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制藥用水問答集錦(十四)

問題82:如何防止循環冷卻水系統結垢?螺旋板冷凝器已經結垢,如何處理效率高且方便

結垢主要是水中硬度高引起的,一般冷凍水大家會用軟化水,涼水塔的冷卻水一般會添加阻垢試劑。如果是多效蒸餾水機最后一效進行注射用水降溫,肯定是推薦用軟化水或純化水,因為高溫工況,硬度高極易結垢。

問題83:如何正確選擇離心泵葉輪?

離心泵的葉輪大致分為三大類。

全開放式:多用于無菌工藝,優點是CIP時非常容易,缺點是效率低,但對于無菌物料輸送,與無菌性相比效率低肯定是能接受的;

半開放式:兼顧了無菌性與效率的優點,因此在類似有微生物荷載控制的制藥用水系統中被大量推崇;

全封閉式:理論上來講,作為純化水泵,全封閉式也是可以接受的,因為純化水的微生物荷載與飲用水一樣,均為100CFU/ml,采用食品級離心泵完全符合微生物荷載控制需求,同時,純化水系統會定期巴氏消毒,但從設計理念來說,全封閉畢竟不利于CIP、相對死角大,因此,如果揚程要求不太高(小于75m,注意,一般水分配系統都不會超過75m揚程)還是建議用半開放式,因為無菌性和效率都能兼顧,如果你需要特別高的揚程泵,當然只能選擇單級全封閉式或者多級泵,但無菌性會相對差一些。目前,離心泵企業也在開發新的高效葉輪的無菌級離心泵,具體可參考《制藥用水系統》(第二版)的第3章單元操作離心泵相關技術。

總結:對于常溫純化水系統,類似飲用水一樣的微生物荷載控制需求,采用半開放式葉輪足夠了,鍛造更佳,鑄造也可接受;對于高溫注射用水系統,微生物荷載相對很高10CFU/100ml,且溫度非常高,推薦企業采用半開放式或全開放式葉輪,鍛造材質優先,如果供應商確實沒有,鑄造材質也能接受,畢竟離心泵葉輪處的紅銹發生會非常頻繁,定期清洗才是關鍵。具體參加問題33的解釋

問題84:紫外燈破除臭氧后,臭氧的理論殘留值大概是多少?

紫外線水處理技術主要應用于制藥行業的純化水制備、儲存及分配系統。且主要包括以下三類應用:消毒、分解臭氧和脫氯。

紫外線具有分解臭氧的功能,臭氧分子主要吸收200nm~300?nm之間的紫外線,以253.7nm為最大吸收峰。一般來說,分解90%臭氧所需的紫外線劑量為正常紫外線消毒劑量的3倍以上,中壓紫外燈對臭氧分解的效率要優于低壓紫外燈。紫外線分解臭氧的反應原理如下,該反應過程非常迅速,通常是在納秒級別就可完成,臭氧理論殘留值為零。

O

3

?+H

2

O+ h??→ O

2

+ H

2

O

2

H

2

O

2

+ h?→2?OH

H

2

O

2

+?OH→H

2

O+HO

2

?

HO

2

?+ H

2

O

2

→H

2

O+ O

2

針對紫外線分解臭氧,選擇中壓還是低壓紫外線技術應綜合考慮處理流量、初始臭氧濃度、要求的臭氧去除率和投資運行成本。一般來說,流量越大,要求的臭氧去除率越高,越適合選擇中壓紫外線技術。更為詳細的紫外線分解臭氧的應用可參見《制藥用水系統(第二版)》“消毒滅菌技術”章節的臭氧消毒相關內容。

問題85:為什么說紫外燈除余氯將會成為未來純化水機的發展方向?

