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如將美國藥典中純化水與注射用水的水質標準作一比較,就可看出二者的主要區別。它們的理化指標相同,但注射用水對熱原及微生物的要求高于純化水。表1.1列出了美國藥典中純化水和注射用水熱原和微生物的區別。

表1.1    美國藥典中純化水與注射用水熱原和微生物的區別

種  類
項  目
純化水 注射用水
微生物 <100CFU/mL 10CFU/100mL
熱原 不指定 <0.25EU/mL
生產方法 蒸餾
離子交換
反滲透
其他適當的方法
蒸餾
反滲透
純化水與注射用水二者的區別還在于制水工藝,純化水的制備工藝可以有各種選擇,但各國藥典對注射用水的制備工藝均有限定條件,如美國藥典明確規定注射用水的制備工藝只能是蒸餾及反滲透,中國藥典則規定注射用水的生產工藝必須是蒸餾。這些是各國根據本國的實際情況用以保證注射用水質量的必要條件。
制藥用水制備方法選定原則
制藥用水系統除控制化學指標及微粒污染外,必須有效地處理和控制微生物及細菌內毒素的污染。純化水系統可采用反滲透,而注射用水系統則更多地使用蒸餾法,蒸餾水機往往是純化水系統分配循環回路(用水回路)中的主要用水點。
從制藥用水源水的選擇上,美國藥典有較大的靈活性,按其規定,注射用水可以由飲用水經蒸餾或反滲透制得,并不要求企業必須用純化水為源水來制備注射用水。當然美國的飲用水標準與中國的并不相同。專家們認為,美國藥典的這種靈活性賦予了“條款”廣泛的適用性,從其對制藥用水系統的論述看,它對水質的控制絕不局限于以往的項目及指標上,而且延伸到了系統的設計、建造、驗證及運行監控等各個方面。
國內注射用水均采用蒸餾法,這當然與國內反滲透器的質量現狀有關。應當指出,不同的蒸餾水機對源水要求不同,不同型號的蒸餾水機,由于性能上的差異,它們可以分別以純化水、去離子水、深度軟水為源水,制備得到符合標準的注射用水。另一方面,以符合飲用水標準的水為源水來制備純化水,或以符合標準的純化水來制備注射用水,并不一定能保證出水達到規定的標準,這與所選用設備的性能相關。還應當指出,源水的水質必須監控,取水點應盡可能避開污染源。
制藥用水的生產采用連續的處理步驟,每一步均有其特殊的水質控制要求,它必須達到設定的處理能力,此外,它還應能保護其后道步驟的有效運行。
美國藥典將注射用水的最后一道工序只局限于反滲透和蒸餾。蒸餾法歷史悠久,結果可靠。其他技術,如超濾技術,雖然有可能用于注射用水的生產,但尚未廣泛應用,目前在中國藥典及國外藥典中均沒有作為注射用水的成熟工藝正式收載。從微??刂频慕嵌瓤?,反滲透、超濾及蒸餾可以認為是制水工藝的適當選擇表1.2所列數據表明了雜質顆粒大小與水處理的關系。
表1.2     雜質顆粒大小與水處理方法的關系

粒徑/mm 10-7   10-6   10-5   10-4   10-3  10-2  10-1  1  10
分類 溶解物 膠體 懸浮物
水處理方法 蒸餾 超過濾 精密過濾 自然沉降過濾
  離子交換 混凝、澄清、過濾
  電滲析  
  反滲透  
制藥用水的貯存
一、    貯罐及其選用
制藥用水系統中,純化水的貯存和注射用水的貯存具有相似的要求和微生物控制標準。貯罐設計的理念極其相似,在制藥用水貯罐設計的標準中,影響確定貯罐的類型和容量以及微生物控制方法和主要因素是用戶的水質要求和用水量負荷高峰與低谷的分布情況,貯罐需要的數量、使用周期和時間。貯罐的設計是為了確保預處理和最終處理水供應之間的平衡,以及系統是否需要再循環。仔細考慮這些因
表2.1  工藝用水系統中設置貯罐與否的比較

貯 罐 系 統
優  點 缺  點
①    提供空氣隔離,以最大限度地減少熱注射用水源的后續污染;
②    通過讓熱的注射用水進水流均勻流入貯罐,最大限度地減少注射用水冷卻器的容量;
③    可滿足理想的注射用水高峰用量,以適應生產方案需要;
④    系統壓力通過正壓點日常排泄或熱水消毒而釋放;
⑤    與無水箱系統相比,操作條件更易維持,潛在問題也更易控制;
⑥    通過分散閥門和噴球之間的壓力降來清除用水點壓力控制閥的氣蝕
①    貯藏、過濾器等的資金投入增加;
 
 
②    與無貯罐系統比較,所涉及到的消毒蒸汽量更多;
 
 
③    如果系統每天排水,注射用水潛在的損耗會比無貯罐環路系統更大
無 貯 罐 系 統
①    資金投入較少(無貯罐、無過濾器);
 
 
②    因是“完全焊接管”系統,殺菌效果更好的感覺增加;
 
 
③    如果系統每天排放,注射用水潛在的損失會比貯罐系統更少
 
 
①    可能會因無注射用水貯罐而不能滿足常溫系統的峰值要求;
②    在熱水狀態時注射用水會熱膨脹,除了在沖洗-排泄時以外,任何地方都得不到消毒緩解;
③    隔離空氣比貯存水箱系統更困難;
 
④    與貯罐系統相比,壓力更難管理和控制
素,確定恰當的設計標準,對制藥用水系統的建造成本以及系統的成功使用都會有明顯影響,而制藥用水系統的所謂成功,就是能夠以一個較小的處理系統來滿足工藝用水的高峰要求,并且使用水量調控方便,容易保持工藝要求的用水水質標準。
從滿足生產要求看,貯罐應有足夠大的容量。然而大的貯罐,其內表面積大、水流動速度低,容易長菌。此外,在用水量不同時,貯罐需要以通氣(充氮或以空氣作動力學的補償)來保持適當的壓力平衡。貯罐頂部通氣區域存在低溫點是水系統污染的風險因素,應予以高度重視。
