醫學生物實驗室工藝用水輸送系統的改建及應用

楊迎春 王 巍

醫藥產品生產及實驗室的工藝用水含飲用水、純化水、注射用水。純化水一般以飲用水為水源，現多采用反滲透法制取，不含任何附加劑。注射用水一般用純化水通過蒸餾法即∶常用多效蒸餾水機制得(還有反滲透法和超濾法)，化學純度高達99.999%，無熱原[1]。制取的純化水和注射用水應符合中國藥典標準，合格后分別進入其貯罐，然后根據需要輸送到使用點。純化水、注射用水的制備、貯存和分配應當能夠防止微生物的滋生；純化水可采用循環，注射用水可采用70℃以上保溫循環[2]。

2007年按照中華人民共和國衛生部《藥品生產質量管理規范》(GMP)的要求對生物實驗室進行了技術改造，對主要設備設施進行了改建。設備設施必須具有凈化、清洗和滅菌的功能。首先對房屋、空調、工藝管路系統進行了改造，滿足了實驗室對廠房、溫度、濕度和潔凈度等環境條件的要求；設置了所需的壓縮空氣、真空、氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體工藝管道系統。在工藝用水輸送系統的改建中，利用了原有的純化水裝置和多效蒸餾水機；制作了注射用水罐，分別設計制作了純化水、注射用水輸送分配及用水系統；結構設計與配置符合GMP規定的使用要求，安裝規范，能夠防止微生物的滋生和污染。為確保潔凈均具有在線清洗、純蒸汽消毒滅菌的功能，按壓力容器的規范來設計和制作。

1 純化水和注射用水循環系統的配置功能及應用要點

1.1 材質與制作

純化水、注射用水的貯存與分配系統分別由貯罐、衛生泵、閥門、輸送管道、用水點及電控等組成。其所用材料應無毒、耐腐蝕；不得對藥品質量產生任何不利影響。與藥品直接接觸的設備設施表面應當平整、光潔、易清洗、易消毒以及耐腐蝕，不得與藥品發生化學反應、吸附藥品或向藥品中釋放物質。如果滿足這些要求，需涉及到材質、焊接、焊縫檢查和處理、拋光、打壓、脫脂、酸洗、鈍化、安裝等工序。

1.1.1 材質及焊接

⑴凡是與物料或藥液直接接觸部位的罐體、管路、循環泵、閥件等采用不銹鋼316L材質；為節省投資，純化水管路可采用不銹鋼304材質；閥隔膜片的材質采用無毒、無溶解性、可耐高溫150 ℃的聚四氟乙烯/乙丙橡膠，其密封性能好，經久耐用。均須提供相應的材質報告單。

⑵要求焊接采用自熔自動雙面軌跡氬弧焊接，對接管材自溶焊接，可避免焊絲材料的不純；內外表面惰性氣體保護自動焊接，對焊透度、焊口的同心度、保護氣體的使用適宜度、焊縫的異物和夾沙雜質等指標均有較好的控制。

