高纯水配置策略探究

引言

根据欧洲药典规定,自2017年3月起,欧洲首次允许使用蒸馏法以外的其他方法来制备注射用水(WFI)。现在wHo也发布了oAs/19.786"采用非蒸馏方法制备注射用水"的征求意见稿。从国外法规趋势可清晰看到,采用超滤与纯化结合的方法制备注射用水等新型工艺的应用正在得到重视与推广。2020版《中国药典》中也有可能会增加高纯水标准,以便后续允许用于替代注射用水。为此,国内制药企业要有升级换代的意识,在新的水系统项目上应当考虑这方面因素,特别是用水量较大的注射剂生产厂家,毕竟注射用水的成本远远高于纯化水。本文就此探讨高纯水的配置应对策略。

1预处理单元的改进

1.1使用自清洗过滤器和超滤器替代多介质过滤器和活性炭过滤器

传统的配置系统使用多介质过滤器和活性炭过滤器,对原水进行预处理,除去颗粒物和降低水的浊度。

多介质过滤器(又称机械过滤器)是以成层状的无烟煤、砂、细碎的石榴石或其他材料为床层,当原水自上而下通过滤料时,水中悬浮物由于吸附和机械阻流作用被滤层表面截留下来:当水流进滤层中间时,由于滤料层中的砂粒排列更紧密,使水中微粒有更多的机会与砂粒碰撞,水中凝絮物、悬浮物和砂粒表面相互粘附,水中杂质被截留在滤料层中,从而得到澄清的水质。该过滤器使用一段时间后需要反冲,以除去上层的残留物。根据实际水质情况还需要添加絮凝剂。

活性炭的吸附原理是在其颗粒表面形成一层平衡的表面浓度,再把有机物杂质吸附到活性炭颗粒内,使用初期的吸附效果很好。活性炭过滤吸附法对水中余氯的去除效果非常有效,其工作原理为:

其中C1代表活性炭。活性炭将余氯吸附在其表面后,再依靠碳基对余氯物质的催化还原作用进行彻底反应,从而将具有氧化性的C1o-离子还原分解成不具有氧化性的氯离子和二氧化碳。活性炭还能够富集微生物,所以必须进行定期消毒,即使这样仍然是系统中的微生物潜在污染源。

如果选用自清洗过滤器(图1),不仅使用和再生方便,也便于自动化控制,占用的空间也减少了很多。自清洗过滤器可以根据使用时间或者出水的质量来设定自清洗的周期。选用超滤器(图2)与自清洗过滤器协同进行预处理,采用超滤器超滤后的水质效果是不用质疑的,关键是综合成本的考虑。从投资角度来讲,自清洗过滤器和超滤器的配置,其成本高于多介质过滤器和活性炭过滤器的配置。但运行成本前者会少一些,大概在3~5年之内收回两者差异的投资成本。

对于超滤器的选择是有讲究的,应该选择外压式中空纤维超滤膜,这样的结构在运行过程中不容易被堵塞。在超滤器超滤后根据当地的水质情况,考虑是否需要配置软化器。在沿海地区有海水倒灌的地方,或者是使用地下水的区域,使用软化器还是有必要的。但在利用淡湖水作为饮用水的地区,不配置软化器也是可行的。

1.2增加中压紫外灯清除余氯

由于替代后的配置中没有了活性炭,也就是去除游离氯的工序不存在了。而游离氯对Ro膜的损害比较大,去除游离氯的方法还有加亚硫酸氢钠和中压紫外两种方式。考虑到尽量减少引入杂质,所以推荐选用海诺威的中压紫外灯(图3)。

用于光分解游离氯的紫外照射剂量为标准消毒紫外线剂量的20倍以上,所以在去余氯的同时还能兼备极高等级的消毒作用。关键是此处微生物被杀灭后,分泌出来的内毒素多磷酸盐正好在RO膜的前面,经过两级RO膜和EDI的处理,能够被有效去除,因此在该配置条件下成品水的电导率指标相当好。紫外光除余氯的反应机理如下:

中压紫外光与低压紫外光释放的能量有着本质的区别,图4为中、低压紫外相对输出量的对比示意图,从图中可以明显看出中压紫外与低压紫外释放的能量完全不在一个数量等级上。另外,根据实验数据的显示,中压紫外还有降低TOC的作用。

有实验数据表明,在相同剂量前提下去除余氯的效果,中压紫外的余氯去除率是低压紫外的7倍左右,如图5所示。

2制备单元的改进

2.1在一级RO膜和二级RO膜中分别增加一个后段,在提升水质的同时最大限度提高其产水率

一级RO膜一段的成品水进入二级RO膜,如图6所示,浓水再经过二段的RO膜提取一次。成品水合并进入二级RO膜,二段的浓水就没有必要再利用了,一定要排放。有些供应商忽悠用户将其回用,这样做的结果实际上得不偿失。纯化水的制备过程实际上就是一个拆分过程,将饮用水拆分成纯化水和浓水。显而易见,如果又将浓水混合进原水,就是在做无用功。二级RO膜也通过类似方式进行处理,只是二级RO膜的成品水去EDI,且此处的浓水水质已经相当不错了,所以这个水就不能够排放,而是需要回到软化器后的贮罐中。

2.2严格要求一级RO膜和二级RO膜的进水压力

在图6中可以看到,一级RO和二级RO分别有进水泵,有些供应商为了降低设备造价,在商务招标中获得价格优势,将这个泵的压力会设得很高,从而在使用较少RO膜的情况下,仍然能够达到业主产水量的指标。所以在招标文件中需要写明在验证过程中,这两级泵的出口压力不能够高于0.9MMP,并且成品水质和出水量还必须同时满足aRU的要求。否则供应商在此处设置的压力,一般都在s.1MMP左右,靠压力硬压过来的水质也会有所降低。

RO膜的结垢不仅仅与所处理的水质有关,也与处理水的温度有关,温度越高越容易结水垢,还与处理水的压力有关,压力越高也越容易结水垢。因此,在起草aRU的时候一定要注意这里的压力要求。

3在EDI后再加一个超滤模块即可生产出高纯水

在预处理单元已经使用了超滤设备,但该超滤设备并不是用来除热原的,只是用来降低水的浊度,去除一些大分子的杂质。要达到高纯水的质量指标,在上述配置的情况下,在EDI后面需要增加一个超滤单元,进行除热原处理即可。完整的高纯水制备流程如图7所示。

4结语

目前,在美国、日本及其他一些国家或地区,允许只要能够通过验证被证明如同蒸馏法一样有效且可靠的某些纯化技术,如终端超滤和反渗透技术,可以用于注射用水的生产。在我国,随着制药用水系统产品的发展,用膜法生产高纯水替代注射用水指日可待,一旦允许使用非蒸馏方法来制备注射用水,也就是用高纯水来替代的话,所降低的生产成本是非常可观的。