制藥用水貯罐容量的大小,應以滿足不同產品生產時用水高峰期的需要為原則,即不同產品生產的任何用水高峰時,貯罐內的水位均不得低于輸送泵所要求的水位(通常為1.2m左右)。否則水泵空轉,一則造成機械故障甚至泵的損壞,二則使生產供水中斷或達不到規定需要量而影響生產。此外,貯罐的容量還應保證有足夠量的儲備水,以便在進行維修和出現某一故障時,能有序的將系統關閉。
制藥用水貯罐的容積,應該根據各工藝用水點的用水量之和以及循環管道流水量的變化參數來確定,但這些資料在實際生產中很難準確獲得。因此,通??捎靡韵陆涷灩浇频毓浪阗A罐容積大小。
循環水系統貯罐的容積:
                   V=Qt
式中V——貯罐的容積,m3;
    Q——連續生產,一天中每小時的最大平均用水量,m3/h;
t——貯罐每天最大連續出水的持續時間,h。
當難以收集上述數據時,可根據每個產品生產周期中工藝用水量的百分數(經驗值)來確定,例如,對每天工藝用水量不大的生產線用貯罐,其容積可取工藝用水量的50%~100%;對每天工藝用水量較大的生產線貯罐,則可取25%~30%。
在制藥用水系統中廣泛采用的貯罐可分為立式貯罐與臥式貯罐兩種類型。按照貯罐能否進行在線滅菌來分,又可將貯罐分為受壓貯罐(壓力容器)和常壓貯罐(非壓力容器)。
在大多數情況下,當貯罐的容積不十分大時,采用立式貯罐是比較合理的,因為這種情況下,貯罐容積的利用率較高,比較容易滿足輸送泵對水位的要求。
在國外,不僅注射用水系統設置在線滅菌,不少純化水系統也設置了在線滅菌設備,為確保對系統的安全運行創造必要的條件。當制藥用水系統擬采用純蒸汽滅菌作在線滅菌時,必須使用耐壓的貯罐。在此情況下,貯罐應安裝安全閥。
為滿足產品的特殊需要,貯罐可以設置高純氮充氮保護功能,充氮量可自動調節,氮氣不斷充入,使貯罐內部始終略為保持正壓。當用水量大時,充氮量加大;用水量小時,充氮減少。貯罐還應有防止蒸汽在系統中過濾器積存冷凝水后長菌的措施,應對過濾器定期進行檢查。
常見的管道配件敘述如下:
(1)   進水管
在純化水或蒸餾水入貯罐的進水管道上應安裝適當的閥門,以便必要時隔離進水管路。進水管路至罐體邊緣應留150~200mm距離,以方便安裝和拆卸。貯罐進水管的管徑按照輸送水泵的流量或工藝用水的最大設計秒流量計算。
(2)   出水管
    制藥用水系統由于水質優良,不必擔心管道堵塞。出水管的安裝應當考慮到必要時將貯罐內的水全部排空的要求,因此通常設置在貯罐的底部。出水管的管徑按照工藝用水的最大設計秒流量計算。
(3)   溢流管
純化水貯罐上可設置溢流水管(注射用水貯罐一般不設溢流管),用于控制貯罐內部的最高水位。溢流管口底應在允許最高水位以上20mm,溢流管徑應比進水管大一些。為了保護貯罐內貯水不會受到污染,溢流管不得直接與排水系統相通,其間要有衛生型水封,溢流管上不允許安裝閥門。
新型的純化水系統,因設有在線滅菌系統而不設溢流管。當貯罐內水位達到高水位時,純化水停止生產,自動轉入內循環程序;一旦水位下降時,純化水系統又轉入正常運行。
(4)   水位指示裝置
    制藥用水貯罐目前有兩類水位指示裝置:一類為可視液位計,例如玻璃管水位計,使用這類水位計的問題是存在污染的風險,因為玻璃管水位計中的水在一定程度上說是死水,容易長菌,也不便清潔和消毒;另一類為電信號水位控制裝置,對于為避免微生物污染經常需要采用密閉貯罐的制藥用水系統來說,這類水位控制裝置的使用越來越多。
(5)   排水管
    為了放空貯罐和排出在線清洗(CIP)時使用的清洗液,貯罐需要設置排水管。排水管口可由貯罐底部接出,排水管道上應安裝閥門,用于隔離貯罐內外。排水管徑一般在40~50mm左右。
(6)呼吸過濾器
   工藝用水過程中,為避免因貯罐內部水位變化而造成的水體污染。在貯罐的頂部需安裝孔徑為0.22цm的除菌級疏水性過濾器。
(7)噴淋裝置
    為滿足定期清潔的要求,貯罐頂部需設置噴淋裝置(噴淋球或噴淋管),以便必要時進行在線清潔。
對于采用再循環的工藝用水系統,貯罐的設計應包括在其內部頂上設置的在線清洗用的噴淋球(立式貯罐)和橫向噴淋管(臥式貯罐),以確保貯罐所有的內表面隨時處于濕潤狀態,用以控制工藝用水系統中的微生物。為了提高清洗質量,通常臥式貯罐使用的噴淋管,在噴淋管的各個方向上設置有特殊的萬向噴嘴。
注射用水的貯罐,應根據注射用的貯存方式,如保溫貯存或常溫貯存,決定是否給貯罐設計保溫夾套或設排風扇。對需加熱貯存的工藝用水貯罐,一般設夾套,夾套接鍋爐蒸汽,以保持水溫;有時需另設熱交換器,降低貯罐中水的溫度,以防止水溫過高,影響輸送泵的正常運行。
為了避免貯罐內吸入的二氧化碳對水的電導率產生不良影響,可以采用充氮保護的方法。在用水高峰時,經過無菌過濾氮氣的送氣量自動加大,始終保證貯罐內部維持正壓;在用水量小時,送氣量自動減少,但仍對貯罐外維持一個微小的正壓。這樣做的好處是防止水中氧含量的升高、二氧化碳進入貯罐并能防止微生物污染。
由于貯罐有放空管對水位的變化作動力學的補償,因而在貯罐罐頂上方應配以疏水性的除菌級呼吸過濾器,以減少進出水時可能造成的外部空氣中微生物和固體粒子進入貯罐后污染貯水。另一個防止貯罐內部水被空氣污染的辦法是采用氣體排氣自動控制系統,將經除菌過濾的空氣不斷地輸入貯罐中,其工作原理與充氮保護相同。
