纯化水制备工艺讲座(新)

纯化水制备工艺***2019年10月3日CSPC水质概论水是一切有机化合物和生命物质的源泉，是人类赖以生存的宝贵资源。水也是药品生产不可缺少的重要原辅材料。制药工业中所用的水，特别是用来制造药物产品的水（纯化水和注射用水）的质量，直接影响药物产品的质量。因此它必须同药品生产的其它原辅材料一样，达到药典规定的质量指标。天然水制药工业中大量使用的工艺用水的源水，来自自然界。天然条件下的水在自然界的循环过程中，通过不断与空气、地表、地层接触及对岩石与土壤的溶解等作用而被污染，含有各种杂质。各国药典均要求，制药用水应以符合饮用水标准的水为源水。天然水中的杂质及危害在自然界中，天然水中的杂质通常可以分为三类：第一类是悬浮物，其主要成分是泥沙、粘土、动植物残骸、微生物、有机物等；第二类是胶体，胶体颗粒是许多分子或离子的集合体，这种细小颗粒具有较大的比表面积，从而使它具有特殊的吸附能力，而被吸附的物质往往是水中的离子，因此胶体微粒带有一定的电荷；第三类杂质是溶解物，溶解物以分子或离子状态存在。天然水中需要去除的有关杂质⑴水中的悬浮物；①藻类与原生动物；②泥沙和粘土；③细菌；④不溶性物质；天然水中需要去除的有关杂质（2）溶解状物质①盐类物质；主要是钠盐、钙盐和锰盐。②气体；在水体中，气体主要为二氧化碳、硫化物和有机物分解气体。③胶体物质；胶体物质包括溶胶体和高分子化合物。制药用水的制备制药用水制备方法选定原则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的污染。制药用水的制备纯化水制备常用的水处理技术纯化水的质量取决于源水的水质及纯化水制备系统的组成和处理能力。纯化水制备系统的配置应根据源水水质、水质变化、用户对纯化水质量的要求、投资费用、运行费用等技术经济指标综合考虑确定。①源水进水的含盐量在500mg/L以下时，一般采用普通的离子交换法去除盐类物质。②对含盐量500～1000mg/L的源水，可结合源水中硬度与碱度的比值，考虑采用弱酸、强碱阳床串联或组成双层床。制药用水的制备③当源水的含盐量为1000～3000mg/L，属高含盐量的苦咸水时（一般指海水），可采用反渗透的方法先将含盐量降至500mg/L以下，再用离了交换法脱盐处理。④目前制备纯化水普遍流行的方法是采用全膜法、双级反渗透法、一级反渗透加混床法、一级反渗透加EDI法等等；阴、阳树脂单床加混床处理方法正在被淘汰。制药用水的制备源水预处理系统在纯化水制备过程中的必要性及常用手段无论是直接采用离子交换系统或者先用电渗析法，再加上反渗透的系统，普通的自来水、地下水或工业用水往往都不能够满足离子交换树脂或反渗透膜对玷污物质的进水要求。源水只有经过适当的预处理后，方能满足后道制水制备系统对进水的水质要求。制药用水的制备纯化水中常用的源水预处理方法为使源水的水质达到一个预期的指标，以满足纯化过程对源水的要求，必须对源水进行预处理，源水预处理的主要对象是水中的悬浮物、微生物、胶体、有机物、重金属和游离状态的余氯等。①源水中悬浮颗粒的含量小于50mg/L时，可以采用接触凝聚或过滤，即加入凝聚剂后，经过水泵或管道直接注入过滤器。②当源水中碳酸盐硬度较高时，可以在去除浊度的同时，加入石灰进行预软化。制药用水的制备③当源水中的有机物含量较高时，可采用加氯、凝聚、澄清过滤等方法处理，若仍然不能满足后续工序的进水要求时，可增加活性炭过滤等去除有机物的措施④当源水中游离氯超过后续进水标准时，可采用活性炭过滤或加入亚硫酸钠等方法处理。⑤如果后续处理工序采用反渗透或电法析等设备时，应在源水进放设备以前，再增设一个（组）精密过滤装置，作为反渗透等设备的保护措施。⑥如果后续工序对胶体状态的硅要求较高，可在加入石灰的同时加入氧化镁，以达到去除硅的目的。⑦当源水中铁、锰含量较高时，应增加曝气、过滤装置，去除铁和锰。制药用水的制备■预处理过程的原理1．