行业新闻
你的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

USP纯化水和非制药用水生产工艺有关的最后处理技术和系统基本配置

来源:纯水设备      2020/10/19 10:32:30      点击:

水处理设备http://www.tjxqcs.com本章探讨与USP纯化水和非制药用水生产工艺有关的最后处理技术和系统基本配置。

系统有各种配置,并将离子交换基本装置的重要变化反映到膜基本装置。设备和系统材料、表面光洁度和其他设计因素分别探讨,旨在促进使用GEP,以便正确选用零部件、管子、仪器仪表和控制器。

USP纯化水和非制药用水可用各种配置的几乎无法限制的系统组合方法生产。纯化水生产使用的最普通预处理和最后处理技术,请见本章节末端的图51、图52和表54。本章阐述目前采用的系统最后处理方法,包括离子交换法、反渗透法、电去电离法、超滤法、微滤法和紫外线。

绝大部分系统成功生产纯化和非制药用水都使用上述技术和蒸馏法(见第六章)。

离子交换基本装置是纯化水生产几十年的主要装置,并且目前仍然在设施中使用。最近十年已看到反渗透膜基本装置在成长,有些地方有90%以上的新装置都使用反渗透法,最后用连续电去电离、离子交换或反渗透第二阶段抛光。膜基本装置的用途,由于减少化学制剂消耗、污染物废弃(离子化固体颗粒、有机物、胶粒、微生物、内毒素和悬浮固体颗粒)、减少维修、稳定运行和有效寿命循环费而提高。

各种膜基本系统配置与离子交换和蒸馏比较,请参见本章末端表格。

为了促进正确选用材料、表面光洁度和其他设计因素,特阐述系统每个加工部分的设备建造。设备设计详情与工艺选择比较,对系统总投资影响更大。设备许多方面会“超设计”,从而成为不必要的开支。为了设计最佳化,必须正确考虑各零部件的功能、位置、所需的微生物特性、消毒和其他因素。没有必要建造相同表面光洁度等级的系统每个备用零部件和配水系统大部分情况下顺利运行的零件。

许多材料选择是错误的,即使符合GMP要求,因为要求实际上未规定大部分最后处理零件的建造图。必须使用GEP,使系统按技术规范最佳协调运行和寿命循环最佳。一部分考虑是需要按符合GMP频次更换系统的零件(例如:滤清器、RO膜)。

本章在制药和非制药用水系统设备之间不辨别。非制药用水常常以符合制药用水的方法生产和验证。

 

52 离子交换

521 说明

/阳离子交换树脂分别用酸/碱溶液再生。因为水流经离子交换床,所以在水蒸汽中对树脂保含的氢/氢氧离子容易发生离子交换,并由浓度激励。因此,再生法由超化学制剂浓度激励。系统的主要参数包括树脂质量、再生装置、容器衬里和废液中和装置。系统运行可用成品水导电性(电阻率)监测。

双床离子交换系统包括阴离子和阳离子树脂槽。该系统按照盐清除常常以严格去离子(DI)水系统的马力运转。

混合床离子交换系统一般用作辅助或“抛光”系统。混合床DI装置包括一个混合阴离子和阳离子清除树脂槽。阳离子床也可当作“抛光”DI工序,而不是混合床DI使用。

在现场和非现场再生系统中有离子交换树脂。现场再生需要处理和处置化学制剂,但酌情处理内部过程控制和微生物控制。非现场再生可通过一次使用新树脂或者通过重复再生现用树脂完成。新树脂具有较大的能力和一些可能的质量控制优点,但成本较高。再生树脂运行费较低,但会造成诸如树脂分离、再生质量和稠度等质量控制问题。

本指南附录还能找到离子交换方面的另外详情。

522 用途

USP纯化水系统离子交换设备的主要目的是满足USP的导电率要求。去离子(DI)装置常常单独或与反渗透法一并使用,以生产USP纯化水。标准的离子交换装置不能有效地清除USP纯化水技术规范所述的其他污物。饮用水中常见的盐离子采用离子交换法从水流中清除,然后用氢和氢氧离子替代。离子交换装置有各种结构,包括双床DI和混合床DI。现场和非现场再生系统中都可采用这两种离子交换装置结构。