1.1.2 不銹鋼管道與罐體的外表處理與打壓

⑴對貯罐或保溫層的外殼，上、下兩端封頭外表面與物料不直接接觸的管配件，零部件的外表面打磨、拋光做到平滑、光潔無毛刺，Ra≤0.8 um，也可作亞光處理。

⑵打壓試驗∶系統分別用壓縮空氣和水打壓，試驗壓力均為0.3 Mpa，滿足工作壓力1.5倍的規定，無滲漏為合格。

1.1.3 不銹鋼管道與罐體的清洗、鈍化、消毒處理

罐體、管路內壁均要進行電拋光、清洗并做鈍化處理，使其表面形成氧化鉻保護層，增強防腐蝕的能力，表面粗糙度Ra＜0.5 μm 。

不銹鋼管道與罐體的清洗、鈍化、消毒處理大致可分為純水循環預沖洗→堿液循環清洗→純化水沖洗→鈍化→純化水再次沖洗→排放→純蒸汽消毒等步驟。

⑴純化水循環預沖洗∶在儲液罐中注入足夠的常溫純化水。用泵加以循環，15 min后打開排水閥。邊循環邊排放(在開泵之前必須確保閥門開啟正確)；

⑵堿液循環清洗∶準備氫氧化鈉純試劑，加入熱水(溫度不低于70cC)配制成1%體積濃度的堿液，用泵加以循環，時間不少于30 min，然后排放。

⑶純化水沖洗∶將純化水加入儲罐，啟動水泵，打開排水閥排放， 排放時間不少于30 min，直到各出水點的電阻率與罐中水的電阻率一致。初始沖洗用常溫純化水沖洗，時間不少于5 min。

⑷鈍化∶①用純化水及化學純硝酸配制8%的酸液，在49～52cC的溫度下循環60 min后排放；②或者用3%氫氟酸，20%硝酸，77%純化水配制溶液，溶液溫度在25～35cC，循環處理10～20 min，然后排放。

⑸純化水再次沖洗∶再次沖洗，直到進口和出口純化水的電阻率一致。

⑹純蒸汽消毒∶將純蒸汽通入整個不銹鋼管道系統中，每個使用點沖洗不少于15 min[3]。

1.2 用水貯罐

1.2.1 純化水貯罐

利用使用過的舊罐，做拋光鈍化，罐內回水進口加裝清洗球，更換循環泵和呼吸器過濾芯，經過管路改造，具有純蒸汽滅菌的功能。

1.2.2 注射用水貯罐

注射用水貯罐其容積由多效蒸餾水機的產水量和工藝使用要求確定，根據需求設計制作的貯罐，設有清洗球及其進水口、純蒸汽進出口、注射用水入口、出水口、回水口、呼吸器口、人孔、取樣口、排放口、燈視鏡、安全閥等裝置。

設置注射用水罐，以調控系統用水的峰谷，具有自動控制加熱、70 ℃恒溫循環保溫、在位清洗和121℃純蒸汽滅菌等功能。同時具有溫度、壓力、液位、電導的自動顯示和控制系統。

1.2.3 其他

貯罐循環回水口設置不銹鋼清洗球噴灑洗滌裝置，清洗球的安裝位置和數量以做試驗的實際效果為依據，保持罐內清洗覆蓋面的完整和罐頂部及四周的濕潤，與貯水的部分一致，有助于降低腐蝕，阻止生物膜的形成，并可提高熱消毒和化學消毒處理過程的完整性。

貯罐的通氣口安裝不易脫落纖維的、疏水性好的除菌過濾呼吸器(選用0.22 um聚四氟乙烯材質)，以補償由于水位改變引起的壓力變化，避免罐外空氣的吸入而對系統產生的污染。過濾器可耐受121 ℃蒸汽滅菌的溫度。

選用垂直式貯罐，死水容積相對于水平式貯罐小，罐頂噴淋球設計更為簡單，噴淋覆蓋面較之為好，并且立式貯罐占地面積小。注重罐體保溫層的設計，盡量采用外套上、下兩端封頭保溫(有些制造廠商為制作方便降低成本，立式罐上封頭不作保溫)，減小因保溫欠缺而增大的熱能損失。

1.3 衛生級循環管路

衛生級循環管路具有輸送與定期清潔、滅菌的功能。一是為使用點循環輸送純化水、注射用水以及輸送純蒸汽；為使用點的配液罐、培養罐等設備清洗和消毒滅菌服務。二是貯水罐與輸送管道自身的清洗與消毒滅菌。

