制药工艺用水及分配送水系统的设计

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1、第六章制药工艺用水及分配送水系统的设计6.1制药工艺用水配水系统设计的基本原则6.1.16.1.1 配水系统的基本概念为安全有效地分配制药工艺用水，已形成两个基本概念，一个叫作 “批”分配，另一个叫“连续动态”分配。对制药工艺用水使用分批的概念至少要用两个贮罐。当一个贮罐充水时，另一个贮罐正在用来向不同使用点提供制药工艺用水。当一个已 被最终处理系统（即纯化水系统或注射用水系统）的成品水充满后，该 罐中的水才投入使用。尽管在更长的时间周期内贮罐内的水都可能是有 效的、符合质量标准要求的，通常贮罐内的水在 2424 小时后都应排空。 贮罐排水完成后，再贮水之前应对贮罐和配水系统作卫生、并定期的使

2、 用纯蒸汽或化学的方法消毒灭菌。连续动态的概念满足了高峰用水期内用水量较大的特殊要求，通过使用一个贮罐加入水系统中的方法， 贮罐暂时接收来白最终预处理系统（即纯化水系统或注射用水系统）的水，往贮罐中贮存水，最后向不同 的使用点供应这些水并且保持水的质量。从理论上讲，使用“批：分配的用水方式要优于“连续动态”的用 水方式。“批”分配概念超过“连续动态”的分配概念其优点是，在使 用前先测试水质，贮罐中的水的使用在 QA/QCQA/QC 的严格控制下，因而， 每批产品使用的水都能够被追踪，而且可以有标志得以识别。“连续动态”分配概念的优点这是包括较低的使用周期成本，以及贮罐周围的管 道比较简单，使用

3、操作更有效率。在水系统的设计中，一旦选定了系统的分配概念，就应仔细评价 下述附加的在贮存和分配设计方面考虑的内容： 配水系统结构是否包括所需要的贮罐设备或平行设置的环状管路，配水环路上的使用点、制药工艺用水的冷却要求等，例如可通蒸汽、 可配亚环路或多个分枝的热交换组件，以及重新加热要求，在支管上设 置贮罐和五罐系统的比较等等。 热用水点（65C65C80C80C）、冷用水点（4C4C10C10C）或白然环境温 度使用点的要求。 系统作卫生和消毒灭菌的方法，例如纯蒸汽、热水巴氏灭菌、臭氧或化学品消毒等。6.26.2 配水管道系统方式的选择设计当今制药工业中所用的大多数系统都可从下述的配水系统中选

4、择 确定，系统的结构形式和功能原理都可以使用图中的结构之一来代表。 但必须说明，除此以外的其它的设计可能也是可以接受的。在评价使用 哪种结构在给定条件下是最佳的选择时，设计者都必须考虑许多因素， 其中包括对水是否需要QAQA 批准后放行的需求、水的理想规格、水力学 上度工艺用水系统的一些限制、每个用水点要求的保持的温度、使用点 总数和用水量以及能耗成本等等。每一种配水系统结构在能提供的微生物控制程度和所需的能耗等 诸方面是不尽相同的。例如，将贮水暴露在有利于微生物生长的条件下 的时间降至最低，通常可以获得较好的微生物控制程度。而将水贮存在 卫生条件下，例如加热条件下、臭氧消毒条件下或在湍流速度

5、下使水循 环流动，其配水系统结构可以比没有这些条件提供更好的微生物控制能 力。但是，其它的结构也可能达到足够的微生物控制能力，只要它们经 常冲洗和作卫生或进行恰当的消毒灭菌处理。限制水系统中流动或静止状态的水温变化量可以将能量消耗降至 最小。以贮存方式为 80C80C 的热水，但供给使用点时为较低温度的水， 从 其系统结构上考虑，必须在使用点前设置冷却装置来冷却水。而循环系 统中经冷却后的水在使用后剩余的部分为满足 80C80C 以上贮水的要求，还 需再次对其加热。循环系统中的水为满足热贮存、冷使用的原则，需要 经常冷却和重新加热水的系统结构比其它形式的系统结构会消耗更多 的能量。输送较低温度

6、水的系统结构用一个冷却交换器来满足低温要求。通常，水系统使用的冷却介质是机械冷却塔，降温温差较小，大多数的出 水温度都未能够冷却至 25C25C 以下，通常必须再混合使用低于 15 C15 C 的空 调用冷冻水或冷冻乙二醇的第二冷却交换器。一般从制造成本考虑，不 允许仅仅使用冷冻水或冷冻的乙二醇将水系统热贮存条件的水从80 C80 C以上冷却到 25C25C 以下，由此，需要综合配置冷却水系统。典型的配水系 统有下列一些结构形式。6.2.16.2.1 配水管道系统的选择确定设计从总体设计上考虑，对一个优良的只要用水系统来说，正确地设计 贮水和配水系统是至为关键的。任何贮水和配水系统的最佳设计都

7、必须 满足下面几方面的要求： 能将水质始终保持在可接受的质量限制范围内： 能够以控制系统内生物膜的生长要求所需的流速和温度将水送 到各使用点； 系统制造成本和操作费用和质量、安全性能价格比良好。并不是必须保护水以避免水出现任何形式的降解，而是只要保持水质在可接受范围内就行，而且更应特别注意控制微生物污染。例如，贮 水在可以从空气中吸收 COCO2的情况下贮存水，会增加水的导电性，用氮 气覆盖贮罐无水的上部空间可以避免或延缓贮水的降解。但是，对多数 系统来说，如果增大的导电性仍然在所控制的电导范围内，这种措施就 会带来不必要的开支，因此，可以忽略。近年来，随着技术的不断进步，许多过去并不普及的水

8、系统设计历年现已在制药工业中广泛采用。例如在提高温度的下贮存（温度80 C80 C以上）、恒温、恒压力的循环流动、系统管道采用机械抛光或机械抛光+ +电抛光管道、管道使用卫生卡箍连接、轨道白动惰性气体保护焊接、工 艺用水系统中的阀门尽量使用无阀芯组件污染的隔膜阀、经常对水系统作卫生和使用纯蒸汽或化学的方法消毒灭菌等措施的采用已成十分普 通。把所有这些特征融入各个典型的新设计，可减少水系统被微生物污 染的危险，但这些措施也会导致适当的成本增加。虽然这些项目的每一项都能够提供一定程度的安全保证，但认为它们全都需要设在每个系统中则是错误的。 许多系统在缺少一个或多个这 些设计性能时是能够成功地运行和

