医用纯化水系统的微生物控制策略研究

引言

医用纯化水在制备、储存、分配和使用过程中很容易受到微生物的污染,成为水源性病原微生物的重要来源,尤为典型的有军团菌、假单胞菌、克雷伯菌等嗜水性细菌。

2019年,江苏省疾病预防控制中心做的一项调查就显示医用纯化水系统采集的水中存在细菌总数超标的情况,并检出多种条件致病菌[2]。相比较颗粒、有机物、电解质的去除,医用纯化水系统的微生物去除和控制显得更加困难,需要系统地做出应对。为降低医用纯化水系统带来的医疗风险,本文将对医用纯化水系统的微生物控制策略进行如下研究。

1医用纯化水系统工艺流程

医用纯化水一般指以饮用水为原水,经蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他适应的方法制得的水,不含任何添加剂,主要包括符合《中华人民共和国药典》规定的纯化水、体外诊断试剂用纯化水、血液透析及相关治疗用水、分析实验室用水等。

如图1所示,医用纯化水需要在饮用水中去除颗粒、有机物、电解质、微生物共四类污染物质,一般情况下,按照预处理、脱盐处理、后处理、储存分配的流程获得并使用。预处理部分包括原水储罐、多介质过滤器、活性炭过滤器、树脂软化器或加药阻垢设备、精密过滤器(5μm)等,脱盐处理部分主要为反渗透(mReRvrRsrmorir,ms)、电去离子(ElRctvodRionization,EDI)或离子交换等装置,后处理部分为紫外线、臭氧发生器等消毒杀菌装置,储存分配部分包括纯化水储罐、输送泵等。

2微生物污染的途径

根据医用纯化水系统的流程,微生物污染的途径主要包括以下几个方面:

(1)因消毒不当、二次供水不当等造成原水严重污染。

(2)医用纯化水制备管理不当造成微生物污染。

(3)医用纯化水储存分配系统渗漏、水长期滞留形成生物膜等造成微生物污染。

(4)医务人员使用不当造成出水口处的污染,因回吸等原因可能会进一步造成水路的污染。

3水生微生物介绍

水生微生物一般包括细菌、真菌、藻类、病毒、原虫、蠕虫,作为医用纯化水系统原水的饮用水,其微生物指标应符合GB5749一2006的要求。

虽然纯水中含有的有机物等营养成分很少,但仍有能适应贫瘠营养环境的微生物存在。微生物可以看成是有生命的颗粒,有繁殖能力,在适宜的生存条件下会形成生物膜。

3.1微生物的生长繁殖

以细菌为例,其生长速度很快,一般细菌约20min分裂一次,随着营养物质的消耗和有害代谢产物的积累,细菌不可能无限繁殖,经过一段时间后,细菌繁殖速度逐渐降低,死亡数量逐渐增多,活菌增长率随之下降并趋于停滞。将一定数量的细菌接种于适宜的培养基中,连续定时取样检测活菌数,可绘制出一条生长规律曲线,如图2所示。

根据生长规律,细菌的群体生长繁殖分为迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期。虽然实际中的细菌生长曲线未必如此标准和典型,但是细菌的生长规律仍可对医用纯化水系统的微生物控制起到指导作用。按照时间轴顺序,迟缓期一般在1~4h内,持续性微生物控制措施宜在此阶段进行:对数期一般在8~18h内,周期性微生物控制措施宜在此阶段进行。持续性微生物控制措施越有效,周期性微生物控制措施使用的频率就会越低,对医用纯化水的不间断正常使用的影响也就越小。

3.2生物膜

生物膜表现为微生物的共聚集现象,适宜的物体表面可为初级定殖微生物提供受体,浮游微生物、微生物自聚集体、微生物共聚集体直接粘附或与初级定殖者共同粘附并在共粘附过程中发挥作用,微菌落形成并开始产生胞外聚合物(ExtracellularPolymericsubstances,EPs),活跃的微生物生长繁殖并且次级定殖物种开始融入,早期定殖者和晚期定殖者之间形成共粘附桥,微生物共聚集不断加强,至此,生物膜形成。生物膜存在于医用纯化水的制备、储存、分配环节,对各环节有效性的发挥造成了不利影响,也会造成医用纯化水的微生物污染问题和内毒素超标问题。

