淺談制藥行業(yè)純化水系統(tǒng)微生物控制

文/張春紅 趙家照 王飛來 周榮兵

純化水是制藥生產(chǎn)的重要組成部分——純化水具有理化指標(biāo)與微生物指標(biāo)，前者一些小型水處理廠家都能夠達(dá)到，但后者卻不是所有設(shè)備廠家都能達(dá)到的。純化水系統(tǒng)微生物滋生的原因有哪些？設(shè)計上又有哪些需要注意的潛在風(fēng)險？本文將從“質(zhì)量源于設(shè)計”的角度出發(fā)，為讀者們進(jìn)行分析，并給出推薦的解決方法，從而幫助制藥企業(yè)在滿足藥典標(biāo)準(zhǔn)的情況下盡可能地延長純化水系統(tǒng)的消毒周期。

一些制藥企業(yè)雖然安裝調(diào)試了純化水系統(tǒng)，但在其消毒周期內(nèi)卻頻繁遇到微生物指標(biāo)超出《中華人民共和國藥典》（以下簡稱“藥典”）規(guī)定的100 CFU/ml 標(biāo)準(zhǔn)，最終被迫不斷縮短進(jìn)行巴氏消毒的周期。曾有人對國內(nèi)制藥企業(yè)的消毒周期進(jìn)行了統(tǒng)計，得出純化水分配系統(tǒng)最長的消毒周期是6 個月，最短的消毒周期是2 周。頻繁的消毒不僅會造成水系統(tǒng)各部件功能下降，而且會對企業(yè)的生產(chǎn)排產(chǎn)計劃造成一定影響。那么如何才能做好純化水系統(tǒng)的微生物控制？本文接下來將對其進(jìn)行探討。

純化水系統(tǒng)總體分析

純化水系統(tǒng)通常由制備和分配系統(tǒng)兩部分組成，制備系統(tǒng)的功能是通過多道工序步驟將原水（通常是自來水）處理為符合藥典標(biāo)準(zhǔn)的水。分配系統(tǒng)的功能是通過分配泵將符合藥典標(biāo)準(zhǔn)的水輸送到各個使用點。整個水系統(tǒng)的微生物控制不僅要求施工、安裝和運行參照GMP（藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）法規(guī)、ASME/ISPE（美國機械工程協(xié)會/國際制藥工程協(xié)會）指南等要求進(jìn)行，還要求在水系統(tǒng)設(shè)計階段就要對微生物控制加以考慮。

制備系統(tǒng)微生物控制

制備系統(tǒng)的目標(biāo)是將原水中的微生物去除，從設(shè)計上要考慮的是通過不同工序步驟將微生物逐步去除，而不能僅僅用一個工序步驟進(jìn)行去除，同時要盡可能避免自身微生物的快速滋生。常規(guī)純化水系統(tǒng)處理工序如圖1 所示。

圖1 常規(guī)純化水系統(tǒng)處理工序（RO：反滲透；EDI：電去離子）

在制備系統(tǒng)中，多介質(zhì)過濾器用于懸浮物、大顆粒物和膠體等雜質(zhì)的初步去除；軟化器主要用于降低Ca2+和Mg2+等離子的濃度，從而降低水的硬度；活性炭過濾器的作用是去除余氯和降低TOC（總有機碳）——由于活性炭具有巨大的表面積，可以很好地吸附和降低TOC，但在吸附有機物的同時，這也導(dǎo)致活性炭過濾器成為微生物滋生的天然溫床。由于多介質(zhì)過濾器、軟化器和活性炭過濾器自身都沒有去除微生物的能力，反而會導(dǎo)致微生物快速滋生，這就要求制藥企業(yè)定期對多介質(zhì)過濾器、軟化器和活性炭過濾器進(jìn)行巴氏消毒。活性炭過濾器由于更容易導(dǎo)致微生物的滋生，部分企業(yè)甚至不得不采用工業(yè)蒸汽的方法來保證微生物殺滅效果。

基于“質(zhì)量源于設(shè)計”的理念，我們應(yīng)采用UF（超濾）膜替代多介質(zhì)過濾器和活性炭，用電磁除垢儀替代軟化器，用中壓UV（紫外線）燈替代活性炭來去除余氯。推薦的純化水系統(tǒng)處理工序如圖2所示。

圖2 推薦的純化水系統(tǒng)處理工序

UF 膜屬于一種膜過濾技術(shù)，采用錯流過濾方式。UF 膜不僅對懸浮物、大顆粒物和膠體有一定去除能力，還可以對病毒和微生物等進(jìn)行有效攔截和去除。為了防止膜絲表面污堵，UF 膜需要定時進(jìn)行氣水洗。在氣水洗過程中添加次氯酸鈉，就可以對膜絲表面的微生物進(jìn)行殺滅控制。

電磁除垢儀通過電磁感應(yīng)線圈對水施加一定磁場來改變水及溶解離子特性，從而達(dá)到降低水硬度的目的。在降低水硬度的同時，磁場能量還能控制原水中微生物的繁殖和生存。