523 预处理要求

离子交换装置需要预处理,旨在从水流中清除不溶解固体颗粒,并避免树脂污垢或恶化。尽管也建议脱氯法,以避免因氧化树脂恶化,大部分饮用自来水通常含氯低,这只说明大部分离子交换树脂的长期效应。

524 成本节约因素

系统大部分成本节约机会涉及正确选用建造材料、预处理方案、仪器仪表和DI装置尺寸大小。建造管路材料可用PVC613LSS。如果系统设计正确,则将尽量缩小设备尺寸,并且考虑到微生物控制和维修尽量增加再生之间的时间。若只监测关键参数,诸如导电率(电阻率)、流量、压力等等,则选择能尽量减少仪器仪表。

关于采购费和正在进行的运行费,还有尚需作出节约选择。节约选择主要考虑DI非现场再生瓶、现场再生DI容器(设有自动或手动控制器)或另外水处理装置。

525 优点和缺点

优点:

设计和维修简单

水生产灵活机动

固定回收良好

单系DI装置成本低

清除电离物(氨、二氧化碳和有些有机物)

缺点:

供水高总溶解固体(TDS)运行费高

需要对现场再生DI(安全和环境问题)作化学处理

完备的现场DI系统因基本容器、化学制品存储和中和装置可能要占用很大的面积

非现场DI装置需要委外服务和显著的再生服务费

非现场再生装置涉及日后使用、搬运和保管DI容器失去控制

 DI容器是再生之间发生微生物生长的最佳地方

526 消毒

所有离子交换树脂都能用各种化学剂消毒。树脂消耗程度是树脂类型与化学剂的函数。化学清洁剂包括过酸、次氯酸钠和其他等等。有些树脂能在65℃~85℃温度下热水消毒。限制热消毒用的离子交换树脂包括强酸阳离子树脂和一型二乙烯基苯强碱树脂交联的标准聚苯乙烯。

 

51 离子交换装置操作对比

      非现场再生   现场再生

化学剂用途     广泛

消毒方法      变换或热水   再生

投资费用       

水消耗    

能耗       

维修要求       

使用的委外服务   广泛     

可靠性   良好☆   良好

固定回收操作      良好、替换   良好

总悬浮固体(混浊度)      建议10微米滤清

氯公差   随树脂型号而变化,一般为0.5ppm;有些树脂估计高达1ppm

总溶解固体(TDS   <200ppm时,可在较高TDS水平运行,但运行费高

温度      大部分阳离子树脂高达121℃;大部分阴离子树脂为4070℃;而有些阴离子树脂高达100℃。

导电率   能达到1.0脉动/cm的导电率,而实际导电率取决于系统预处理和再生计划。

再生和化学剂效率      线性变化与供水总溶解固体(最好在200ppm以下)相反。

供水TOC       避免污垢随树脂型号变化的能力。

成品水TOC   视树脂型号和供水(难以预计)可提高或减少进水TOC等级。

 

53 连续电去离子(CEDI

531 说明

电去离子用电活性介质和电势从水中去除离子或离子化物质,旨在实现离子输送。去离子采用电活性介质区别电渗析或氧化/还原过程,并用电势区别其他离子交换法。

电去离子装置中的电活性介质,其作用是交替收集和释放离子化物质,并采用离子或电子置换机构连续促进离子输送。电去离子装置可以包括永久或临时电荷介质,并可断续、间歇或连续运行。操作电去离子装置,以便引起专门计划的电化学反应,从而达到或增进性能。该装置可包括电活性膜,诸如半渗透离子交换或双极膜。

连续电去离子(CEDI)过程与收集/释放过程(诸如电化学离子交换或电容去电离)是有区别的。电离过程是连续的,而不是间歇或断续的。活性介质的离子输送性能是基本尺寸参数,这正好与离子能力相反。连续电去电离装置一般包括半渗透离子交换膜、永久电荷介质和能产生DC电场的电源。

连续电去离子电池由两个毗连的离子交换膜或者由一个膜和一个毗连的电极组成。CEDI装置一般有交变离子耗尽(纯化)和离子浓差电池,这两种电池能从同一水源或不同水源供给。水在CEDI装置中经离子输送纯化。离子或离子化物质从流过离子耗尽(纯化)电池的水,再进入流过离子浓差电池的集中水流中汲取。