综上所述,医用纯化水系统的微生物控制宜遵循"预防为主、防治结合、综合治理"的原则。

4微生物污染的控制措施

对整个医用纯化水系统而言,有效的微生物控制策略往往不止采用一种措施 ,主要包括以下几种:

(1)生物膜的预防和清除 ,预防措施比如维持较高的流速、和水的接触表面应该光滑、使用卫生级阀等水路器件、将盲端和死角等减到最少、注意通气口等外部接口进入微生物的控制、施工过程注意微生物污染控制 ,清除措施主要采用机械清除、消毒清洗等技术手段。

(2)水的消毒。

(3)使用微生物过滤器作为消毒的补充,注意进行定期维护、更换。

针对设计环节、安装环节、维护环节、使用环节的微生物污染控制措施进行如下详细说明。

4.1设计环节的控制措施

(1)纯化水储罐应采用无毒、耐腐蚀材料制造,其罐盖、人孔、罐底阀门等零部件应设计为卫生连接方式且便于拆卸和清洗,密封材料应无毒、无析出物、耐高温、无脱落物,罐体不应有裂纹、开焊和变形,内壁表面应光滑、平整、无死角,储罐最低处应设置排放口,排水管路不应出现使水滞留的部位,储罐顶部宜设置喷淋装置,其设置应避免形成能滋生微生物的死角,液位计量装置不应对水质产生污染风险,通气口应安装不脱落纤维的0.22μm疏水性通气过滤器,应根据"在有利于微生物生长的条件下,水保存的时间越短越好"的原则确定储罐的大小。

(2)纯化水宜采用循环输送,循环供水流速宜大于1.5m/s,回水流速不宜小于1.0m/s,回水流量宜大于供水泵出口流量的50%,支管长度不宜大于支管管径的3倍,主要用于生物膜的预防。

(3)纯化水管路系统应确保独立性以避免交叉污染,宜避免死角、盲管,宜预留清洗口,水平管道应有0.5%~1%的坡度,排放管路应与地漏等保持空气阻断,用水点阀门应就近连接至使用工序,管道内流速设计的取值范围宜为1.0~2.0m/s,压力损失不宜超过0.05MPa/100m。

(4)选择紫外线消毒时,其有效剂量不应低于40mJ/cm2(1mJ/cm2=10J/m2=1000uws/cm2),并根据GB28235一2020控制泄漏量。

选择臭氧消毒时,消毒方法可参照GB28232一2020中的规定,也可采用0.02~0.2mg/L(1ppb=0.001ppm=0.001mg/L)的臭氧溶解浓度预防纯化水生物膜,0.2~2mg/L的臭氧溶解浓度清除纯化水生物膜,用水前宜采用紫外线(波长为254nm)照射除去臭氧以使纯化水符合"不含任何添加剂"的要求,可选择合适的尾气处理方法保证有人空气环境中臭氧浓度≤0.1mg/m3(1mg/m3≈0.467ppm)。

选择化学消毒时,应设定合适的冲洗方法去除残留。

选择热力、蒸汽消毒方式时,应做好器件的耐温和耐压以及各种防护,保证消毒、用水的安全和有效。

4.2安装环节的控制措施

(1)严格按照设计环节的要求施工。

(2)终端用水口宜采用循环管路:循环管路和进水管路不宜安装过低,主要是为降低双向污染的风险:安装时尽量避免水在管道中滞留,管内如有积水,应设置排水点,排水点应尽量少。