工藝用水系統中單個貯罐的最大體積往往受廠房設施中有效空間的限制。有時不得不采用多個貯罐以獲得所需的貯水容量。在這種情況下,貯罐與貯罐之間連接管道必須進行精心設計、精心施工,注意避免貯罐之間連接管道上可能出現的死水管或盲管。應特別注意采取預防措施,確保有足夠的水流流過所有的供水點和回水管道,滿足工藝用水系統對微生物控制的特殊要求。
按照藥品生產質量管理規范(GMP)的要求,貯罐應盡可能設置在接近用水點的位置,貯罐設置的位置應同時考慮投資及運行成本。理想的方案是將貯罐設置在既靠近制水設備,又靠近用水點的位置,還應注意方便操作,便于維修的實際需要。
對于貯罐的選用,在大多數情況下采用立式貯罐是比較合理的,因為立式貯罐可滿足罐內水位不會降到系統輸送泵的凈正吸水壓頭(泵的這個吸水壓頭通常為1.2m以下)所要求的水位之下,所需要的貯水容積相對來說較小,也即貯罐容積的利用率較高。但如果貯水系統所在的房間高度不高,罐頂所處的空間有限,則應選擇臥式貯罐。
當工藝用水系統滅菌采用壓力純蒸汽時,需要采用耐壓貯罐。這樣,可以使貯罐在較高的壓力和溫度下正常工作。不過,由于貯罐按照壓力容器的要求制造,作為壓力容器應安裝安全閥。
采用耐壓貯罐的缺點是費用較高。而當工藝用水系統使用常壓的熱水或流通蒸汽,或者是其他化學方法滅菌時,可以采用常壓貯罐。一般情況下,貯罐設有液位控制器,以保證有足夠的水在使用回路中保持循環。貯罐還應設有純蒸汽滅菌裝置,必要時可對整個工藝用水系統滅菌。在特殊的情況下,貯罐可以設置高純氮充氮保護功能。
二、     貯罐的材料及制造要求
與制藥用水接觸的貯罐罐體材料應采用耐腐蝕、無污染、無毒、無味、易清洗、耐高溫的材料制造。通常,工藝用水貯罐采用316L不銹鋼材料制造,而不直接與工藝用水接觸的部品、零件則可以使用304L或1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料制造。
貯罐的罐蓋、人孔和罐底閥門等零部件的設計應方便拆卸、方便清洗。貯罐上凡是可拆卸的零部件都應設計為衛生連接的方式,以便于防止污染即可拆卸部位應不易貯存和滯留液體,不易造成死水段,以致使微生物容易滋生和繁殖。
罐體結構件不得有裂紋、開焊和變形,罐內表面和可拆卸的零部件的表面不得有毛刺、刻痕、尖銳突角等影響表面光滑的缺陷,應避免死角、沙眼??刹鹦读悴考c罐體之間的密封材料應無毒、無析出物、耐高溫、壽命長、絕無脫落物,各種物理化學性能指標符合注射級(注射用水)或衛生級(純化水)工藝用水的質量要求。貯罐的內部表面應使用機械拋光或機械拋光加電拋光,以致貯罐的內表面光潔度達到Ra=0.6μm的標準,罐體外部的表面也應拋光處理。
若貯罐是為熱貯存方式的工藝用水系統設置,則罐體可設置一層或兩層保溫絕緣材料:一層為礦棉(非石棉制品),另一層為現場成型聚酯材料。保溫層的最外一層最好再使用0.5mm左右厚的材質(如304或304L的拋光不銹鋼薄板)完全密封包住,所有的連接縫處均應用硅膠密封,以防潮濕空氣進入。保溫后的貯罐表面必須光潔、平整,不會有顆粒性物質脫落。對制藥用貯罐的保溫,不允許使用石棉、水泥抹面,要求至少應使用鋁合金一類的金屬薄板包裹貯罐的保溫層,不允許有保溫材料脫弱物暴露在貯罐外部。
制藥用水系統的消毒和滅菌
一、    巴斯德消毒
巴斯德滅菌(Pasteurization)是法國科學家巴斯德發明的滅菌法,因其對象主要是病源微生物及其他生長態菌,故又稱巴氏消毒。巴氏消毒系指將飲料或其他食物(如牛奶或啤酒)加熱到一定溫度并持續一段時間,以殺死可能導致疾病、變質或不需要的發酵微生物的過程。它也可指射線殺菌法破壞某種食品(如魚或蚌肉)內的大部分微生物以防止其變質的過程。對制藥用水系統而言,巴氏消毒常指低溫滅菌。
經典的巴氏消毒主要使用在食品工業中對牛奶進行消毒處理,在殺滅牛奶中的結核菌的同時,保留了牛奶中對人體生長所需的維生素的蛋白質,使牛奶成為安全的營養品,將牛奶進行巴氏消毒的程序與一般無菌產品的滅菌程序相仿,所不同的是溫度較低,時間較長,通常先將牛奶加熱到80℃,停留一定時間,進行消毒,完成消毒后,將其冷卻至常溫即成為消毒牛奶。所采用的設備為多效巴氏消毒器,以節約能源。在多效消毒器中,第一效是用已消毒好的熱牛奶對待消毒的冷牛奶通過熱交換器進行預熱;第二效是將已預熱待消毒的牛奶加熱至80℃并停留一段時間,完成對牛奶的消毒;第三效是用水將一效已回收能量的消毒牛奶進一步冷卻至常溫,然后出消毒器。
巴斯德消毒的另一個經常采用的重點部位是使用回路,即用
80℃以上的熱水循環1-2h,這種方法行之有效。采用這一消毒手段的純化水系統,其微生物污染水平通常能有效地控制在低于50CFU/ml的水平。由于巴氏消毒能有效地控制系統的內源性微生物污染。一個前處理能力較好的水系統,細菌內毒素則可控制在5EU/ml的水平。
二、    臭氧消毒
   在水處理系統中,水箱、交換柱以及各種過濾器、膜和管道,均會不斷的滋生和繁殖細菌。消毒殺菌的方法雖然都提供了除去細菌和微生物的能力,但這些方法中沒有哪一種能夠在多級水處理系統中除去全部細菌及水溶性的有機污染。目前在高純水系統中能連續去除細菌和病毒的最好方法是用臭氧。
   1905年起,臭氧就開始用于水處理。它較用氯處理水優越,能除去水中的鹵化物。此方法在國內水系統中的應用僅處于起步階段。在國外,這種消毒方式已非常普遍,這是由于臭氧不會產生有害的殘留物。
使用臭氧消毒并在用水點前安裝紫外燈減少臭氧殘留,是制藥用水系統、尤其是純化水系統消毒的常用方法之一。
