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制药用水问答集锦(十四)

问题82:如何防止循环冷却水系统结垢?螺旋板冷凝器已经结垢,如何处理效率高且方便

结垢主要是水中硬度高引起的,一般冷冻水大家会用软化水,凉水塔的冷却水一般会添加阻垢试剂。如果是多效蒸馏水机最后一效进行注射用水降温,肯定是推荐用软化水或纯化水,因为高温工况,硬度高极易结垢。

问题83:如何正确选择离心泵叶轮?

离心泵的叶轮大致分为三大类。

全开放式:多用于无菌工艺,优点是CIP时非常容易,缺点是效率低,但对于无菌物料输送,与无菌性相比效率低肯定是能接受的;

半开放式:兼顾了无菌性与效率的优点,因此在类似有微生物荷载控制的制药用水系统中被大量推崇;

全封闭式:理论上来讲,作为纯化水泵,全封闭式也是可以接受的,因为纯化水的微生物荷载与饮用水一样,均为100CFU/ml,采用食品级离心泵完全符合微生物荷载控制需求,同时,纯化水系统会定期巴氏消毒,但从设计理念来说,全封闭毕竟不利于CIP、相对死角大,因此,如果扬程要求不太高(小于75m,注意,一般水分配系统都不会超过75m扬程)还是建议用半开放式,因为无菌性和效率都能兼顾,如果你需要特别高的扬程泵,当然只能选择单级全封闭式或者多级泵,但无菌性会相对差一些。目前,离心泵企业也在开发新的高效叶轮的无菌级离心泵,具体可参考《制药用水系统》(第二版)的第3章单元操作离心泵相关技术。

总结:对于常温纯化水系统,类似饮用水一样的微生物荷载控制需求,采用半开放式叶轮足够了,锻造更佳,铸造也可接受;对于高温注射用水系统,微生物荷载相对很高10CFU/100ml,且温度非常高,推荐企业采用半开放式或全开放式叶轮,锻造材质优先,如果供应商确实没有,铸造材质也能接受,毕竟离心泵叶轮处的红锈发生会非常频繁,定期清洗才是关键。具体参加问题33的解释

问题84:紫外灯破除臭氧后,臭氧的理论残留值大概是多少?

紫外线水处理技术主要应用于制药行业的纯化水制备、储存及分配系统。且主要包括以下三类应用:消毒、分解臭氧和脱氯。

紫外线具有分解臭氧的功能,臭氧分子主要吸收200nm~300 nm之间的紫外线,以253.7nm为最大吸收峰。一般来说,分解90%臭氧所需的紫外线剂量为正常紫外线消毒剂量的3倍以上,中压紫外灯对臭氧分解的效率要优于低压紫外灯。紫外线分解臭氧的反应原理如下,该反应过程非常迅速,通常是在纳秒级别就可完成,臭氧理论残留值为零。

O

3

 +H

2

O+ hʋ → O

2

+ H

2

O

2

H

2

O

2

+ hʋ→2∙OH

H

2

O

2

+∙OH→H

2

O+HO

2

HO

2

∙+ H

2

O

2

→H

2

O+ O

2

针对紫外线分解臭氧,选择中压还是低压紫外线技术应综合考虑处理流量、初始臭氧浓度、要求的臭氧去除率和投资运行成本。一般来说,流量越大,要求的臭氧去除率越高,越适合选择中压紫外线技术。更为详细的紫外线分解臭氧的应用可参见《制药用水系统(第二版)》“消毒灭菌技术”章节的臭氧消毒相关内容。

问题85:为什么说紫外灯除余氯将会成为未来纯化水机的发展方向?

