抗菌微孔滤膜(GMP基础知识之水系统培训)

Posted 2023-05-27

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抗菌微孔滤膜(GMP基础知识之水系统培训)

GMP基础知识之水系统培训

目录

第一部分水系统概述

第二部分工艺用水的质量标准

1、纯化水

2、注射用水

3、纯蒸汽

第三部分水处理基本原理、方法和设计

1、水处理基本流程

2、水的纯化简介

3、预处理技术

4、反渗透技术

5、超滤技术

6、蒸馏技术

7、水系统其他组件

第四部分水系统理化指标考虑

第五部分水系统微生物指标考虑

第六部分工艺用水的质量监控

第七部分水系统的验证

第一部分水系统概述

1、水系统参考的指南、法规来源

《USP31/1231－Water for pharmaceutical purposes》

《FDA检查指南－高纯水系统的检查》

《PDA/工业蒸汽灭菌－12.4章：洁净蒸汽》

《EP6.0》和《BP2007》：WFI、PW、PS个论

《药品生产验证指南》、《中国药典2010》

2、制药用水的种类

纯化水：反渗透、离子交换、超滤等技术制备

注射用水：蒸馏方法制备

纯蒸汽/洁净蒸汽：蒸馏方法制备

其他：饮用水、软化水（离子交换技术制备）、超纯水等

3、制药工艺用水的用途：清洁剂、生产辅料、灭菌剂

4、水系统的目的：

制药用水系统除控制化学指标及微粒污染外，必须有效地处理和控制微生物及细菌内毒素（热原）的污染

制水：去除水中的各种污染物；

分配与贮藏：防止水中的微生物形成菌落（生物膜）；

清洗和消毒：破坏微生物形成的菌落（生物膜）及内毒素。

5、水系统的关键：微生物和内毒素的控制。

第二部分工艺用水的质量标准

1、纯化水 Purified water

现行标准：《中国药典》2020版

2、注射用水 Water for Injection

现行标准：《中国药典》2020版

3、纯蒸汽Pure steam

（1）、冷凝水符合WFI标准，采用与WFI一样的检验。

（2）、非冷凝气体： ≤3.5%(指100ml冷凝液中所含有的气体)。

（3）、干值分数： 0.95~1.05

纯蒸汽（Pure steam）与洁净蒸汽(clean steam)的区别：

A、质量标准与检验方法完全相同。

B、制备方法和用途完全相同。

C、细致区分：制备的源水不同

纯蒸汽：用注射用水制备

洁净蒸汽：用纯化水制备

合格的蒸汽到达用汽点应该具有以下品质：

质量：蒸汽其冷凝水经检测需符合注射用水质量标准。

正确的蒸汽量：对于任何一个加热制程必须提供正确的蒸汽量以确保能

提供足够的热量。同样，正确的蒸汽量能避免产品损坏或生产率的下降。为了得到所需的蒸汽量，蒸汽负荷必须正确计算、蒸汽管道必须选型正确。

正确的压力和温度：
蒸汽到达用汽点压力应该达到需要的值，从而为制程提供合适的温度，否则制程的性能将受到影响。因此需正确选择管道和附件口径方能确保做到这一点。

没有空气和其它不凝性气体。

饱和干燥

灭菌用蒸汽的主要关注点：

（1） 、非凝性气体：
当蒸汽中存在空气或其它不凝性气体时，将造成管道和设备的腐蚀，但更重要的是将严重影响蒸汽的换热效率。比如含有不凝性气体的蒸汽在122℃对多孔装载换热时，它的效果会迅速降低到1/846,以空气为例，其热阻约是铜的12000倍。

（2）干燥度：
干燥度为0即纯液态水，干燥度为1即为100%的干燥饱和蒸汽，不夹带任何液态水。含水量过高会引起水汽共腾现象，更会影响到灭菌效果和灭菌不完全。

（3）过热：
当湿饱和蒸汽中的水全部汽化即成为干饱和蒸汽，此时蒸汽温度仍为沸点温度。如果对于饱和蒸汽继续加热，使蒸汽温度升高并超过沸点温度，此时得到的蒸汽称为过热蒸汽。
过热的原因：
⑴压力过大。
⑵夹套内蒸汽压力过高于灭菌柜内压力。
⑶织物干燥的水化热过程会造成某些局部过热。
第三部分水处理基本原理、方法和设计

1、水处理基本流程图

2、水的纯化简介：

①预处理步骤：初滤和多介质过滤器（除去悬浮物）→凝聚或絮凝（除去胶体）→活性炭过滤或亚硫酸氢盐处理（吸附杂质）→软化（去除离子）

②进一步水处理纯化步骤：过滤→消毒→反渗透或离子交换（去除离子、微生物）→蒸馏（制备注射用水、纯净蒸汽）

表1：杂质颗粒大小与水处理方法的关系

为什么要对原水进行处理？

①天然水中存在很多杂质:

悬浮物：（粒径10-4mm以上，包括泥沙、动植物残骸、微生物、有机物等）

胶体：（粒径10-5～10-4mm，主要是许多分子或离子的集合体，而且由于表面吸附离子，所以胶体微粒带有一定电荷）

溶解物：（粒径在10-6mm以下，包括盐类、气体、有机物等）

②必须除去水中的杂质以防止污染、控制微生物以避免污染产品。

注意：

①活性炭对有机物的吸附最为有效，而且活性炭表面活化形成含氧官能团，这些官能团的催化氧化和化学吸附使活性炭具备极强的脱氯能力，但会助长细菌滋生，有些时候可能要求进行消毒。

②亚硫酸氢盐会产生硫酸盐类残留物，但它具有抗菌性

③软化主要是通过离子交换过程去除原水中的钙、镁离子。软化器内的RNa型树脂需要用食盐水还原。

3、预处理技术

（1）、预过滤

预过滤的目的是去除源水中7~10 µm的固形污染物，以保护下游的部件免受粒子影响其性能，缩短其使用寿命。

预过滤种类很多，从粒床过滤器，如多介质或用于较大水系统的沙床，到用于较小水系统的套筒深层过滤器。这些常位于预处理系统的开始部分。但是，这个位置也要定期的微生物控制，因为生物膜仍然能繁殖扩散，尽管有源水中的消毒剂存在。

设计和操作能影响到深层过滤的性能，包括过滤介质中形成通道、淤泥堵塞、微生物滋生、不正确的反冲造成过滤介质流失。

控制方法包括，使用和反冲期间监测压力和流速、消毒、更换过滤介质。过滤器要有适当的尺寸，防止形成直通通道，或者由于反冲流速大导致介质流失。

（2）、活性炭

颗粒活性碳床能吸附低分子量的有机物和氧化添化剂，如氯和氯胺化合物。从而使水达到一定的质量，保护下游的不锈钢表面、树脂和膜。操作时需要考虑到，活性碳床能支持细菌的生长、水压下可能形成通道、有机物吸附能力、适当的流速和接触时间、原位再生能力、细菌的脱落、内毒素、有机化学物质、细碳末。

控制方法可能包括：监测水流速和压差、热水或蒸汽消毒、反冲、检测吸附能力、碳床的更换频率。如果碳床主要用于减少有机物，监测碳床进水出水的TOC也是适当的。

应当注意到，碳床使用蒸汽消毒常常不是完全有效，这是由于形成蒸汽直通通道而不是穿透整个碳床。这个现象使用热水消毒常可避免。另外也应该注意到，在碳粒表面（以及其他颗粒）形成生物膜导致相邻的碳粒粘在一起。当有大量的碳粒以这种方式形成团块时，正常的反冲和流速不能有效的分散他们，从而导致不能有效的去除载留破碎的、散落生物膜。使用替代技术来避免这些微生物问题，如，消毒剂/抑制性化学添加剂、可再生的有机物清洗设备。然而，这些替代技术运行机制与活性碳床不同，可能不能有效去除消毒剂和某些有机物。

（3）、添加剂

用于水系统的化学添加剂的目的：

A、使用消毒剂控制微生物，如氯化合物和臭氧。

B、使用絮凝剂增强去除悬浮固形物的能力。

C、去除氯化合物。

D、避免在RO膜上形成水垢。

E、调节pH值使RO膜更有效的去除碳酸盐和氨化合物。

这些添加剂并不构成“添加物质”，因为他们在后续的工艺步骤中会被去除，或者在最终的水中不存在。添加剂的控制要确保连续有效的浓度，后续的监测要确保他们的去除，这些要设计到水系统中，也要包括到监测程序中。

（4）、有机物净化

有机物净化设备使用大网状弱碱性阴离子交换树脂，能去除水中的有机物和内毒素，能用适当的盐溶液再生。

运行的关健点：有机物净化能力，活性树脂表面的粒子、化学和微生物污垢，流速，再生频率，树脂碎片的脱落。

控制方法包括：进水和出水的TOC检测，反冲，监测水压，下游使用过滤器去除树脂细末。

（5）、软水器

软水器可以位于消毒剂去除单元的上游或下游，使用钠基阳离子交换树脂来去除水中硬离子，如钙离子和镁离子，这些离子能污染或干扰下游工艺设备的性能，如RO膜、去离子设备和蒸馏设备。软水器也用于去除低亲和力阳离子，如氨离子。