混凝●混凝过程；混凝是水处理中对源水进行预处理的一个重要措施，处理的对象主要是水中的胶体物质。●中和；混凝过程产生的正电离子与源水中带负电的胶体离子互相吸引，发生中和，消除了胶体粒子间的静电排斥力，成长为大分子颗粒并通过沉淀从过滤器中去除。制药用水的制备●过滤；凝聚和絮凝过程形成一个过滤层，进而包裹源水中的各种颗粒一起沉降。●吸附；混凝药剂大多采用高分子物质，这些高分子物质在水中产生吸附作用，使源水中的颗粒形成大颗粒，再通过沉淀作用去除。●表面接触；在絮凝过程中大量的颗粒表面相互接触，粘结成更大的颗粒物质，再通过沉淀去除制药用水的制备2.过滤在水处理的沉淀、澄清过程中，源水通过混凝沉淀，源水中的悬浮物大部分已被去除，水质已经在很大程度上得到改善。但此时水的浊度可能在10mg/L以下，达不到国标饮用水的标准，仍需以过滤的方式来去除水中悬浮的细小悬浮物和细菌。源水过滤的主要设备为砂滤器，砂滤器采用的滤料多为石英砂、无烟煤和锰砂等。制药用水的制备3．吸附在水处理过程中，利用多孔的固体材料，使水中的污物吸附在固体材料空隙内的处理方法为吸附。①活性炭吸附②离子交换树脂吸附4．软化■水处理中的软化主要靠软化剂，用以脱除钙、镁等阳离子，因为这类阳离子会影响水处理系统下游的设备（如反渗透膜、离子交换柱及蒸馏水机）的运行性能。水软化树脂通常使用氯化钠（盐水）进行再生处理。制药用水的制备⑴软化器处理软化器通过离子交换过程，去除源水中的钙、镁离子其所采用的树脂为钠型阳离子交换树脂。在软化器的离子交换过程中，水中Ca2+、Mg2+离子被RNa型树脂中的Na+离子置换出来后存留在树脂中，使离子交换树脂由RNa型变成R2Ca或R2Mg型树脂。原水硬度的去除目前采用两种方法；（既钠离了软化器、投加阻垢剂这两种方法）其中膜结垢是由于给水中的微溶盐在给水逐渐浓缩时超过了溶度积而沉淀到膜上。因此必需防止碳酸钙、硫酸钙、二氧化硅等造成的结垢。为了防止结垢造成化学污堵，可采用钠离了软化或投加阻垢剂的方法。在反渗透装置前设置软化器，除去钙、镁硬度，在正常运行中不致产生结垢现象。制药用水的制备离子交换离子交换系统使用带电荷的树脂，利用树脂离子交换的性能，去除水中的金属离子。离子交换系统须用酸和碱定期再生处理。一般，阳离子树脂用盐酸或硫酸再生，即用氢离子置换被捕获的阳离子。阴离子树脂用氢氧化钠再生，即用氢氧根离子置换被捕获的阴离子。由于这种再生剂都具有杀菌效果，因而同时也成为控制离子交换系统中微生物的措施。离子交换系统即可设计成阴床、阳床分开，也可以设计成混合床形式。⑴离子交换的基本原理交换就是离子交换树脂上的离子和水中的离子进行等电荷反应的过程。离子交换反应过程与很多化学反应过程一样，是可逆反应。制药用水的制备电渗析电渗析（EDR）使用的工艺同电法去离子法（EDI）相似，它公用静电及选择性渗透膜分离浓缩，并将金属离子从水流中冲洗出去。由于它不含有提高离子去除能力和电流的树脂，该系统效率低于EDI系统，而且电渗析系统要求定期交换阴阳两极和冲洗，以保证系统的处理能力。因此，电渗析系统多使用在纯化水系统的前处理工序上，作为提高纯化水水质的辅助措施。电法去离子（EDI）电法去恼子（EDI）系统使用一个混合树脂床、选择性渗透膜以及电极，以保证水处理的连续进行，即不断获得产品水及浓缩废液，并将树脂连续再生。制药用水的制备⑴电法去离子的工作原理通过填充在电池模堆中的树脂吸附源水中的金属离子达到脱盐的目的。通过给电池模堆的两端电极加直流电，使模堆的内部产生电位差。这个电位差使源水中的阳离子向阴极方向的阳离子交换膜移动、阴离子向阳离子方向的阴离子交换膜移动，使阴、阳离子最终进入浓缩室。随着脱盐量的增多，脱盐室的电阻率随之升高，电离分解成H+和OH-，使之经常保持脱盐室内的树脂处于再生状态，为高效连续脱盐创造了条件。⑵电法去离子技术与普通的离子交换技术比较无化学污染；可连续再生；出水的纯度高；水的回收率高；制药用水的制备反渗透使用反渗透法制备纯化水的技术是20世纪60年代以来，随着膜工艺技术的进步发展起来的一种膜分离技术，已经越广泛地使用在水处理过程中。