9、有效的管理的。一种更为合理的方法是充分地利用设计的性能，以最合理的成本、 最大限度减少微生物污染的危险。只有当需要将质量保持在较高的可接 受范围内时，在设计阶段才应该增加更大的、费用较高的性能措施。而且系统应设计得更加牢固，以致不必在以后为工艺用水系统再添加其他 的性能特征。当然，这也会影响成本和计划的完成。归根到底，每个系 统设计的有效性是由输送到使用点的所需水质来决定的。对水系统的设计者的最大挑战是，知道系统应包括什么样的性能，怎么能够以用最低 生命周期成本达到所需的保护程度。例如，注射用水系统设计采用 316L316L 不锈钢来制造贮存和分配系统， 系统一般在 80C80C 条件下使用操

10、作。配水管道全部是卫生级的，TIGTIG 白动 轨迹焊接，在使用点具有最短的死水段的采用了零死水段隔膜阀。系统内水以2.0m/s2.0m/s 的最低返回速度通过管道得以保持循环流动。在这种情况下，由于系统污染的危险已经很低，可以不要求使用抛光精度达到表面 粗糙度 Ra0.25 mRa0.25 m 的水平，即以电抛光为最终处理手段的高光洁度抛 光管道。而且对使用这种高光洁度抛光光到的费用提高是争议的，靠进 一步改进抛光质量所达到的益处可能并不是合理的。如果相同的系统暴露在大气中，则应考虑在贮罐上安装孔径为0.220.22 m m的疏水性呼吸过滤器，减少微生物污染的危险对于相对较小的 投资来说是相

11、当大的。用便宜的较大死水段阀代替昂贵的零死水段阀 时，可考虑增大系统水流动的最小循环速度以帮助补偿。优化水系统的 结果建议如下： 在有利于微生物生长的条件下时，水保存时间越短越好； 系统保存，循环过程中水温的改变越小越好； 无论米用何种清洁方式，清洁措施应能够接触系统种所有的内表面。只有在同一程度满足上述这些目标， 但又能够减少制造和使用周期内的费用条件下，才可以说一个水系统优于另一个水系统。以下通过现 在一些采用的贮存和配水概念的例子， 来帮助说明最佳水系统设计的基 本思想。6.2.26.2.2 工艺用水的贮存分配方式介绍本节对工艺用水系统的贮存分配方式作了全面的介绍，尤其是力求对注射用水系

12、统的一些常见结构形式和设计理念进行比较全面的介绍 和比较。不过，并非这些介绍的结构形式之外的系统形式即为不恰当地。6.2.36.2.3 配水管道系统型式的选择注射用水系统的具体设计形式和配置可根据工艺用水的客观情况， 参考下述选择设计程序，分别设计选择：图 6-26-2 配水系统选择设计程序图中的每个工艺用水系统的结构形 式，在提供的微生物控制程度和所需能量方面都所不同。将水暴露于有 利于生长的条件的时间降到最低，通常可获得较好的微生物控制，将水 贮存在卫生条件（如加热、臭氧下或在湍流速度下循环）的结构可望比 没有这些条件提供更好的微生物控制。但是，其它的结构可能达到足够 的微生物控制，只要它

13、们经常冲洗和作卫生。限制水温变化量可将能量消耗降至最低。以热水储存但供给使用点 时较低温度的结构，必须在使用前冷却水。只有在从系统中吸水时采取 冷却措施可将能量需求降至最低。经常冷却和重新加热水的系统结构形 式比其它系统消耗更多的能量。输送较低温度水的结构用一个冷却交换器能清楚地显示。 通常的冷 却介质是冷却塔水，这时产生的费用最少。目前，世界上大部分冷却塔 水也于降温温差有限，不能够将热贮存的工艺用水冷却至足以使用 25 C25 C 以下，必须加入使用冷却水或乙二醇的第二冷却交换器。通常成本不允 许单用冷却水或乙二醇将水从 80C80C 冷到 25 C25 C 以下，因为较冷的体积相 当大。

14、6.2.46.2.4 一些特殊情况的处理方法及应用实例6.2.4.16.2.4.1 直流式注射用水系统图 6-36-3 单罐贮存直流配水系统在资金较紧张和水系统比较小的情况下，可以考虑使用这种系统结 构形式。这种系统在可以经常性地对管道冲（清）洗或彻底作卫生和 消毒灭菌的情况下也时常使用。在用水点较少且连续用水时，这种系 统不失为一种较好的应用，但在用水点比较分散且较多的情况下，它 的优点就完全丧失了。因为在制药工艺过程不再使用水时，管道内水 的流动变为停滞状态。微生物的控制便更难于保持。因此，这种系统必须定期冲洗贮罐管道和定期对贮罐管道作卫 生、进行消毒灭菌处理，以保持微生物污染水平控制在可

15、接受的范围 以内。因而要求缩短消毒处理周期，以便更加经常作卫生、 消毒灭菌。这样会增大操作成本。同时，在这种非循环的系统中也难以对水质进 行连续的在线监测，减少了解整个系统中的水质变化情况。6.2.4.26.2.4.2 使用两个贮罐对水分批检测后使用的系统 图 6-46-4 使用两个罐，分批检测后使用，再循环系统在这个系统中，水在进入制药工艺使用之前需要经过 QCQC 检测合格， 再由 QAQA 批准后使用放行。本系统以每一个贮罐中的水作为一个注射用 水的使用批，在运行过程中，一个贮罐向制药工艺的用水点供水，而另 一个贮罐注水和 QCQC 检测并等待 QAQA 批准使用。这是一种操作极不方便

16、的系统，而且通常只能局限于较少的系统，这是此系统的主要缺点。但 正因为这种系统在使用前已经检测了罐内的水质，贮罐中水的使用始终在 QAQA 和 QCQC 的严格控制下，每批药品使用的水都能够被追踪，而且可 以有标志得以识别，因而也成为最可靠的注射用水系统。这种系统除使 用不方便以外，还有一个缺点是投资大，运行成本较高。6.2.4.36.2.4.3 单贮罐平行环状配管系统图 6-56-5 单个罐管道串联环状循环系统这种系统结构是结合贮罐和环状配水管道连续控制使用的方案。由一个热贮罐、一个热分配环状管道和一个冷却使用和重新加热环状管道 组成。这种两种平行串联的配水环路是非常普遍的，而且在要求多种用