4、反渗透技术

美国是RO膜使用最早的国家，首先用于航天和国防。为了解决宇航员在太空中长期生存问题，就采用了逆渗透膜技术，把宇航员的排泄液回收过滤，变成生活用水。所以人们时常称呼它为太空膜。用RO膜生产出的水称太空水。

反渗透（RO）单元采用的是半透膜，RO膜的小孔实际是聚合物分子间节点间的空隙，这些小孔足够大到水分子能够通过，但也小到水合化学离子不能通过。然而，有许多因素影响到通透选择性，包括pH、温度、膜前后压差等。适当控制下，RO膜能改进化学、微生物、内毒素质量。工艺流程包括供水、制水（渗透）和废水。依赖于源水，预处理和系统配置有很大不同，并且可能需要化学添加剂以达以期望的性能和可靠性。

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以上装置达到平衡后,如果在盐水端液面上施加一定压力，此时，水分子就会由盐水端向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程这一现象被称为反渗透现象。如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水。这就是反渗透净水的原理。

反渗透设施生产纯水的关键有两个，一是一个有选择性的膜，我们称之为半透膜，二是一定的压力。简单地说，反渗透半透膜上有众多的孔，这些孔的大小与水分子的大小相当，由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多，因此不能透过反渗透半透膜而与透过反渗透膜的水相分离。在水中众多种杂质中,溶解性盐类是最难清除的.因此,经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果。反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前，较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达99.8%。

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影响RO膜性能的主要因子是渗透回收率，即，透过膜的水量与排出水的水量相比较。它被几个因素所影响，但最重要的是泵压力。回收率通常是75%，并且对于大部分杂质能达到1~2个log值的净化。对大部分的进水，通常不足以符合纯化水电导标准。如果其他因素如pH、温度得到了适当调节，并且源水中的氨盐已预先去除，再通过第二个RO膜，膜后水能达到要求的纯度。更高的压力提升回收率以减少废水量，将导致降低膜后水的纯度。如果一段时间后必须提高压力才能达到同样的渗透率，这表明RO膜有部分堵塞，需要在其变为不可逆的淤塞之前采取纠正措施，否则更换昂贵的RO膜是唯一选择。

其他与RO单元有关的设计和操作包括膜材质（它对消毒剂、粒子极其敏感）、化学和微生物污垢、膜与密封的完整性、溶解气体的通过（如二氧化碳和氨）、废水体积（特别当排水被当地政府严格限制时）.膜或密封完整性故障将导致产出水污染。控制方法包括进水的适当预处理、适择适宜的膜材质、完整性挑战、膜的设计和热耐受力、定期消毒、监测压差、电导、微生物水平和TOC。

开发能够承受消毒水温、能够连续有效的在提高温度下运行的RO单元，极大的增加了微生物的控制并避免了生物污垢。RO单元能单独使用或与DI和CEDI联合使用，以及与超滤联合使用以改进操作和质量。

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5、超滤技术

较少使用

6、蒸馏技术

蒸馏单元通过热蒸发、除雾沫、水蒸汽冷凝达到化学和微生物的纯化。蒸馏技术有着不同的设计，包括单效、多效和蒸汽压缩，后两种通常用在较大的系统。蒸馏水系统进水控制与膜系统要求不一样。对于蒸馏，必须考虑预先去除水的硬度离子和硅类杂质，这些杂质可能结垢或腐蚀热交换器表面，同时也要去除那些能与水一起蒸发和冷凝的杂质。

通常的理解，既使最好的蒸馏工艺也不能提供污染离子和内毒素的绝对去除。大部分的蒸馏被认为能达到至少3~4 log值的杂质浓度降低。

关注点包括挥发性有机杂质的遗留（如三卤甲烷）、气态杂质（如氨和二氧化碳）、不完全的雾沫消除、蒸发器溢流、不适当的排水、冷凝器和蒸发器中的滞水、泵和压缩机密封设计、蒸发器和冷凝器针孔泄露、以及起车和运行期间电导（质量）变化。

控制方法可以包括：初步的去除二氧化碳步骤（去除溶解的二氧化碳和其他挥发性或非冷凝杂质）、可靠的雾沫消除以最小化进水中的液滴夹带、目视或自动的高液位指示来检测沸腾器溢流或过沸、使用卫生型的泵和压缩机以最小化进水和冷凝水中的微生物和润滑油污染、停止期间适当的排水以最小化微生物的滋生和沸腾器水中的内毒素积累、在线电导检测以自动的排放合格水以防止蒸馏开始和发生故障时不合格水进入到成品水的分配系统中、定期完整性测试检测针孔泄露以确保冷凝水没有受到非蒸发源水的污染。

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7、水系统其他组件

（1）、微生物保留型过滤器

对于微生物保留气体过滤，同样的筛分和吸附载留现象与滤体过滤一样，但是吸附现象被额外的粒子与过滤器之间的静电相互作用所增强。这种额外的吸附相互作用使得0.2~ 0.22 µm的过滤器无疑适用于微生物保留型气体过滤器。用于这种情况时应使用疏水型过滤器（不能被水润湿）。要关注气体过滤器被贮罐水蒸汽的冷凝水所堵塞，这会造成贮罐的机械损伤。控制方式包括呼吸器套筒自排水以防止冷凝水的积蓄。然而，连续的过滤器高温将使得过滤器的聚丙烯部件产生氧化，因此，建议的控制方法有，最初使用之前灭菌和后来定期灭菌，以及定期的目视检查、完整性测试、更换。

在水系统应用中，微生物保留过滤器可用在有可能释放微生物的单元操作下游，或者用在对微生物敏感的单元操作的上游。微生物保留过滤器也可用在分配系统的供水上。应当注意到，管理当局允许如果有充分验证并有适当维护保养时，在分配系统内使用微生物保留过滤器，甚至于是用在使用点。使用点的过滤器应当只是为了增强水系统的微生物质量，而不是作为主要的微生物控制设施。系统微生物控制措施的有效性只能通过过滤器上游取样来评价。作为额外的保护方式，具有适当流速的在线紫外灯可用在过滤器的上游，以便在过滤器截获微生物之前将其灭活。这样前后的方法能极大的延缓可能的微生物穿透现象并充分延长过滤器的寿命。

（2）、紫外消毒

能发出254-nm波长的低压UV灯将在消毒中用于微生物控制，也用于化学纯化，用于臭氧的破坏。185 nm附近波长的强烈UV线（也包括254-nm），中等压力UV灯，已用于源水中含氯消毒剂的破坏，以及水预处理中间阶段。高强度的该波长UV线仅仅会与一些强氧化剂（如过氧化氢）结合使用在水系统的分配管路中，为了降低TOC。有机物通常转换为二氧化碳，与碳酸氢盐和不完全的氧化羧酸形成平衡，二者都易于能过离子交换树脂去除。

关注区域包括，充分的UV强度和停留时间、灯泡使用老化和UV照射强度的逐渐降低，与水接触表面UV吸附膜的逐渐形成，在未预见的原水过氯化时不完整的光降解，氯氨在光降解过程中释放氨，不明显的紫外灯泡损坏，在分配系统中由于使用185nm波长的紫外灯造成电导率降格等。控制方式包括定期检查或以强度警报检测灯泡故障还要检查是否形成吸附膜，定期UV灯套筒的清洁和擦拭，下游氯检测器，下游脱离子剂和定期灯泡更换。

影响紫外消毒的主要因素和注意事项：

决定紫外杀菌效果的因素：1.波长，253.7nm。2.强度，即照射量>3000μW.s/cm2。3.照射时间，时间越长杀菌效果越好。

a．紫外杀菌建议安装位置尽量靠近使用点，后面安装0.45μm或以下的过滤器，以防止被紫外杀死的细菌污染纯水。

b．水系统的设计和运行要控制好水的流量和流速以保证紫外照射时间，紫外的杀菌的透过性不好，水层越厚杀菌效果越差。同理，要注意水的色度和浊度对紫外透过影响也很大，不过对于纯化水来说这个并不是问题。

c．灯管功率与工作温度，紫外灯的照射量随着灯泡寿命的降低衰减很大，一般功率降到70%时就应更换。紫外灯的最佳工作为25～35℃，所以要注意灯管预热和控制水温。

d．紫外灯泡的保护措施：紫外灯适合长时间持续运行，每次开关会减少3小时的使用寿命，杀菌前最好提前打开30分钟预热。另外需注意电压变化也会影响灯泡寿命。

（3）、贮罐

b. 贮罐的材料及制造要求

与制药用水接触的贮罐罐体材料应采用耐腐蚀、无污染、无毒、无味、易清洗、耐高温的材料制造。通常，工艺用水贮罐采用316L不锈钢材料制造，而不直接与工艺用水接触的部品、零件则可以使用304L或1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制造。

贮罐的罐盖、人孔和罐底阀门等零部件的设计应方便拆卸、方便清洗。贮罐上凡是可拆卸的零部件都应设计为卫生连接的方式，以便于防止污染即可拆卸部位应不易贮存和滞留液体，不易造成死水段，以致使微生物容易滋生和繁殖。

