純化水系統管道綜述

    純化水是制藥工業(yè)生產(chǎn)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(gè)指標以外，可以通過(guò)制水工藝來(lái)得到控制，當純化水在輸送的期間，微生物在適宜的環(huán)境中就會(huì )生長(cháng)，從而細菌內毒素增加。純化水通常是連續生產(chǎn)的原料，難以在使用前安批次發(fā)放；微生物檢查結果滯后于水的使用。為了確保純化水的質(zhì)量，設計一個(gè)能保質(zhì)保量純化水輸送的管道系統是極其重要的。純化水循環(huán)管路系統包括：衛生級供水泵、在線(xiàn)消毒系統、定期消毒系統、管路、閥門(mén)、多種傳感器和用水點(diǎn)等組成。細菌存在于純化水輸送的循環(huán)管道系統中，為了控制微生物的生長(cháng)，我們在設計和施工中采取了6 個(gè)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(xiàn)紫外線(xiàn)消毒和周期消毒裝置；④使用衛生級的閥門(mén)；⑤將死角和隱蔽處減到最少，例如：使用T 型隔膜閥，幾乎沒(méi)有死角；⑥以ASME BPE 的標準進(jìn)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(huán)方式，所有使用點(diǎn)都處在這一個(gè)循環(huán)管道上，管道內合理的流速設計有利控制微生物的生長(cháng)。純水泵以一定量的純化水送出以后，通過(guò)循環(huán)管路到達各個(gè)使用點(diǎn)。當輸送管為同一管徑時(shí)，隨著(zhù)各使用點(diǎn)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(fēng)險，所以，循環(huán)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(zhù)用水負荷的變化，有時(shí)會(huì )因為在循環(huán)管道上會(huì )增加使用點(diǎn)，而漸變縮小的管道又不能滿(mǎn)足使用點(diǎn)的流量。簡(jiǎn)化管道流速匹配設計，常常把循環(huán)管道直徑設計成二個(gè)管徑，所有使用點(diǎn)前設計成一個(gè)較大直徑的管道，最后一個(gè)使用點(diǎn)以后設計成較小管徑的管道，這段管道我們稱(chēng)之為回水管道。流體在管道內流動(dòng)，從流體力學(xué)上可分成二種流動(dòng)狀態(tài)，一種稱(chēng)之為層流（滯留），流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)跡線(xiàn)成軸向有條不紊運動(dòng)，流體處于這樣的流動(dòng)狀態(tài)下其雷諾數（Re）小于2300。另一種稱(chēng)之為湍流，流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)跡線(xiàn)不僅有軸向流動(dòng)，同時(shí)又有徑向流動(dòng)，流體處于這樣的流動(dòng)狀態(tài)下其雷諾數大于4000。流體的雷諾數處于2300~4000 時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)為過(guò)渡狀態(tài)，也稱(chēng)之為不穩定狀態(tài)。只有流體真正處于穩定的湍流狀態(tài)下，流體中的質(zhì)點(diǎn)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(shí)，在管壁上不易形成生物膜。雖然，ISPE 指南中指出防止營(yíng)養物聚集和細菌黏附在管壁所需要的流速要超過(guò)3ft/s 或雷諾數大于湍流值。從純化水管道實(shí)際運行來(lái)看，當在大量用水的生產(chǎn)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(chǎn)期間或低流量運行時(shí)，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(shí)，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(zhù)生長(cháng)的狀態(tài)。因此，以20000 雷諾數以上為目標來(lái)設計送、回水管道的管徑和流量更符合實(shí)際的需要。 

紫外線(xiàn)消毒器的選型
    在純化水循環(huán)系統中安裝在線(xiàn)紫外線(xiàn)消毒器主要是殺滅從制水系統中進(jìn)入的微生物和循環(huán)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(zhì)量標準下。目前大部分的循環(huán)系統中都安裝254nm 的紫外線(xiàn)消毒器。
紫外線(xiàn)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(diǎn)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(xiàn)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(zhù)決定性作用的核酸相關(guān)，波長(cháng)在200~300 nm 之間的紫外線(xiàn)有殺滅作用，其中以254 nm 波長(cháng)的紫外線(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(jīng)過(guò)254 nm 的紫外光照射以后，其DNA 就發(fā)生了變化，如圖2所示，紫外線(xiàn)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(lái)作為衡量指標，或者說(shuō)是3-log 的去除。一些沒(méi)有殺滅的微生物（受到損傷的），經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后，其DNA 會(huì )自我修復，所以，傳統的低壓紫外線(xiàn)消毒能控制微生物的數量而無(wú)法確保完全殺滅微生物。而中壓多譜段紫外線(xiàn)有較好的效果。

系統周期殺菌裝置
    系統運行一個(gè)周期以后，根據系統微生物的耐受限度通過(guò)驗證來(lái)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(xué)消毒二類(lèi)。熱消毒可以是80℃的巴氏消毒，化學(xué)消毒有臭氧、雙氧水消毒等。消毒的過(guò)程和目的是消毒介質(zhì)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(lái)輸送純化水，80℃的巴氏消毒相對與化學(xué)消毒有更多的優(yōu)點(diǎn)。在巴氏消毒過(guò)程中有在線(xiàn)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(jiǎn)化了消毒確認，消毒以后無(wú)需進(jìn)行消毒介質(zhì)殘留量的測定。消毒過(guò)程是自動(dòng)操作，所以，消毒可以在常規工作時(shí)間之外進(jìn)行且不需要操作員在場(chǎng)。絕大部分生長(cháng)態(tài)的微生物不耐熱，而且熱具有很強的穿透能力，在足夠長(cháng)時(shí)間下傳遞至系統中的墊圈、隔膜閥片的小縫隙等化學(xué)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(xué)消毒劑無(wú)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(kāi)始不斷反彈，用熱水消毒（每30 天消毒一次）微生物數目7 個(gè)月后保持在零或接近零。隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，國外已經(jīng)用PVDF作為純化水的輸送管道，需要用臭氧、雙氧水等來(lái)進(jìn)行定期消毒 。一個(gè)好設計同時(shí)需要一個(gè)好的安裝才能達到期望的目標 。目前在我國還沒(méi)有一個(gè)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(shí)的DNA                       照射后破壞的DNA

      

      

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