反渗透膜对于水来说，具有好的透过性。反渗透工艺的操作筒单，除盐效率高，使用在制药用水系统中还具有较高的除热原能力，而且也比较经济。⑴反渗透膜的分离处理过程反渗透膜的孔径大多≤1nm，其分离对象是溶液中的处于离子状态和相对分子质量为几百左右的有机物。反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半通透膜。制药用水的制备反渗透装置及组合形式螺旋卷式反渗透组件；螺旋卷式反渗透装置膜的组合方式，是在两层反渗透膜的中间夹一层出水导网，再密封。即将成对的膜环绕着一个中心管收集渗透液体。中空纤维式反渗透组件；中空纤维通常用内径42~50、外径约84~90的芳香聚酰胺材料的膜组成U形的管束。制药用水的制备地表水海水河水地下水废水回收浓水回收产水超纯水半导体、液晶产业用水纯水锅炉用水各种工业过程工艺用水水的精制软化去除农药等有机物饮用水海水淡化、苦咸淡化食品、饮料行业纯净水废水回用循环冷却用水工业及市政废水回用浓缩分离各种有用物质的分离、回收、精制、浓缩等膜元件的用途制药用水的制备浓水抗应力器产水进水盐水密封安装示意图压力容器1＃2＃6＃7＃8＃12＃段间进水高压水泵水保安滤器水第二段第一段制药用水的制备反渗透在制水系统中的应用反渗透系统在制药用水系统中应用越来越多，越来越广泛。目前，在一些新建或扩建的制药工程项目中，采用反渗透方法作为纯化水制备中除盐的首选方案。反渗透装置有各种不同的组合方式，不同的组合方式有着不同的适用范围。一级反渗透系统；二级反渗透系统；一级反渗透系统+离子交换系统；一级反渗透系统+EDI；制药用水的制备二级反渗透系统+EDI；超滤膜+反渗透+EDI（全膜法）；超过滤过滤是水处理中另一种类型的膜分离技术。超滤技术在液体处理的应用十分广泛，基于超过滤膜的分离范围十分宽广。超过滤可以用来分离去除水中的有机体、各种细菌、热泪盈眶源物质、多数病毒，可以用于胶体、大分子有机物质的分离，可以分离多种特殊溶液。制药用水的制备超过滤的基本原理超滤为切向流过滤，是防止浓度极化造成滤速下降最有效的方法。超过滤主要进行分子量级的分离，若采用正压或负压，会很快在超过滤膜的表面形成高浓度的凝胶层，造成过滤速度的急剧下降，而采用切向流的过滤方法正好克服了普通正压过滤或负压过滤法牟致命缺点，即当液体以一定的速度连续的流过超过滤膜表面时，在过滤的同时也对超过滤膜的表面进行着冲刷，从而使过滤膜的表面不会形成阻碍液体流动的凝胶层，保证稳定的过滤速度。制药用水的制备微孔过滤微孔过滤技术在水系统中起重要作用，设计中可选用的过滤器种类很多，它们用于各种不同的目的。微孔过滤的类型按滤膜结构可分为深层过滤表面过滤和膜过滤；按滤膜作用可分为澄清过滤、预过滤和终端过滤。制药用水的制备过滤介质及其结构在制药用水制备中，通常使用微孔薄膜过滤器作为反渗透等除盐设备的保安过滤器、用水终端的除菌过滤以及制药用水贮罐的呼吸除菌过滤。常用的滤材有以下几种。①聚偏二氟乙烯；②聚丙烯；③聚砜；④尼龙；⑤聚四氟乙烯（PTFE）；⑥金属复合膜；制药用水的贮存与分配输送制药用水系统的贮存对于制药用水的使用来说，理想的水系统应是恒定地产水和恒定量的用水，不加贮罐。系统制备多少水，工艺过程就即时地使用多少水。事实上，药品生产的不同阶段对工艺用水的种类、用水时间、水的温度及数量各不相同，不可能恒定，生产的各种需要必然会造成用水高峰期，也会出现不消耗水的时间。因此，制药用水的贮存方式成为工艺用水系统四大组成部分之一，即工艺用水的制备、贮存、分配输送和微生物控制。制药用水的贮存与分配输送贮罐及其选用从满足生产要求来看，贮罐应有足够大的容量。然而大的贮罐，其内表面积大、水流动速度低，容易长菌。此外，在用水量不同时，贮罐需要以通气（充氮气或以空气作动力学的补偿）来保持适当的压力平衡。常见的贮罐管道配件：①进水管