罐体结构件不得有裂纹、开焊和变形，罐内表面和可拆卸的零部件的表面不得有毛刺、刻痕、尖锐突角等影响表面光滑的缺陷，应避免死角、沙眼。可拆卸零部件与罐体之间的密封材料应无毒、无析出物、耐高温、寿命长、绝无脱落物，各种物理化学性能指标符合注射级（注射用水）或卫生级（纯化水）工艺用水的质量要求。贮罐的内部表面应使用机械抛光或机械抛光加电抛光，以致贮罐的内表面光洁度达到Ra=0.6μm的标准，罐体外部的表面也应抛光处理。

贮罐保温层的最外一层最好再使用0.5mm左右厚的材质（如304或304L的抛光不锈钢薄板）完全密封包住，以防潮湿空气进入。保温后的贮罐表面必须光洁、平整，不会有颗粒性物质脱落。对制药用贮罐的保温，不允许使用石棉、水泥抹面，要求至少应使用铝合金一类的金属薄板包裹贮罐的保温层，不允许有保温材料脱弱物暴露在贮罐外部。

单个贮罐的最大体积受厂房空间的限制不得不采用多个贮罐，这时，贮罐与贮罐之间连接管道必须进行精心设计、精心施工，注意避免贮罐之间连接管道上可能出现的死水管或盲管。应特别注意采取预防措施，确保有足够的水流流过所有的供水点和回水管道，满足工艺用水系统对微生物控制的特殊要求。

.贮罐及其选用

大的贮罐，其内表面积大、水流动速度低，容易长菌。在用水量不同时，贮罐需要以通气（充氮或以空气作动力学的补偿）来保持适当的压力平衡。贮罐顶部通气区域存在低温点是水系统污染的风险因素。

贮罐内的水位均不得低于输送泵所要求的水位（通常为1.2m左右）。此外，贮罐的容量还应保证有足够量的储备水，以便在进行维修和出现某一故障时，能有序的将系统关闭。

贮罐可分为立式贮罐与卧式贮罐两种类型。按照贮罐能否进行在线灭菌来分，又可将贮罐分为受压贮罐（压力容器）和常压贮罐（非压力容器）。

在大多数情况下，当贮罐的容积不十分大时，采用立式贮罐是比较合理的，因为这种情况下，贮罐容积的利用率较高，比较容易满足输送泵对水位的要求。

在国外，不仅注射用水系统设置在线灭菌，不少纯化水系统也设置了在线灭菌设备，为确保对系统的安全运行创造必要的条件。当制药用水系统拟采用纯蒸汽灭菌作在线灭菌时，必须使用耐压的贮罐。在此情况下，贮罐应安装安全阀。

采用耐压贮罐的缺点是费用较高。当使用常压的热水或流通蒸汽，或者是其他化学方法灭菌时，可以采用常压贮罐。一般情况下，贮罐设有液位控制器，以保证有足够的水在使用回路中保持循环。贮罐还应设有纯蒸汽灭菌装置，必要时可对整个工艺用水系统灭菌。

贮罐可以设置高纯氮充氮保护功能，充氮量可自动调节，氮气不断充入，使贮罐内部始终略为保持正压。当用水量大时，充氮量加大；用水量小时，充氮减少。或者在贮罐顶部安装0.22μm的除菌级疏水性过滤器，贮罐还应有防止蒸汽在系统中过滤器积存冷凝水后长菌的措施，应对过滤器定期进行检查。

贮罐顶部需设置喷淋装置，以便于在线清洁和防止微生物污染。

（4）、分配系统

A、配管的坡度

配管设计中应为管道的敷设考虑适当的坡度，以利于管道的排水。制药用水系统管道的排水坡度一般取1%或1cm/m。这个要求对纯化水和注射用水系统管道均适用。水系统中不允许有死水段和积水存在，必要时在管路系统中设置排水点和阀门。

B、管道内部的设计流速

美国药典对水流状态提出了明确的要求，希望工艺用水处于“湍流状态”下流动。

工业上流体管道内部的流动速度，可供参考的有以下的经验数值：

a.普通液体在管道内部流动时大都选用小于3 m/s的流速，对于粘性液体选用0.5~1.0 m/s，在一般情况可选取的流速为1.5~3 m/s；

b.低压工业气体的流速一般为8~15m/s，较高压力的工业气体则为15~25 m/s，饱和蒸汽的流速可选择20~30 m/s，而过热蒸汽的流速可选择为30~50 m/s。

制药工艺管道内满足微生物控制的流速采用2~3m/s。流速不必进行在线监控，在设计达到要求，安装后进行流速确认即可。

如果只讲管道内部水的流动，尚不足以强调构成控制微生物污染的必要条件，只有当水流过程的雷诺数Re达到10000，真正形成了稳定的湍流时，才能够有效地造成不利于微生物生长的水流环境条件。

C、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：

di=18.8(Qg/υ)1/2

式中di——管道的内径，m；

Qg——各管段的设计秒流量，m3/s；

υ——管内流速，m/s。

一般情况下，管道的直径是由系统内经济流速确定的。由上式可见，一旦流速确定，自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，阻力损失越小。这在动力方面是经济的，但设备的费用会增加，并且还可能不会满足工艺用水系统水流状态为湍流的要求。

D、管道与分配系统

①管道应倾斜设计，确保水不积聚并容易排尽；

②卫生设计的设备和连接。

③采用316L不锈钢管材，内壁抛光并钝化处理；氩弧焊接或卫生夹头连接；焊接质量检查（X光拍片）；

④分配系统循环，无死角、无滞留点和盲管；应有合理的取样口；

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E、阀门

禁止使用球阀，应使用隔膜阀和单向阀；

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T 形阀的堰尽可能地贴近主管的内部轮廓线，因而基本上不存在滞留区域。T 形阀体可用于≥ DN50 的主环路和< DN15 的出口的取样。

该装置基本上由两个焊接在一起的阀组成以适合各自的应用，同时能够在有限的空间提供最大的功能。在GMP 和SAP 阀中，死角区域被减至最小。

膜片无菌隔膜阀-

材料合格

阿法拉伐的全部膜片均使用符合FDA CFR 21 第177 部分的材料，并且大多数无菌膜片阀具有USP 24 级别的VI 合格证。可以根据需要提供单独的合格证。

膜片的固定

大膜片(≥ 底座10) 可以通过将螺纹销和压块固定在一起，将力分散到尽可能大的表面上。这样可以防止压块和膜片接口的机械损坏，尤其是在真空条件下。小膜片（底座8）的力比较小，可以通过橡胶销卡箍联接在压块上。

材料选择

每种应用有不同的工作条件，因此对膜片也有不同的要求。要选择最适合您的应用的膜片，了解这些工作条件的信息是至关重要的。其中最为重要的是工作温度、输送流体的化学数据以及阀的开关次数。如果在根据应用进行膜片选择时有困难，请与阿法拉伐公司联系以获得关于选择的帮助。

软性人造橡胶EPDM 膜片

EPDM 密封适合大多数的应用，包括高工作温度以及蒸汽消毒。软性人造橡胶膜片的典型特点是对细胞块和固体物质这样的污染介质不敏感。这种介质对阀功能和密封的紧密型有着非常苛刻的要求，而软性人造橡胶的软组织完全可以满足这种要求。
可选的EPDM/Kevlar 密封具有加强型的核心并能够提供超高的机械稳定性。因此，它非常适用于温度极高的长时间的消毒循环工艺过程中。

PTFE 膜片

这种膜片提供了最高可能的化学稳定性以及更长的高温应用寿命。PTFE 由软性底衬材料支撑，膜片包括双片与粘合密封两种形式。

双片PTFE

对需要频繁开关的阀，我们推荐使用双片膜片，它能够比粘合的膜片提供了更长的使用寿命。
两片PTFE 的球形轮廓使阀在关闭位置时膜片受到的变形力降至最小。这种设计可以使关闭力最小，较传统的两片膜片明显增加了膜片的使用寿命。

标准的底衬材料是EPDM。对于高温环境，阿法拉伐提供了PTFE/硅双片膜片。

粘合PTFE/EPDM

对于小型阀，阿法拉伐提供了粘合膜片来代替双片膜片。粘合的PTFE/EPDM 比刚性双片PTFE 膜片更利于小型阀的开启。

F、换热器

注射用水热交换：可以换热或不换热使用。如需换热需使用终端换热方式，换热后的水不宜再回到大循环中。换热器不得有死角、盲管和水滞留点。

常用的换热器：

套管式换热器：常用于注射用水用水点的冷却与加热。

壳管式换热器：常用于注射用水用水点的冷却与加热。

特点：易排净，易清洗，壳管结构不会产生交叉污染。

设计能力、尺寸定制灵活性大。

为了克服由于热胀冷缩引起管板与壳体或端板开裂泄漏而造成水质污染，该换热器应设计为双管端板式结构。

板式换热器：用于巴氏灭菌或常规加热冷却，定制灵活性高。

同样，为避免制药用水受冷却水污染的风险，板式换热器应该采用双壁板式板片。双板片具有双层板壁，集最佳传热效率与防止液体混合功能于一体。而且拆装简单，可以随意增减板片以调节换热能力。