1.3.1 循環管路的連接

系統設計為串聯循環，分別的獨立系統，即貯罐和各使用點構成的循環回路。管路連接盡量采用以焊接為主，不銹鋼衛生快卡連接為輔的方式。法蘭連接慎用，不使用螺紋連接。盡可能地減少了彎頭和焊縫，采用惰性氣體保護自動焊接。管路的設計和安裝避免死角和盲管(盲管是指長度對直徑的比值超過6倍的管路死頭部分)，將死水段減至最少或徹底消除，便于清潔和滅菌[4]。在管路中不使用球閥或其他不利于控制微生物污染的閥門；系統使用衛生級隔膜閥、隔膜真空壓力表、隔膜溫度計和安全閥等。

1.3.2 管路坡度及安裝排放閥門

管路安裝設置坡度，一般坡度為1‰～3‰，并設置最低點排放口，以便系統在必要時能夠完全排空。在排放管路處設置安裝單向閥、水封，排放管路末端加裝閥門，在入下水道排放完畢時可關閉，防止和杜絕污物倒灌。總之，盡可能避免明溝排放，有效地防止了系統的污染。系統設置有取樣點[5]。

1.3.3 系統管路打壓試漏、保溫與安裝

對安裝管路均進行了打壓試漏，杜絕跑冒滴漏現象；管路物料密閉輸送循環，確保在任何時間內水系統相對于外界大氣的正壓力。

凡是蒸汽滅菌管路系統即∶注射用水管路和純化水管路均制做保溫層，潔凈區管道的保溫外層采用不銹鋼套管。純化水制做保溫層，主要是為防止夏季管路外壁結露及凝水滴到樓板上滲水潮濕而滋生細菌；同時也是純化水管路蒸汽滅菌時保溫的需要，且節能降耗。

管路設計安裝要考慮熱膨脹和冷收縮；在安裝時，盡可能考慮到將日后的維護檢修在生產區外部進行。主要固定管道須標明管內物料的名稱、流向。

1.4 循環水泵

選配進口衛生級循環泵，其流量滿足使用需求，具有較高的揚程，使流體輸送足以克服管道的阻力，保證物料流速；純化水、注射用水循環系統有較高的流速(＞2 m/s)，有效地控制了管內壁上微生物膜的生成。循環水泵出水口采取45o角，使泵內上部不存在氣隙，在一定的氣蝕條件下水泵也可以正常運轉。水泵處在供水系統的低點，其排泄裝置允許系統完全排凈。注射用水泵能耐受高溫循環運行和121 ℃以上的純蒸汽滅菌[6]。

1.5 注射用水熱與冷交換器

1.5.1 加熱交換器

注射用水循環系統為70 ℃保溫循環，采用在罐外回水管路處設加熱裝置的交換方式。加熱交換器通常有電加熱或蒸汽加熱方式，回水處設溫度計，回水溫度不低于70 ℃，使注射用水系統始終處于巴氏消毒狀態，以控制系統微生物的生長。采用電加熱自動控制方式較蒸汽加熱結構簡單，便于控制。電加熱管和注射用水接觸的金屬外套均為316L不銹鋼材質，加熱交換器端口為法蘭連接，便于維護和檢修。設計的電功率合理匹配，盡量減小加熱器的熱慣性沖擊，以利于溫度控制的精度與節能。加熱交換器的設計，應便于在必要時可完全將其內積水排空。

1.5.2 冷卻交換器

注射用水使用點溫度根據生產工藝的需要，設置冷卻交換器降溫，盡量安裝在靠近使用點處。根據要求來調節水的溫度，可將較高的水溫降至工藝用水的溫度，如40 ℃以下。冷卻器以采用雙管板式結構為佳，以提高系統的安全性；設計應考慮便于冷卻交換器的泄漏檢測和水垢清潔[7]。

2 工藝用水輸送系統的清洗與滅菌

根據GMP的要求，對工藝用水輸送設備的設計、選型、安裝應符合生產要求，易于清洗、消毒和滅菌，便于生產操作和維修、保養，并能防止差錯和減少污染。

2.1 輸送系統的清洗

輸送系統常見的清潔方法為預洗、精洗及最終淋洗三個步驟，可用碳酸氫鈉和氫氧化鈉作清潔劑，其易溶于水，易在清潔過程中被水淋洗掉。定期對系統內壁的沉淀物進行清洗；利用純化水清洗，必要時用注射用水作最終的沖洗。