紫外燈破除余氯的應用是一個非常環保的案例應用,在美國,飲用水是企業的源水,所以使用相對廣泛,在我國自來水是源水,導致很多企業擔心源水質量不穩定,且這個因素也的確存在,因此,這個技術的推廣應用相對較慢,更多的企業采用活性炭過濾器來進行余氯的去除。

紫外線水處理技術主要應用于制藥行業的純化水制備、儲存及分配系統。且主要包括以下三類應用:消毒、分解臭氧和脫氯。

余氯消毒技術應用廣泛,全世界有約80%的國家或地區均使用氯氣來消毒市政自來水,通常的做法是將氯氣或者次氯酸鈉加入到自來水中,形成具有超強的氧化能力的次氯酸和次氯酸根,從而起到殺滅多種細菌的作用。自來水中加入氯氣消毒的反應原理為:Cl

2

?+ H

2

O→HCl + HOCl,HOCl?←→H

+

?+ OCl

-

;自來水中加入次氯酸鈉消毒的反應原理為:NaOCl + H

2

O→NaOH + HOCl,HOCl←→H

+

?+ OCl

-

。

次氯酸(HOCl)和次氯酸根(OCl

-

)通過對微生物細胞結構的氧化起到殺菌消毒作用。次氯酸根(OCl

-

)由于帶有電荷,無法進入某些微生物細胞的內部,它僅僅能作用于微生物細胞的細胞壁;而次氯酸(HOCl)不僅可與細胞壁發生作用,且因分子小,不帶電荷,故能侵入細胞內與蛋白質發生氧化作用或破壞其磷酸脫氫酶,使糖代謝失調而致細胞死亡。因此,余氯消毒作用中起到最主要消毒作用的為次氯酸(圖1)。

圖1 次氯酸的消毒作用

用于消毒的余氯主要以氯(Cl

2

)、次氯酸(HOCl)與次氯酸根(OClˉ)三種形式游離存在于自來水中,它們在水中的存在形式與pH有較大關系(水溫為25攝氏度時),當pH在2到7之間時,主要以次氯酸(HOCl)的形式存在;當pH低于2時,主要以氯(Cl

2

)的形式存在;當pH為7.4時,次氯酸(HOCl)和次氯酸根(OClˉ)幾乎各占50%;當pH高于7.4時,次氯酸根(OClˉ)所占百分比則會逐漸增加(圖2)。

圖2 余氯成分與pH的關系

在純化水制備設備中,反滲透膜(RO膜)對于水質的凈化至關重要,通常情況下,反滲透膜無法耐受余氯的氧化,傳統方法常在預處理階段采用活性炭過濾吸附法或NaHSO

3

還原法去除余氯(圖3)。

(a) 活性炭過濾吸附法

(b) 亞硫酸氫鈉還原法

圖3 傳統的余氯去除法

目前,活性炭去除余氯技術已成為國內使用最為廣泛的余氯去除技術?;钚蕴窟^濾吸附法對水中余氯的去除效果非常有效,其工作原理為:2HOCl + C

1

→?CO

2

?+ 2HCl,其中C

1

代表活性炭?;钚蕴繉⒂嗦任皆谄浔砻婧?,再依靠碳基對余氯物質的催化還原作用進行徹底反應,從而將具有氧化性的ClO

離子還原分解成不具有氧化性的氯離子和二氧化碳。在活性炭的過濾吸附過程中,活性炭總量會減少,因此,需通過定期更換活性炭來保證其脫氯效果,同時,活性炭過濾器需要有良好的運行管理與消毒措施,以免存在微生物滋生與污染的風險。

另一種傳統的余氯去除方法為亞硫酸氫鈉還原法,其工作原理為:2NaHSO

3

?+ 2HOCl→H

2

SO

4

?+ 2HCl + Na

2

SO

4

。采用化學加藥的方式來對水中的余氯等氧化物質進行處理時,常通過安裝氧化物質檢測儀表(ORP儀)來控制水中亞硫酸氫鈉的加藥量,以確保進入下一處理單元的水中氧化物質含量已被有效還原。該加藥方式的優點是成本較低、操作運行很簡便,但其缺點也很鮮明:一方面,加藥量通過儀表控制加藥泵頻率來實現,可能存在儀表探頭失效和控制不穩定的風險;另一方面,由于是通過加藥才能發生還原反應,大量外來化學物質的介入增加了后端純化系統(RO/EDI系統)的處理負荷,嚴重時會影響RO膜的使用壽命。