17、 水点温度或工艺用水使用的区域范围较大， 以致于单循环配水环路的价 格过高或流体动力学不合适的情况下是最有利的。这种系统结构主要应关心的是怎样平衡两种温度环路，以保持系统种适当的压力和流动速 度。这个平衡问题可以通过使用压力控制阀门（如图所示）或为每个环 路提供单独的水泵来解决。6.2.4.46.2.4.4 在环境温度下贮存和输配的系统图 6-66-6 环境贮存和环境分配系统在普遍环境温度条件下生产水而且只在环境温度下使用，并且由足够的时间对系统作卫生和消毒灭菌时，采用此环境温度下贮存和输配的 系统最为有利。由于这个系统内水是贮存在环境温度下，微生物污染的 控制不如热贮存系统结构那样好。但是，

18、只要能够经常性地彻底作卫生 和消毒灭菌，本系统也可以很好地控制微生物的生长。另外，通过大量 生产工艺用水使贮罐内的水位下降，然后再加热余下的水，并通过环状 管道进行内循环流动，一般也可以实现较可靠地卫生管理。采用降低水 位后为卫生的方式还可以降低作卫生的方式还可以降低作卫生时所需 的能量和时间。本系统向贮罐的夹层内供应蒸汽或者在循环管道上用使用热交换 器提供热量，可以将系统内部的贮水和循环流动的水的温度维持在对控 制系统微生物污染有利的条件下。为防止因泵白身运转产生的热量使水温增高，系统内水需要冷却，而且在作卫生和消毒灭菌后水也需要冷却。 因此，在作卫生和消毒灭菌处理以前，通过大量用水使贮罐的

19、水位下 降，为控制微生物污染采取的卫生措施消耗的水就较低，如果不是用水 而是采用排水，水的消耗就较大。总体上讲，环境温度下贮存和输配的工艺用水系统投资和运行成本 较低。该系统的另一个优点是，它能以较高的流速提供环境温度条件下 的制药工艺用水，而不需要在复杂的用水点配置热交换器。工艺用水在 环境温度下贮存和输配的系统的主要缺点是，用作卫生和消毒灭菌所需 用的时间比其他方式的系统更长， 因为这种系统需要时间加热和冷却贮 罐里的贮水。6.2.4.56.2.4.5 热水贮存和热水分配方式的配水系 统图 6-76-7 热贮存和热分配系统热水贮存和热水分配方式的配水系统，适用于制药工艺过程的所有 使用点都

20、需要热水（大于 65C65C）供应时。这种系统结构以向贮罐的夹层 通入锅炉蒸汽，或代之以在循环环路的回水管道上使用热交换器来保持 贮罐内的温度。带压力的回水通过喷淋球返回到罐顶，以保证整个贮罐 顶部没有贮存水的内表面仍是湿润的。这种系统结构能够提供极好的微生物控制水平，而且日常操作简 单，使用安全可靠。此外，贮罐和环路为控制微生物污染而要求作的卫 生工作和使用纯蒸汽和化学消毒灭菌的频率很低，而且整个系统内水温随时都保持在 80C80C 以上，基本不需要再进行单独的消毒灭菌处理。 这种 系统一般都能被有关理部门（例如 SDASDA 和 FDAFDA）接受。对这个系统关心的范围应包括循环泵对气穴的

21、适应性、呼吸过滤器 上水的冷凝和形成铁锈的问题、怎样防止工作人员被烫伤等。如果允许 在较低温度 （6565 C C） 条件下操作和恰当地排水，加强人员防护装置可将 烫伤降至最少，可以使用计算净吸热能力的方法来统计热水的高蒸汽 压，以避免注射用水系统中产生过大气穴，影响注射用水系统泵的正常 运转，进而导致系统的流体力学特性恶化。贮罐上安装疏水性的除菌级呼吸过滤器，对过滤器进行良好地排 水，以较低压蒸汽夹套加热过滤器也可防止过滤器冷凝，造成微生物滋 生的温床。同时，还应避免过度加热，以防止熔化呼吸过滤器骨架。对 系统管道内壁进行钝化和在较低温度条件下操作可以控制铁锈生成。6.2.4.66.2.4.

22、6 热贮存和再加热的系统结构图 6-86-8 热贮存冷却使用后再加热的系统当水是由加热产生，要求对水由严格的微生物控制，并且生产周期 中只有很少的间隙时间用来作卫生消毒处理时，使用热贮存和再加热的系统结构最为有利。这种系统结构能提供极好的微生物控制水平，并且 很容易对系统作卫生处理。假如工艺过程中有多个低温使用点，这种系 统比使用热交换器的点需要的投资更少。来白系统贮罐内的热水先通过第一个热交换器冷却至用水点所需温度，循环到使用点供使用，然后在 返回贮罐之前在第二个热交换器中再加热至热贮存所需的温度（例如 80C80C 以上）。定期地关掉换热器的冷却介质，可以利用配水环路本身的 水温对系统进行

23、卫生消毒处理。这种系统卫生消毒处理时，由于不需要 冲洗，水的消耗最少。热贮存和再加热的系统结构的主要缺点是，能耗较高，因为系统既 需要冷却又需要再加热循环水，不管它是否从配水环路中吸出水使用。6.2.4.76.2.4.7 使用臭氧消毒灭菌的系统图 6-96-9 加臭氧消毒贮存和分配系统在许多制药用水的过程中发现，为控制微生物污染，利用纯蒸汽或 将水加热到 8080 C C 以上定期作卫生和消毒灭菌，在环境温度下贮存和分配 水是比较安全的和节约成本的。使用臭氧来控制贮罐内存水，定期向循环配水环路内加入臭氧来代 替热水卫生处理，也可以有效地满足系统微生物控制的要求。使用臭氧 或化学卫生消毒方法的优

