GMP制药企业纯化水预处理超滤工艺.docx

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1、目前，大多数制药企业的纯化水系统采用的是传统预处理工艺-超滤（UF）作为纯化水预处理工艺，已经得到了部分药企的青睐，在较大处理量情况下，如大于10t/h的用量，超滤的前期投入、运行成本与出水质量相对传统工艺有其优势。本文针对制药生产用纯化水的预处理超滤工艺进行讨论，但经纯化水设备（EDI）处理之后采用超滤来降低纯化水内毒素不在本文讨论范围之内。1超滤膜与工艺简介1.1超滤工艺简介传统制药软化水系统包括多介质过滤器、软化器及活性炭处理，可作为纯化水后处理工序制备原水。超滤工艺可完全替代多介质过滤器，其出水品质完全超过多介质过滤器，大大减轻了后续水处理过程的负担。完整的超滤水处理系统一般由预处理部

2、分、超滤膜装置部分和辅助设备部分（如反洗、气擦洗和就地化学清洗设备）组成。超滤系统可以去除水中的悬浮物、胶体颗粒、细菌以及大部分病毒和大分子有机物等杂质。根据行业要求不同，为了达到最终产品水的水质要求，有时还需要采用后续处理步骤，比如采用纳滤（NF）和反渗透（RO）或者离子交换树脂进行除盐。超滤膜装置本身包括：超滤膜组件、给超滤系统供水的进水泵、恢复超滤膜过滤性能的反洗泵和气擦洗压缩空气系统、自清洗过滤器、仪表、管道和阀门等。超滤系统设计还应包括设置就地化学清洗设备，以对超滤膜进行定期化学清洗。根据原水类型或超滤进水水质的波动等情况，超滤前也可选用其他预处理技术,如凝聚/絮凝、澄清/沉淀、气浮

3、或颗粒介质过滤等，原水水质达到超滤进水标准的话可不需要进行上述预处理，只需配备预过滤器即可。超滤工艺是一种过滤精度更高的水处理技术，具有抗污染、药剂用量少、水回收率高、占地面积小的特点，是用于反渗透系统预处理工艺的理想选择。1.2 超滤膜性能特点超滤膜组件采用高强度、中空纤维膜制造而成，具有如下优点： 公称孔径为0.03m,可以有效滤除细菌、病毒以及胶体等微粒，以便保护反渗透膜等； PVDF聚合中空纤维强度高且耐化学物腐蚀性能好，可延长膜的使用寿命； 亲水纤维膜丝，便于清洗，可湿性好，有助于保持性能长期稳定； 外压式设计允许较大粒径的固态物进入，可降低对预处理工艺的要求； 采用U-PVC外壳，

4、可避免使用成本较高的压力容器。中空超滤膜如图1所示，其相关参数为： 结构参数：公称膜孔径约0.03m;公称切割分子量MWCO约150000da1；过滤方式为外压式或内压式。 膜材料：聚偏氟乙烯(PVDF)或亲水聚酸碉(PES)：通常改性PVDF化学稳定性优于PES耐受氧化剂能力。性能参数参考如下： 产水浊度0.1NTU；2m颗粒去除率41og；细菌去除率41og；过滤污泥密度指数(SDI)S2.5。运行参数参考如下： 过滤通量25401201m2hr;运行时PH值为211；温度为140；最大NaOC1耐受浓度为2000mg/1；浊度(最高耐受度)为300NTUo1.3 超滤膜组件的操作条件超滤

5、膜组件推荐的最大限值和设计基准适用条件见表Io表1超滤膜组件推荐的最大限值和设计基准适用条件参数I单位I设计基准I最大限制TSSmg/150IOO浊度NTU50300TOCmg/11040进水颗粒最大粒径m150300dCODMnmg/12060油脂mg/102PH范围，连续运行69211PH范围，短期清洗112112操作温度2540b运行压力bar36跨膜压差bar0.2a2.1游离氯含量，连续运行mg/10.5c200游离氯含量，短期清洗mg/1200050001.4 超滤膜运行步序超滤膜通常采用全流过滤模式，大大节约了运行能耗。由于其运行采用的是保持产水量恒定（即恒流）的控制方式，因此超