(1)化學性質及功效
臭氧(O3)是氧的同素異形體,它是一種具有特殊氣味的淡藍色氣體。分子結構呈三角形,鍵角為116°,其密度是氧氣的1.5倍,在水中的溶解度是氧氣的10倍。臭氧是一種強氧化劑,它在水中的氧化還原電位為2.07V,僅次于氟(2.5V),其氧化能力高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V),能破壞分解細菌的細胞壁,很快地擴散透進細胞內,氧化分解細菌內部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶等,也可以直接與細菌、病毒發生作用,破壞細胞、核糖核酸(RNA),分解脫氧核糖核酸(DNA)、RNA、蛋白質、脂質類和多糖等大分子聚合物,使細菌的代謝和繁殖過程遭到破壞。細菌被臭氧殺死是由細胞膜的斷裂所致,這一過程被稱為細胞消散,是由于細胞質在水中被粉碎引起的,在消散的條件下細胞不可能再生。應當指出,與次氯酸類消毒劑不同,臭氧的殺菌能力不受PH值變化和氨的影響,其殺菌能力比氯大600-3000倍,它的滅菌、消毒作用幾乎是瞬時發生的,在水中臭氧濃度0.3-2mg/L時,0.5-1min內就可以致死細菌。達到相同滅菌效果(如使大腸桿菌殺滅率達99%)所需臭氧水藥劑量僅是氯的0.0048%。
臭氧對酵母和寄生生物等也有活性,例如可以用它去除以下類型的微生物和病毒。
①病毒  已經證明臭氧對病毒具有非常強的殺滅性,例如Poloi病毒在臭氧濃度為0.05-0.45mg/L時,2min就會失去活性。
②孢囊  在臭氧濃度為0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。
③孢子  由于孢衣的保護,它比生長態菌的抗臭氧能力高出10-15倍。
④真菌  白色念珠菌(candida albicans)和青霉屬菌(penicillium)能被殺滅。
⑤寄生生物  曼森氏血吸蟲(schistosoma  mansoni)在3min后被殺滅。
此外,臭氧還可以氧化、分解水中的污染物,在水處理中對除嗅味、脫色、殺菌、去除酚、氰、鐵、錳和降低COD、BOD等都具有顯著的效果。
應當注意,雖然臭氧是強氧化劑,但其氧化能力是有選擇性的,像乙醇這種易被氧化的物質卻不容易和臭氧作用。
(2)臭氧的發生及常用濃度
臭氧的半衰期僅為30-60min。由于它不穩定、易分解,無法作為一般的產品貯存,因此需在現場制造。用空氣制成臭氧的濃度一般為10-20mg/L,用氧氣制成臭氧的濃度為20-40mg/L。含有1%-4%(質量比)臭氧的空氣可用于水的消毒處理。
產生臭氧的方法是用干燥空氣或干燥氧氣作原料,通過放電法制得。另一個生產的臭氧的方法是電解法,將水電解變成氧元素,然后使其中的自由氧變成臭氧。
使用電解系統生產臭氧的主要優點是:
①   沒有離子污染;
②   待消毒處理的水是用來產生臭氧的原料,因此沒有來自系統外部的其他污染;
③   臭氧在處理過程中一生成就被溶解,即可以用較少的設備進行臭氧處理。
若在加壓條件下,可生產出較高濃度的臭氧。
(3)殘留臭氧去除法
經臭氧消毒處理過的水在投入藥品生產前,應當將水中殘存(過剩)的臭氧去除掉,以免影響產品質量。臭氧的殘留量一般應控制在低于0.0005-0.5mg/L的水平。從理論說,去除或降低臭氧殘留的方法有活性炭過濾、催化轉換、熱破壞、紫外線輻射等。然而在制藥工藝應用最廣的方法只是以催化分解為基礎的紫外線法。具體做法是在管道系統中的第一個用水點前安裝一個紫外殺菌器,當開始用水或生產前,先打開紫外燈即可。晚上或周末不生產時,則可將紫外燈關閉。一般消除1mg/L臭氧殘留所需的紫外線照射量為90000μW·s/cm2。    
(4)注意事項
臭氧最適用于水質及用水量比較穩定的系統,當其發生變化時應及時調整臭氧的用量。在實際生產中,及時進行調節有一定的困難。
另一個須考慮的問題是水中有機物的含量,當水的混濁度小于5mg/L時,對臭氧消毒滅菌的效果影響極微,混濁度增大,影響消毒效果。如果有機物含量很高時,臭氧的消耗量將會升高,其消毒能力則下降,因為臭氧將首先消耗在有機物上,而不是殺滅細菌方面。因此,國外制藥業在制藥用水系統中增加了總機碳(TOC)的監控項目。但糟糕的是,在受到嚴重有機物污染的進水中用臭氧處理后,大的有機物分子會破裂成微生物新陳代謝的營養源,因此,在沒有維持管網臭氧濃度的情況下,反會使得粘泥增多,進而使水質惡化。
在許多方面,作為消毒劑的臭氧和氯氣,它們的優點是互補的。臭氧具有快速殺菌和滅活病毒的作用,對于除嗅、味和色度,一般都有好的效果。氯氣則具有持久、靈活、可控制的殺菌作用,在管網系統中可連續使用。所以臭氧和氯氣結合起來使用,看來是水系統消毒最為理想的方式。
三、    紫外線消毒
(1)紫外線殺菌的機理及規則
紫外線殺菌的原理較為復雜,一般認為它與對生物體內代謝、遺傳、變異等現象起著決定性作用的核酸相關。微生物病毒、噬菌體內都含有RNA和DNA,而RNA和DNA的共同特點是具有由磷酸二酯按照嘌呤與嘧啶堿基配對的原則相連的多核苷酸鏈,它對紫外光具有強烈的吸收作用并在260nm有最大值吸收。在紫外光作用下,核酸的功能團發生變化,出現紫外損傷,當核酸吸收的能量達到細菌致死量而紫外光的照射又能保持一定時間時,細菌便大量死亡。
