對(duì)醫(yī)藥純化水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討（上）

       摘要：制藥純化水循環(huán)管路是一種特殊供水系統(tǒng)，藥典對(duì)其微生物有控制要求，作者在循環(huán)管路的流速設(shè)計(jì)，在線紫外線的選型、照射劑量的控制，周期消毒系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較從理論進(jìn)行了探討，并在實(shí)踐中求證，最后確定了流速的設(shè)計(jì)依據(jù)、提出了在線和周期消毒系統(tǒng)的選型觀點(diǎn)，從而使供出的純化水保證的微生物水平。

       關(guān)鍵詞：純化水循環(huán)管路、循環(huán)流速、中壓紫外燈、熱水周期消毒

       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(biāo)準(zhǔn)， 根據(jù)中國藥典、歐盟藥典、美國藥典等 ，純化水在總有機(jī)碳、細(xì)菌內(nèi)毒素、微生物限度、PH、電導(dǎo)、易氧化物、重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨等指標(biāo)上有控制，這些指標(biāo)中除了微生物、細(xì)菌內(nèi)毒素二個(gè)指標(biāo)以外，可以通過制水工藝來得到控制，當(dāng)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，從而細(xì)菌內(nèi)毒素增加。純化水通常是連續(xù)生產(chǎn)的原料，難以在使用前安批次發(fā)放；微生物檢查結(jié)果滯后于水的使用。為了確保純化水的質(zhì)量，設(shè)計(jì)一個(gè)能保質(zhì)保量輸送純化水 的管道系統(tǒng)是極其重要的。

       純化水循環(huán)管路系統(tǒng)包括衛(wèi)生級(jí)供水泵、在線消毒系統(tǒng)、定期消毒系統(tǒng)、管路、閥門、多種傳感器和用水點(diǎn)等組成。

       細(xì)菌存在于純化水輸送的循環(huán)管道系統(tǒng)中，為了控制微生物的生長，我們?cè)谠O(shè)計(jì)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：安裝在線紫外線消毒和周期消毒裝置 。4：使用衛(wèi)生級(jí)的閥門。5：將死角和隱蔽處減到最少，例如：使用T型隔膜閥，幾乎沒有死角。6：以ASME BPE的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工。我們?cè)谠O(shè)計(jì)純化水管道系統(tǒng)時(shí)從以下幾個(gè)方面來統(tǒng)籌考慮使微生物不宜在管道中繁殖。

       一：純化水管道流速的設(shè)計(jì)

       純化水輸送管道系統(tǒng)應(yīng)采取循環(huán)方式⑴，所有使用點(diǎn)都處在這一個(gè)循環(huán)管道上，管道內(nèi)合理的流速設(shè)計(jì)有利于微生物的控制。從純水泵以一定量的純化水送出以后，通過循環(huán)管路到達(dá)各個(gè)使用點(diǎn)。當(dāng)輸送管為同一管徑時(shí)，隨著各使用點(diǎn)取水增加，越到管道后面，其管道內(nèi)的流量就越小，其流速也越小，存在低于設(shè)計(jì)流速的風(fēng)險(xiǎn)，所以循環(huán)管道使用同一直徑管道對(duì)純化水系統(tǒng)是不合適的。一般設(shè)計(jì)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，隨著用水負(fù)荷的變化，有時(shí)會(huì)因?yàn)樵谘h(huán)管道上會(huì)增加使用點(diǎn)，而漸變縮小的管道又不能滿足使用點(diǎn)的流量。簡化管道流速匹配設(shè)計(jì)，常常把循環(huán)管道直徑設(shè)計(jì)成二個(gè)管徑，所有使用點(diǎn)前設(shè)計(jì)成一個(gè)較大直徑的管道，最后一個(gè)使用點(diǎn)以后設(shè)計(jì)成較小管徑的管道，這段管道我們稱之為回水管道。

