論制藥行業(yè)純化水制備系統(tǒng)的優(yōu)化配置

李松慶

（上海信誼藥廠有限公司，上海 201206）

0 引言

眾所周知，在制藥行業(yè)的硬件中，制藥用水和通風是2個極其關鍵的系統(tǒng)環(huán)節(jié)，其應當建立確認的文件和記錄，并能以文件和記錄證明達到設計確認、安裝確認、運行確認及性能確認的預定目標。

GMP（2010年修訂版）中在第5章（設備）第6節(jié)（制藥用水）章節(jié)中專門對制藥用水做了規(guī)定，可見制藥用水的重要性。根據規(guī)范，制藥用水分為3類，即飲用水、純化水和注射用水（滅菌注射用水），制藥用水應當適合其用途，并符合《中華人民共和國藥典》的質量標準及相關要求。純化水是這3類制藥用水中使用最為廣泛的一種制藥用水，目前在制藥行業(yè)的純水制備系統(tǒng)中，較多地使用“多介質預處理+二級反滲透裝置（Reverse Osmosis，簡稱RO）+電除鹽裝置（Electrodeionization，簡稱EDI）”的制備系統(tǒng)，而筆者通過研究比較，結合實際生產，更傾向于下文中的純化水制備系統(tǒng)的配置方案。

1 純化水制備系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案

配置：超濾預處理+一級反滲透裝置+電除鹽裝置。

1.1 超濾預處理裝置

1.1.1 目的

超濾是以篩分為分離原理、以壓力為推動力的膜分離過程，過濾、去除和分離水中的直徑0.001～0.1μm的顆粒和分子量在1 000～500 000范圍內的雜質，能去除細菌和大多數病毒、膠體、懸浮物、蛋白質、大分子有機物等，使出水達到反滲透裝置的進水要求，保證反滲透裝置的正常運行。

超濾裝置系統(tǒng)的出水水質應達到以下標準：污染指數SDI≤5，最佳在3以下；濁度＜1NTU，最佳在0.2NTU；余氯＜0.1mg/L；總硬度＜3mg/L；總有機碳＜10mg/L。

1.1.2 一般流程

飲用水→飲用水儲罐→飲用水泵→疊片過濾器→超濾裝置→超濾水儲罐→加藥裝置。其過程主要由疊片過濾器和超濾裝置組成。

1.1.3 疊片過濾器

疊片式過濾器的作用主要是過濾原水中50μm以上的大顆粒雜質，以防止砂等顆粒進入超濾膜組件，劃傷超濾膜表面和造成超濾中空纖維毛細管堵塞。

1.1.4 超濾裝置

超濾裝置利用聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚砜等材料制成的中空纖維超濾膜的細微孔徑來過濾、去除和分離水中有效直徑為0.001～0.1μm的顆粒和分子量在1 000～500 000范圍內的雜質，可減少反滲透膜的膠體污染和微生物污染，提高反滲透的進水水質，使反滲透膜的單位面積滲透通量增大，從而提高反滲透裝置的回收率。

1.1.5 其他裝置

在超濾裝置后設有加藥裝置，主要投放碳酸氫鈉、氫氧化鈉和阻垢劑，用于去除余氯等微量氧化物質、CO2，并防止結垢。

1.1.6 清洗和再生

疊片式過濾器內單個過濾單元進、出水壓差上升到一定值時，利用超濾后的出水清洗1 m in。超濾膜一般3個月清洗1次，每次清洗60m in，3年更換1次。

1.2 反滲透裝置

1.2.1 目的

采用膜分離手段去除水中的絕大部分無機鹽類和幾乎全部的有機物、微生物，達到脫鹽純化目的。使反滲透裝置的出水達到電除鹽裝置的進水要求，不損壞電除鹽裝置。

反滲透裝置的出水水質應達到以下標準：電導率＜43μS/cm；污染指數SDI≤1；色度＜5度；余氯＜0.05mg/L；總硬度＜1mg/L；總有機碳＜0.5mg/L。

1.2.2 一般流程

超濾出水→一級高壓泵→一級反滲透裝置→反滲透水儲罐。其主要由一級反滲透裝置組成。

1.2.3 一級反滲透

1.2.3.1 原理

純水與含鹽水有一張只能透過水的半透膜隔開，水會流入含鹽水側，含鹽水側高于純水側平衡時的壓差即為滲透壓，如在含鹽側施加大于滲透壓的壓力使含鹽水中水流入純水側，即為反滲透。