波長在200-300nm之間的紫外線有滅菌作用,其滅菌效果因波長而異,其中以254-257nm波段滅菌效果最好。這是因為細菌中的脫氧核糖核酸(DNA)核蛋白的紫外吸收峰值正好在254-257nm之間。如將該波段紫外線的滅菌能力定為100%,再同其他波長紫外線的滅菌能力作比較,其結果如表3.1所示。由表可以看出,超過或低于254-257nm的紫外線,隨波長的增加或減少,滅菌效果均急劇下降。
表3.1  不同波長的紫外線滅菌能力

波長/nm 220 230 240 250 254 257 260 270 280 290 300 310 360 400
相對滅菌率/% 0.25 0.4 0.63 0.91 1.0 1.0 0.99 0.87 0.6 0.5 0.06 0.013 0.0003 0.0001
紫外線的滅菌效果同紫外線的照射量不成線性關系,即被殺死細菌的百分數并不是與照射劑量成正比的(紫外線照射量等于紫外線的輻照度值乘以時間)。只有在照射量很低而細菌數目又很多的時候,紫外線照射量才同細菌的死亡率呈線性關系。當紫外線照射量加大后,每單位劑量的紫外線的增量,并不殺死一定數目的細菌,而是殺死當時還活著的細菌中間某一特定百分數的細菌。從這個意義上看,在紫外線殺菌過程中,微生物的死亡也遵循濕熱滅菌的對數規則(參見中國藥典附則)。
即          N/N0=e -KD
式中  N0——紫外線照射前的細菌數目;
e——紫外線照射后的細菌數目;
D——紫外線劑量大??;
K——常數。
3.2示出了紫外線不同照射量時的滅菌率。表中可清楚地看出,對不同細菌要達到同一滅菌率時,所需的紫外線照射量相差甚大。例如酵母菌要達到90%~100%的滅菌率時,需要紫外線照射量為14700μW·s/cm2。而大腸桿菌則需1550μW·s/cm2,二者相差10倍。
表3.2    紫外線不同照射量時的滅菌率

菌種 紫外線照射量/(μW·s/cm2 紫外線波長/nm 滅菌率/%
大腸桿菌 310
1550
500
3500
254
254
270
270
1-10
99-100
20
80
金黃色葡萄球菌 440
3670
265
265
1-10
90-100
綠濃桿菌 294
4400
265
265
1-10
90-100
酵母菌 2570
14700
265
265
1-10
90-100
巨大桿菌 390
2900
254
254
20
80
霍亂菌 450 265 1-10
不同種類的微生物在不同照射量下,被殺滅的程度各不相同。
(2)紫外線殺菌裝置
紫外線殺菌裝置結構,由外殼、低壓汞燈、石英套管及電氣設施等組成。外殼由鋁鎂合金或不銹鋼等材料制成,以不銹鋼制品為好。其殼筒內壁要求有很高的光潔度,要求其對紫外線的反射率達85%左右。
紫外線殺菌燈為高強度低壓汞燈,可放射出波長為253.7nm的紫外線,這種紫外線的輻射能量占燈管總輻射能量的80%以上,為保證殺菌效果,要求其紫外線照射量大于3000μW·s/cm2,燈管壽命一般不短于7000h。
紫外燈的燈管是石英套管,這是由于石英的污染系數小,耐高溫,且石英套管對253.7nm的紫外線的透過率高達90%以上,但石英價格較貴,質脆、易破碎。
紫外線殺菌裝置的電氣設施包括電源顯示、電壓指示、燈管顯示、事故報警、石英計時器及開關等。經驗表明,使用紫外線滅菌時,由于長期使用紫外線,有可能使殺菌裝置或其附近的非金屬材料老化,使之降解,導致電阻率的改變。因此,對紫外殺菌器的質量要求主要有兩點:一是高的殺滅率,一般要求大于99.9%;二是當純水或高純變化的水通過該裝置后,電阻率降低值不得超過0.5MΩ· CM(25℃)。
(3)紫外消毒的影響因素和注意事項
紫外線的強度、紫外線光譜波長和照射時間是紫外光線殺菌效果的決定因素。由于波長為253.7nm的紫外光線殺菌能力最強,因此要求用于殺菌的紫外線燈的輻射光譜能量集中在253.7nm左右,以取得最佳殺菌效果。
①安裝位置  紫外線殺菌器的安裝位置一般離使用點越近越好,但也應留有從一端裝進或抽出石英套管和更換燈管的操作空間。由于被殺死的細菌尸體污染純水,因此要在紫外殺菌器后面安裝過濾器,一般要求濾膜孔徑≤0.45μm。
②流量  當紫外殺菌器功率不變、水中微生物污染波動較小時,流量對殺菌效果有顯著的影響,流量越大、流速越快,被紫外線照射的時間就越短;細菌被照射的時間縮短,被殺菌的概率也因而下降。如流量不變,源水中微生物污染水平高時,污染菌除去率也高,但出水中菌檢合格率可能下降。
③水的物理化學性質  水的色度、濁度、總鐵含量對紫外光都有不同程度的吸收,其結果是降低殺菌效果。色度對紫外線透過率影響最大,濁度次之,鐵離子也有一定影響。紫外線殺菌器對水質的要求一般為:色度<15,濁度<5,總鐵含量<0.3mg/L,細菌含量≤900個/ml。盡管中國藥典收載的純化水標準中沒有微生物污染控制的項目和限度,但一般地說,上述條件均能滿足。水的吸收系數越高,輻射強度就越弱,殺菌能力降低;由于光不能透過固體物質,故水中懸浮顆粒會降低紫外線的殺菌效率;水中鈣鎂離子對紫外線吸收很小,因此紫外燈滅菌特別適用于純化水系統。
④燈管功率  燈管實際點燃功率對殺菌效率影響很大。隨著燈點燃時間的增加,燈的輻射能量隨之降低,殺菌效果亦下降。試驗證明,1000W的紫外線燈點燃1000h后,其輻射能量將降低40%左右。此外,還應注意保持穩定的供電電壓,以保證獲得所需要的紫外線能量。
