渗透;如是针剂生产企 (6)采用“超滤预处理+一级反渗透装置”的占地面 业,则可视实际情况决定是否需要二级反渗透。笔者参 积远远小于“多介质预处理+二级反渗透装置+电除盐 观了几家针剂生产企业的新纯水制各系统,目前也已 装置”系统的占地面积。 经使用“一级反渗透+电除盐”,其实配置二级反渗透更 机电信息2014年第l4期总第404期15 I装备应用与研究◆zhuangbeiyingYong Yu Yanjiu 多的是保护电除盐装置,保证电除盐装置的进水水质。 滤膜产品技术手册[z] 在设备需要更新时,对于设备的配置除了从实际、 投资、运行等方面进行考虑,更要提高到节能环保的高 度上进行综合考虑,这样才能与时俱进,不但为企业创 [3]董翠玲,刘红斌,靖大为.进水水质对EDI产水电阻率 的影响分析[J].净水技术,2009(2) [4]国家药典委员会.中华人民共和国药典[s].北京:中 造价值,更重要的是为社会创造价值。 国医药科技出版社,2010 [参考文献] [13张赞红.超滤作为反渗透预处理的探讨[J].净水技 收稿日期:2014—04-15 术,2003(4) 作者简介:李松庆(197O一),男,福建永定人,工程师,从事 E2]日本日东电工集团/美国海德能公司.反渗透膜和纳 制药工程项目与设备管理工作。 (上接第3页) 7 结语 [参考文献] [1]邓萍,梁毅.新版GMP要求下的文件管理解析[J].机电 文件管理是生产过程规范化管理的前提,是保证 信息,2011(26) 药品质量安全有效的重要手段,是一项长期繁重细致 [2]王丽丽.GMP文件管理及编制要求叨.化工管理,2013(1 o) 的工作。在实际工作中,药品生产过程、药品质量通过 [3]管嫒媛,梁毅.制药企业GMP文件管理中的几点问题D]. 文件管理来体现,这标志着药品生产企业的管理水平, 医药工程设计,2007(4) 体现了GMP的执行情况。因此,企业在改进硬件条件的 同时,更应注重提高文件管理的水平,以便生产出符合 收稿日期:2014—04—16 注册工艺和预定用途的合格药品,保障人民用药安全 作者简介:杨明臣(1964一),男,河南安阳人,经济师,研究 方向:GMP人员培训与文件管理。 有效,这就要求在执行GMP的工作中应保证文件的有 尚海宾(1976一),男,河南安阳人,药物制剂师,研究方向: 效实施。 GMP确认与验证。 (上接第6页) 生产环境,最大限度地防止周围环境污染药品。 [参考文献] [1]寸泽圣.浅谈如何在我国制药企业开展QAI作[J].医 4 结语 药工程设计,2004(4) [2]黄文奕.质量管理的QA负责制——保证GMP管理的全 GMP赋予药品质量以新的概念,药品不仅要符合 面贯彻[J].苏州丝绸工学院学报,1990(6) 质量标准,从厂房的设计开始,到药品生产的全过程必 [3]国家食品药品监督管理局药品认证管理中心.药品生 须符合GMP,只有同时符合这2个条件的药品方可作为 产质量管理规范[s].中国医药科技出版社,2010 [4]国家食品药品监督管理局药品认证管理中心.药品 合格、优质的药品。因此,原料药生产的工艺管理就是 GMP实施与认证[M].中国医药科技出版社,2011 要切切实实做好生产过程的管理与控制,在生产的过程 中对一切可能影响药品质量的因素进行控制,体现了 收稿日期:2014—03—12 “预防控制为主”的质量保证观念。总而言之,实施GMP 作者简介:王惠萍(1980一),女,江苏南京人,助理工程师, 的宗旨就是最大限度地防止污染、混淆和人为差错。 研究方向:制药管理。 16中国制药装备・2014年5月・第5辑