G、清洗球

清洗球的主要作用：

1.保持储罐内壁湿润以防止微生物污染形成生物膜。

2.在线清洗，去除所有聚积在罐壁上的物料。

清洗球的主要技术参数

1.材质和抛光

2.喷流形式

3.清洗半径

4.工作压力和流量

H、水位指示装置

制药用水贮罐目前有两类水位指示装置：一类为可视液位计，例如玻璃管水位计，使用这类水位计的问题是存在污染的风险，因为玻璃管水位计中的水段在一定程度上说是死水，容易长菌，也不便清洁和消毒；另一类为电信号水位控制装置，这类水位控制装置的使用越来越多。

不得使用侧管水位测量装置，应使用无盲端和死角的设施（如电子压感式水位计）。

进水管

在纯化水或蒸馏水入贮罐的进水管道上应安装适当的阀门。贮罐进水管的管径按照输送水泵的流量或工艺用水的最大设计秒流量计算。

出水管

出水管的安装应当考虑到必要时将贮罐内的水全部排空的要求，因此通常设置在贮罐的底部。出水管的管径按照工艺用水的最大设计秒流量计算。

溢流管(可选)

如果纯化水系统没有水位自动控制，纯化水贮罐上可设置溢流水管（注射用水贮罐一般不设溢流管），用于控制贮罐内部的最高水位。

排水管

为了放空贮罐和排出在线清洗（CIP）时使用的清洗液，贮罐需要设置排水管。排水管口可由贮罐底部接出，排水管道上应安装阀门，用于隔离贮罐内外。排水管径一般在40~50mm左右。

呼吸过滤器

在贮罐的顶部需安装孔径为0.22цm的除菌级疏水性过滤器。

为了避免贮罐内吸入的二氧化碳对水的电导率产生不良影响，可以采用充氮保护的方法。在用水高峰时，经过无菌过滤氮气的送气量自动加大，始终保证贮罐内部维持正压；在用水量小时，送气量自动减少，但仍对贮罐外维持一个微小的正压

第四部分水系统理化指标考虑

纯化水和注射用水的化学指标用一系列的专属或非专属的化验检验来确定，目的是检测水中未完全和充分净化的化学物质。虽然这些方法被认为并不能充分控制水的质量，但它们经受了时间的考验。这其中有部分原因是由于人们普遍认为基于在线电导率的测量和标准还不能排除这些老方法。

USP以现代分析技术对纯化水和注射用水的处理舍弃了原来的化学指标测试，目的是在没有限制质量要求前提下改进分析技术。这两种现代分析技术就是采用TOC和电导率。TOC测试替代了以有机污染物为主要目标的氧化物检验。而除重金属检测之外的其它各项无机污染物测试方法则被一个多级的电导率检测离子（主要是无机物）的方法取代。（如：氨、钙、二氧化碳、氯化物、硫酸盐等）。

在这，我们认为重金属的检测是没必要的，因为：
（1）NPDWR（美国国家饮用水法规）里对饮用水中个别重金属含量的要求甚至比USP22版内制药用水的重金属指标（约0.1ppm）还要严格。
（2）当今的水系统设备原材料中不含重金属污染物。
（3）这项检测的结果从来都是呈阴性的，还没有一例被证实的单项测试失败过（仅是由于重金属和其他属性传递的失败），因为现如今的重金属饮用水标准已经很到位了。

然而，由于重金属要是存在于纯化水和注射用水中会造成极其严重的后果，所以在新建水系统的调试和验证中至少要有书面记录或通过预先的测试结果记录来证明其的不存在。

总固体含量和pH值是仅有的没被电导率检测所涵盖到的。USP认为总固体含量的检查是多余的，因为TOC和电导率检测的非选择性测试可以侦测到硅质中除了可能会有尚未被发现的以胶体形态存在的其它物质以外的绝大多数化学物质。胶体硅质在制药用水制备的预处理步骤中是很容易去除的，即便它真的存在水中，也不会在医学或机能构成威胁，除非有极端或罕见的情形发生。在这种极端情形下，也会由于其它指标的反常而被检测出来。然而这些都需要使用者的责任心来确保。如果硅质是原水中的一个重要组分，且净化单元操作在运行中或不正确操作使个别硅质进入制得水中（前提是在电导率检测中未侦测到有机污染物），于是硅质或总固体类型检验二者任一都可以用来监测和控制这个特别的问题。

pH值被确认对于电导率检测（其中包括pH值作为检测和要求标准的一项）是多余的了；当然，pH值仅是测量得到一个数值而已。

USP确立电导率规定的理论依据考虑到两种具最不导电性质的氯和氨的电导率，从而排除了那些做不出来的湿化学方法。其实，步骤3的电导率规定就是确定于限定浓度的氯离子（pH值5.0～6.2）和氨离子（pH值6.3～7.0）的电导率的总和，再加上水中（H+与OH-）不可避免的对电导率起作用的离子的贡献，大气CO2的溶解（HCO3-），再接一个Na+离子的CL-电平衡量，这还取决于pH值引起的离子的不平衡（见表1）。

步骤2的电导率值规定是表中的最小值，2.1µS/cm。步骤1的规定，目的主要是在线测量，其实就是都类似表1那样的一系列表格，对列中起作用的离子的最小值的累加，在0℃到100℃之间每5℃做一次。举例来说，表1（2c时的电导率）中的斜体字数值，将其相加得出一个保守值为1.3 µS/cm，步骤1的规定了一个无温度的补偿办法：在与取样水实测温度介于25℃到29℃之间，温度不相对应时，以每5℃为增量的表还是类似的处理方式，得出列在表1中的各个值。

表1. 在不同pH值下氯氨模型中做贡献的离子电导率（在大气平衡水温25o）

如上所述，在线检测里引入电导率和TOC检测是一个根本性的变革。这是一个重大而开明的改变，行业内也认识并接受了这一改变。对于实验室收集的样品，TOC与电导率检测可以离线进行，但由于在取样过程中往往会造成一些外来的污染，而可能导致虚假的高读数。在线收集的数据就不会这样，但没有挑战性。不过即便只有一个有效的数据点，连续的读数往往都会生成一大堆数据。作为定期的取样考虑，连续的过程数据使我们很好的了解到实际过程中水系统的各种使用和维护操作情况，但对于QC来说这意味着大量的数据。因此，一个合理的小数或是对数据取平均值依然可以用来代表总体的水质情况。

包装水的TOC和电导率检测面临一个两难的情况。包装容器本身就是化学品（无机或有机），毫无疑问它的浸出物会慢慢进入水中。难办的是塑料包装有机溶解，恰恰在氧化物检查的时候对散装水和包装水来说仅仅就是检查有机污染物。这个检测无视有机溶解在包装水中体现出来的高浓度（是散装水TOC标准的很多倍）。同样，玻璃容器也会溶出无机物，比方钠，很容易就被电导率检查发现，但是湿化学方法却察觉不了（除了pH值或总固体）。当前的看法和标准认为大多数溶出物都是没关系的，虽然它的含量真的不低。就这样，放置于这些个包装系统中的高纯水质量就大大降低了。一些包装容器的材质由于含有更多的溶出物所以根本就不适宜用做水的载体来保证其纯度。

对于水本身做的电导率和TOC检查往往会暴露出更多的是水系统中材质溶出物的问题。这些被“容许”的溶出物会让原本合格的散装水由于加了包装而不适合用在大多数本来完全可以胜任的地方。

第五部分水系统微生物考虑

1、微生物 - 生物膜

生物膜的形成：

a. 自由游动的水生细菌利用粘聚糖在表面聚集繁殖。

b. 复杂的生物群落在形成过程中脱落微生物群落。

（网络图片，侵权删除）

2、热原与细菌内毒素（Endotoxin）

热原指的是那些能致热的微生物代谢产物，微生物代谢产物中的内毒素是造成热原反应的最主要因素。药典以“细菌内毒素”项目对其加以监控。大多数细菌和许多霉菌都能产生热原，而致热能力最强的是革兰氏阴性杆菌的产物。细菌内毒素是革兰氏阴性杆菌细胞外壁上的脂多糖类物质和微量蛋白的复合物，是细菌死亡或解体后才释放出来的一种具有内毒素生物活性的物质。其化学成分广泛分布于革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、布氏杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、沙门氏菌等）及其它微生物（如衣原体、立克次氏体、螺旋体等）的细胞壁层的脂多糖，其化学成份主要是由O-特异性链、核心多糖、类脂A三部分组成。

<一> O—特异性链：是决定菌体热原的特异性部分。

<二> 核心多糖：是构成内毒素脂多糖的核心部分。

<三> 类脂A：具有疏水性（强）和亲水性（弱）的双相性。是内毒素多种生物活性或毒性反应的主要基团。该基团没有种属特异性，其毒性反应相似。如发热、血液流动力学改变、弥漫性血管内凝血，并导致休克等。

由于类脂A有4条主链和2条支链的脂肪酸与内酰胺连接组成，所以提纯的内毒素LPS是极为不稳定的。这就要求内毒素应在低温条件下保存，在工作中内毒素稀释应尽可能地缩短时间，并要现配现用。

细菌内毒素的概念

　　细菌内毒素，英文称作Enolotoxin，是G-菌细胞壁个层上的特有结构，内毒素为外源性致热原，它可激活中性粒细胞等，使之释放出一种内源性热原质，作用于体温调节中枢引起发热。内毒素的主要化学成分为脂多糖中的类脂A