24、点是，这个方法能够使用塑料作为系统的结构 材料（这在欧美纯化水系统中应用已经很普遍）。但是，由于使用了臭氧对系统进行卫生消毒处理，在制药工艺使用 该系统水以前，必须测试系统的出水中臭氧已除去至足够低的水平，以 致不会影响最终产品的质量。这也是这种系统目前普及率不高的原因。6.2.4.8.6.2.4.8.热贮存和白带配水系统图 6-106-10 加热贮存，白带分配环路系统当水是由加热产生，有较多的低温用水点而且极需降低能耗时，使 用热贮存和白带配水系统结构最为有利。这种系统结构在提供冷却和再加热循环时不需要大量的能耗。贮罐内的热水通过热交换器冷却，循环 到使用点，然后返回到泵的吸管旁路贮罐内。只

25、要关掉换热器的冷却介 质，并打开返回到贮罐的回水阀，即可使热水流过循环管路，达到定期 的对循环管道作卫生处理的目的。另一种方法是加入温度较高的水替换掉较低温度的水，使其排除掉知道循环管道变热，然后回流到贮罐中。贮罐中的水通过蒸汽夹层或循 环配管上的热交换器而保持温度。当水质使用点的阀排出时，贮罐的热水就流入配管环路，并用以热 交换器冷却水，热水流过贮罐和循环泵之间的一段容易成为死水段的短 管道，如果使用速度减慢，少量的水能够连续地或定时保持此管道被冲 洗返回到贮罐。第三种替代的方法是让循环水返回到贮罐排除阀的下部液流中，此，死水段的问题基本可以忽略部计。6.2.4.96.2.4.9 系统支管上

26、设置热交换器满足多个分支用水点的结构图 6-11,6-11,图 6-12,6-12,图 6-136-13 表示出系统支管上热交换器的三种不同 设计，这三个设计都能将冲洗水排泄至微生物较少。这种结构除了要求 低温的使用点配有使用点热交换器之外，并在打开使用点的阀门之前调因节温度。这三种设计都能在不需要水的时候对热交换器的流出管道作卫 生处理。这三种设计方案在联系的投资成本、卫生消毒方法、所用冲洗水量 方面有所不同。图 6-116-11 中的纯蒸汽可以实现湿热灭菌。在图 6-126-12 中的 卫生消毒，是用来白配水管道的热水循环通过使用点的热交换器，返回 到主配水循环管中来实现的。图 6-136

27、-13 是通过从主配水系统中取出水，采 用壳管式换热器或蛇形管式冷却器，以及板式换热器进行降温处理。随着低温用使用点数目的增多， 投资成本和要求的空间使得系统的 价格过高。应考虑采用其它类型的结构，。由于卫生处理冲洗耗水量很 大，尽管因为只有流出环的水被冷却，能耗适中，仍必须消耗额外的能 量以形成冲洗和排出水。由于添加了热交换器和阀，对维修的要求很高。 再则每个热交换器都必须进行适当的冲洗和作卫生处理，所以操作比较6-116-11复杂。通过限定热交换器的大小来限制每个流出口的容量。方案图引起主配水环路附加的压力降低，这将导致加大的循环水泵的供水压 力。图 6-116-11 系统中只有一个水点图

28、 6-126-12 位于支管环路上的使用点图 6-136-13 用水点采用换热器多个用水点使用6.36.3 配水管道的计算制药工艺过程用水的量是根据工艺过程、产品的性质、制药设备的 性能和药厂所处地区的水资源情况等多种条件确定的。通常，工艺用水 量的计算按照两种主要的用水情况进行。一种是根据单位时间内，工艺 生产流程中某种耗水量最大的设备的耗水量为基础考虑。另一种是按照消耗在单位产品上的水量（这个水量包括辅助用水）计算，无论采用那 一种算法，应尽量考虑生产工艺用水的需求，在药品制造的整个生产周 期内比较均匀，并具有规律性。制药工艺过程用水为满足工艺过程的各种需要，其设计用量是根据 具体品种的药

29、品，在生广中的工艺过程直接用水和辅助过程间接用水等 方面的用水量之和决定。其计算用水量和一天中生产过程的用水情况的 高峰用量和平均用量综合确定。 不同的药品产生过程其用水量的情况相 差很悬殊。因此，设计用量应在考虑生产的具体品种和产生安排等方面 的因素后，根据前述工艺因素分配输送管道的设计形式和要求原则具体 确定。6.3.16.3.1 工艺用水点情况和用水量标准工艺用水系统中的水，是为了满足制药工艺过程中的各种工艺需求 所消耗的水。具体的用水量和采用的工艺用水设备的完善程度、药品生 产的工艺方法、生产地水资源的情况等因素有关。通常，工艺用水的变 化比较大。一般来说，工艺用水点越多，用水工艺设备

30、越完善，每天中 用水的不均匀就越小。制药工艺用水的情况因各个工艺用水点的使用条件不同，差异很大。如前所述，工艺用水系统分单个和多个用水点、仅为高温用水点或 仅为低温用水点、既有高温用水点又有低温用水点、不同水温的用水点 中，既有同时使用各种水温的情况又有分时使用不同水温的情况，等等因此，用水点的用水情况很难简单地确定。必须在设计计算以前确定定 制药工艺用水系统的贮存、分配输送方式，确定出在此基础上的最大瞬 时用水量。然后，再根据工艺过程中的最大瞬时用水量进行计算。工艺过程中的最大用水量的标准，根据药品生产工艺所需的全年产量，按照具体每一天分时用水量的统计情况确定，确定用水量的过程中 应考虑所设

31、置的工艺用水贮罐的调节能力。6.3.26.3.2 系统设计流量的确定设计工艺用水管道，需要通过水力计算确定管道的直径和水的阻力 损失。其主要的设计依据就是工艺管道通过的设计秒流量数值。设计秒 流量值的确定需要考虑工艺用水量的实际情况、的因素等。通常，按照全部用水点同时使用确定流量。按照生产线内用水设备 的完用水量的变化以及影响善程度，设计秒流量为：q=E nqq=E nqmaxc c式中：q-q-工艺因素的设计秒流量（m3/sm3/s）; ;n-n-用水点和用水设备的数量；q qmax-用水点的最大出水量（m3/hm3/h）; ;c-c-用水点时使用系数，通常可选取为 0.50.50.80.8

