制药用水系统的设计与实践

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1、制药用水系统的设计与实践钱应璞目录第一章 水质概论第二章 制药用水、气的制备第三章 制药用水的贮存与分配输送第四章 制药用水系统的污染及控制第五章 制药用水贮存与分配系统的设计第六章 制药用水系统设备选型第七章 制药用水系统的安装与处理第八章 制药用水系统的运行管理第九章 制药用水系统的验证 第一章 水质概论1.1 天然水1.2 制药用水标准及其选用1.3 蒸汽1.1 天然水制药工业中大量使用的工艺用水大部分是来自自然界的天然水。主要的 天然水种类及其特性如下表所示：种类 特性水库与湖泊水源流动性较小，长期处于沉淀状态而悬浮物较少； 由于蒸发浓缩，含盐量较高； 因流动性小，十分有利于藻类和浮游

2、生物的生长，因 而腐殖质含量较高。江河水源悬浮物和胶体含量较高，受地理环境和天气影响较大 ； 水中含盐量和硬度较低，受水文和气象影响，水质不 稳定； 易受工业废水、生活污水的影响。深井地下水悬浮物和胶体含量较小，水质清澈透明； 水质和水温较稳定，受外界影响较小； 因溶解了岩层中的可溶解性矿物质，因而硬度、含 盐、含铁等矿物质的量较地表水大。天然水中的杂质及其危害：种类 危害悬浮物 （粒径10- 4mm）藻类与原生动物使天然水具有臭味、呈浑浊状态并产生污泥，使水体含有色度泥沙和粘土使水体产生黏糊状的污泥，水成浑浊状态细菌水中的细菌可以产生黏糊状得污泥，对材料产生腐蚀，对气体产生污染，使 人畜致病

3、不溶性物质在水体产生沉淀溶解物 （粒径10-5 10-4mm）盐类钠盐酸式碳酸盐和碳酸盐会在水体产生碱度，硫酸盐会产生含盐量，氯化物会产 生盐类和气味，而氟化物会使人畜致病钙镁盐在水体中产生硬度和碱度，硫酸盐会产生碱度，氯化物既产生硬度和气味， 还对金属材料产生腐蚀铁盐与猛盐在水体产生硬度和气味，并对金属材料造成腐蚀气体主要为二氧化碳，硫化物和有机分解气体，二氧化碳会在水体产生酸度并腐 蚀金属，硫化物会产生酸度和臭味并腐蚀金属，有机分解气体严重污染水体有机物腐殖酸使水体浑浊、吸附和沉淀，富维酸严重污染水体胶体（粒径water for pharmacetuical use,以及ISPE水和蒸汽系

4、 统指南 2.1.2 制药用水制备方法选用原则可参照绘图1，以及下面章节涉及的制药用水制备方法。2.2 纯化水制备常用的水处理技术 2.2.1 源水预处理的必要性及其手段纯化水的质量取决于源水的水质及纯化水制备系统的组成和处理能力。 由于制水设备，如离子交换树脂或反渗透膜对进水有玷污物质的要求， 因此，必须要对源水进行预处理。 源水预处理的主要对象是水中的悬浮物、微生物、胶体、有机物、重金 属和游离状态的余氯等。水预处理方法的选用原则如下： 源水中悬浮颗粒的含量小于50mg/l时，可以采用接触凝聚或过滤，即 加入絮凝剂后，经过管泵或管道直接注入过滤器； 当源水中碳酸盐硬度较高时，可在去除浊度的

5、同时，加入石灰进行预 软化； 当源水中有机物的含量较高时，可采用加氯、絮凝、澄清过滤等方法 ， 若仍不能满足后续工序的处理要求，可增加活性炭过滤等去除有机物的 措施； 当源水中游离氯超过后续进水标准时，可采用活性炭过滤或加入亚硫酸钠等处理方法； 如果后续工序采用反渗透或电渗析设备时，应在源水进入设备前，加 一个（组）精密过滤装置，作为反渗透或电渗析的保护装置； 如果后续工序对胶体状态的硅要求较高，可在加入石灰的同时加入氧 化镁，以达到除硅的目的； 当源水中铁、锰较高时，应增加曝气、过滤装置，以除去铁、锰。源水预处理的主要方法有：混凝、过滤、吸附、软化混凝混凝的主要对象是水中的胶体物质。混凝过程