選擇合適的清潔劑尤為重要，根據其本身的化學性質、去污能力、實驗室的評估及以往清洗的經驗來確定清潔劑的類型。

2.2 輸送系統的滅菌

純化水設備和分配系統滅菌的方法有巴氏消毒、紫外線消毒、臭氧消毒、蒸汽消毒等；在純化水系統的使用回路使用巴氏消毒程序通常為80 ℃以上2 h。注射用水的分配系統主要是純蒸汽消毒滅菌。在此次改建純化水分配系統中采用純蒸汽消毒滅菌的方式。

2.2.1 純蒸汽滅菌系統

蒸汽滅菌系統的罐體、管路及部件按壓力容器規范的要求設計。滅菌系統按要求安裝有進蒸汽調壓閥、壓力安全裝置、壓力和溫度顯示及控制裝置等。同時設有在線純蒸汽滅菌的功能，定期對后序設備(如配液罐、反應器等以及純化水和注射用水系統的貯罐及管路、泵、閥等連接的所有設備和器件)進行消毒滅菌，控制微生物的滋生和污染。利用原有多效蒸餾水機的一效蒸餾柱輸出的純蒸汽，即在一效通往二效的純蒸汽管路上連接一個支管并加裝隔膜閥用于滅菌時純蒸汽的輸出；另加裝一個隔膜閥控制通向二效的純蒸汽，兩閥門開、關互鎖，使用純蒸汽滅菌時開啟滅菌閥，關閉通往二效蒸餾柱的純蒸汽閥，屆時暫不產注射用水。利用原有的多效蒸餾水機一效輸出，解決了系統純蒸汽在線滅菌的技術問題。滅菌后使用注射用水沖洗，將系統內的細菌殘存物等清除出系統之外。純化水罐及循環管路具有純蒸汽滅菌功能，并需定期消毒。

2.2.2 蒸汽滅菌注意事項

⑴系統純蒸汽滅菌時須注意空氣及蒸汽冷凝水的排放，否則將影響滅菌溫度達標，還會使滅活的微生物殘存物留在系統內而導致滅菌不徹底。單獨設置蒸汽滅菌時的排放管路，可與液體排放分開。為達到節能目的，在排放管路上采用質量好的進口疏水器和單向閥，使管路排放通暢。排放管路末端加裝閥門，以便排放完畢及時關閉，克服“反頂”現象，防止污物從排放管路倒灌進入系統。

⑵高溫滅菌完畢，系統在冷卻過程中會出現負壓，故要適時打開罐體除菌過濾呼吸器的控制閥門(純蒸汽滅菌時，因保壓需求此閥是關閉的)及時通入潔凈的壓縮空氣或氮氣，使系統內保持正壓工作。這樣，既防止產生負壓所致外界空氣的進入而造成系統染菌的現象，又防止了罐體嘬癟變形而產生安全隱患。

⑶呼吸過濾器采用夾套蒸汽加熱的濾殼或電加熱的濾殼能實現在線滅菌。

3 制藥用水的監測與控制

應當對制藥用水及原水的水質進行定期監測，并有相應的記錄。首先要定期監測微生物學指標；另外要在特定的監測部位安裝在線監控裝置。對系統各有關部位取樣檢驗，確保整個系統始終達標運行。