紫外灯破除余氯的应用是一个非常环保的案例应用,在美国,饮用水是企业的源水,所以使用相对广泛,在我国自来水是源水,导致很多企业担心源水质量不稳定,且这个因素也的确存在,因此,这个技术的推广应用相对较慢,更多的企业采用活性炭过滤器来进行余氯的去除。

紫外线水处理技术主要应用于制药行业的纯化水制备、储存及分配系统。且主要包括以下三类应用:消毒、分解臭氧和脱氯。

余氯消毒技术应用广泛,全世界有约80%的国家或地区均使用氯气来消毒市政自来水,通常的做法是将氯气或者次氯酸钠加入到自来水中,形成具有超强的氧化能力的次氯酸和次氯酸根,从而起到杀灭多种细菌的作用。自来水中加入氯气消毒的反应原理为:Cl

2

 + H

2

O→HCl + HOCl,HOCl ←→H

+

 + OCl

-

;自来水中加入次氯酸钠消毒的反应原理为:NaOCl + H

2

O→NaOH + HOCl,HOCl←→H

+

 + OCl

-

次氯酸(HOCl)和次氯酸根(OCl

-

)通过对微生物细胞结构的氧化起到杀菌消毒作用。次氯酸根(OCl

-

)由于带有电荷,无法进入某些微生物细胞的内部,它仅仅能作用于微生物细胞的细胞壁;而次氯酸(HOCl)不仅可与细胞壁发生作用,且因分子小,不带电荷,故能侵入细胞内与蛋白质发生氧化作用或破坏其磷酸脱氢酶,使糖代谢失调而致细胞死亡。因此,余氯消毒作用中起到最主要消毒作用的为次氯酸(图1)。

图1 次氯酸的消毒作用

用于消毒的余氯主要以氯(Cl

2

)、次氯酸(HOCl)与次氯酸根(OClˉ)三种形式游离存在于自来水中,它们在水中的存在形式与pH有较大关系(水温为25摄氏度时),当pH在2到7之间时,主要以次氯酸(HOCl)的形式存在;当pH低于2时,主要以氯(Cl

2

)的形式存在;当pH为7.4时,次氯酸(HOCl)和次氯酸根(OClˉ)几乎各占50%;当pH高于7.4时,次氯酸根(OClˉ)所占百分比则会逐渐增加(图2)。

图2 余氯成分与pH的关系

在纯化水制备设备中,反渗透膜(RO膜)对于水质的净化至关重要,通常情况下,反渗透膜无法耐受余氯的氧化,传统方法常在预处理阶段采用活性炭过滤吸附法或NaHSO

3

还原法去除余氯(图3)。

(a) 活性炭过滤吸附法

(b) 亚硫酸氢钠还原法

图3 传统的余氯去除法

目前,活性炭去除余氯技术已成为国内使用最为广泛的余氯去除技术。活性炭过滤吸附法对水中余氯的去除效果非常有效,其工作原理为:2HOCl + C

1

→ CO

2

 + 2HCl,其中C

1

代表活性炭。活性炭将余氯吸附在其表面后,再依靠碳基对余氯物质的催化还原作用进行彻底反应,从而将具有氧化性的ClO

离子还原分解成不具有氧化性的氯离子和二氧化碳。在活性炭的过滤吸附过程中,活性炭总量会减少,因此,需通过定期更换活性炭来保证其脱氯效果,同时,活性炭过滤器需要有良好的运行管理与消毒措施,以免存在微生物滋生与污染的风险。

另一种传统的余氯去除方法为亚硫酸氢钠还原法,其工作原理为:2NaHSO

3

 + 2HOCl→H

2

SO

4

 + 2HCl + Na

2

SO

4

。采用化学加药的方式来对水中的余氯等氧化物质进行处理时,常通过安装氧化物质检测仪表(ORP仪)来控制水中亚硫酸氢钠的加药量,以确保进入下一处理单元的水中氧化物质含量已被有效还原。该加药方式的优点是成本较低、操作运行很简便,但其缺点也很鲜明:一方面,加药量通过仪表控制加药泵频率来实现,可能存在仪表探头失效和控制不稳定的风险;另一方面,由于是通过加药才能发生还原反应,大量外来化学物质的介入增加了后端纯化系统(RO/EDI系统)的处理负荷,严重时会影响RO膜的使用寿命。

