純化水系統管道綜述

    純化水是制藥工業生產中極其重要的一種原料，它必須符合藥典標準， 根據中國藥典、歐盟藥典、美國藥典等 ，純化水在總有機碳、細菌內毒素、微生物限度、pH、電導、易氧化物、重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨等指標上有控制，這些指標中除了微生物、細菌內毒素二個指標以外，可以通過制水工藝來得到控制，當純化水在輸送的期間，微生物在適宜的環境中就會生長，從而細菌內毒素增加。純化水通常是連續生產的原料，難以在使用前安批次發放；微生物檢查結果滯后于水的使用。為了確保純化水的質量，設計一個能保質保量純化水輸送的管道系統是極其重要的。純化水循環管路系統包括：衛生級供水泵、在線消毒系統、定期消毒系統、管路、閥門、多種傳感器和用水點等組成。細菌存在于純化水輸送的循環管道系統中，為了控制微生物的生長，我們在設計和施工中采取了6 個方面的措施。①盡量維持高的管道流速；②使用光滑表面的管道；③選用在線紫外線消毒和周期消毒裝置；④使用衛生級的閥門；⑤將死角和隱蔽處減到最少，例如：使用T 型隔膜閥，幾乎沒有死角；⑥以ASME BPE 的標準進行施工。

純化水管道流速的設計
    純化水輸送管道系統應采取循環方式，所有使用點都處在這一個循環管道上，管道內合理的流速設計有利控制微生物的生長。純水泵以一定量的純化水送出以后，通過循環管路到達各個使用點。當輸送管為同一管徑時，隨著各使用點取水增加，越到管道后面，其管道內的流量就越小，其流速也越小，存在低于最低設計流速的風險，所以，循環管道使用同一直徑管道對純化水系統是不合適的。一般設計選擇漸變縮小管徑，以便保證其后面管道也有較高的流速。但是，隨著用水負荷的變化，有時會因為在循環管道上會增加使用點，而漸變縮小的管道又不能滿足使用點的流量。簡化管道流速匹配設計，常常把循環管道直徑設計成二個管徑，所有使用點前設計成一個較大直徑的管道，最后一個使用點以后設計成較小管徑的管道，這段管道我們稱之為回水管道。流體在管道內流動，從流體力學上可分成二種流動狀態，一種稱之為層流（滯留），流體質點的運動跡線成軸向有條不紊運動，流體處于這樣的流動狀態下其雷諾數（Re）小于2300。另一種稱之為湍流，流體質點的運動跡線不僅有軸向流動，同時又有徑向流動，流體處于這樣的流動狀態下其雷諾數大于4000。流體的雷諾數處于2300~4000 時，其流動狀態為過渡狀態，也稱之為不穩定狀態。只有流體真正處于穩定的湍流狀態下，流體中的質點才不至于停留在管壁上，由于微生物的分子量要比水分子量大得多，所以雷諾數大于10000 是設計純化水管道管徑的必需達到的條件，此時，在管壁上不易形成生物膜。雖然，ISPE 指南中指出防止營養物聚集和細菌黏附在管壁所需要的流速要超過3ft/s 或雷諾數大于湍流值。從純化水管道實際運行來看，當在大量用水的生產期間，保證管道中大于3ft/s 流速或更高流速很容易做到，但是在不生產期間或低流量運行時，由于送出水管管徑較大，在回水管道中的流速到達了水流速的上限時，送出水管的流速可能達不到3ft/s。統計表明在低于3ft/s 的流速，雷諾數達到20000 以上的較低流速在全球許多大的制藥公司普遍采用，并能保證管道中不利于微生物附著生長的狀態。因此，以20000 雷諾數以上為目標來設計送、回水管道的管徑和流量更符合實際的需要。 

紫外線消毒器的選型
    在純化水循環系統中安裝在線紫外線消毒器主要是殺滅從制水系統中進入的微生物和循環水流中滋生的微生物，保證供出純化水的微生物在規定的質量標準下。目前大部分的循環系統中都安裝254nm 的紫外線消毒器。
紫外線的殺菌原理

典型的微生物結構如圖1 所示，微生物的體內都含有RNA( 核糖核酸) 和DNA（脫氧核糖核酸），而RNA 和DNA 的共同特點是具有由磷酸二酯按照嘌呤與嘧啶堿基配對的原則相連的多核酸鏈，它對紫外光具有強烈的吸收作用。紫外線殺菌的原理一般認為它與破壞細胞內代謝、遺傳、變異等現象起著決定性作用的核酸相關，波長在200~300 nm 之間的紫外線有殺滅作用，其中以254 nm 波長的紫外線滅菌效果最好。這是因為細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）核蛋白的紫外吸收峰值正好在254~257 nm 之間。

中、低壓紫外殺菌裝置
     紫外線燈管一般常用低壓燈管和中壓燈管二種，低壓紫外燈管管內氣壓<103 Pa，殺菌用的紫外燈是發出254 nm 單色紫外光，單只燈管功率小于100W；中壓紫外燈管管內氣壓104~106Pa，200 nm ~300 nm 多譜段連續紫外光輸出，單只燈管功率高達7000 W。微生物經過254 nm 的紫外光照射以后，其DNA 就發生了變化，如圖2所示，紫外線滅菌器不能100% 的把菌殺滅，低壓燈管的殺菌效果常常以99.9% 來作為衡量指標，或者說是3-log 的去除。一些沒有殺滅的微生物（受到損傷的），經過一定時間以后，其DNA 會自我修復，所以，傳統的低壓紫外線消毒能控制微生物的數量而無法確保完全殺滅微生物。而中壓多譜段紫外線有較好的效果。

系統周期殺菌裝置
    系統運行一個周期以后，根據系統微生物的耐受限度通過驗證來確定周期性的消毒是有必要的。系統定期消毒分成熱消毒和化學消毒二類。熱消毒可以是80℃的巴氏消毒，化學消毒有臭氧、雙氧水消毒等。消毒的過程和目的是消毒介質的滲透、細菌的消滅、去除，使系統的微生物污染數量下降到可接受水平。當系統使用不銹鋼管道來輸送純化水，80℃的巴氏消毒相對與化學消毒有更多的優點。在巴氏消毒過程中有在線的溫度控制，可以監控管壁及設備的溫度，連續的溫度記錄簡化了消毒確認，消毒以后無需進行消毒介質殘留量的測定。消毒過程是自動操作，所以，消毒可以在常規工作時間之外進行且不需要操作員在場。絕大部分生長態的微生物不耐熱，而且熱具有很強的穿透能力，在足夠長時間下傳遞至系統中的墊圈、隔膜閥片的小縫隙等化學消毒劑難以有效到達的部位，對這些部位的消毒效果是化學消毒劑無法相比的。1% 的雙氧水需30 min起到消毒效果，而60℃的熱水只需10 min 可到達消毒效果。分析數據表明熱水在該消毒方式檢測數值以下比1% 的雙氧水去除存活的微生物數目更有效。用雙氧水滅菌以后5~6 天后微生物數目開始不斷反彈，用熱水消毒（每30 天消毒一次）微生物數目7 個月后保持在零或接近零。隨著科技的不斷發展，國外已經用PVDF作為純化水的輸送管道，需要用臭氧、雙氧水等來進行定期消毒 。一個好設計同時需要一個好的安裝才能達到期望的目標 。目前在我國還沒有一個生物工藝裝備（Bioprocessing Equipment） 的施工規范,因此采用美國的ASME BPE 標準是有必要的。

 完整時的DNA                       照射后破壞的DNA

      

      

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