制药工艺用水及分配送水系统的设计

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6.1.1 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24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，贮罐暂时接收来自最终预处理系统（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/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：①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，在支管上设置贮罐及五罐系统的比较等等。

②热用水点（65℃～80℃）、冷用水点（4℃～10℃）或自然环境温度使用点的要求。

③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。

6.2 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QA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80℃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80℃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25℃以下，通常必须再混合使用低于15℃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℃以上冷却到25℃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。

6.2.1 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必须满足下面几方面的要求：①能将水质始终保持在可接受的质量限制范围内：②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；③系统制造成本和操作费用及质量、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CO2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℃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、轨道自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316L不锈钢来制造贮存和分配系统，系统一般在80℃条件下使用操作。

配水管道全部是卫生级的，TIG自动轨迹焊接，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/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Ra<0.25μm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0.22μm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：①在有利于微生物生长的条件下时，水保存时间越短越好；②系统保存，循环过程中水温的改变越小越好；③无论采用何种清洁方式，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。

6.2.2 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。

6.2.3 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6-2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℃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80℃冷到25℃以下，因为较冷的体积相当大。

6.2.4 一些特殊情况的处理方法及应用实例6.2.4.1 直流式注射用水系统图6-3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。

6.2.4.2 使用两个贮罐对水分批检测后使用的系统图6-4 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QC检测合格，再由QA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QC 检测并等待QA批准使用。

这是一种操作极不方便的系统，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QA和QC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。

6.2.4.3 单贮罐平行环状配管系统图6-5单个罐管道串联环状循环系统这种系统结构是结合贮罐及环状配水管道连续控制使用的方案。