CEDI装置纯化的水只流过电荷离子交换介质,而不通过离子交换膜。离子交换膜可渗透离子或离子化物质,但不渗透水。

纯化电池一般在一对离子交换膜之间永久电荷离子交换介质。有些装置在阳离子膜和阴离子膜之间装有混合(阳和阴)离子交换介质,以组成纯化电池。而有些装置在离子交换膜之间具有阳/阴离子交换介质层,以组成纯化电池。其化装置合并离子交换膜之间的单离子交换介质造成单纯化电池(阳离子或阴离子)。CEDI装置可用板式和框式或螺旋式结构电池配置。

电源在CEDI装置的阴极和阳极之间生成直流电场。流经纯化电池的供水水流的阳离子吸入阴极。阳离子通过阳离子交换介质输送,并且要末通过阳离子渗透膜,要末就被阴离子渗透膜排除。阴离子吸入阳极,然后通过阴离子交换介质输送,最后要末通过阴离子渗透膜,要末就被阳离子渗透膜排除。离子交换膜用浓差电池中从纯化电池去除的含有阳离子和阴离子的方式排列方向,以便从CEDI装置中清除离子污物。有些CEDI装置使用浓差电池中的离子交换介质,其条件是:其他装置不使用该介质。

因为纯化水水流的离子强度降低高电压,所以水离子交换介质界面处的梯度能使水分解成离子成分(H+OH-)。H+OH-离子连续生成,并在纯化电池出口端分别再生阳离子和阴离子交换介质。离子交换介质再生恒定高水平允许用CEDI法生产高纯化水(118莫姆/cm)。

532 用途

在药品质量对微生欠注意的有些情况下,在USP纯化水或非制药用水生产中,可在反渗透(RO)装置的下游使用CEDI装置,以便提高CEDI装置的寿命。关于USP WFI水,则在反渗透装置的上游使用CEDI装置。

533 限制

CEDI装置无法清除水中的所有污物。主要清除机理是清除离子或离子化物质。CEDI装置无法100%纯化供水水流,因为浓度水流总是要求从系统中清除污物。CEDI有实际操作的温度限制。绝大部分CEDI装置的工作温度为1040℃(50104℉)。

534 预处理要求

CEDI装置必须保护,以防锈垢形成、污染、热和氧化恶化。RO/预处理设备一般将硬物、有机物、悬浮固体和氧化物降到可接受的水平。

535 性能

CEDI装置性能是供水质量与装置设计的功能。减少离子固体一般大于允许生产反渗透供水的118莫姆/cm优质水的99%。有机物排除一般在50%95%之间变化,实际排除取决于供水水流中的有机物类型。CEDI装置上游紫外线(185nm)实质上能加速有机物排除。溶解的二氧化碳转为碳酸氢盐后当作溶解离子清除。溶解二氧化硅清除量为8095%,实际清除量视操作条件。

536 节约费用因素

绝大部分费用节约机会都围绕正确选用建造材料、仪器仪表和后处理设备选择。可用的管系建造材料可在PVC316LSS变动。选材只监测重要参数,例如电阻率、流率和压力等等,这就能尽量减少仪器仪表。纯化水的许多用途在电去电离后不必作后处理。有些装置装有紫外线和/或亚微滤清器,旨在降低消毒要求或提供USP中概述的纯化水生产所允许之下的微生物含量。

537 优点和缺点

优点:

达到一级导电率

省去化学剂处理

省去委外服务(非现场再生树脂)

/树脂模件的电场保证某些细菌控制

消除电离物质(例如:二氧化碳、氨和一些有机物)

缺点

不清除非离子污物

每个生产厂都专门设计(模件不互换)

可以要求UV、亚微滤清或反渗透(RO),以进一步减少细菌

可以要求反渗透预处理、

化学消毒后漂洗可以花时间,才能达到峰值电阻率和TOC

538 消毒

CEDI装置一般用若干种制剂,包括过酸、过碳酸盐钠、氢氧化钠、过氧化氢和其他等等制剂进行化学消毒。

54 反渗透法

541 说明

反渗透法(RO)是采用能从水中去除溶解有机和无机污物的半渗透膜的一种加压从动法。半渗透膜渗透到一些物质,诸如水,而不渗透到其他物质,诸如许多盐、酸、碱、胶粒、细菌和内毒素。