细菌内毒素这个概念在1890年的时候就已被提了出来，它是在研究发热物质过程所引成的，1933年Boivin最先由小鼠伤寒杆菌提取出来，进行化学免疫学方面的研究，到1940年时候，Morgan使用志贺氏痢疾菌阐明了细菌内毒素是由多糖脂质及蛋白质三部分所组成的复合体，到了1950年以后，随着生物学，物理化学，免疫学以及遗传学等的进步发展，细菌内毒素的研究工作，尤其是其化学结构组成及各种生物活性间的关系也更加明确起来。
细菌英文叫Bacteria：为原核生物中的一类单细胞微生物由二分裂法繁殖。若按革兰氏染色法可将细菌分为G+菌和G-菌两大类。这两类细菌细胞壁的结构和化学组成存在很大差异。唯有肽聚糖为其共同成分，但其含量的多少和肽链的性质有所不同，见下表：

细胞壁较薄，厚约10－15nm，结构也较复杂。肽聚糖含量低，仅占细胞干生10％左右，层薄又较疏松，因肽聚糖之间仅四肽侧链直接联结，缺乏五肽桥；肽聚糖居于细胞最内层，外面由内向外还有脂蛋白，外膜和脂多糖的三层聚合物。

（1）脂蛋白（lipoprotein）由类脂和蛋白质构成，联结在外膜与肽聚糖层之间，类脂一端经非共价键联结到外膜的磷脂上，另一端由共价键联结到肽聚糖肽链中的二氧基庚二酸残基上，使外膜和肽聚糖层构成一个整体。

（2）外膜（outer membrane）是革兰氏阴性菌细胞壁的重要结构，位于肽聚糖的外侧，其结构类似细胞膜，为液态的磷脂双层，其中镶嵌一些特异蛋白质，穿透外膜的内外双层，呈液态镶嵌体。外膜中间有微小孔道，容许水溶性的小分子通过，以进行细胞内外的物质运输和交换。除此之外，外膜还能防止胰蛋白酶和溶菌酶等进入，起到保护性屏障作用。

（3）脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）由多糖O抗原、核心多糖和类脂A(lipid A)组成（图1-8），位于最外层。多糖O抗原向外，由若干个低聚糖的重复单位组成的多糖链，即革兰氏阴性菌的菌体抗原（O抗原），有特异性。核心多糖由庚糖、半乳糖、2-酮基-3-脱氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO）等组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂A是以脂化的葡萄胺二糖为单位，通过焦磷酸酯键组成的一种独特的糖脂化合物，具有致热作用，是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。

细菌内毒素即：许多病原性细菌所产生的毒素。

一般细菌毒素可分为两类，一类为外毒素（Exotoxin）；它是一种毒性蛋白质，是细菌在生长过程中分泌到菌体外的毒性物质。产生外毒素的细菌主要是革兰氏阳性菌。如白喉杆菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰氏阴性菌。加一类为内毒素（Endotoxin）。是革兰氏阴性菌的细胞壁外壁层上的特有结构。细菌在生活状态时不释放出来，只有当细菌死亡自溶或粘附在其它细胞时，才表现其毒性，内毒素的主要化学成分是脂多糖中的类脂A成分。

3、制药用水中热原的去除

去除热原是制药用水系统设计建造的重要目标之一。自水的预处理开始，直到注射用水的使用点，水处理的许多工艺环节都考虑了去除热原的要求，如活性炭过滤、有机物去除器、反渗透、超过滤及蒸馏。

要想去除热原必须先了解其理化性质，总的来说热原物质具有三个特点：耐热性强、可滤过性、不挥发性。通常去除热原物质的方法有反渗透法、吸附法、蒸馏法、热破坏法、滤过法、强酸强碱处理法。在制药用水系统中一般用以下几种方法去除热原。

反渗透

反渗透膜的孔径最小，按其阻滞污染物（包括热原）的分子量大小计，一般在100~200之间。由于热原的分子量在5×104以上，其直径大小一般在1~50μm之间，因此能被有效去除。美国药典将反渗透作为注射用水的生产方法，意味着反渗透技术在去除热原方面的成熟。

超滤

微孔滤膜过滤有某种去除热原的功效。利用微孔滤膜进行除菌过滤时，客观上可能会起到某些截留热原的积极作用，但它不能作为去除热原的可靠方法而单独使用。

用超滤膜可去除细菌。然而，对人体致热原效应的热原分子量为80万~100万，自然存在的热原群体是个混合体，小的一端仅为10-3μm，因此，用以截留热原的超滤膜的分子量级需小至1万~8万，方能有效去除热原。

超滤与微孔过滤的方式不同。微孔过滤为静态过滤，将溶液搅拌，以消除浓差极化层；超滤则是动态过滤，滤膜表面不断受到流动溶液的冲刷，故不易形成浓差极化层。

反渗透、超滤、微孔膜过滤有其相似之处，它们都是在压差的驱动下，利用膜的特定性能将水中离子、分子、胶体、热原、微生物等微粒分离，但它们分离的机理及对象有所不同。反渗透膜只允许1nm以下的无机离子为其主要分离对象，故有良好的除盐作用，而超滤、微孔膜过滤并无除盐性能。

吸附法除热原

使用吸附的方法也可以有效的去除热原，常用的材料是活性炭、阴离子交换树脂、硫酸钡、石棉等。美国药典收载了活性炭、大分子阴离子交换树脂去除热原的方法。活性炭吸附是去除热原最常采用的方法，它通常要与薄膜过滤器联合使用，以防止活性炭进入下道工序。使用大分子阴离子交换树脂去除热原，它对药液中内毒素污染程度较低，比较适用。

蒸馏法

由于热原不具有挥发性。因此去除热原最有效的方法是蒸馏法。在多效蒸馏水机中，将纯化水蒸馏，无挥发性的热原仍留在纯化水中成为浓缩水，以旋风分离法进行离心分离，收集已去除热原的蒸馏水，将有热原的浓缩水排放。用这种分离方法一般可使热原的污染水平降低2.5~3个对数单位。但要注意未完全汽化的液滴携带热原物质混入收集水中，所以老式蒸馏水机去除热原的能力要差一些，但蒸馏作为一种去除热原的有效方法是可以肯定的

4、水系统的消毒和灭菌

水系统中微生物控制主要通过消毒措施来实现。系统可以使用热或化学方式消毒。系统消毒热方法包括定期或持续的热水循环和使用蒸汽。用于这个目的的热水温度至少80℃以上，但是持续的热水至少65℃以上循环方法已用于保温的不锈钢分配系统，关注如此自消毒温度下的均匀性和分配。

这些方法限于适合高温达到消毒的系统。尽管热方法通过持续抑制或间歇控制生物膜的生长、杀灭生物膜内的微生物，但他们在去除已生成的生物膜并不有效。已杀灭但仍完整的生物膜能在消毒条件停止或中断后成为生物膜快速重新生长的营养来源。这些情况下，常规热方法和定期辅助用化学消毒方法联合使用可以是更有效。

更频繁的热消毒，能消除更可能的生物膜生成和重新生长。当合适时化学方法能用于更广泛的建造材质。这些方法典型的使用氧化剂，如卤素化合物、过氧化氢、臭氧、过氧乙酸，通过形成活性的过氧和自由基（特别是氢氧自由基）氧化细菌和生物膜。特别的，由于臭氧半衰期短，在消毒期间需要不断的加入臭氧以达到所要求的浓度。有UV存在时过氧化氢和臭氧快速分解为水和氧、过氧乙酸降解为乙酸。实际上，在提供连续消毒条件的基础上，在用水点使用254-nm UV使臭氧降解为氧气更为有效。

A、巴斯德消毒

巴斯德灭菌（Pasteurization）是法国科学家巴斯德发明的灭菌法，因其对象主要是病源微生物及其他生长态菌，故又称巴氏消毒。巴氏消毒系指将饮料或其他食物（如牛奶或啤酒）加热到一定温度并持续一段时间，以杀死可能导致疾病、变质或不需要的发酵微生物的过程。它也可指射线杀菌法破坏某种食品（如鱼或蚌肉）内的大部分微生物以防止其变质的过程。对制药用水系统而言，巴氏消毒常指低温灭菌。

经典的巴氏消毒主要使用在食品工业中对牛奶进行消毒处理。通常先将牛奶加热到80℃，停留一定时间，进行消毒，完成消毒后，将其冷却至常温即成为消毒牛奶。

巴斯德消毒的另一个经常采用的重点部位是使用回路，即用80℃以上的热水循环1-2h，这种方法行之有效。采用这一消毒手段的纯化水系统，其微生物污染水平通常能有效地控制在低于50 CFU/ml的水平。由于巴氏消毒能有效地控制系统的内源性微生物污染。一个前处理能力较好的水系统，细菌内毒素则可控制在5 EU/ml的水平。

B、臭氧消毒

多数的材料可以用化学方法进行消毒。典型的方法是使用氧化剂（如卤化物、双氧水、臭氧和过氧乙酸）。卤化物消毒效果明显但是难以从系统中清除。双氧水、臭氧和过氧乙酸通过氧化反应和自由基（特别是氢氧自由基）氧化细菌和生物膜。这些化合物有较短的半衰期，特别是臭氧，在消毒过程中要求连续的加入到系统中。