研究表明,紫外线可用于水中余氯的去除。利用中压高剂量紫外线替代活性炭过滤器或亚硫酸氢钠加药装置,在去除余氯的同时还具有彻底灭活微生物的功能,从而得到一个从源头消除纯化水系统微生物风险的解决方案。通过紫外光作用可实现余氯100%的光解,紫外线分解余氯的原理如下:2HOCl +2hν→ O

2

 + 2HCl;2OCl

-

 +2hν → O

2

 + 2Cl

-

。通常情况下,用于光解余氯的紫外线剂量是标准紫外线消毒剂量的20倍以上,余氯能否被成功去除与紫外线的照射剂量有关。起消毒作用的余氯主要成分为HOCl和OCl

-

,它们对紫外线的吸收波长主要集中在260~330nm之间。

与亚硫酸氢钠还原法及活性炭法这两种传统的脱氯技术相比,紫外线脱氯具有如下工艺优势:高效脱除余氯的同时彻底灭活原水微生物,从源头消除纯化水系统微生物风险;有效预防后段RO、EDI及储存分配系统微生物污染,极大降低其周期性消毒频率;日常运行及管理成本大大优于活性炭;允许在线紫外线强度监测及剂量显示,可准确预测脱氯效果;占地空间小且系统本身非常洁净,无需定期清洗和消毒;无需任何化学品添加,可避免RO系统结垢问题。同时,中压多谱段紫外线对余氯的分解效率远远优于低压单色紫外线,采用中压多谱段紫外线去除余氯可有效减少紫外灯的灯管数量,从而降低系统的初始投资成本及后续的维护成本。图4是一套采用中压多谱段紫外线脱氯技术的纯化水机。

图4 中压多谱段紫外线脱氯的纯化水机

紫外线脱氯的效率与进水水质条件有关,如PH、TOC浓度、余氯浓度、紫外线穿透率等。例如,某进水水质条件为:UVT10=98%、余氯浓度=2ppm、PH=7、TOC浓度小于0.5ppm。如果需要达到对上述同样的水质1 log的余氯去除率,选取中压紫外线需要达到的剂量约为1000mJ/cm

2

,而选取低压紫外线需要达到的剂量则高于5000mJ/cm

2

,即低压紫外线所需剂量为中压紫外线5倍以上。因此,综合考虑技术可行性及投资成本,中压紫外线技术为紫外线脱氯应用时的最佳选择。

低压紫外线的输出波长范围集中在185nm和254nm,仅254nm的紫外线具有消毒效力,且254nm的紫外线仅作用于微生物的DNA,无法克服微生物光复活及暗修复的问题(图5)。

图5低压紫外线的杀菌过程

与低压紫外线不同,中压紫外线的输出波长范围为200nm~400nm,相对输出强度要远高于低压紫外线。正因为如此,中压紫外线不仅作用于微生物的DNA结构,短波段的紫外线还可激发水分子产生羟基自由基,对细胞内的酶及蛋白质产生破坏作用。因此,中压紫外线能全面破坏微生物细胞的组织结构,对其造成不可逆的伤害,并有效克服微生物的复活问题(图6)。

图6 中压紫外线的杀菌过程

中压紫外线脱氯对剂量的要求与以下进水水质参数有关,包括pH、TOC浓度、紫外线穿透率、余氯浓度以及要求的余氯去除率等。通常情况下,要求中压紫外线脱氯的剂量≥600mJ/cm

2

,即中压紫外线脱氯所要求的剂量为一般水系统在线消毒的20倍以上,为制备等效巴氏消毒水的5倍以上。

往期回顾:

(内附前九篇)

更多问题及答案,将持续放出;

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