3.1 純化水系統的監測控制

純化水系統按照設計要求正常運行后記錄日常操作的參數，對各個環節如活性炭的消毒情況、貯水罐充水和放水的時間、各用水點及貯罐進出口的溫度、電導率等進行監測。

石英砂及活性炭過濾器分別用于初濾，而活性炭吸附容量大，在吸附水中余氯、有機物、氣味、色澤的同時，使自身也成了微生物滋生的場所，故在活性炭柱設巴氏消毒裝置非常必要。注意監測并定期對活性炭柱進行巴氏消毒處理。一是殺滅微生物；二是再生，巴氏消毒使活性炭發生了解吸附作用，經反沖清洗后增強了其處理能力；還可適當提高水的流速、檢測吸附能力以及定期更換活性炭等措施，提高活性炭系統的控制能力。通常80 ℃以上消毒1 h便可有效地控制微生物污染。另外，通過對活性炭過濾器的進出口壓力降進行監測，確定過濾器堵塞狀況。注意反沖洗周期和時間的設定、以及活性炭的更換周期[8]。

純化水系統使用紫外線燈滅菌時的最佳波長為255 nm，紫外線燈在使用過程中會逐漸老化，要監測注意更換。紫外線燈后裝有0.22 μm的過濾器，以去除被殺死的細菌及顆粒，過濾器要定期清洗和滅菌，定期檢查和更換。在純化水的下游部分只能使用隔膜閥。

3.2 注射用水系統的監測控制

注射用水系統采用在線電導率測試，選用質量好的兩位三通閥和電導控制儀，將合格的注射用水注進貯罐，當其溫度低于85 ℃或電導率大于1 μs/ cm，將視為不合格則自動排放至廢水裝置，保證了注射用水的質量和安全。注意監測使用點和回水總管的水溫、電導率、熱原及微生物指標。注射用水系統對微生物和細菌內毒素的控制比純化水更加嚴格，注射用水細菌內毒素＜0.25 EU/ml；微生物測試的結果＜10 CFU／100 ml；電導率＜1 μs/cm；總有機碳(TOC)指標＜0.5 mg/L。另外，要注意監測注射用水的冷卻交換器不能有泄漏，否則會導致注射用水被污染。

3.3 貯罐的監測控制

⑴貯罐呼吸器的上方易產生冷凝水而導致微生物生長，還會發生積水堵塞現象，致使水泵運行所產生的負壓有可能導致貯罐被吸癟的嚴重后果；如貯罐出現負壓，還將導致用水點的水不能放出，外界空氣還會通過用水點進入系統，造成整個系統的污染。因此，要注意對呼吸器上方產生冷凝水的監測，用吹氣的方法，防止產生或消除冷凝水。要注意對貯罐內壓力的監測和對貯罐上安裝的通氣過濾器進行完整性檢測，定期清潔、滅菌或更換。

⑵采用自動控制充氮氣的方法，將貯罐自動沖入除菌過濾的氮氣，始終保持貯罐內維持微小的正壓，既可防止水中氧含量的升高，又可防止二氧化碳進入貯罐和微生物的污染。

⑶對用水貯罐的水位和注射用水循環保溫的溫度進行監測與自動控制。

3.4 整個系統清潔的監測控制

對整個系統清洗的周期、洗滌用水的水質、洗滌時水的壓力、流量、水溫、水量、洗滌時間等需要進行監測；對整個系統洗滌的次數、所用清潔劑的名稱、濃度和用量也需要進行監測；對沖洗水的質量、壓力、流量、水溫、水量、沖洗時間等要進行監測；還需要對沖洗的次數、沖洗的排水方法等進行監測。

沖洗完畢取樣檢測，直到進、出口純化水或注射用水的電導率、pH值完全一致。在清潔過程中若使用清潔劑，還須進行清潔劑殘留物的測試以及微生物的測試等。清潔方法應當經過驗證，證實其清潔的效果，以利于有效防止污染和交叉污染。