1.2.3.2 反滲透裝置

反滲透裝置內裝有反滲透膜，利用高壓泵的高滲透壓，預處理過后的清水經過半透膜（芳香聚酰胺反滲透膜），可去除Ga2+，Mg2+，F(xiàn)e2-等無機鹽、微粒及細菌、病毒等有機物。一般情況下，一級反滲透裝置的脫鹽率可在95%以上。

1.2.3.3 反滲透裝置的重要參數

脫鹽率和回收率是反滲透裝置的2個重要參數。

脫鹽率=（進水含鹽量-產水含鹽量）/進水含鹽量×100%。也可利用近似公式：脫鹽率=（進水電導率-產水電導率）/進水電導率×100%。一般一級反滲透裝置的脫鹽率在95%左右。

回收率=（產水流量/進水流量）×100%。一般一級反滲透裝置的回收率在70%～75%，二級反滲透裝置的回收率在80%～85%。

1.2.4 清洗和再生

反滲透膜一般3個月清洗1次，用清洗液閉路循環(huán)1～2 h。3年更換1次反滲透膜，最長不超過5年。

1.3 電除鹽裝置

1.3.1 目的

去除溶解在水中的微量元素、溶解氣體和其他微弱電離的化合物，進一步提高水質，使出水水質滿足制藥行業(yè)純化水要求。電除鹽裝置的出水水質可達到電阻率＞16MΩ·cm的標準。

1.3.2 一般流程

反滲透產水→電除鹽泵→電除鹽裝置→純化水儲罐。其主要由電除鹽裝置組成。

1.3.3 電除鹽

1.3.3.1 原理

利用混合離子交換樹脂吸附給水中的陰陽離子，同時這些被吸附的離子又在直流電壓的作用下，分別透過陰陽離子交換膜而被去除。

1.3.3.2 電除鹽裝置

離子交換樹脂填充在陰、陽離子交換膜之間形成純化室，用網狀物將每個電除鹽單元隔開，形成濃水室。在純化室的電勢梯度高的特定區(qū)域，能夠通過電化學分解使水產生大量的H+和OH-，離子交換樹脂得到不斷再生，并釋放出H+和OH-，置換出給水中的陰陽離子；在直流電壓的加載下，陰陽離子分別在電場作用下向正負極遷移，陰離子通過陰離子膜，陽離子通過陽離子膜，進入到濃水室，從而得到電阻率在16 MΩ·cm以上的純化水。

1.3.3.3 電除鹽裝置的重要參數

回收率是電除鹽裝置的重要參數?；厥章?［淡水產水流量/（淡水產水流量+濃水排放流量+極水出口流量）］×100%。一般電除鹽裝置的回收率在90%～95%。

1.3.4 清洗和再生

當出水水質達不到要求時，根據電除鹽裝置的情況進行清洗及消毒。清洗一般需8 h，清洗淡水室后需將電除鹽模塊再生16 h，電除鹽模塊一般5年更換1次。

2 目前常用的純化水制備系統(tǒng)配置方案

配置：預處理+二級反滲透裝置+電除鹽裝置。

2.1 多介質預處理裝置

2.1.1 目的

通過過濾、吸附、交換等方法去除原水中可能會對反滲透膜產生污染的物質。如防止膠體物質、懸浮固體微粒、有機物、微生物等對反滲透膜的污堵及氧化性物質對反滲透膜的氧化破壞，使出水能達到反滲透裝置的進水要求。

2.1.2 一般流程

飲用水→飲用水儲罐→飲用水泵→機械過濾器→活性炭過濾器→軟化過濾器→保安過濾器。其主要由機械過濾器、活性炭過濾器、軟化過濾器組成。

2.1.3 機械過濾器

機械過濾器內裝優(yōu)質無煙煤和各種規(guī)格的優(yōu)質石英砂，可去除大部分水中的粉塵、鐵銹、泥砂、顆粒等懸浮物及部分膠體雜質。

2.1.4 活性炭過濾器

活性炭過濾器內裝優(yōu)質果殼活性炭，可吸附水中的色度、氣味、易沉積的重金屬離子、溶解性有機物及游離氯、臭氧等氧化劑。特別是有機物會反污染滲透膜，余氯會將反滲透膜分解，而目前大多用來作為原水的城市自來水中會添加氯，其游離氯的標準在0.3～4mg/L，實際一般在1.2mg/L左右，因此通過活性炭過濾器在去除有機物的同時又去除余氯，能很好地保護反滲透膜。