在水处理系统中，水箱、交换柱以及各种过滤器、膜和管道，均会不断的滋生和繁殖细菌。消毒杀菌的方法虽然都提供了除去细菌和微生物的能力，但这些方法中没有哪一种能够在多级水处理系统中除去全部细菌及水溶性的有机污染。目前在高纯水系统中能连续去除细菌和病毒的最好方法是用臭氧。

1905年起，臭氧就开始用于水处理。在国外，这种消毒方式已非常普遍，这是由于臭氧不会产生有害的残留物。

使用臭氧消毒并在用水点前安装紫外灯减少臭氧残留，是制药用水系统、尤其是纯化水系统消毒的常用方法之一。

与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受pH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3-2mg/L时，0.5-1min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果（如使大肠杆菌杀灭率达99%）所需臭氧水药剂量仅是氯的0.0048%。

臭氧对酵母和寄生生物等也有活性，例如可以用它去除以下类型的微生物和病毒。

①病毒已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。

②孢囊在臭氧浓度为0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。

③孢子由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。

④真菌白色念珠菌（candida albicans）和青霉属菌（penicillium）能被杀灭。

⑤寄生生物曼森氏血吸虫（schistosoma mansoni）在3min后被杀灭。

此外，臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌、去除酚、氰、铁、锰和降低COD、BOD等都具有显著的效果。

应当注意，虽然臭氧是强氧化剂，但其氧化能力是有选择性的，像乙醇这种易被氧化的物质却不容易和臭氧作用。

（2）臭氧的发生及常用浓度

臭氧的半衰期仅为30-60min。由于它不稳定、易分解，无法作为一般的产品贮存，因此需在现场制造。用空气制成臭氧的浓度一般为10-20mg/L，用氧气制成臭氧的浓度为20-40mg/L。含有1%-4%（质量比）臭氧的空气可用于水的消毒处理。

产生臭氧的方法是用干燥空气或干燥氧气作原料，通过放电法制得。另一个生产的臭氧的方法是电解法，将水电解变成氧元素，然后使其中的自由氧变成臭氧。

（3）残留臭氧去除法

经臭氧消毒处理过的水在投入药品生产前，应当将水中残存（过剩）的臭氧去除掉，以免影响产品质量。臭氧的残留量一般应控制在低于0.0005-0.5mg/L的水平。从理论说，去除或降低臭氧残留的方法有活性炭过滤、催化转换、热破坏、紫外线辐射等。然而在制药工艺应用最广的方法只是以催化分解为基础的紫外线法。具体做法是在管道系统中的第一个用水点前安装一个紫外杀菌器，当开始用水或生产前，先打开紫外灯即可。晚上或周末不生产时，则可将紫外灯关闭。一般消除1mg/L臭氧残留所需的紫外线照射量为90000µW·s/cm2。

（4）注意事项

臭氧最适用于水质及用水量比较稳定的系统，当其发生变化时应及时调整臭氧的用量。在实际生产中，及时进行调节有一定的困难。

另一个须考虑的问题是水中有机物的含量，当水的混浊度小于5mg/L时，对臭氧消毒灭菌的效果影响极微，混浊度增大，影响消毒效果。如果有机物含量很高时，臭氧的消耗量将会升高，其消毒能力则下降，因为臭氧将首先消耗在有机物上，而不是杀灭细菌方面。因此，国外制药业在制药用水系统中增加了总机碳（TOC）的监控项目。但糟糕的是，在受到严重有机物污染的进水中用臭氧处理后，大的有机物分子会破裂成微生物新陈代谢的营养源，因此，在没有维持管网臭氧浓度的情况下，反会使得粘泥增多，进而使水质恶化。

在许多方面，作为消毒剂的臭氧和氯气，它们的优点是互补的。臭氧具有快速杀菌和灭活病毒的作用，对于除嗅、味和色度，一般都有好的效果。氯气则具有持久、灵活、可控制的杀菌作用，在管网系统中可连续使用。所以臭氧和氯气结合起来使用，看来是水系统消毒最为理想的方式。

C、紫外线消毒

（1）紫外线杀菌的机理及规则

波长在200-300nm之间的紫外线有灭菌作用，其灭菌效果因波长而异，其中以254-257nm波段灭菌效果最好。如表3.1所示，超过或低于254-257nm的紫外线，随波长的增加或减少，灭菌效果均急剧下降。

表3.1 不同波长的紫外线灭菌能力

紫外线的灭菌效果同紫外线的照射量不成线性关系，即被杀死细菌的百分数并不是与照射剂量成正比的（紫外线照射量等于紫外线的辐照度值乘以时间）。只有在照射量很低而细菌数目又很多的时候，紫外线照射量才同细菌的死亡率呈线性关系。当紫外线照射量加大后，每单位剂量的紫外线的增量，并不杀死一定数目的细菌，而是杀死当时还活着的细菌中间某一特定百分数的细菌。从这个意义上看，在紫外线杀菌过程中，微生物的死亡也遵循湿热灭菌的对数规则（参见中国药典附则）。

即 N/N0=e -KD

式中 N0——紫外线照射前的细菌数目；

e——紫外线照射后的细菌数目；

D——紫外线剂量大小；

K——常数。

表3.2示出了紫外线不同照射量时的灭菌率。表中可清楚地看出，对不同细菌要达到同一灭菌率时，所需的紫外线照射量相差甚大。例如酵母菌要达到90%~100%的灭菌率时，需要紫外线照射量为14700μW·s/cm2。而大肠杆菌则需1550μW·s/cm2，二者相差10倍。

表3.2 紫外线不同照射量时的灭菌率

不同种类的微生物在不同照射量下，被杀灭的程度各不相同。

（2）紫外线杀菌装置

紫外线杀菌装置结构，由外壳、低压汞灯、石英套管及电气设施等组成。外壳由铝镁合金或不锈钢等材料制成，以不锈钢制品为好。其壳筒内壁要求有很高的光洁度，要求其对紫外线的反射率达85%左右。

紫外线杀菌灯为高强度低压汞灯，可放射出波长为253.7nm的紫外线，这种紫外线的辐射能量占灯管总辐射能量的80%以上，为保证杀菌效果，要求其紫外线照射量大于3000μW·s/cm2，灯管寿命一般不短于7000h。

紫外灯的灯管是石英套管，这是由于石英的污染系数小，耐高温，且石英套管对253.7nm的紫外线的透过率高达90%以上，但石英价格较贵，质脆、易破碎。

紫外线杀菌装置的电气设施包括电源显示、电压指示、灯管显示、事故报警、石英计时器及开关等。经验表明，使用紫外线灭菌时，由于长期使用紫外线，有可能使杀菌装置或其附近的非金属材料老化，使之降解，导致电阻率的改变。因此，对紫外杀菌器的质量要求主要有两点：一是高的杀灭率，一般要求大于99.9%；二是当纯水或高纯变化的水通过该装置后，电阻率降低值不得超过0.5MΩ· CM（25℃）。

（3）紫外消毒的影响因素和注意事项

紫外线的强度、紫外线光谱波长和照射时间是紫外光线杀菌效果的决定因素。由于波长为253.7nm的紫外光线杀菌能力最强，因此要求用于杀菌的紫外线灯的辐射光谱能量集中在253.7nm左右，以取得最佳杀菌效果。

①安装位置紫外线杀菌器的安装位置一般离使用点越近越好，但也应留有从一端装进或抽出石英套管和更换灯管的操作空间。由于被杀死的细菌尸体污染纯水，因此要在紫外杀菌器后面安装过滤器，一般要求滤膜孔径≤0.45μm。

②流量当紫外杀菌器功率不变、水中微生物污染波动较小时，流量对杀菌效果有显著的影响，流量越大、流速越快，被紫外线照射的时间就越短；细菌被照射的时间缩短，被杀菌的概率也因而下降。如流量不变，源水中微生物污染水平高时，污染菌除去率也高，但出水中菌检合格率可能下降。

③水的物理化学性质水的色度、浊度、总铁含量对紫外光都有不同程度的吸收，其结果是降低杀菌效果。色度对紫外线透过率影响最大，浊度次之，铁离子也有一定影响。紫外线杀菌器对水质的要求一般为：色度<15，浊度<5，总铁含量<0.3mg/L，细菌含量≤900个/ml。尽管中国药典收载的纯化水标准中没有微生物污染控制的项目和限度，但一般地说，上述条件均能满足。水的吸收系数越高，辐射强度就越弱，杀菌能力降低；由于光不能透过固体物质，故水中悬浮颗粒会降低紫外线的杀菌效率；水中钙镁离子对紫外线吸收很小，因此紫外灯灭菌特别适用于纯化水系统。

④灯管功率灯管实际点燃功率对杀菌效率影响很大。随着灯点燃时间的增加，灯的辐射能量随之降低，杀菌效果亦下降。试验证明，1000W的紫外线灯点燃1000h后，其辐射能量将降低40%左右。此外，还应注意保持稳定的供电电压，以保证获得所需要的紫外线能量。

随着时间的推移，紫外灯的功率会逐渐减弱，一般低于原功率的70%即应更换。现国外使用的紫外灯均带功率显示器，不需要人工对使用时间进行累计和计算。当使用不带功率显示器紫外灯时，应以适当方式记录紫外灯的累计工作时间，以防止灯管超过使用期而影响制药用水系统的正常运行。