32、。6.3.36.3.3 管道内部的设计流速制药工艺用水是流体的一种类型。也具有流体的普遍特性。流体在 管道中流动时，每单位时间内流经任一截面的体积成为体积流量。而管 道内部流体的速度，是指流体每单位时间内所流经的距离。制药工艺用 水管道内部的输送速度和系统中水的流体动力特性有密切的关系。因 此，针对制药工艺用水的特殊性，利用水的流体动力特性，恰当地选取 分配输送管道内水流速度对于工艺用水系统的设计至关重要。制药工艺用水系统管道内的水力计算，和普通的给水管道的水力计 算的主要区别在于：制药工艺用水系统的水力计算应仔细地考虑微生物 控制对水系统中的流体动力特性的特殊要求。具体区别是，在制药工艺 用

33、水系统中越来越多地米用各种消毒、灭菌设施。并且将传统的单向直 流给水系统改变为串联循环方式。图 6-146-14 传统单向流和串联循环方式示意图这些区别给制药工艺用水系统流体动力条件的设计和安装带来一 系列意义深刻的变化。例如，为控制管道系统内微生物的滋留、减少微 生物膜生长的可能性等。为此，美国药典对制药工艺用水系统中的水流状提出了明确的要 求，希望工艺用水处于“揣流状态”下流动，这就须要通过对流体的动 力学特性的了解，来理解美国药典要求使用“揣流状态”概念特殊意义。通常，流体的速度在管道内部横断面的各个具体点上是不一样的， 流体在管道内部中心处为的流速最大，愈靠近管道的管壁则流速愈小， 而

34、在紧靠管壁处，则由于流体质点附着于管道的内壁上，其流速等于零。 工业上流体管道内部的流动速度，可供参考有以下的经验数值：(1)(1)普通液体在管道内部流动时大都选用小于3m/s3m/s 的流速，对于粘性液体多选用 0.5m/s0.5m/s1.0m/s1.0m/s，在一般情况则可选取为流速为3m/s3m/s。(2)(2)低压工业气体的流速一般为 8m/s8m/s15m/s,15m/s,较高压力的工业气体则为15m/s15m/s25/s25/s。饱和蒸汽的流速可选择 20m/s20m/s30m/s30m/s 而过热蒸汽的流 速可选择为 30m/s 50m/s.30m/s 50m/s.流体运动类型，

35、可由雷诺实验中观察到。雷诺根据以不同的流体和 不同的管径获得的实验结果，证明支配流体流动形式的因素，除流体 的流速 q q外，尚有流体流过导管的直径 d,d,流体的密度 p p 和流体的粘度流体流动的类型由 dqp/dqp/叫所决定，此数率称为雷诺准数，以 ReRe 表示。根据雷诺实验，可将流体在管道内的流动状态分为平行流(滞 流)和揣流两种情况。要注意，雷诺准数为一个纯粹数值，没有单位，因而又称为无因次 数率。只要在计算之中，所采用的单位一致，对于任何单位都可得到同 样的数值。例如在米千克-秒制中雷诺准数的单位为：dqp/ v =mm/sKgdqp/ v =mm/sKg imim /Kg?s

36、/s/Kg?s/s =m=m KgKgss/ /24201.5m/s1.5m/s从式中可见，所有单位全可消去，所剩下的为决定流体流动类型的 数值。而采用厘米-克-秒绝对单位制或尺-磅-秒英制等，均能得到同样 的结果雷诺实验表明，当 ReRe 数值小于 23002300 时，流体为滞流状态流动。 ReRe 数值若大于2300,2300,流体流动的状态则开始转变为揣流。但应注意，由于物质的惯性存在，从滞流状态转变为揣流状态并不是突然的，而是 会经过一个过渡阶段，通常将这个过渡阶段称之为过渡流，其ReRe 数值 由23002300 到 40004000 左右，有时可延到 10, 00010, 000

37、以上。因而，只有当 ReRe 等 于或大于1000010000 时，才能够得到稳定的揣流。由滞流变为揣流的状况成为临界状况，一般都以 23002300 为 ReRe 的临界值。须注意到这个临界值系和许多条件有关，特别是流体的进入情况， 管壁的粗糙度等等。由此可见，在制药工艺用水系统中，如果只讲管道内部水的流动， 还不足以强调控制微生物污染的可靠条件，只有当工艺用水的流动过程的雷诺数 ReRe 达到 1000010000 时，真正形成了稳定的揣流时，才能够有效地 造成不利于微生物生长的水流环境条件。 并且由于微生物的分子量要比 水的分子量大得多，即使处于管壁处的流速为零，如果已经形成了稳定 的揣

38、流，水中的微生物便处在无法滞留的环境条件中。相反，如果在制 药工艺用水系统的设计和安装过程中， 没有对水系统的设计及建造中的 细节加以特别的关注，造成流速过低的结果、管壁粗糙、管路上存在死 水管段或选用了结构不利于控制微生物的阀门等等，微生物就完全有可能依赖于此造成的客观条件，在工艺用水系统管道的内部管壁上面积累 生成微生物膜，对制药工艺用水系统造成微生物污染。6.3.3.16.3.3.1 滞流流体在管道内部流动时，其每个流体质点稳定地沿着和管轴中心平 行的方向流动。此种流动称为平行流动（层流）或粘滞流动，简称为滞 流。流体处于滞流状态下时，流速沿导管直径系依抛物线的规律分布（见 图 6-15

39、6-15）, ,此时，管道中心的速度最大，沿曲线渐近管壁则速度渐小以 至等于零，其平均速度为管中心速度之一半。图 6-156-15 滞流状态示意图6.3.3.26.3.3.2 揣流流体在管道内部流动时，流体质点不按照同一方向移动，而是作不 规则的曲线运动，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化， 质点间彼此互相激荡撞碰发生骚捣现象。 流体的这种流动状态称为斋流 或揣状流动，简称揣流。当液体处于揣流状态时，流速的分布情况为另 一种曲线（如图 6-6-1616）, ,曲线形状和抛物线相似，但顶端稍宽。而且由 于在揣流中流体质点的相互撞碰，其流速在大小和方向上均时有变化， 并趋向于一个平均值。

40、因此，当揣流的状态愈明显，其曲线的顶端愈平 坦，处于十分稳定的揣流状态下时，其平均速度为管中心最大速度的 0.80.8 倍到 0.90.9 倍左右。图 6.-166.-16 揣流状态示意图按照上述描述的流速在管道内部分分布的情形可知，即使流体确为揣流，其接近管壁处仍可能存在一层滞流的边界层。这个边界层实际上 包括真正的滞流层和过渡层。在真正的滞流层中，流体速度近似地成直 线下降到管壁处速度趋于零。过渡层则介于真正滞流层和流体主体之 间。边界层的厚度为 ReRe 的函数。因此，在流体流动中并不存在单纯的揣流，也没有纯粹的滞流。实 际上，在揣流中同时有滞流层存在，在滞流中也可能有揣流的存在，而 是