如上所述,隨著時間的推移,紫外燈的功率會逐漸減弱,一般低于原功率的70%即應更換?,F國外使用的紫外燈均帶功率顯示器,不需要人工對使用時間進行累計和計算。當使用不帶功率顯示器紫外燈時,應以適當方式記錄紫外燈的累計工作時間,以防止燈管超過使用期而影響制藥用水系統的正常運行。
⑤燈管周圍的介質溫度  紫外線燈管輻射光譜能量與燈管管壁的溫度有關。當燈管周圍的介質溫度很低時,輻射能量降低,影響殺菌效果。當燈管直接與低溫的水接觸時,殺菌效果很差。若燈管周圍的介質溫度接近0℃時,紫外線燈則難以起動并進入正常殺菌狀態。若以燈管表面溫度40℃時的殺菌效率定為100%,32℃及52℃時的效率則只有85%左右,所以通常將紫外燈管安置在一個開口的石英套管內,以便使燈管與套管之間形成環狀空氣夾層,這樣,既可及時散發掉燈管本身的熱量,又可避免低溫水對紫外燈管發光功能的影響,并使其周圍的溫度保持在25-35℃左右的最佳運行狀態。
⑥石英套管  石英套管的質量和壁厚與紫外線的透過率有關,石英材料的純度高,透過紫外線的性能好。使用過程中應定期將套管抽出,用無水乙醇擦拭,以保持石英套管清潔狀態。通常,清潔頻率為每年至少1次。
紫外線殺菌燈最好長期連續運行,在進行殺菌前,應預熱10-30min。應盡量減少燈的啟閉次數,燈每開關1次,將減少3h的使用壽命。另外要求網路電壓穩定,波動范圍不得超過額定電壓的5%,否則應安裝穩壓器。
應當注意,水層的厚度同紫外線殺菌效果有很大關系。例如,對于水流速度不超過250L/h的管路,以30W的低壓汞燈對1cm厚的水層滅菌時,滅菌效率可達90%;對2cm厚的水層的滅菌效率在73%;對3cm厚的水層滅菌效率為56%;對4cm厚的水層則下降到40%。因此,在上述流速條件下,紫外線有效滅菌水層厚度不超過2.2cm。如果水中含有芽胞細菌,水層厚度應減少至1.4cm,水的流速減少至90L/h。如果水中含有泥砂污物,則有效水層厚度還應下降,水流速度亦減小。否則就達不到預期的滅菌效果。
制藥用水熱原的去除
去除熱原是制藥用水系統設計建造的重要目標之一。自水的預處理開始,直到注射用水的使用點,水處理的許多工藝環節都考慮了去除熱原的要求,如活性炭過濾、有機物去除器、反滲透、超過濾及蒸餾。中國及美國現行版藥典中,對純化水尚沒有控制內素的標準,但在歐洲藥典2000增補版中,已作出了“細菌內毒素低于0.25EU/mL”的規定,這意味著對制藥用水內毒素的控制將會更加嚴格。至于對注射用水,中國藥典和歐美藥典對細菌內毒素的控制標準已完全一致?,F擬對制藥用水系統去除熱原常見的方法作一簡單介紹。
1、反滲透
反滲透膜的孔徑最小,按其阻滯污染物(包括熱原)的分子量大小計,一般在100~200之間。由于熱原的分子量在5×104以上,其直徑大小一般在1~50μm之間,因此能被有效去除。美國藥典將反滲透作為注射用水的生產方法,意味著反滲透技術在去除熱原方面的成熟。
2、超過濾
微孔濾膜過濾有某種去除熱原的功效。它利用篩分、靜電吸附、架橋,利用微孔濾膜攔截直徑比較大的那一部分熱原物質。應當指出,這種去除是很不完全的,直徑比較小的熱原物質會通過0.22μm的微孔濾膜,微小的熱原可以透過0.025μm的濾膜,最小的熱原體可以穿透所有的微孔濾膜,污染水體。由于熱原分子量越大,致熱作用就越強,因此利用微孔濾膜進行除菌過濾時,客觀上可能會起到某些截留熱原的積極作用,但它不能作為去除熱原的可靠方法而單獨使用。
其實,超過濾(utra  filtration 俗稱超濾)、微過濾(micro filtration 俗稱微濾)和反滲透均屬于膜分離技術,它們之間各有分工,但并不存在明顯的界限。超濾膜孔徑大的一端與微孔濾膜相重疊,小孔一端與反滲相重疊。從非勻質超濾膜電子掃描圖可以看到,超濾的過濾介質具有類似篩網的結構,而過濾僅限于濾膜的表面。
與反滲透不同,超濾不是靠滲透而是靠機械法分離的,超濾過程同時發生三種情況:被分離物吸附滯留——被阻塞或截留在膜的表面,并實現篩分。超濾膜的孔徑大致在0.005~1μm之間,細菌的大小在0.2~800μm之間,因此用超濾膜可去除細菌。然而,對人體致熱原效應的熱原分子量為80萬~100萬,自然存在的熱原群體是個混合體,小的一端僅為10-3μm,因此,用以截留熱原的超濾膜的分子量級需小至1萬~8萬,方能有效去除熱原。以下舉了不同型號和規格的過濾器去除熱原的效果。表4.1中溶液細菌內毒素量為1μg/ml,濾膜的規格分別以名義孔徑和分子量表示。
表4.1   不同方式過濾后細菌內毒素的濃度

樣品成分 濾液中細菌內毒素的濃度
PVDF PVDF 聚砜 聚砜 聚砜
0.22μm孔徑 0.22μm孔徑 1000000分子量 100000分子量 10000分子量
1000 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1
鹽水 1000 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1
氯化鎂 <0.1 <0.1 <0.1
乙二胺四乙酸 1000 <0.1 <0.1
脫氫膽酸鈉 1000 10 <0.1
脫氫膽酸鈉
+EDTA
1000 1000 <0.1
超濾與微孔過濾的方式不同。微孔過濾為靜態過濾,將溶液攪拌,以消除濃差極化層;超濾則是動態過濾,濾膜表面不斷受到流動溶液的沖刷,故不易形成濃差極化層。