⑤灯管周围的介质温度紫外线灯管辐射光谱能量与灯管管壁的温度有关。当灯管周围的介质温度很低时，辐射能量降低，影响杀菌效果。当灯管直接与低温的水接触时，杀菌效果很差。若灯管周围的介质温度接近0℃时，紫外线灯则难以起动并进入正常杀菌状态。若以灯管表面温度40℃时的杀菌效率定为100%，32℃及52℃时的效率则只有85%左右，所以通常将紫外灯管安置在一个开口的石英套管内，以便使灯管与套管之间形成环状空气夹层，这样，既可及时散发掉灯管本身的热量，又可避免低温水对紫外灯管发光功能的影响，并使其周围的温度保持在25-35℃左右的最佳运行状态。

⑥石英套管石英套管的质量和壁厚与紫外线的透过率有关，石英材料的纯度高，透过紫外线的性能好。使用过程中应定期将套管抽出，用无水乙醇擦拭，以保持石英套管清洁状态。通常，清洁频率为每年至少1次。

紫外线杀菌灯最好长期连续运行，在进行杀菌前，应预热10-30min。应尽量减少灯的启闭次数，灯每开关1次，将减少3h的使用寿命。另外要求网路电压稳定，波动范围不得超过额定电压的5%，否则应安装稳压器。

应当注意，水层的厚度同紫外线杀菌效果有很大关系。例如，对于水流速度不超过250L/h的管路，以30W的低压汞灯对1cm厚的水层灭菌时，灭菌效率可达90%；对2cm厚的水层的灭菌效率在73%；对3cm厚的水层灭菌效率为56%；对4cm厚的水层则下降到40%。因此，在上述流速条件下，紫外线有效灭菌水层厚度不超过2.2cm。如果水中含有芽胞细菌，水层厚度应减少至1.4cm，水的流速减少至90L/h。如果水中含有泥砂污物，则有效水层厚度还应下降，水流速度亦减小。否则就达不到预期的灭菌效果。

D、纯净蒸汽消毒

两种方式：一种是100℃流通蒸汽消毒，另一种是高压蒸汽消毒。

5、水系统微生物控制措施一览

A、卫生型设备、卫生型组件、卫生型连接。

B、系统循环，形成紊流；避免盲管和单路管。

C、注射用水高温控制微生物生长。

D、定期消毒和灭菌，去除已生长的生物膜。

E、除菌过滤和紫外灯杀菌。

F、系统全密闭，避免外界微生物污染。

G、设备、组件、管道抛光度高，减少微生物附着可能。

微生物考虑

药用水的微生物污染主要的外部来源是源水。源水质量最低必须符合饮用水标准，规定了大肠菌水平。其他微生物范围很多，源水中主要是革兰氏阴性菌。这些微生物可能危及到后面的纯化步骤。其他微生物可能的污染外部来源例子包括：没有保护的换气、空气过滤器故障、断裂的圆盘、受污染的出口回流、没有消毒的分配系统“开放”（包括日常的部件更换、检查、维修、扩充）、不充分的排水和排气、以及活性炭、离子交换树脂的更换、化学再生。在这些环境中，外来的污染可能不是正常的水生细菌，而可能是土壤微生物甚至人类来源。非水生微生物的检测可能表明系统部件故障，这些触发调查来修补这些来源。系统设计和维护应给予足够的关注，以外部来源的微生物污染。

单元操作可以有内部微生物污染的主要来源。源水中的微生物可以被吸附到炭床、离子换树脂、过滤膜和其他单元操作表面，并引发生物膜的形成。当微生物从现有的生物膜繁殖表面脱落并带到水系统的其他区域，下游也能发生微生物繁殖。微生物也可能附在悬浮的炭床细末或破碎的树脂粒子上。当微生物变为浮游生物，他们成为后续纯化设备（危及其功能）和分配系统的污染来源。

内部微生物污染的另一个来源是分配系统自身。微生物能在管道表面、粗燥的焊接面、排列不好的法兰、阀门、盲管上繁殖，当他们繁殖时形成生物膜。表面的平滑度和成分可能影响到最初微生物吸附的速度，但是，除非被消毒条件所抑制，一旦吸附了，不管表面如何都将形成生物膜。

内毒素考虑

内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁上发现并脱落的脂多糖。革兰氏阴性菌形成生物膜后能成为药用水中的内毒素来源。内毒素可能与活的微生物、死微生物碎片出现在一起，或者是在生物膜细菌周围的多糖粘液中，或者作为自由分子出现。自由形式的内毒素可能从水系统中繁殖的细菌表面释放，或者来自于源水（源水进入到水系统中）中。因为水系统中有多个内毒素来源，所以水系统中的内毒素定量并不能很好的表明水系统中的微生物水平。

内毒素水平可以通过控制源水中自由内互毒素和微生物的引入、减少系统中微生物繁殖来达到最小化。这可以通过水处理系统中不同单元操作来正常的排除或去除活动来达到，也可以通过消毒来达到。其他的控制方法包括使用超滤、电荷改良，不论是在线还是在使用点。内毒素的存在可以用一般性测试章《内毒素检测》来监测。

第六部分工艺用水的质量监控

1、对原水的监控

对井水：检查水井暴露于外面的部份、水井的深度、附近的污染系统、

有害物质的使用 (杀虫剂、化肥等)、水井的维护；

原水的储藏：贮罐的材质（混凝土、钢筋材料是可以的，但检查是否

有腐蚀）、检查遮盖物（防虫，鸟和动物）、消毒措施

检测报告和记录：应定期对原水（饮用水）进行检测，通常可送样

至卫生部门检测并出具报告单。

2、在线监测项目：pH值、电导率（或电导）、温度、温度、压力、流速。

3、取样

水系统应定期监控以充分保证系统在控制中且连续制备质量合格的水。样品应从处理和分配系统中有代表性的位置取得。确定的取样频率应以系统的验证资料为依据并应覆盖临界区域包括单元操作场所。抽样检验方法应考虑到水样的想得到的特征。例如，注射用水系统因为更重视微生物要求，可能需要一个更严格的取样频率。

分析用水取样经常供应两个目的：在进行中控制的评估和最终质量控制的评估。在进行中控制分析通常集中系统中水的属性。质量控制起初是关注水的属性包括不同应用的系统。后来通上使用某种转移装置，经常一个软管，用于连接发送系统使用点阀门和用水的实际位置。样品收集位置和取用程序的问题经常激烈的争论因为从样品产生的数据的有代表性的混合，既是在进行中的控制也是质量控制。

在这些一次抽样样品和混合数据使用情形中，最坏情况环节应被利用。换句话说，样品应从使用点用相同的递送装置被收集，例如软管，和程序，例如预备的软管或出口，从这些使用点被生产利用。取样点本身不能被取样，例如硬连接装置，可以使用特殊取样端口。所有情况中，样品必须象征与可能的生产用水最接近的。如果一个使用点过滤器被利用，水样之前和之后的过滤器是必需的，因为过滤器将掩示微生物控制完成系统的常规操作程序。

采样包含化学消毒剂在微生物分析之前需要中和。用于微生物分析的采样应马上检验，或适当的冷冻保存其微生物原始特征直到分析能够开始。流动水的采样只表现出存在于系统中浮游（自由浮动）微生物的浓度。微生物薄膜（附着于水系统表面）通常大量的存在并成为浮游群体恢复抓样的来源。生物薄膜中的微生物代表一个污染物的连续信源并且很难直接采样和确定数量。因此，浮游群体通常用作系统污染程度的指示器并且是系统警报和活动水平的根据。升高的浮游级的一致的出现通常是补救控制需要中试制生物薄膜样品的指标。系统控制和卫生处理是控制生物薄膜群系和随之发生的浮游群体的钥匙。

用于化学分析的采样也是在过程中控制和质量控制用途。然而，不同于微生物分析，化学分析可以并经常实行使用再现装置。这种在线测试技术有明确的过程中的控制用途因为它不实行从系统中释放出来的水。然而，不同于微生物属性，化学属性经常因软管退化而成为不重要的。

所以，通过验证测试法，表明化学属性通过再现仪表监控（在过程中检验）找到等于找到最后的使用点软管（质量控制检验）或许是做得到的。这再次发生一次抽样样品和混合数据使用情况。最好用连续方式操作装置，产生大量的过程中的数据，但只利用这些数据中规定的小样本作为QC用途。例如可接受的方法包括利用计算期的最高值、计算期的最高时间负荷平均值（从固定的或起伏的置换周期）、或日常固定时间值。相对于计算连续质量的复杂性和反射每种方法都有优点和缺点，因此使用者必须决定哪种方法最合适或有理。

4、微生物计数

水系统微生物监测程序的目的是为产出的水微生物质量的控制和评价提供充分的信息。产品质量要求应当指明水质量标准。可以通过使用数据趋势分析来保持适当的控制水平，并且，如果有必要，限定禁忌的微生物。因此，可以不必要检测给定样品中所有的微生物种属。监测程序和方法应当指出不利的趋势并检测出对最终的产品、工艺、消费者有潜在危害的微生物。不同方法的最终选择是基于所要监测系统的个性要求。