6、滤膜跨膜压差（TMP）将随着过滤过程的进行不断升高。这就需要每间隔一段时间，就进行一次气擦洗辅助反洗，以此来控制TMP的升高。在膜丝表面截留的固体颗粒，通过定期的气擦洗辅助反洗加以去除，这种反洗不必加入任何的化学清洗剂。固体污染物在定期的气擦洗辅助反洗中被除去，因此避免了其在膜丝表面的沉积。吸附在膜丝表面而不能被反洗去除的污染物，可通过在线的化学加强反洗去除。在化学加强反洗过程中，在反洗水中加入少量的化学药剂，通过短时间的浸泡（通常为5IOmin）后，将化学药剂排出，超滤膜可以恢复到接近初始状态。另外，还需要对超滤膜系统进行定期的就地化学清洗（C1P）,以彻底去除污染物，恢复超滤膜性能。CIP

7、药剂可采用氢氧化钠、次氯酸钠、盐酸、柠檬酸等。超滤膜系统运行主要包括过滤、气擦洗、底部排水、上反洗、下反洗、正洗、化学加强反洗以及就地化学清洗几个步骤。2PW工艺流程与讨论前处理工艺及后处理工艺可参考纯化水制备工艺流程简图,如图2所示。Citywater自来水UV紫外线Pre-Fi1terUFSoftener预过滤器超滤软化器GuardFi1ter保安过滤器IstRO一级反渗透2ndRO二级反渗透EDI电去离子PW纯化水图2纯化水制备工艺流程简图2.1 清洗与消毒由于在膜上形成固体物质积累时膜通量会衰减，但膜组件采用周期性频繁反冲洗的方式可恢复通量。膜自身具备的良好化学稳定性、耐污染、耐余氯及

8、耐化学清洗等特点，能够满足进行化学清洗和化学增强反洗的需求。由于超滤工艺中通常不配置活性炭处理工艺，所以整个纯化水前处理都处于有余氯的状态（图3）。超滤不可采用巴氏消毒法，这是因为中空超滤膜不耐高温，故要采用化学消毒的方法。图3纯化水前处理超滤单元2.2 除余氯进反渗透（Ro）膜之前必须去除余氯，因为RO膜不耐受余氯。超滤工艺中将采用紫外（UV）的方法来去除余氯，紫外强度可通过计算得出，并由余氯计来检查是否达到标准，如余氯未达标将通过加药（NaHSo3）来补充，因此不再采用活性炭处理的工艺。活性炭在去除余氯后，本身也比较容易滋生微生物,但不可否认其还有去除异味及有机物的作用。通过有效去除微小颗

9、粒、胶体、细菌、病毒及去除大分子有机物可降低总有机碳（TOC）含量。2.3 软化器的设置传统的软化器仍然设置在超滤工艺后，软化器的设置可降低水的硬度，有利于更好地保护反渗透膜，并且与传统工艺一样采用热消毒的方法，这也是比较保险的做法。目前也有工艺不设置软化器，而是采用除垢剂，其化学成分及残留还需要进一步的观察，当前并不推荐更多地引入其他化学物质。2.4 其他设计思考两路超滤设计可同时使用50%负荷，当一路超滤需要清洗、更换或膜损坏时,另一路超滤单独运行也可达到生产保障。当然，一路超滤冗余设计通过在线完整性测试及跨膜压差监测，可发现损坏的膜，将损坏的膜两端阀门关闭，使用其他未损坏的滤膜，也能达到

10、要求的产能及设计风险控制的目的。两级RO中，第一级RO采用非耐高温膜作为前处理，第二级Ro膜与ED1为后处理工艺，也是一种思路，这样可以采用非耐高温Ro来降低膜成本。后处理即使仅采用一级RO和EDI也不会违反GMP的要求，后处理段仍然采用耐高温RO及ED1保持巴氏消毒的能力（图4）。因此将第一级RO设置于前处理不存在违反法规的风险。图4纯化水后处理单元后处理过程仍然建议采用传统RO和EDI的方式进行，本文不再赘述。结束语目前，超滤工艺作为纯化水制备的前处理在制药行业的使用并不广泛，大多数企业还是采用传统的纯化水前处理工艺，究其原因主要在于超滤工艺作为纯化水制备的前处理，成本比传统的多介质过滤器略高，用于处理水量较高的工厂才能达到投入成本的平衡。另外，工程人员习惯于传统工艺，不愿意进行新的尝试，担心出现工艺上的风险，或者未完全理解超滤工艺及整体工艺设计的风险控制手段。超滤工艺的出水水质明显优于传统多介质过滤器，这也减轻了后续工艺的压力，确保了纯化水或者注射用水的品质。超滤工艺的维护相对容易，反洗为自动持续进行，根据跨膜压差及产能下降的程度进行化学清洗，大约35年更换超滤膜即可。膜技术也在不断地发展中，目前主流制药纯化水机供应商均具备成熟的超滤前处理工艺，也不断有国内制药企业新建项目陆续投入使用。