       流體在管道內(nèi)流動(dòng)，從流體力學(xué)上可分成二種流動(dòng)狀態(tài)⑵，一種稱之為層流（滯留），流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)跡線成軸向有條不紊運(yùn)動(dòng)，流體處于這樣的流動(dòng)狀態(tài)下其雷諾數(shù)（Re）小于2300。另一種稱之為湍流，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)跡線不僅有軸向流動(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(shù)大于4000。流體的雷諾數(shù)處于2300~4000時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)為過渡狀態(tài)，也稱之為不穩(wěn)定狀態(tài)，由于流體的粘度不同，其過渡狀態(tài)的雷諾數(shù)也不同，當(dāng)雷諾數(shù)超過了10000以上所有流體都處在湍流狀態(tài)。只有流體真正處于穩(wěn)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，即使管壁處的軸向流速為零m/sec，而管壁處的徑向流速不為零m/sec，此時(shí)管壁處微生物的動(dòng)量大于管壁處水的動(dòng)量，處于穩(wěn)定狀態(tài)的湍流中的微生物不易滯留在管壁上生長，在管壁上不易形成生物膜。所以雷諾數(shù)大于10000是設(shè)計(jì)純化水管道管徑的必需達(dá)到的條件。

       ISPE指南中指出防止?fàn)I養(yǎng)物聚集和細(xì)菌黏附在管壁所需要的流速要超過3ft/s或雷諾數(shù)大于湍流值⑸。從純化水管道實(shí)際運(yùn)行來看，當(dāng)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(yùn)行時(shí)，由于送出水管管徑較大，在回水管道中的流速已經(jīng)到達(dá)了水流速的上限時(shí)，送出水管的流速也達(dá)不到3ft/s。研究表明在低于3ft/s的流速，雷諾數(shù)達(dá)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 不利于微生物附著生長的狀態(tài)⑹。因此，以20000雷諾數(shù)以上為目標(biāo)來設(shè)計(jì)送、回水管道的管徑和流量更符合實(shí)際的需要 。

       二：在線紫外線消毒器的選型

       在純化水循環(huán)系統(tǒng)中安裝在線紫外線消毒器主要是殺滅從制水系統(tǒng)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(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下。目前大部分的循環(huán)系統(tǒng)中都安裝254nm的紫外線消毒器。

       1：紫外線的殺菌原理

       典型的微生物結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，微生物的體內(nèi)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(duì)的原則相連的多核酸鏈，它對(duì)紫外光具有強(qiáng)烈的吸收作用。紫外線殺菌的原理一般認(rèn)為它與破壞細(xì)胞內(nèi)代謝、遺傳、變異等現(xiàn)象起著決定性作用的核酸相關(guān)，波長在200~300nm之間的紫外線有殺滅作用，其中以254nm波長的紫外線滅菌效果。這是因?yàn)榧?xì)胞中的DNA（脫氧核糖核酸）核蛋白的紫外吸收峰值正好在254~257nm之間⑶。

       2：中、低壓紫外殺菌裝置

       紫外線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(nèi)氣壓<103Pa,殺菌用的紫外燈是發(fā)出254nm單色紫外光，單只燈管功率小于100W；中壓紫外燈管管內(nèi)氣壓104~106Pa,200nm~300nm多譜段連續(xù)紫外光輸出，單只燈管功率高達(dá)7000W。微生物經(jīng)過254nm的紫外光照射以后，其DNA就發(fā)生了變化，如圖（2）、圖（3）所示，紫外線滅菌器不能的把菌殺滅，低壓燈管的殺菌效果常常以99.9%來作為衡量指標(biāo)，或者說是3-log的去除。一些沒有殺滅的微生物（受到損傷的），經(jīng)過一定時(shí)間以后，其DNA會(huì)自我修復(fù)，所以傳統(tǒng)的低壓紫外線消毒能控制微生物的數(shù)量而無法確保完全殺滅微生物。

       圖（1） 微生物典型結(jié)構(gòu)

       圖（2） 紫外線照射前和照射后的DNA結(jié)構(gòu)

       圖（3） 微生物經(jīng)低壓紫外線照射后僅破壞DNA     

       從理論方面談，細(xì)菌、病菌和病毒長期暴露在太陽光下面（日光中包括紫外線），幾千年的時(shí)間，這些細(xì)菌、病菌和病毒必然產(chǎn)生對(duì)紫外線產(chǎn)生一些抗體，這種抗體在這里被人們稱為活化酶?；罨复嬖谟诩?xì)菌和病菌的細(xì)胞內(nèi)，一旦細(xì)菌和病菌的DNA 受到損傷，這種活化酶就會(huì)發(fā)揮功效，幫助受損部分迅速恢復(fù)成原來的狀態(tài)。這樣一個(gè)反應(yīng)過程被稱為細(xì)菌和病菌的復(fù)活反應(yīng)，在有光的情況下此種反應(yīng)能進(jìn)行的非常迅速 ，但同時(shí)也會(huì)發(fā)生在黑暗的狀況下。而多譜段中壓紫外線在作用于細(xì)菌和病菌的DNA 和RNA 的同時(shí)，也作用于這種活化酶，理論上有可能徹底殺滅生長狀態(tài)的微生物 。實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這種理論，2002 年加拿大科學(xué)家曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室做個(gè)這樣一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，如圖（4）試驗(yàn)在完全相同的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果有效：