2.1.5 軟化過濾器

軟化過濾器內裝優(yōu)質強酸型陽樹脂，通過與原水中的鈣、鎂等離子置換，去除鈣、鎂等離子，防止反滲透膜結垢，降低水的硬度，軟化還可去除鐵和其他過渡金屬。另外，軟化可以提高反滲透系統(tǒng)的出水率和反滲透裝置的進水pH值（一般反滲透出水會偏酸性），并可使后續(xù)的反滲透裝置和電除鹽裝置更有效地去除碳酸鹽和硅。

2.1.6 其他裝置

其他裝置，如保安過濾器，主要去除5μm以上的管道雜質或破裂的活性炭顆粒，防止損傷反滲透膜和堵塞反滲透膜。

2.1.7 清洗和再生

一般情況下，機械過濾器、活性炭過濾器和軟化過濾器均需每隔2天清洗和再生。機械過濾器及活性炭過濾器的清洗流程各約30 m in，軟化過濾器再生流程約為100min。

石英砂全部的更換周期約2年，果殼活性炭全部的更換周期約為8個月，陽樹脂全部的更換周期約為4年，保安過濾器濾芯的更換周期不超過60天。

2.2 反滲透裝置

采用二級反滲透裝置，基本同1.2所述，但有以下說明。

2.2.1 一般流程

預處理的清水→一級高壓泵→一級反滲透裝置→中間儲罐→中間水泵→加氫氧化鈉裝置→二級高壓泵→二級反滲透裝置→反滲透水儲罐。其主要有一級或二級反滲透裝置組成。

2.2.2 特點

一般一級反滲透裝置的脫鹽率可在95%以上，而二級反滲透裝置可進一步去除水中的鹽分，使水質進一步提高。二級反滲透裝置的脫鹽率因一級反滲透裝置已脫去大部分鹽，實際脫鹽率一般在70%左右，甚至當一級反滲透裝置脫除效果好的情況下，二級反滲透的脫鹽率低至50%以下，經過二級反滲透裝置后，反滲透水的電導率完全可以達到1～2μS/cm，已經符合2010版《中國藥典》中的純化水質量標準。

2.2.3 指標

一般一級反滲透裝置的回收率在70%～75%，二級反滲透裝置的回收率在80%～85%。

2.2.4 其他裝置

其他裝置，如加堿裝置，在二級反滲透裝置前投加氫氧化鈉將游離的CO2轉化成碳酸氫根鹽，通過反滲透裝置去除碳酸氫根鹽，以此來去除水中的CO2，且調節(jié)了pH值。

2.3 電除鹽裝置

電除鹽裝置同1.3節(jié)，這里不再贅述。

3 2種純化水制備系統(tǒng)配置的比較

3.1 處理效果的比較

3.1.1 超濾預處理與多介質過濾器預處理裝置的比較

3.1.1.1 優(yōu)點[1]

（1）超濾能阻擋所有不溶物，超濾出水的SDI一般在0.2～1，濁度在0.1 NTU以下，遠比多介質過濾器的出水SDI為4、濁度在0.2～1 NTU要好，能很好地阻擋膠體，大大降低膠體對反滲透膜的污染，使反滲透膜的清洗周期大大延長，并可使反滲透膜的通水量增加約10%～20%；

（2）超濾對有機物的截留效果顯著，可以有效地減少反滲透膜的有機污染；

（3）超濾出水水質更穩(wěn)定，不受原水水質變化的影響，不會產生過濾殘渣或絮凝污泥等；

（4）超濾裝置系統(tǒng)比多介質過濾器操作簡單穩(wěn)定，占地面積小。

3.1.1.2 缺點[2]