(3)不锈钢器件焊接应有足够的操作空间,焊接时应采用稀有气体保护,焊接结束后应用洁净水试压,试压合格后应进行清洗、钝化处理。

(4)管路连接需要转换时宜使用专用的转换连接件。

(5)阀门等需要维护的器件应有便于操作的空间,不得妨碍设备、管道及自身的拆除和检修。

(6)不锈钢管道支架应采用不锈钢管托,塑料管可采用配套的塑料管卡或通过软物隔垫采用金属管卡。

(7)穿越墙、楼板、吊顶的管道宜设套管,管道和套管之间应有密封措施。

(8)取样点方便卫生,离地面不宜小于0.6m或高于1.6m。

(9)安装完毕后进行全方位消毒处理,防止引入微生物污染。

4.3维护环节的控制措施

(1)应定期检查作为原水生产纯化水的饮用水的微生物污染情况。

(2)按取样标准操作程序设置取样口,定期取样检测微生物污染情况。

(3)正常制水时,多介质过滤器、活性炭过滤器、树脂软化器内的流速比较低,营养物质比较丰富,运行一段时间后,表面可能会形成生物膜,为防止各器件功能效率降低甚至失效以及对后续工艺的微生物污染,需要采取定期反冲、消毒、更换等控制措施。

(4)预处理中的精密过滤器需要定期维护、更换。

(5)即使预处理方法适当,反渗透进水水质符合要求,运行控制正常,长时间运行后,反渗透膜仍不可避免地会被微生物污染,造成产水量和脱盐率下降,对后续工艺造成微生物污染的概率大大提高。因此,可适当提高浓水的排放比例,冲洗掉一部分微生物,还需要定期进行清洗和消毒。

(6)应保证清洗、消毒效果的可靠和有效,紫外线的消毒效果会受运行时间、污染物的覆盖情况、水的色度和浊度以及微生物类型等因素影响,臭氧和化学消毒可能会对水系统中器件的材料产生一定程度的腐蚀,但都不应对清洗、消毒后纯化水系统的正常运行造成影响。

(7)应做好纯化水储罐和输送系统的持续性清洗消毒和周期性清洗消毒。

(8)设置合理的微生物警戒限度和纠偏限度,当微生物指标超过纠偏限度时,及时进行风险分析,并对相应工艺环节进行合理维护,使得微生物的污染情况始终处于受控制的状态。

4.4使用环节的控制措施

(1)使用的频次和用水量都对支路到用水点这一段水路的微生物污染起到重要的影响作用,应适当增加使用频次和用水量。

(2)应定期清洗、消毒用水点,避免用水点对水路起到微生物污染作用。

(3)GB50913一2013中提到用水点没有除菌过滤器时细菌少,使用除菌过滤器时反而细菌含量很难控制,指出系统中的微生物控制不应依赖除菌过滤器的使用。

2018年,国家药品监督管理局发布的《除菌过滤技术及应用指南》中指出,除菌过滤之前,待过滤介质的微生物含量一般小于等于10cfu/100mL,应选用0.22um(或更小孔径或相同过滤效力)的除菌级过滤器,0.1μm的除菌级过滤器通常用于支原体的去除。除菌过滤工艺并不能将微生物全部滤除,为降低风险,宜使用冗余过滤系统(例如两个过滤器串联使用)并进行定期维护、更换。

5结语

随着医疗技术的进步,纯化水系统在医疗领域的应用不断深入和拓展,其微生物控制的要求更加明确和严格,但相比于颗粒、有机物、电解质的去除,微生物的去除和控制显得更加困难。本文根据常用纯化水系统的流程,提出微生物污染的途径,通过介绍微生物的特点、生长规律及生物膜的形成与危害,指出微生物控制宜遵循"预防为主、防治结合、综合治理"的原则:在此基础上,从设计、安装、维护、使用共四个环节出发,系统阐述了医用纯化水系统全生命周期的微生物控制措施,这些控制措施的可操作性和有效性都比较强,而且成本低廉,对医用纯化水系统的微生物控制有一定的借鉴意义。