应当认识到，没有一种单一方法可以检测出水系统中所有可能的微生物污染。微生物监测方法应当能够分离出微生物的数量和类型，这些微生物被认为与中间工艺控制有重大关系。选择方法时有几个标准需要考虑，包括方法灵敏性、回收生物的类型或种属、样品量、培养周期、费用、方法复杂性。传统培养方法的另一个考虑是使用复杂的仪器和快速检测方法，这可能更及时的得到结果。然而，选择这样的方法一定小心，要确保对于传统培养方法的灵敏性和相关性，这二者被认为是微生物计数的可接受标准。

应当考虑取样后进行微生物计数检测的时间。在仔细清洁过的样品容器中收集的样品，可检测到的浮游细菌的数量将随着时间而降低。样品中浮游的细菌或者死亡或者不可逆的吸附到容器壁上，从而减少可以从样品中检测出的活的细菌数量。与之相反的影响是，如果样品容器没有被仔细清洁，容器将有某些细菌的低浓度营养成分，从而促进细菌的生长。

因为样品中可回收细菌的数量在取样一段时间后能有正或负的影响，一旦取样后要尽可能早的检测样品。如果在取样后2小时内不能检测，样品应当保存在冷藏温度（2~8℃），最长12小时可以保持微生物的属性。如果这个条件也不可能（如，其他场所的委托检验），冷藏样品应当在取样后48小时内检测。回收微生物水平可能与刚取样后短时间内回收微生物水平不一样。因此，应当进行研究来确定由于延迟检验引起微生物计数失常的存在和可接受性。

（1）、传统培养方法

（2）仪器方法

仪器法的例子包括可视显微镜计数技术（例如落射荧光和免疫荧光）和类似的自动化激光扫描法和辐射测量、impedometric、和以生物化学为基础的方法。这些方法都具有有利和不利的种类。优势应是他们的正确度和精确度或他们同传统分析方法比较起来试验有效性结果的速度。通常，仪器法经常使用更短的时间产生结果，能及时的帮助系统控制。然而，这项优势同极限样本处理量相抵，由于扩充样本采集时间、昂贵的和/或人工-集约试样处理、或其它仪器和灵敏度限度。

此外，仪器法是典型破坏性的，排除后来的表示特性目的的隔离操作。通常，某些产生的微生物表现的特征，如果不全部鉴别，也许是水系统监督程序的需要要素。因此，培养方法已经传统上推荐仪器法，因为他们提供一个平衡的称心的实验特性和加速试验效率。

（3）、建议的方法学

下列通用方法最初来源于水和废水的检验法的标准方法，17版，美国公共卫生协会，华盛顿，DC20005。虽然自从其首次引入本章该出版物经历几次修订，该方法仍然被认为适于在制药用水的常规微生物监测中CFU数目的观察中建立趋势。他是公认的，然而，其他培养基和培养时间和温度的结合也许有时或甚至一贯地导致更高数量的CFU被观察到和/或不同种被回收。

延长培养期通常被一些交替的方法所需要有效的提供不利条件也许比可能获得的更高数量的优点重要。检测偏移或趋势时，采用交替培养条件可能观测到的稍为高出基准的读数未必更加有用。另外，有些交替培养条件使用低营养培养基倾向于导致那些在外表领地上更少区分的微生物菌落的发展，当选定典型微生物类型用于进一步表征时微生物学家所以靠的特征。同样令人啼笑皆非的是，有些缓慢生长者和需要延长培养时间使之发展成为可见菌落的种类也可能导致这些菌落大量死亡，而限制他们进一步表征并阻碍他们再次培养和鉴定。

可被建议的常规的令人满意的用于监控制药用水系统的方法如下。然而，必须指出，这些不是仲裁方法对于全水系统微生物恢复也不是必要的最佳的。使用者应通过用不同的方法作试验确定哪种方法对于监测水系统最好像在过程中控制和质量控制用途一样回收任何被指定的控制种。

1膜孔径为0.45微米的薄膜过滤器通常被认为更可取即使样本中有些细菌的细胞宽度可能更窄。过滤过程的效率依然允许这些小的细胞的非常高比率的截留并适用于此应用。更小孔径的过滤器可以使用如想得到，但由于种种原因截留可发展为可见菌落的细胞的能力会被损害，因此计数准确度必须通过参考方法进行复核。

2当菌落计数低至使用最小限度样本体积不可检测，普遍认为更大的样本体积应被检验为了较好的放大保证，作为结果的菌落计数更成为统计上的代表。考虑检验的样本体积依赖使用者的需要来知道（与确定的警报和活动水平和水系统的微生物控制能力有关）和作为结果的统计的可靠性。为了检验更大样本体积，改变实验技术为之所必需，例如，膜过滤法的倾注平皿的变化。然而，在非常低至无计数情况中，最大样本容积在250-300ml周围通常被认为是合理的样本采集和便于加工和增加统计可靠性的平衡。然而，当样本体积大于要求的2ml时，他们只能使用膜过滤法进行处理。

3通常所说的标准方法琼脂，标准方法平皿计数琼脂，或TGYA，这些培养基包含胰蛋白胨（酪蛋白的胰腺消化液），葡萄糖和酵母膏。

5、微生物的鉴定

鉴别从水检测方法中获得的单个菌株是重要的可能是对用水方面的产品或工艺有害的特殊的水生微生物的实例。像这样的微生物信息也可以是有用的，当用于识别产品或工艺中微生物污染的来源时。经常一群受限微生物从水系统中常规性的恢复。反复恢复和表征后，有经验的微生物学家可以变得精通于识别他们仅根据少数可辨认的特征如菌落形态和污染性。这可以为减少典型菌落类型的识别数量做分准备，或适当的化验员鉴定，甚至可以允许作为这些微生物鉴别的测试捷径。

ALERT AND ACTION LEVELS AND SPECIFICATIONS

目标值、警戒限、行动限

警戒限和行动限常用于微生物数据，但也用于其他的属性。在水系统中，除微生物质量外，其余指标可以非常快的得到检测结果，这样可以立即给出系统性能的反馈，为后续的工艺控制提供指示。然而，有一些指标并不是连续监测，或者是需要一段时间后才能得到数据（如微生物数据），这时建立警戒限和行动限能提供一个早期的预警。在验证过的系统中，工艺控制要相对稳定，并要有充分的监测值，这样才能保证超出警戒限和行动限的频率小。

作为工艺控制的指示，达到警戒限和行动限后允许采取补救措施以防止系统偏离控制。

USP纯化水和注射用水个论下并没有微生物标准，但并不意味着使用者就没有这些水的微生物标准。相反，这些标准大多时候应由使用者建立。建立的标准应当反映出这些水用在生产和工艺中时不会对质量造成影响的最大微生物水平。给定的某个水系统可能有多个用途，应当采用这些用途中最严格的要求来建立微生物标准。

微生物标准应当定性和定量。换句话说，微生物总数可能与某个特定微生物数量甚至某个特定微生物不存在一样重要。已知存在问题的微生物包括致病菌、或已知可能危及到工艺和产品的微生物。这

目标值(target)：系统所力求达到的值，但不一定能达到。目标值制定不能太低或太高，并且要根据系统运行情况和变更情况作适当修订。

警戒限(alert limit)：对正常情况下可能发生的漂移建立一个早期的警报,表明水系统有偏离正常运行条件的趋势。超出警戒限时不一定立即采取纠正措施，但应当进行调查和加强观察。通常属于企业的内控标准。

行动限（action limit）：表明水系统已经较为严重的偏离了正常的运行条件，当超出此限度时就必须采取纠正措施。

需要对几个重要的指标设立三级限度，在验证中需要体现，在正常运行时控制在目标值与警戒限之间

第七部分水系统的验证

第三部分水系统验证

由验证可确定系统的关键工艺参数和操作范围。验证包括几个阶段：安装确认（IQ）、运行确认（OQ）、性能确认（PQ）。水系统的验证计划一般包括以下几步：

1、建立质量标准和操作参数；

2、确定从适当源水生产合格的制药用水的各系统和子系统是否适当。

3、选择适当的设备、控制装置和监测技术。

4、 IQ阶段包括仪器校正、确认检查，对照图纸保证安装达到设计的精度要求。必要时，可以做一些特殊检测来证明安装符合设计要求。

5、 OQ阶段包括检验和检查设备、报警系统和控制装置是否可靠，建立合适的报警限和行动限。这部分的确认可能与下一步的某些方面重叠。

6、 PQ阶段证明关键工艺参数的操作范围是否适当。进行同步或回顾性能确认来证明系统能在合适的周期内重现。这个阶段，将确定关键质量指标的报警限和行动限和操作参数。

7、补充验证保养程序（也叫周期性连续验证），包括水系统变更控制、建立和进行定期的预防性维护（包括仪器的重新校验）。此外，维护验证包括关键工艺参数的监控程序和偏差纠正程序。

8、制定系统性能和再确认的定期审核时间表。

9、完成方案和记录1~8步的数据、存档。

水系统日常运行维护

严格的说，水系统日常运行维护也属于验证的一部分。每年需要把运行数据整理总结后加入到验证文件中。

1、水系统的维护保养

应制定出水系统的维护保养SOP和相应的记录。

2、水系统的日常监控制：理化指标监控和微生物指标监控。

3、水系统的维修

4、水系统的变更控制