       圖（4） 經(jīng)低壓和中壓紫外線照射后微生物的光復(fù)活的對(duì)照試驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)前，培養(yǎng)皿中均有10⁸ 這個(gè)數(shù)量級(jí)的大腸桿菌，經(jīng)紫外線照射后，大腸桿菌迅速下降 。試驗(yàn)顯示，受到低壓紫外線照射后的大腸桿菌迅速的復(fù)活和再生，能反彈至10⁶ 數(shù)量級(jí)（有光條件下）。而受到中壓紫外線照射后的大腸桿菌，無論是在有光或是黑暗的情況下，復(fù)活和再生反應(yīng)都完全無法進(jìn)行。因此，從上述試驗(yàn)結(jié)果提示 ，中壓紫外線技術(shù)是一種比低壓紫外線更持久的，更有效的殺菌技術(shù)， 如圖（5）所示。

       有些微生物在254nm不敏感，但是由于中壓紫外燈管發(fā)出多譜段紫外光，所以對(duì)一些254nm不敏感的菌也有很好的殺菌效果，如圖（6）所示。由于是多譜段紫外光，185nm的紫外線對(duì)TOC（總有機(jī)碳）有降解作用。多譜段紫外光對(duì)循環(huán)管道用臭氧、雙氧水等進(jìn)行滅菌后的殘留有分解作用。

       圖（5） 微生物經(jīng)中壓紫外線照射后不僅破壞DNA還破壞其他組織

       圖（6） 不同波長紫外線對(duì)不同微生物殺菌效率曲線

       3：光強(qiáng)檢測(cè)

       紫外燈管實(shí)際點(diǎn)燃功率對(duì)殺菌效率影響很大，隨著燈點(diǎn)燃時(shí)間的增加，燈的輻射能量隨之降低，殺菌效果亦下降，所以紫外燈通常是點(diǎn)燃8000小時(shí)以后就下降到原來照射能量的60%以下。工廠以點(diǎn)燃8000小時(shí)和紫外燈相對(duì)指示強(qiáng)度表到60%以下作為更換燈管的依據(jù)。

       殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的，表一是不同微生物對(duì)于紫外線輻射劑量的要求。

表一

       從上述公式看出，照射劑量不僅與紫外燈管的功率有關(guān)，同時(shí)與水的流量有關(guān)，流量越大，停留時(shí)間越短，照射劑量越小。按照紫外裝置上的相對(duì)指示強(qiáng)度顯示器顯示的數(shù)值僅能反應(yīng)紫外燈管的強(qiáng)度，并不能代表照射劑量。當(dāng)瞬時(shí)純化水用量增大時(shí)，相對(duì)指示強(qiáng)度就不能準(zhǔn)確的反應(yīng)殺菌效果。從表一和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出，以30mj/cm2的絕對(duì)照射劑量，更能保證純化水在線殺菌效果。當(dāng)紫外燈管從開始使用以后，其照射功率不斷下降，特別是到接近壽命的終了時(shí)，在大水流量使用時(shí)照射劑量就會(huì)達(dá)不到30 mj/cm2，在控制顯示系統(tǒng)上設(shè)定一個(gè)大于30 mj/cm2的警報(bào)值，提醒維護(hù)人員更換燈管，使得純化水的運(yùn)行一直在30 mj/cm2以上的安全劑量上運(yùn)行。中壓紫外燈管功率大、價(jià)格高，以30 mj/cm2的絕對(duì)照射劑量來決定更換燈管的指標(biāo)，就廢棄了8000小時(shí)更換燈管的指標(biāo)，提高了燈管的利用率，節(jié)約了成本。利用在線紫外線有效的殺滅微生物，保證純化水循環(huán)管道內(nèi)持續(xù)受控是有積極意義的。

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         專家簡介：葉勛，高級(jí)工程師，費(fèi)森尤斯卡比華瑞制藥有限公司技術(shù)服務(wù)部副經(jīng)理，中國醫(yī)藥設(shè)備工程協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員，20多年以來致力于研究制藥用水的生產(chǎn)與輸送，擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。