41、因部分流体质点在滞流时有变形和旋转的现象，液体边界层的存在， 对流体的传热和扩散过程都会产生很大的影响。上述流速分布情况指流体的流动已达稳定状态的情况而言。流体在进入管道内部后须要流经一定距离，其稳定的状态才能够真正形成。对 揣流，实验证明，其流经的直管段距离达到 4040 倍管道直径以后，稳定 状态才方能可获得。另外，流速的分布规律只有在等温状态下才是成立，即要求流体中 各点的温度是一致的，恒定不变的。6.3.46.3.4 工艺用水系统管道的水力计算工艺用水管道的水力计算，通常是在根据各用水点在工艺使用位 置，绘出系统的管网轴测图后进行。根据管网的轴测图中各管段的设计 秒流量，按照制药工艺用

42、水要求水的流动应处于揣流状态，既管内水流 速度大于2m/s2m/s 的要求，计算各管段的管径、管道阻力损失，进而确定 工艺用水系统的所需的输送压力，选择供水泵。6.3.4.16.3.4.1 确定输水管径在求得轴测图中各管段的设计秒流量后，根据下述水力学公式计算和控制流速选择管径d di=18.8=18.8（Q Qg/V/V）式中：di-di-管道的内径（m m）12Qg-Qg-各管端的设计秒流量（m3/sm3/s）v-v-管内流速（m/sm/s）一般情况下，管道的直径是由系统内经济流速确定的。由上式可间,一旦流速确定，白然就得到了对应流量的直径。配管中流体的阻力，对 于同一流量来说，管径越大，

43、阻力损失越小，在动力方面是经济的，但 设备的费用会增加，并且可能并不满足怎么工艺用水系统要求水流状态为揣流的要求。制药工艺管道内满足微生物控制的流速采用2 23m/s3m/s。6.3.4.26.3.4.2 确定管段的压力损失(1)(1) 工艺用水系统管道的沿程阻力损失：py=K1py=K1式中：py-py-工艺管段的沿程阻力损失(mHmH2O):O):1-1-所计算管段的长度；K-K-管道单位长度的水力损失，按照制药工艺用水管道通常采用不 锈钢，管道内部的流速大于 2m/s,2m/s,可使用下式计算；K=0.00107 (mHK=0.00107 (mH20/m)0/m)计算。(2)(2) 管道

44、的局部损失pjM (vpjM (v2/2g)/2g)式中：pj-pj-局部阻力损失的总和(mHmH?。)；E I -E I -局部阻力系数之和，按照工艺用水系统管道中的不同管件 和阀门附件的构造情况有各种不同的数值；v-v-沿着水流方向，局部阻力下游的流速；g-g-重力加速度(m/s2)(m/s2)在工艺用水系统管道局部阻力的计算时，通常可不进行详细的计算。而按照沿程阻力损失的百分数采用，可取值为20%&20%&程阻力损失。(3)(3)管道接头阻力损失管接头的压力损失取决于其大小类型，用 I I 值计算。管道接头阻 力系数如小表:表 6-16-1 管接头的压力损失管径202032325050

45、63 63管接头类型阻力系统 1 1圆弧弯头9090。弯头4545。弯头T T 型接头入 口1.51.52.02.00.30.31.51.50.50.51.01.01.71.70.60.61.11.10.50.50.80.8出 口1.01.0(4)(4)管道中的压力损失Z p= =Zp+Z fi+ Z va式中：P-P-管道的阻力；fi-fi-管接头vava -阀门(5)(5) 阀门中的压力损失 P Pva=(Q/K=(Q/Kv) ) .(P/1000).(P/1000)式中： P Pva-阀门中的压力损失：Q-Q-流量(m(m3/h );/h );2K/-K/-阀门特殊的流量(m m3/h

46、);/h );p-p-液体的密度。图 6-176-17 阀门特殊的 KvKv 的定义(6)(6) 系统管道压力损失_ _ _ _ , 2 _ , 2 _E i? = E E .(/2g) P .1OOOE i? = E E .(/2g) P .1OOO式中：E IPE IP-系统管道压力损失；Z -E -E 管接头阻力之和；v-v-管道内部流动速度(m/s)m/s)g-g-重力加速度(9.81m/S);9.81m/S);p-p-液体密度(Kg/m3).Kg/m3).6.3.4.36.3.4.3 工艺用水管道水力计算的方法根据管道的布置方式，工艺用水系统水力计算的步骤略有区别，无 论系统为不循环

47、管道系统或循环的管道系统，由于循环系统通常水回水 至贮罐内，水泵本身并不能形成闭环路，因此，计算方法是相同的，管 道系统的计算和给水管道的计算类似，步骤大致为：(1)(1) 根据工艺用水系统轴测图选出要求压力最大的管路作为计算管路；(2)(2) 依据管路中流量变化的节点对计算管路进行编号，并标明各计算管段的长度：(3)(3) 按 6.3.4.16.3.4.1 节提供的公式计算各管段的设计秒流量，工艺用水系 统的设计秒流量可直接在 2m/s2m/s3m/s3m/s 范围内选取:(4)(4) 进行水为计算，决定各计算管段的直径和水头损失，可通过查 水力计算选用表，并计算出水头损失；(5)(5)按照

48、计算结果，确定工艺用水系统所需的总水头 H ( MPa);H ( MPa);(6)(6) 根据总水头选择水泵的功率和压头，并进行系统配管的校核计6.46.4 典型制药工艺用水系统设计实例制药工艺用水系统根据工艺用水的要求和具体用水情况的不，有各种各种的系统设计形式。无论是那一种系统设计形式，都围绕着制 药工艺用水的特殊情况，针对工艺用水的制备、贮存、分配输送和微 生物控制等方面的要求进行综合性设计。制药工艺用水系统的设计都 是综合性设计。6.4.16.4.1 典型纯化水系统设计实例纯化水系统可以单仪使用目的设计，也可以作为注射用水的前道水 来处理纯化水系统的设计可有多种选择，这些选择和原水的水