UV 燈的主要作用是去除余氯，保護(hù)后面工序的RO 膜不被氧化。但是UV 燈在去除余氯的同時也可以破壞微生物體內(nèi)的RNA(核糖核酸)和DNA（脫氧核糖核酸），從而破壞細(xì)胞的代謝、遺傳和變異功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)死亡。ISPE 中推薦的用UV燈去除余氯的照射劑量是其消毒劑量的20 倍以上，所以在用UV燈去除余氯的同時還可以將微生物殺滅，殺滅后產(chǎn)生的內(nèi)毒素可以被后面工序的RO 膜有效攔截去除。UV 燈對微生物細(xì)胞破壞機理如圖3 所示。

圖3 UV 燈破壞微生物細(xì)胞的機理

本文推薦使用中壓紫外燈，這是因為中壓紫外燈相比低壓紫外燈具有一大優(yōu)點：照射后的微生物細(xì)胞不可修復(fù)。中壓多普段和低壓單色紫外燈對微生物殺滅對比如圖4 所示。

圖4 中壓多普段和低壓單色紫外燈殺菌效果對比

采用UF 膜替代多介質(zhì)過濾器和活性炭，用電磁除垢儀替代軟化器，用中壓UV 燈替代活性炭后，整個制備過程中產(chǎn)生的微生物都可以得到逐步的去除。此時再輔以周期性對RO 膜和EDI 設(shè)備進(jìn)行巴氏消毒或是化學(xué)消毒，整個制備系統(tǒng)中的微生物就可以得到很好的控制，其產(chǎn)水微生物數(shù)量即可遠(yuǎn)低于藥典中的微生物指標(biāo)。

這里還需要特別說明一點，通常純化水制備系統(tǒng)在待機情況下，會設(shè)置小循環(huán)來防止微生物快速滋生。在小循環(huán)狀態(tài)下管路依舊達(dá)不到湍流狀態(tài)，因此最好在設(shè)計上取消小循環(huán)，通過其他手段來保證制備系統(tǒng)一直處于正常產(chǎn)水狀態(tài)。

分配系統(tǒng)微生物控制

在討論分配系統(tǒng)的微生物控制之前，我們需要先了解一下微生物的生長規(guī)律。典型的微生物生長曲線包括4 個時期：遲緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期，如圖5所示。

圖5 典型的微生物生長曲線

?遲緩期

在這一時期，微生物生長速率常數(shù)為0，菌體粗大、RNA 含量增加，代謝活力強、對不良環(huán)境的抵抗能力下降。

?對數(shù)期

該時期是微生物生長速率最快的時期，在這時期微生物代謝旺盛、酶系活躍，活細(xì)菌數(shù)和總細(xì)菌數(shù)大致接近，細(xì)胞的化學(xué)組成形態(tài)、理化性質(zhì)基本一致。

?穩(wěn)定期

這一時期是活細(xì)菌數(shù)保持相對穩(wěn)定、總細(xì)菌數(shù)達(dá)到最高水平、細(xì)胞代謝產(chǎn)物積累達(dá)到最高峰的時期，微生物營養(yǎng)的消耗大，營養(yǎng)物比例失調(diào)。

?衰亡期

在這一時期，細(xì)菌死亡速度大于新生長速度，整個群體出現(xiàn)負(fù)增長，細(xì)胞開始畸形，細(xì)胞死亡并出現(xiàn)自溶現(xiàn)象。

純化水并不是無菌的物料，只是其中不含營養(yǎng)物質(zhì)，不利于微生物生長而已。根據(jù)如圖6 微生物控制曲線所示，分配系統(tǒng)必須有在線消毒措施和周期性消毒措施，在線消毒是將微生物壓制在遲緩期，而在系統(tǒng)微生物存在向?qū)?shù)期發(fā)展的趨勢時，則需要進(jìn)行周期性的離線巴氏消毒。所以純化水分配系統(tǒng)消毒推薦采用在線中壓UV 燈消毒+周期性離線巴氏消毒的方式。

圖6 微生物控制曲線

在分配系統(tǒng)中，如果能夠做好對微生物的控制和在線消毒，能夠始終將微生物壓制在遲緩期，那么就可以延長分配系統(tǒng)的離線消毒周期間隔。反之，如果分配系統(tǒng)中沒有降低微生物負(fù)荷的手段，又沒有在線消毒的配置，那么系統(tǒng)中的微生物將很快進(jìn)入對數(shù)期，離線巴氏消毒的周期自然就會相應(yīng)變短。這也是本文推薦在純化水分配系統(tǒng)中采用在線中壓UV 燈消毒+周期性離線巴氏消毒方式的原因。

結(jié)語

做好整個水系統(tǒng)的微生物控制不僅要求制藥企業(yè)在系統(tǒng)施工、安裝和運行時參照GMP 法規(guī)、ASME/ISPE 指南等要求進(jìn)行，還要求企業(yè)在制備系統(tǒng)設(shè)計工序上考慮采用多道工序?qū)ξ⑸镞M(jìn)行逐步去除，在分配系統(tǒng)設(shè)計上考慮采用在線的消毒措施，再輔以周期性的巴氏消毒。只有這樣，微生物才可以得到很好的控制，系統(tǒng)的消毒周期可以得到一定延長。在本文中，筆者主要從純化水設(shè)計理念上提供了一些見解，希望能夠為制藥企業(yè)解決微生物控制提供有益的參考。