RO膜用制药用水生产的螺旋绕线法生产。该膜适用两种基本材料,即:乙酸纤维和合成薄膜(聚酰胺)。各种膜都有其优点和缺点。膜工作参数见下表53

无引导端盐水密封的RO膜允许在膜和压力容器间控制流速,旨在尽量减少细菌生长。

53 RO膜工作参数

乙酸纤维 聚酰胺/TFC PH 47 211 氯极限(mg/L 1.0 0.05 抗菌性 工作温度范围℃ 1528 550 抑制率% 9098 9799 消毒极限温度℃ 30 5080 标准TDS进给范围(mg/L) 301000 301000 最大泥沙密度指数 5 5

 

542 用途

反渗透能用几种方法在制药系统中顺利应用。RO装既能用在再生去离子器的上游,也能用在非现场再生去离子器上游,以减少再生酸和碱消耗,或者尽量降低树脂更换费。设有正确PH值控制器的双路RO装置(分级产品)一般能生产满足USPTOC和导电率要求的水。

543 限制

反渗透无法100%去除水中的污物,并且几乎无力去除分子量极低的一些溶解有机物。不过,RO从数量上减少水中的细菌、内毒素、浮化体和高分子量有机物。

RO不能100%纯化供水。集中供水总是必须去掉被膜除去的污物。许多RO用户利用RO装置的废水给冷却塔补充水或给压缩机补充冷却水等等。

二氧化碳直接流过RO膜,然后溶解在供水相同标准的RO成品水中。若RO成品水中的二氧化碳超量,其RO成品水的导电率可能会超过USP一级极限值。二氧化碳有助于负载可能在RO装置下游的阴离子树脂。

反渗透有实际作业的温度限制。大部分RO装置在供水水温为5℃和28℃之间工作。

544 预处理要求

反渗透膜必须受保护,以防形成锈垢、膜污染和膜恶化。因为供水中的污物集中在废水(平均为供水的25%)中,所以可能发生水锈。水锈一般采用在膜的上游投入酸让水软化,降低供给水的PH值,或者使用防锈剂防止沉淀加以控制。

使用背洗多个介质滤清器或是浮固体、绿色物质过滤筒和滤清或清除胶态离子软化和减少生物污染的各种微生物控制预处理法,即能减少反渗透膜污染。

膜恶化的主要原因是有些膜物质氧化和加热恶化。如果膜一般不能承受氯,则活性碳或加入各种硫酸钠剂去除氯。给水预热的地方,一般设置耐高温保护装置,因为膜材料无法承受高温。

反渗透预处理装置操作请参见第四章。

545 性能

单级反渗透元件一般将生水中的盐、胶粒、有机物、细菌和内毒素含量分别减少9099%。单级反渗透成品水如不进一步采取纯化工序,那么,一般不符合USP要求。一些双路装置(串联两组RO膜)生产的水能通过USP24 一级导电要求,(允许在线试验)。不符合一级要求的装置,一般符合二级或三级要求。应当根据预处理要求、工作性能特性、消毒方法、质保、资本/运行费和供水水源选择膜。

546 /缺点

优点:

反渗透装置消除或大大减少与再生离子交换装置有关的化学剂处理和处置。

一般而言,RO微生物控制的效果比离子交换装置更好。

采用盐询问和测取差分导电率,即能完成完整试验。

 RO去除各种污物,其中包括离子固体和非离子物质(例如:胶粒、细菌、内毒素和一些溶解有机物)。

缺点:

除非再用废水,否则,水耗远远大于离子交换装置。

能耗一般大于离子交换法而小于蒸馏法。

无法去除溶解气体(例如:二氧化碳和氨)

547 节约成本因素

将膜面积减到供给优质水使用的最小面积,然后再选用膜,即能尽量降低投资费用。管道材质和表面光洁度大大影响投资费用。有些装置装用PVC低压管和焊接的精轧不锈钢高压管。正确选择临界/非临界工作参数能尽量减少仪表费用。参数包括:

流速

压力

温度

导电率

548 废水再用

RO废水经常当作冷却塔补充水使用,或者用于压缩机非接触冷却,或者用于其他加热负载装置。废水有时在系统供水再推广的废水反渗透装置中再纯化。RO废水有给滤清器背洗使用。第二次通过双路RO的废水一般回流入第一路RO的供水水流。

549 消毒

所有RO膜都可用随膜选用变化而变化的一些化学剂消毒。如消毒热水温度为60℃~80℃,则应使用专用膜。

55 抛光零件-减少非离子污物

551 起滤法

5511 说明

超滤法(UF)是类似于反渗透(RO)的一种横向(交叉)水流法。加压供水水流平行流入多孔膜滤清面。压差迫使水流过膜。此时,膜挡住过大的不能流过膜的颗粒、有机物、微生物、致热物质和其他污物。UF与反渗透一样,不阻挡低分子量离子污物。

膜可用聚合和陶瓷两种材料。聚合膜元件可用于螺旋缠绕式和空心纤维结构,而陶瓷模件可用于单路和多路结构。

5512 用途

超滤可用若干种方法用在纯化水装置中。UF经常用在减少有机物、胶粒、微生物和内毒素离子交换工序的下游。有些眼药水、局部麻醉剂和散装化学药剂制药厂使用低内毒素含量(<0.25EU/ml)纯化水。这种水将用在非肠道生产和其他用途药的生产中。

超滤法经常用在蒸馏釜供水装置中,与离子交换装置一起限制进入蒸馏釜的内毒素和胶状氧化硅进给含量。

5513 限制

超滤法无法100%去除水中的污物。不发生离子抑制,而有机抑制随各种膜材质、结构和孔隙率而变化。该法可用许多不同标称有机分子量抑制额定值。UF不抑制溶解气体。

大部分超滤器需要废水水流连续去除污物。废水水流变化率常常为210%。有些UF装置空端运行。

5514 预处理要求

预处理可包括多个介质滤清器、活性碳滤清器、离子交换、膜或其他等等。UF磁通速率清洁频次随供水和预处理变化而变化。大多数UF膜能承受氯,而不需供水去除氯。

5515 性质

UF装置用于去除各种污物。所以,必须正确选用满足性能要求的UF膜。有机分子能完全抑制,但UF膜的额定值分子量变化为1000100000。标准生水有机物减少,其结果不如反渗透法。压力降随着膜的选择和工作温度而变化。有些膜能在高达90℃的温度下连续工作,该温度保证极佳的微生物控制。

UF内毒素(致热物质)减少随膜选择变化而变化,其变化范围为2log104 log10UF证明能恒定生产符合标准系统应用的USP WFI内毒素极限值(0.25EU/ml)的水。UF导致最佳减少微生物,减少的标准额定值为3log104 log10

UF导致最佳减少微粒,并且经常在其他应用领域,诸如半导体生产中使用。必须指出:半导体生产时,微粒控制远远比制药用水更严格。

5516 /缺点

优点:

 UF(超滤器)能去除一些污物,诸如内毒素和有机物。该装置比微滤器好。

 UF在高粉粒负载作用中,运行费比微滤器更有效。

有些UF元件用蒸汽或臭氧比其他一些膜滤器(MFRO)更能承受严格的消毒作业。

废水水流一般远远少于反渗透装置的废水水流。

超滤器能加强一般比反渗透装置少。

缺点:

 UF无法清除反渗透装置能清除的离子污物。

 UF一般需用废水水流,这也许是费用的一个重要因素。

 UF膜完整试验有时比微滤滤芯更困难。

5517 成本节约因素

采用膜面积最佳尺寸和选用膜会影响投资费用。管材和管子表面光洁度大大影响投资费用。有些装置采用各种塑料管材,而其他装置使用消毒的316LSS材料。选用的消毒方法是材料选择的主要因素。若正确选择临界/非临界工作参数。即能尽量减少仪表费。

5518 消毒

UF膜可采用多种不同方法进行消毒。多数聚合膜都能承受各种化学消毒剂,诸如次氯酸盐钠、过氧化氢、过酸、氢氧化钠和其他许多制剂。有些聚合膜能用热水消毒,有些甚至能用蒸汽消毒。