6、中同时发生以下的物理化 学作用： 中和 混凝剂中的正离子与源水中的负离子发生中和，称为大分子颗 粒，进而沉淀从水中析出； 过滤 凝聚和絮凝过程形成一个过滤层，包裹着源水中的各种颗粒一 起沉降； 吸附 混凝剂多采用高分子，这些高分子能够吸附水中的颗粒，进而 形成沉淀，从水中清除； 表面接触 在絮凝过程中大量的颗粒表面相互碰撞，粘结成大的颗 粒物质，通过沉淀清除。由上可见，混凝主要是通过双电层使胶体聚集的凝聚过程和通过高分子 物质的吸附架桥作用使胶体颗粒聚集的凝聚过程。影响混凝过程的主要因素有： PH 水中的PH在6.57.5时，混凝剂的溶解度较好，容易产生胶体 ， 混凝作用较好； 温度 低温同时

7、影响水的粘度和混凝剂的解离速度，都不利于凝聚沉 淀，解决办法是增大混凝剂的投入量，增加反映时间； 碱度 水中的碱性物质可影响水中的PH，进而影响混凝作用；混凝剂主要有无机盐混凝剂和有机混凝剂。无机盐混凝剂主要是铝盐 （硫酸铝、明矾），有机混凝剂主要分为人工和天然两大类。过滤通过混凝过程，源水中的大部分悬浮物质都被除去，但细小的悬浮物质 和细菌仍有可能使水体的浊度达不到要求，此时，可通过过滤作用清 除。通常源水通过滤料层将水中的细小杂质颗粒截留下来，可使水更加澄 清、 净化，使水的浊度更低，使水中的细菌、病毒、有机物随着浊度的降低 而被大量除去，进而为后续的杀菌、消毒工序创造了有利条件。源水过滤

8、的主要设备是砂滤器，砂滤采用的滤料多为石英砂、无烟煤、 锰砂等吸附 吸附法主要的作用对象是水中的有机物、胶体、微生物和余氯等，同时 ， 吸附法还可对水进行除臭、脱色等。 吸附常用的材料有活性炭和大空隙的吸附树脂等。 活性炭吸附 活性炭吸附的主要处理对象是源水中颗粒度在 110-3 210-3m的无机胶体、有机胶体和溶解性有机高分子杂质及 余氯等；活性炭的吸附能力主要由比表面积及其表面细孔的孔径分布有 关。 离子交换树脂吸附 主要原理是用碱性的食盐水将阴离子树脂或大孔 径吸附阴树脂处理成为氯型树脂来吸附有机物。离子交换树脂吸附不仅 可以吸附有机物，还可以去除水中的细菌内毒素。软化 软化的主要处理

9、对象是源水中的钙镁离子。软化器通过离子交换过程去 除钙镁离子，其采用的树脂为钠型阳离子交换树脂，水软化树脂主要通 过氯化钠进行再生。2.2.2 纯化水的制备常用的水处理技术在源水进行预处理之后，就进入了纯化水的制备阶段。纯化水的制备常 用的水处理技术主要有：离子交换、电渗析、电法去离子、反渗透、超 过滤、微孔过滤 等。 离子交换（Deinization）离子交换系统是使用带电荷的树脂，利用树脂离子的交换性能，去除水 中的金属离子，即离子交换树脂上的离子与水中的离子进行等电荷反应 的过程。离子交换系统须用酸碱进行定期再生。一般，阳离子交换树脂 用盐酸或硫酸进行再生；阴离子交换树脂用氢氧化钠进行再

10、生。离子交 换系统可以设计成阴阳床分开，也可以设计成混合床形式。 离子交换树脂在水处理中主要用于水的软化处理、除盐、除碱。 离子交换树脂的化学性质主要有：离子交换可逆性、吸附选择性、树脂 交换容量以及树脂的酸碱性。 离子交换树脂的物理性质主要有：外观与颗粒度、含水量、溶胀率、溶 解性及耐热性能。电渗析（electrodialysis,EDR）电渗析是采用静电及选择性渗透膜分离浓缩，并将金属离子从水流中冲 洗除去的水处理方法。由于不含有提高离子去除能力和电流的树脂，系 统效率较低，且要求定期交换阴阳两极和冲洗，因此多用在纯化水系统 的前处理工序上，作为提高纯化水水质的辅助措施。 电渗析器中的关键