49、质、产品 的工艺要求及企业的其它实际情况相关，最根本的原则是符合要求及产生出符合标准的纯化水。GMPGMP 的6.4.4.16.4.4.1 典型纯化水系统流程图图 6-186-18 典型纯化水系统配制图6.4.1.26.4.1.2 流程设计要点简介(1)(1)原水箱：一般原水箱应设置高、低水位电磁感应液位计，动态检测水箱液位。 在不处于低水位时仍具备原水泵、计量泵启动的条件，水箱材料多采用 非金属如 PEPE。(2)(2)原水泵:可采用普通的离心泵，泵应设置高过热保护器、压力控制器，以提 高泵的寿命。出现故障的泵还应没有白动警报系统。(3)(3) 药箱、计量泵：假如原水水质浊度较高，通常运用精

50、密计量泵进行白动加药 (加药 量分子絮凝剂，使原水中的藻类、胶体、颗粒及部分有机物等凝聚位较 大的颗粒以便后面的沙滤去除。加药箱的材质亦多位非金属材料如计量泵的定量加药应和原水泵运转使用同步进行。(4)(4) 机械过滤器：原水若使用井水，井水中常含有颗粒很细的尘土，腐植质，淀粉， 纤维素以及菌、藻类微生物。这些杂质和水形成溶胶状态的胶体微粒， 由于布朗运动和静电排斥力而呈现沉降稳定性和聚合稳定性，通常不可PE,PE,能用重力白然沉降的方法除去。一般原水预处理可以用添加絮凝剂来破 坏溶胶的稳定性，使细小的胶体微粒，再絮凝成较大的颗粒，通过沙滤 和碳滤预过滤，以除去这些颗粒。在沙滤中所用的滤料多采

51、用大颗粒石 英砂，把原水中的絮状杂质(主要为有机物腐殖质和粘土类无机化合物) 去除，通过机械过滤器处理后，出水的浊度小于0.5HTU0.5HTU。由于原水中氯离子对金属的氧化性，以及时间久了会使金属的表面发生晶件腐蚀。 因此，机械过滤器罐体可采用玻璃钢内衬 PEPE 胆的非金属罐体，反冲洗 系统宜采用白动多路阀，以实现白动反冲，达到无人操作的目的。(5)(5) 活性碳过滤器：在本例的水系统中采用了反渗透处理工序，而反渗透进水除了要求淤集密度指数 SDI 5SDI 5 之外还有另一个进水指标余氯量0.1mg/1,2m/s2m/s。(19)(19)紫外线杀菌器：尽管整个纯化水系统通过以上的各个流程

52、处理，其水质虽然已达到了供水的水质的要求，但为防止管道中的滞留水及容器管道内壁滋生细 菌面影响供水质量，在反渗透处理单元的进出口，供水管道末端设置 大功率的紫外线杀菌器，以保护反渗透处理单元受到水系统可能产生 的微生物污染，杜绝或延缓管道系统细胞滋生。(20)(20)巴氏灭菌器在整个水系统中，有两处需要对微生物特殊进行控制。一处是活性炭过 滤器和软化器，在这里，由于活性炭过滤器和软化器的主要作用都有去 除有机物，其上流侧必定会随使用时间的推移积累大量的有机物。为使 该处理单元具有确定的处理微生物的能力， 又不会因微生物积累的过多 对下流侧造成污染，有必要对其进行定期的消毒，另一处是成品纯化水

53、循环系统的定期消毒。在这个例子中，采用了巴氏灭菌器完成上述所需 的定期消毒灭菌。每个巴氏灭菌器设置二个温控探头，一个在使用设备 贮罐内，另一个在热交换器出口处，巴氏灭菌器的回水温度不低于 80C,80C, 出水温度在 83C83C 以上。通常，每周消毒灭菌一次，整个消毒过程持续 1 1 小时 2 2 小时。巴氏灭菌器常用的消毒程序是： 贮罐 7 7 水量约 15%,15%,在一定时间内升温至 80C80C，然后保温 1 1 小时2 2 小时，然后冷却，同时进纯化水并降 温至25C25C。巴氏灭菌的消毒周期视微生物污染水平而定，例如当微生物超过50CFU/ml50CFU/ml 时消毒处理。6.4

54、.26.4.2 典型注射用水系统设计实例注射用水系统是制药工艺用水系统关键组成部分，注射用水系统典型 地体现出制药生产工艺对水的特殊要求 一对系统中微生物的严格控制。6.4.2.16.4.2.1 典型注射用水系统流程图 图 6-196-19 典型注射用水系统配置图6.4.2.26.4.2.2 流程设计要点简介(1)(1) 原料水贮罐：本例中贮罐贮水为纯化水，使用 304L304L 不锈钢制造。通常，蒸馆水 机原水贮罐应设置高、低水位电磁感应液位计，动态检测贮罐内液位高 度。贮罐内进水管道上设置喷淋球，以保持贮罐内部罐顶四周的湿润， 不受罐内贮水变化的影响，贮罐内顶部应设置0.220.22 的除

55、菌级的呼吸过滤器，以避免贮罐内水位变化时罐外污染空气对纯化水的污染。安装 设置时应考虑当罐内贮水部处于高水位时仍具备蒸馆水机加压泵启动 的条件。(2)(2) 多效蒸馆水机：注射用水的制备采用蒸馆法，设备使用多效蒸馆水机，要求蒸馆水 机的一号蒸馆柱采用内外双层焊接型蒸发管，避免可能出现的锅炉源整齐泄漏，和原料水之间造成交叉污染。同时，蒸馆水冷却器液有同样的 结构要求，以避免成品水和冷却水可能出现泄漏时产生交叉污染，影响 出水质量。多效蒸馆水机的蒸发管道和冷却器采用316L316L 不锈钢制造。多效蒸馆水机应具有较高的白动化程度，具有对不合格蒸馆水白动排放的能力，尤其对出水质量有较大影响的电导率、