陶瓷制UF元件在消毒或灭菌作业时,能承受各种普通化学消毒剂、热水、蒸汽和臭氧。

5519 废水利用

多数制药UF装置供给USP纯化水生产或专用非制药用水使用的脱离子水。因此,废水仍旧是反渗透装置上游能再循环的低导电率水,或者直接输入锅炉、冷却塔或其他设备使用。

552 微滤法

微滤是去除微粒和微有机物采用的膜法。微滤过程一般不使用废水。总之,所有微滤滤芯都要处置,并可用各种材料和孔尺寸。最后滤清时,滤清器滤清0.45微米~0.04微米污物。微滤器应用领域广泛,包括不允许末端灭菌的药品灭菌。

微滤器一般用在微生物可能生长零件的下游微生物滞留的纯化水装置中。微滤器在该地方非常有效,但操作步骤必须恰当,以保证安装时滤清器的完整性和膜更换。微滤器在中间纯化水生产装置中使用最恰当,并不主张用于配水装置。滤清器不应是系统唯一的微生物控制装置。滤清器必须是综合微生物控制计划的一部分。尽量减少微滤位置,使维修正确简易(见第八章)。

5522/缺点

优点:

设计和维修简单

水流程生产灵活机动

无废水水流

滤芯整体测试

微滤器加热和化学剂消毒

缺点:

只能当作微生物生长的安全网使用

不清除离子或内毒素

由于死端设计,因而寿命短,所以需更换

不建议用于配水管

5523 性能

微滤器在滤清微生物时,其效果与超滤器相同,并能尽量降低水消耗量,而不必用废水。不过,微滤器不能把溶解有机物含量降到超滤器能滤清的水平,由于孔尺寸差异,微滤器无法象超滤器那样滤清小微粒。可选择正确的材质加热/化学消毒微滤器。

553 紫外线处理

5531 说明

紫外线照射微生物(细菌、病毒、酵母菌、霉菌或海藻),穿透它们的外膜,使用DNA(脱氧核糖核酸)发生变化。变化的NDA码促使有机体破坏。紫外线辐射是一个使用点,而无残余的辐射特性。必须进行恰当预滤,使遮挡有机体的微粒免受紫外线辐射(见第八章)。

5532 优点和缺点

优点:

设计和维修简单

微生物减少254nm设计

 TOC减少185设计

无废水水流

可加热、臭氧和化学消毒。

缺点:

只能当作微生物生长安全网使用

不清除离子或内毒素

无消毒残物

微粒能使有机体免受紫外线辐射

5533 性能

紫外线在脱离子工序后,用作最后处理工序,旨在控制微生物和减少TOC(在必要的地方)。

 

51 纯化水

 

52

 

54 纯化水系统对照一览表

>     非现场再生离子交换>  反渗透/非现场再生离子交换>    现场再生离子交换>     反渗透/现场再生离子交换> 反渗透/连续电去离子> 双路反渗透>  蒸馏>

投资费>  L>   M>  M>  M>  M>  M>  H>

化学剂处理>  N>   L>   H>   M>  L>   L>   L2>

能耗>     L>   M>  L>   M>  M>  M>  H>

水耗>     L>   H1> M>  H1> H1> H1> M3>

外委服务费>  L>   M>  L>   L>   L>   L>   L>

维修>     L>   M>  M>  M>  M>  M>  L>

产品导电率微西门子/cm@25>       1.00.6>       1.00.6>       1.00.6>       1.00.6>       1.00.7>       2.50.5>       1.00.1>

产品TOC PPB>    4>   <500>     4>   <500>     <500>     <500>     <500>

微生物效率>  L>   M>  L>   M>  M>  H>   H>

 

额定值:L= L= M= H=

54注:

1 除非重复利用废水-冷却塔补充水,否则,水耗高。

2 化学剂总要求视预处理选择。

3 总水耗视预处理选择。

4 在大多数情况下,都符合USP TOC要求,但是如果供水中TOC高(>2ppm),那么可能不符合要求。

5 微生物效率高系指相对术语微生物数目少。工业纯水设备, 苏州水处理设备医用GMP纯化水设备 医用水处理设备