3.5 滅菌的監測控制

對純蒸汽的進汽壓力進行監測和控制，蒸汽壓力的調節利用進口比例調節閥，當壓力高時，則閥門開啟度小；壓力低時，則閥門開啟度大；從而使進入設備的純蒸汽壓力自動穩定。

系統中因空氣或排放管道積聚冷凝水時可能會造成冷點，遠離汽源的部位、管路末端、系統中位置低的地方以及過濾器濾芯等處是可能造成冷點的位置，要進行重點監測。通過延長滅菌的時間、分步滅菌或改變通蒸汽的途徑、對疏水器或排放點保溫的辦法減少冷點。對可能的冷點處設置溫度監測探頭，從這個冷點來控制滅菌的程序，確保滅菌的效果達到要求。做滅菌釜內熱分布的檢測及熱穿透的性能試驗；適時可做嚴于滅菌程序的挑戰性試驗，確保實際使用中的符合性和適用性。在滅菌過程中對時間、溫度、壓力作全過程的監測和記錄[9]。

3.6 儀器儀表的監測

定期檢測校驗控制儀表或傳感器的壓力、流速、溫度、電導率、有機碳、pH值等，確保其準確可靠性，有明顯的標識并標明其校準有效期。

3.7 取樣的監測控制

增加取樣點，分段進行系統驗證確認，應通過不同點樣品的化學或微生物檢驗來證實每一步處理的作用和效果。取樣方案含取樣位置及要求、檢驗方法、限度或標準的細節內容。應取樣于各個取樣點，尤其是系統的各個使用點。監測取樣閥取樣前的滅菌狀況，設置專門的取樣閥，如果取樣要求作內毒素或熱源檢查，取樣管和取樣閥在使用前都要進行清洗、滅菌和除熱原處理。可用純蒸汽汽流沖洗滅菌，在取樣閥處接溫度表或探頭，監測純蒸汽沖洗滅菌的溫度，并根據驗證結果確定滅菌的時間。杜絕取樣時的污染[10]。

4 結語

一個合格的工藝用水系統涉及到設計、安裝、運行、驗證、監測、管理等內容，在實施的過程中每個環節都很重要，要做好其確認、驗證工作。尤其在改建安裝過程中，要深入現場按GMP的要求監控，如出現差錯，以后再調整則很困難。對工藝用水系統各單元環節的水質要定期監測控制并有檢驗記錄，制定出運行參數、清潔/消毒規程及其頻率。定期對系統及其過濾器等裝置按照操作規程進行清洗消毒，并有相關記錄。過濾器要經定期檢查和完整性檢測合格后更換。要注意人員培訓和運行管理；還要加強運行后的維護保養與檢修。按要求做好后驗證工作，系統有明顯的狀態標識，技術文件資料完整。確保醫用制藥用水達到規定的質量標準，為醫學科研和生產服務。

[1]李鈞.GMP實施與認證[M].北京∶中國醫藥科技出版社，2000∶182-185.

[2]國家食品藥品監督管理局.藥品生產質量管理規范(2010年修訂)[S].中華人民共和國衛生部令第79號，2011-02-12.

[3]國家食品藥品監督管理局藥品安全監管司、藥品認證管理中心.藥品生產驗證指南[M].北京∶化學工業出版社，2003∶104-108.

[4]中國化學制藥工業協會，中國醫藥工業公司.藥品生產質量管理規范實施指南[S].北京∶化學工業出版社，2001∶30-33.

[5]閆兆光，王穎.GMP審計技術[M].北京∶中國科學技術出版社，2007∶179-182.

[6]王巍.多效蒸餾水機及配套裝置的應用要點[J].機電信息，2009(32)∶44-45.

[7]國家食品藥品監督管理局藥品認證管理中心.藥品GMP指南——廠房設施與設備[M].北京∶中國醫藥科技出版社，2011∶151.

[8]朱世斌.藥品生產質量管理工程[M].北京∶化學工業出版社，2001∶405.

[9]國家食品藥品監督管理局藥品認證管理中心.歐盟藥品GMP指南[M].北京∶中國醫藥科技出版社，2008∶115-116.

[10]國家食品藥品監督管理局藥品認證管理中心.藥品GMP指南——質量控制實驗室與物料系統[M].北京∶中國醫藥科技出版社，2011∶272-275.