反滲透、超濾、微孔膜過濾有其相似之處,它們都是在壓差的驅動下,利用膜的特定性能將水中離子、分子、膠體、熱原、微生物等微粒分離,但它們分離的機理及對象有所不同。上表列出了這類膜的孔徑以及被截留物質的粒度范圍。從表中可以看出,反滲透膜只允許1nm以下的無機離子為其主要分離對象,故有良好的除鹽作用,而超濾、微孔膜過濾并無除鹽性能。
3、吸附法除熱原
使用吸附的方法也可以有效的去除熱原,常用的材料是活性炭、陰離子交換樹脂、硫酸鋇、石棉等。24版美國藥典收載了活性炭、大分子陰離子交換樹脂去除熱原的方法。在制藥用水系統,實際使用的也是這兩種材料?;钚蕴课绞侨コ裏嵩畛2捎玫姆椒?,它通常要與薄膜過濾器聯合使用,以防止活性炭進入下道工序。使用大分子陰離子交換樹脂去除熱原,它對藥液中內毒素污染程度較低,比較適用。
由于熱原不具有揮發性。因此去除熱原最有效的方法是蒸餾法。在多效蒸餾水機中,將純化水蒸餾,無揮發性的熱原仍留在純化水中成為濃縮水,以旋風分離法進行離心分離,收集已去除熱原的蒸餾水,將有熱原的濃縮水排放。用這種分離方法一般可使熱原的污染水平降低2.5~3個對數單位。各種型號的老式蒸餾水機去除熱原的能力要差一些,但蒸餾作為一種去除熱原的有效方法是可以肯定的。
制藥用水貯存與分配系統的設計
一、    配管的坡度
配管設計中應為管道的敷設考慮適當的坡度,以利于管道的排水。即管道在安裝時必須考慮使所有管內的水都能排凈。這個要求應作為設計參數確定在系統中。制藥用水系統管道的排水坡度一般取1%或1cm/m。這個要求對純化水和注射用水系統管道均適用。配管系統中如有積水,還必須設置積水排泄點和閥門。但應注意,排水點數量必須盡量少。
二、配水管道參數的計算
制藥工藝過程用水的量是根據工藝過程、產品的性質、制藥設備的性能和藥廠所處地區的水資源情況等多種條件確定的。通過分析對每一個用水點注射用水的使用情況來確定。
通常,工藝用水量的計算按照兩種主要的用水情況進行。一種是根據單位時間工藝生產流程中某種耗水量最大的設備為基礎考慮,即考慮工藝生產中最大(或峰值)用水量及最大(或峰值)用水時間;另一種是按照消耗在單位產品上的平均用水量(這個水量包括輔助用水)來計算。無論采用哪一種算法,應盡量考慮生產工藝用水的需求,應在藥品制造的整個生產周期內比較均勻,并具有規律性;同時應盡量考慮為適應生產發展,水系統未來可能的規模擴展。。。
為滿足工藝過程的各種需要,制藥工藝過程的設計用水量是根據具體的藥品品種在生產工藝過程中的直接用水量和輔助過程間接用水量之和決定的。即在考慮生產的具體品種和生產安排諸方面因素后,根據上述工藝分配輸送管道的設計形式和要求原則來具體確定。而其計算用水量則由一天中生產過程的高峰用量與平均用量綜合確定。不同藥品生產過程,其用水量的情況相差很懸殊。
2.1生產工藝用水點情況和用水量標準
工藝用水系統中的用水量與采用的工藝用水設備的完善程度、藥品生產的工藝方法、生產地水資源的情況等因素有關。通常,工藝用水的變化比較大。一般來說,工藝用水點越多,用水工藝設備越完善,每天中用水的不均勻性就越小。
制藥用水的情況因各個工藝用水點的使用條件不同,差異很大。如前所述,工藝用水系統分單個與多個用水點、僅為高溫用水點或僅為低溫用水點、既有高溫用水點又有低溫用水點、不同水溫的用水點中,既有同時使用各種水溫的情況,又有分時使用不同水溫的情況,等等。因此,用水點的用水情況很難簡單地確定。必須在設計計算以前確定制藥用水系統的貯存、分配輸送方式,以確定出在此基礎上的最大瞬時用水量。然后,再根據工藝過程中的最大瞬時用水量進行計算。
工藝過程中最大用水量的標準,根據藥品生產的全年產量,按照具體每一天分時用水量的統計情況來確定,確定用水量的過程中應考慮所設置的工藝用水貯罐的調節能力。
2.2系統設計流量的確定
設計工藝用水管道,需要通過水力計算確定管道的直徑和水的阻力損失。其主要的設計依據就是工藝管道所通過的設計秒流量數值。設計秒流量值的確定需要考慮工藝用水量的實際情況、用水量的變化以及影響的因素等。
通常,按照全部用水點同時使用確定流量。按照生產線內用水設備的完善程度,設計的秒流量為:
          q=Σn q max c
式中q——工藝因素的設計秒流量,m3/s;
n——用水點與用水設備的數據;
q max——用水點的最大出水量,m3/h;
c——用水點同時使用系數,通??蛇x取0.5-0.8。
2.3管道內部的設計流速
制藥用水是流體的一種類型,它具有流體的普遍特性。流體在管道中流動時,每單位時間內流經任一截面的體積稱為體積流量。而管道內部流體的速度是指流體每單位時間內所流經的距離。制藥用水管道內部的輸送速度與系統中水的流體動力特性有密切的關系。因此,針對制藥用水的特殊性,利用水的流體動力特性,恰當地選取分配輸送管道內水流速度,對于工藝用水系統的設計至關重要。
制藥用水系統管道內的水力計算與普通給水管道內水力計算的主要區別在于:制藥用水系統的水力計算應仔細地考慮微生物控制對水系統中的流體動力特性的特殊要求。具體就是在制藥用水系統中越來越多地采用各種消毒、滅菌設施;并且將傳統的單向直流給水系統改變為串聯循環方式。
這些區別給制藥用水系統流體動力條件的設計與安裝帶來了一系列意義深刻的變化:例如,為控制管道系統內微生物的滋留,減少微生物膜生長的可能性等。
為此,美國藥典對制藥用水系統中的水流狀態提出了明確的要求,希望工藝用水處于“湍流狀態”下流動。這就需要通過對流體動力學特性的了解,來理解美國藥典要求使用“湍流狀態”概念的特殊意義。