11、材料是离子交换膜，一般由高分子材料组成，分为阳 离子交换膜和阴离子交换膜，电渗析的原理就是利用阳离子只能交换膜 只能透过阳离子，阴离子只能透过阴离子交换膜的选择透过性。电法去离子（electrodeionzation，EDI） 电法去离子系统使用一个混合树脂床、渗透电极膜以及电极，以保证水 处理的连续进行，即连续不断的获得产品水及浓缩废液，并将树脂连续 再生。电法去离子具有脱盐率高，无需酸碱再生树脂，具有较高的产水 质量，水的利用率高等特点。与普通的离子交换技术比具有无化学污 染、 可连续再生、出水质量高以及水的回收率高的特点。反渗透（reverse osmosis，RO）反渗透是利用渗透这种

12、物理现象实现分离的，是通过加压使源水中的水 压到膜的另一边，变成洁净的水，其处理对象主要是出于离子状态和分 子量为几百的有机物。反渗透膜的孔径大多1010-10m，是一种只允 许水通过而不允许溶质透过的半通透膜。 反渗透分离过程的关键是要求膜具有较高的透水率和脱盐性能。 制药用水中常用的反渗透装置有两种基本形式，即：螺旋卷式和中空纤 维式。 由于源水中含有的菌源较多，在经过活性炭过滤后，留存的胶体富含糖 类和蛋白质，在PH和温度适中的条件下，更容易滋生细菌，同时也会产 生热源，因此，通常在反渗透系统中加入抑菌剂异噻唑碄酮进行杀菌。 反渗透装置在制药行业用水主要有以下几种组合形式：一级反渗透系

13、统、 二级反渗透系统、一级反渗透系统+离子交换系统。一级反渗透系统适用于水源的水质较好，含盐量不太高的场合，而且出 水是作为普通的、非注射级的化学原料药的工艺用水，或者作为某些肠 道用中药材提取工艺用水。 二级反渗透用水通常适用于源水中含盐量较高，同时对反渗透装置的出 水的水质要求也较高的情况下。这种装置中的水完全可以满足化学原料 药制造所需的工艺纯化水、固体口服的中药制剂生产用水、化学药品制 剂（肠道制剂）生产工艺用水、多数注射剂的非肠道制剂生产工艺辅助 用水以及注射用水对水的需求。 一级反渗透系统+离子交换系统特别适合对制药用水有综合使用要求的情况下，如水既要满足纯化水的供应，又要满足注射

14、用水的源水使用要 求。 通常，对水质要求不是太高时，可采用一级反渗透系统+串联复合床离子 交换系统或一级反渗透系统+混合床离子交换系统；当对出水水质要求较 高时，就必须使用一级反渗透系统+串联复合床离子交换系统+混合床离子交换系统。超过滤（ultra filtration,UF) 超过滤即为切向流过滤（TFF），即液体以一定的速度连续的流过超过滤表面时，同时也洗刷着超过滤膜的表面，从而阻止了滤膜表面凝胶层的 生成，保证稳定的过滤速度。其主要处理对象是水中的有机物、各种细 菌、热源物质、多数病毒，也可用于胶体、大分子物质的分离。 超过滤的膜的组件形式主要有两种：中空纤维型和螺旋卷型。孔径约为 0

15、.0020.02m。微孔过滤（micro filtration,MF) 微孔过滤的基本原理主要有截留捕获和切向流捕获。按滤膜结构可分为 深层过滤、表面过滤和膜过滤；按滤膜作用可分为澄清过滤、预过滤和 终端过滤。过滤器的组合形式常见的组合形式是将澄清过滤、预过滤和除菌过滤组合在一起。常见的过滤器组合形式图当工艺过滤器的直径为1030in（1in=25.4mm）时，其滤芯孔径的选择原则一般是预过滤1m，最终过滤为0.22m。不同的膜分离过程的区别项目 方法膜的功能分离驱动力透过物质被截留物质微滤多孔膜，溶液的 微滤，脱离子 压力差水、溶剂、溶解物悬浮物、细菌 类、微生物超滤脱除溶液中的胶 体、各类大分子 压力差溶剂、离子和小分子蛋白质、各类 酶、细菌、病 毒、乳胶、微粒 子反渗透脱除溶液中的盐 类及低分子物 压力差水、溶剂无机盐、糖类、 氨基酸电渗析脱除溶液中的离 子电位差离子无机、有机离子电法去离子脱除溶液中的离 子电位差离子无机、有机离子离子交换脱除溶液中的盐 类扩散作用离子无机、有机离子不同水处理系统对进水水质的要求项目 系统EDI（电法去离子）EDR（电渗析）RO（反渗透）螺旋卷式中空纤维式水温/540