（1）一些溶解在水中的有機物可以通過超濾膜對反滲透膜產生污染；

（2）余氯等氧化劑較難去除；

（3）為了提高超濾的產水水質，會加入絮凝劑，部分絮凝劑不能充分反應，會通過超濾膜對反滲透膜產生污染。

3.1.1.3 解決辦法

（1）加入碳酸氫鈉等還原劑，去除氧化物；（2）嚴格控制絮凝劑、氧化劑的加入劑量；（3）加入適量的阻垢劑。

3.1.1.4 比較

通過比較，可看出經過超濾裝置及相應的加藥裝置，其出水污染指數、濁度、總硬度、總有機碳和余氯等可滿足反滲透裝置的進水要求。

表1 裝置1二級反滲透出水水質

3.1.2 一級和二級反滲透裝置出水水質的比較

以筆者公司在上海2個區(qū)的2套二級反滲透出水水質為例進行比較，結果如表1、表2所示。

表2 裝置2二級反滲透出水水質

合理選擇型號，功能模塊應獨立、密閉以及相互連通，以便建成功能齊全、通用、靈活的多功能原料藥車間。

由上述2張表比較可知，一級反滲透裝置的脫鹽效果很好，大部分雜質在一級反滲透裝置中脫除，一級反滲透的水質已可以作為電除鹽裝置的進水，而二級反滲透裝置的脫除效果顯然沒有一級反滲透裝置好，無非就是進一步去除鹽分，為電除鹽裝置的進水水質創(chuàng)造更好的條件。

3.1.3 對電除鹽裝置出水水質的影響

（1）進水電導率是電除鹽裝置的重要進水指標，產水電阻率與進水電導率的關系如圖1所示，在進水電導率小于10μS/cm時，不同操作電流下的產水電阻率均達到17 MΩ·cm以上，當進水電導率大于10μS/cm時，在同一操作電流下，產水電阻率隨著電導率上升而下降，但可以通過加大操作電流使產水電阻率上升[3]。實驗證明，在進水電導率升高幅度及持續(xù)時間有限的情況下，不會損傷電除鹽裝置模塊，從上文可看到，一級反滲透裝置的出水電導率穩(wěn)定在10μS/cm以下，經過電除鹽裝置處理，可得到超過17MΩ·cm的產水，即便一級反滲透裝置的出水電導率偶爾超過10μS/cm，也不會使EDI模塊受到傷害。因此，一級反滲透裝置完全能滿足電除鹽的進水要求。

（2）進水游離CO2＜9 mg/L時，產水電阻率與進水游離CO2濃度的關系如圖2所示，水解離產生的OH-可將游離轉化為HCO3-或CO32-，并通過EDI模塊去除，EDI的出水電阻率可達14MΩ·cm以上[3]。

圖2 產水電阻率與進水游離CO2濃度的關系曲線[3]

（3）進水TOC＜0.5mg/L、可溶性硅＜0.6mg/L、總硬度＜0.9 mg/L時，EDI出水電阻率可達15 MΩ·cm以上[3]。

通常情況下，經過前期的超濾和一級反滲透裝置，可使電除鹽裝置的進水電導率＜10μS/cm、TOC＜0.5 mg/L、可溶性硅＜0.2mg/L、總硬度＜0.2mg/L、游離CO2＜5mg/L，同時污染指數、色度和余氯等也滿足電除鹽裝置的進水要求。經電除鹽裝置處理的出水可完全滿足2010版《中國藥典》純化水質量標準（表3）。

當然，如果經過二級反滲透裝置，電除鹽裝置的進水水質會更好，對電除鹽裝置的處理壓力也會更小，對電除鹽裝置的模塊也相對能加以保護，但為什么會選一級反滲透裝置而不選二級反滲透裝置呢，這可以通過投資與運行費用的比較得出結論。

表3 2010版《中國藥典》純化水質量標準[4]

3.2 投資與運行費用比較（以10 t/h出水為例）

以上海自來水作為原水，符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）。水質檢測結果：色度＜5度；濁度＜0.5 NTU；鐵=0.025 3mg/L；銅＜0.009 mg/L；總硬度=126 mg/L；溶解性總固體=198 mg/L；氯化物=27.6 mg/L；COD=0.78mg/L；pH=7.37。

3.2.1 投資比較

“超濾預處理+一級反滲透裝置+電除鹽裝置”的投資在100萬元左右（根據反滲透膜、EDI模塊、自控、泵等品脾配置不同價格有所不同），“多介質預處理+二級反滲透裝置+電除鹽裝置”的投資在115萬元左右。在同等品牌配置下，“超濾預處理+一級反滲透裝置+電除鹽裝置”的純化水處理系統(tǒng)節(jié)約15萬元左右。