56、pHpH、微生物、热原、化学成分和排污染中的溶解固体总量(电导率法)要能够随时进行在线或 离线的监控。(3)(3) 纯蒸汽发生器：为了控制系统中微生物的污染，系统中设置了纯蒸汽发生器，必要 时可对注射用水系统设备或管道进行蒸汽消毒，纯蒸汽发生器即为多效 蒸馆水机的一号蒸馆柱，因此，也要求蒸馆柱采用内外双层焊接型蒸发 管，避免可能出现的锅炉源蒸汽泄漏，和原料之间造成交叉污染，纯蒸 汽发生器采用 316L316L不锈钢材料制造，设置有较高的白动控制设备，对 蒸汽的压力，流量、温度、电导率、pHpH、等进行监控，并结合配管系统 及各用水点的灭菌温度控制和整个注射用水系统的白动控制系统整合 在一起。(

57、4)(4) 注射用水贮罐：系统中设置注射用水贮罐是为了调整控制系统用水的峰谷情况，贮罐的容积结合蒸馆水机的出水能力和工艺使用情况确定。 贮罐采用 316L316L 不锈钢材料制造，贮罐应设置高、低水位电磁感应或玻璃液位计，动态 检测贮罐内液位高度。贮罐内循环回水管道上上设置喷淋球，利用循环 回水的动力形成对罐体的在线清洗状态， 以保持贮罐内部罐顶及四周的 湿润，不受罐内贮水变化的影响。贮罐的夹套通锅炉蒸汽，由罐内水温白动控制贮水的温度。贮罐的安装位置应考虑当罐内贮水不处于高水位时仍具备注射用 水循环泵启动的条件。贮罐顶部应设置 0.220.22 m m 的除菌级的呼吸过滤器， 以避免贮罐内水位

58、变化时罐外污染空气对注射用水水质的污染，最低位置处应设置排污阀，可随时将罐内余水排尽。(5)(5) 注射用水泵：贮罐的注射用水泵 应该是卫生级泵，由 316L316L 不锈钢材料制造。该泵应具 有较高的压头，以保证注射用水循环系统中水能够以较高的流速流动， 最大限度地控制循环管壁上微生物膜的生成。通常，为避免管道内壁的 微生物膜的生成，要求管内的流速达到2m/s2m/s 以上。并且要求泵能够在热水中含有蒸汽的揣流状态下正常运转。注射用水泵出水口最好采用 45C45C 角度，这种角度的泵出口使泵内上部空间无容积式气隙，以避免纯 蒸汽灭菌后残余蒸汽聚集在泵体的上部，影响泵的运转，泵的密封可采 用注

59、射用水，始终流动白密封的方式。在泵体的底部还应安装有将泵内 余水排尽的排水阀。图 6-206-20 注射用水泵的出口角度(6)(6) 热交换器：本例注射用水系统在配水循环回路中设置有两台换热器，一台加热器和一台冷却器。加热器的作用是系统中水的温度始终保持在较高的温 度之上，例如 80C80C 以上。使注射用水系统初中处于巴氏消毒状态，以控制系统微生物的生长。冷却器的作用是将系统中较高的水温冷却至制药 工艺用水温度，例如水温控制在 40C40C 以下。换热器的制造材料也使用 316L316L 不锈钢。在换热器结构上应允分考虑热交换过程会不会产生泄漏并引起交叉污染。(7)(7) 配水循环管路：注射

60、用水的配水循环管路在设计应要求系统串联循环，无死角，管 道和阀门管件采用 316L316L 不修钢制造。管道连接和管道阀门管件的连接 采用惰性气体保护焊接和管箍卫生连接两种方式相结合。为了尽量减少连接处的缝隙，管道连接的方法应焊接为主，卫生连接为辅。为了尽量 减少微生物滞留在系统中的可能性，316L316L 不锈钢管道最好采用内部机械或机械加电抛光，提高管壁的光洁度。管道安装完成投入使用以前， 需对管道内壁进行化学钝化处理， 使管道内壁的不锈钢材料表面形成一 层氧化铭保护层，氧化铭保护层能够抵抗高纯度高温注射用水对不锈钢 材料的腐蚀。系统管道的安装应设置 0.3%0.3%以上的坡度，以利于管道

61、内余 水的排尽。应对管道进行适当的保温，以减少热量的散失，节约能耗。(8)(8) 控制系统：注射用水系统的控制系统应整合蒸馆水机的控制系统、泵的启动系统、换热器电动或气动阀门的控制、贮管水位控制、系统温度控制和水 质控制等方面的内容，按照对水系统各项指标进行检测、控制、记录的 要求综合设计。表 6-1 工艺用水管道系统结构特性表项目分批系统投资费费用局分技单向通路费用低单贮罐平行环路、中等费用费用低贮热散热常温贮存常温供给费用低-中等费用水耗能耗费用局费用低费用局费用低中等费用取决环路费用低费用低中等费用费用低费用低费用局中等费用中等费用费用局中等费用中等费用费用低热贮存、冷却再加热中等费用热

62、贮存自然散执 八、使用热交换器的点无贮罐常温路费用局费用低中等费用数据获得性可操作性维护要求简单复杂中等费用复杂复杂费用低复杂取决环路取决环路简单简单中等费用一般一般费用低简单一般中等费用一般一般中等费用一般一般到复杂费用局一般一般中等费用贮罐循环非关键性有限对热贮罐非关键一般一般一般有限非关键性不适用管道冲洗要求关键关键取决环路非关键一般不关键一般关键一般对大峰值需求量的会应能力环路平衡和QA 作出好一般到好好好（热水冲击一般一般到好受交换器大小限制一般限制保量）持一般简单关键简单一般一般一般关键一般控制要求微生物内毒素生长潜在性在何时最有优势费用低-中等费费用局(3)热=费用费用低中等费用

63、（1）费用低-中等费用(2)费用低=中等中等费用热=费用低常温=中等低常温=费用（2）用生产方严密投中等费用需要的多种温度或液压限制费用要求热水，生产出的水的热的，或常温或冷水需求量大，在常温下生产水微生物控制严密消毒时间有限，能耗没问，使用多个低温常温到冷水的取大品求里，单位能耗成问需要用热水和温热水，低温使用器的数量要少。空间制或水箱循环要考虑，投资限制法/、口 资、连续靠，在使使用、频繁冲洗用水之者微生物控题，使用多个前要求或消毒制是关键使用器低温使用器有 QA 放行，要求系统要小在何时优势最小投资和操作费用困难需求量使用剖面图不规则，操作费用困难液压平衡困难初始投资或能量获得不能满足消毋/、适合于操作方案单位能耗高单位能耗高，或者水箱循环有问题空间初始投资或能量的获得不能得到满足对常温或冷水需求里大