通常,流體的速度在管道內部橫斷面的各個具體點上是不一樣的。流體在管道內部中心處,流速最大;愈靠近管道的管壁,流速愈??;而在緊靠管壁處,由于流體質點附著于管道的內壁上,其流速等于零。工業上流體管道內部的流動速度,可供參考的有以下的經驗數值:
(1)普通液體在管道內部流動時大都選用小于3 m/s的流速,對于粘性液體選用0.5~1.0 m/s,在一般情況可選取的流速為1.5~3 m/s;
(2)低壓工業氣體的流速一般為8~15m/s,較高壓力的工業氣體則為15~25 m/s,飽和蒸汽的流速可選擇20~30 m/s,而過熱蒸汽的流速可選擇為30~50 m/s。
流體運動的類型可從雷諾實驗中觀察到。雷諾根據以不同流體和不同管徑獲得的實驗結果,證明了支配流體流動形式的因素,除流體的流速q外,尚有流體流過導管直徑d、流體的密度ρ和流體的黏度ц。流體流動的類型由dqρ/ц所決定。此數值稱為雷諾準數,以Re表示。根據雷諾實驗,可將流體在管道內的流動狀態分為平行流(滯流)和湍流兩種情況。
應注意,雷諾準數為一個純粹數值,沒有單位,因而是無因次數。在計算之中,只要采用的單位一致,對于任何單位都可得到同樣的數值。例如在米·千克—秒制中雷諾準數的單位為:
dqρ/ц=(m)(m/s)(kg·s2/ m4)/( kg·s / m2)
       =(m)0(kg)0(s0)
式中所有單位全可消去,所剩下的為決定流體流動類型的數值。而采用尺-磅-秒英制時也能得到同樣的結果。雷諾實驗表明,當Re數值小于2300時,流體為滯流狀態流動。Re數值若大于2300,流體流動的狀態則開始轉變為湍流。但應注意,由于物質的慣性存在,從滯流狀轉變為湍流狀態并不是突然的,而是會經過一個過渡階段,通常將這個過渡階段稱之為過渡流,其Re數值由2300到4000左右,有時可延到10000以上。因而只有當Re等于或大于10000時,才能得到穩定的湍流。
由滯流變為湍流的狀況稱為臨界狀況,一般都以2300為Re的臨界值。須注意,這個臨界值系與許多條件有關,特別是流體的進入情況,管壁的粗糙度等。
由此可見,在制藥用水系統中,如果只講管道內部水的流動,尚不足以強調構成控制微生物污染的必要條件,只有當水流過程的雷諾數Re達到10000,真正形成了穩定的湍流時,才能夠有效地造成不利于微生物生長的水流環境條件。由于微生物的分子量要比水分子量大得多,即使管壁處的流速為零,如果已經形成了穩定的湍流,水中的微生物便處在無法滯留的環境條件中。相反,如果在制藥用水系統的設計和安裝過程中,沒有對水系統的設計及建造細節加以特別的關注,就會造成流速過低、管壁粗糙、管路上存在死水管段的結果,或者選用了結構不利于控制微生物的閥門等等,微生物就完全有可能依賴于由此造成的客觀條件,在工藝用水系統管道的內壁上積累生成微生物膜,從而對制藥用水系統造成微生物污染。
(1)                滯流
流體在管道內部流動時,其每個流體質點穩定地沿著與管軸中心平行的方向有條不紊的流動。此種流動稱為平行流動(層流)或粘滯流動,簡稱滯流。流體處于滯流狀態下時,流速沿導管直徑依拋物線的規律分布。此時管道中心的速度最大,沿曲線漸近管壁,則速度漸小至等于零,其平均速度為管中心速度之一半。
(2)                湍流
流體在管道內部流動時,流體質點不按同一方向移動,而是作不規則的曲線運動,各質點的運動速度在大小和方向上都隨時間發生變化,流體質點間的運動跡線極其紊亂而流線很易改變的流動稱為紊流或湍狀流動,簡稱湍流。當流體處于湍流狀態時,曲線形狀與拋物線相似,但頂端稍寬。由于在湍流中流體質點的相互撞碰,其流速在大小和方向上均時有變化,并趨向于一個平均值。因此,湍流的狀態愈明顯,其曲線的頂端愈平坦,當處于十分穩定的湍流狀態時,其平均速度為管中心最大速度的0.8~0.9倍左右。
按照上述對流速在管道內部分布的描述可知,即使流體確為湍流,其接近管壁處仍可能存在一層滯流的邊界層。這個邊界層實際上包括真正的滯流層與過渡層。在真正的滯流層中,流體速度近似地成直線下降,到管壁處速度趨于零。過渡層則介乎真正滯流層與流體主體之間。邊界層的厚度為Re數的函數。
因此,在流體流動中并不存在單純的湍流,也沒有純粹的滯流。實際上,在湍流中同時有滯流層存在;而在滯流中也可能有湍流的存在,這是因為部分流體質點在滯流時有變形和旋轉的現象。流體邊界層的存在,對其傳熱和擴散過程都會產生很大的影響。
上述流速分布情況系指流體的流動已達穩定狀態而言。流體在進入管道后需要流經一定距離,其穩定的狀態才能真正形成。對于湍流,實驗證明,其流經的直管距離達到40倍管道直徑以后,穩定的狀態才方可獲得。
另外,流速的分布規律只有在等溫狀態下才是成立的,即要求流體中各點的溫度是一致的、恒定不變的。
2.4制藥用水系統管道的阻力計算
工藝用水管道的水力計算,通常,根據各用水點的使用位置,先繪出系統管網軸測圖,再根據管網中各管段的設計秒流量,按照制藥用水的流動應處于湍流狀態,即管內水流速度大于2m/s的要求,計算各管段的管徑、管道阻力損失,進而確定工藝用水系統所需的輸送壓力,選擇供水泵。
(1)確定輸水管徑
在求得軸測圖中各管段的設計秒流量后,根據下述水力學公式計算和控制流速,選擇管徑:
         di=18.8(Qg/υ)1/2
式中di——管道的內徑,m;
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