3.2.2 運行費用比較

以每年生產300天，每天2班，每班6 h，每小時出水10 t計。運行費用比較如表4所示。

由表4可知，1套生產10 t/h純化水的“超濾預處理+一級反滲透裝置+電除鹽裝置”系統(tǒng)運行費用比“多介質預處理+二級反滲透裝置+電除鹽裝置”系統(tǒng)要節(jié)約105 640元/年。

表4 運行費用比較表

3.3 “超濾預處理+一級反滲透裝置+電除鹽裝置”的優(yōu)點

（1）出水量高，比采用二級反滲透有更高的水的回收率，可節(jié)約10%的原水，減少水資源浪費，保護了水資源。

（2）反滲透裝置的高壓泵用電量大，采用一級反滲透裝置每年可節(jié)約3.96 kW·h的電，折合為11.88 t標煤，節(jié)約了能源，達到節(jié)能減排的目的。

（3）由于二級反滲透的回收率一般在80%～85%，所以前期預處理的設計能力要相應增大，再加上二級反滲透本身，采用一級反滲透裝置的總投資可節(jié)約15%。

（4）本裝置系統(tǒng)的超濾技術通過近年來的發(fā)展使用，已比較成熟，是一種比較先進的技術，并且已在各行各業(yè)得到廣泛的應用。

（5）超濾工藝對不同水質的適應性較強，采用超濾膜作為反滲透預處理，其出水濁度非常低，并且由于能有效地去除各類有機、無機膠體和微生物，可保護反滲透膜，延長反滲透膜的壽命及清洗周期，更能提高反滲透脫鹽率和回收率。

（6）采用“超濾預處理+一級反滲透裝置”的占地面積遠遠小于“多介質預處理+二級反滲透裝置+電除鹽裝置”系統(tǒng)的占地面積。

4 結語

隨著科學技術的飛速發(fā)展，所有事物都在變化中前進，如純化水的制備，從以前的“傳統(tǒng)預處理+電滲析+離子交換”發(fā)展到現(xiàn)在的“超濾預處理+反滲透+電除鹽”，沒有了酸堿的污染，保護了環(huán)境。目前，超濾作為反滲透裝置的預處理在制藥行業(yè)中運用不多，但10多年前滲透和電除鹽也經歷了從疑問、嘗試到推廣的過程，到現(xiàn)在已普遍使用。

目前，制藥企業(yè)大部分已使用城市自來水作為原水來制備純化水，原水的水質起點較高，雖然自來水含鹽量會波動，但完全符合國家飲用水標準，故采用“一級反滲透+電除鹽”的純化水系統(tǒng)即可。另外，由于一級反滲透脫鹽率極高，二級反滲透脫鹽效率遠遠小于一級反滲透，其效果并不理想，相反通過電除鹽裝置，能得到非常優(yōu)良的純化水水質，故完全不必配置二級反滲透。一般情況下，如是固體制劑生產企業(yè)，建議使用一級反滲透，因有后續(xù)電除鹽裝置，完全能保證純化水的水質，沒必要再加配二級反滲透；如是針劑生產企業(yè)，則可視實際情況決定是否需要二級反滲透。筆者參觀了幾家針劑生產企業(yè)的新純水制備系統(tǒng)，目前也已經使用“一級反滲透+電除鹽”，其實配置二級反滲透更多的是保護電除鹽裝置，保證電除鹽裝置的進水水質。

在設備需要更新時，對于設備的配置除了從實際、投資、運行等方面進行考慮，更要提高到節(jié)能環(huán)保的高度上進行綜合考慮，這樣才能與時俱進，不但為企業(yè)創(chuàng)造價值，更重要的是為社會創(chuàng)造價值。

［1］張贊紅.超濾作為反滲透預處理的探討［J］.凈水技術，2003（4）

［2］日本日東電工集團/美國海德能公司.反滲透膜和納濾膜產品技術手冊［Z］

［3］董翠玲，劉紅斌，靖大為.進水水質對EDI產水電阻率的影響分析［J］.凈水技術，2009（2）

［4］國家藥典委員會.中華人民共和國藥典［S］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2010