研究表明,紫外線可用于水中余氯的去除。利用中壓高劑量紫外線替代活性炭過濾器或亞硫酸氫鈉加藥裝置,在去除余氯的同時還具有徹底滅活微生物的功能,從而得到一個從源頭消除純化水系統微生物風險的解決方案。通過紫外光作用可實現余氯100%的光解,紫外線分解余氯的原理如下:2HOCl +2hν→ O

2

?+ 2HCl;2OCl

-

?+2hν?→ O

2

?+ 2Cl

-

。通常情況下,用于光解余氯的紫外線劑量是標準紫外線消毒劑量的20倍以上,余氯能否被成功去除與紫外線的照射劑量有關。起消毒作用的余氯主要成分為HOCl和OCl

-

,它們對紫外線的吸收波長主要集中在260~330nm之間。

與亞硫酸氫鈉還原法及活性炭法這兩種傳統的脫氯技術相比,紫外線脫氯具有如下工藝優勢:高效脫除余氯的同時徹底滅活原水微生物,從源頭消除純化水系統微生物風險;有效預防后段RO、EDI及儲存分配系統微生物污染,極大降低其周期性消毒頻率;日常運行及管理成本大大優于活性炭;允許在線紫外線強度監測及劑量顯示,可準確預測脫氯效果;占地空間小且系統本身非常潔凈,無需定期清洗和消毒;無需任何化學品添加,可避免RO系統結垢問題。同時,中壓多譜段紫外線對余氯的分解效率遠遠優于低壓單色紫外線,采用中壓多譜段紫外線去除余氯可有效減少紫外燈的燈管數量,從而降低系統的初始投資成本及后續的維護成本。圖4是一套采用中壓多譜段紫外線脫氯技術的純化水機。

圖4 中壓多譜段紫外線脫氯的純化水機

紫外線脫氯的效率與進水水質條件有關,如PH、TOC濃度、余氯濃度、紫外線穿透率等。例如,某進水水質條件為:UVT10=98%、余氯濃度=2ppm、PH=7、TOC濃度小于0.5ppm。如果需要達到對上述同樣的水質1 log的余氯去除率,選取中壓紫外線需要達到的劑量約為1000mJ/cm

2

,而選取低壓紫外線需要達到的劑量則高于5000mJ/cm

2

,即低壓紫外線所需劑量為中壓紫外線5倍以上。因此,綜合考慮技術可行性及投資成本,中壓紫外線技術為紫外線脫氯應用時的最佳選擇。

低壓紫外線的輸出波長范圍集中在185nm和254nm,僅254nm的紫外線具有消毒效力,且254nm的紫外線僅作用于微生物的DNA,無法克服微生物光復活及暗修復的問題(圖5)。

圖5低壓紫外線的殺菌過程

與低壓紫外線不同,中壓紫外線的輸出波長范圍為200nm~400nm,相對輸出強度要遠高于低壓紫外線。正因為如此,中壓紫外線不僅作用于微生物的DNA結構,短波段的紫外線還可激發水分子產生羥基自由基,對細胞內的酶及蛋白質產生破壞作用。因此,中壓紫外線能全面破壞微生物細胞的組織結構,對其造成不可逆的傷害,并有效克服微生物的復活問題(圖6)。

圖6 中壓紫外線的殺菌過程

中壓紫外線脫氯對劑量的要求與以下進水水質參數有關,包括pH、TOC濃度、紫外線穿透率、余氯濃度以及要求的余氯去除率等。通常情況下,要求中壓紫外線脫氯的劑量≥600mJ/cm

2

,即中壓紫外線脫氯所要求的劑量為一般水系統在線消毒的20倍以上,為制備等效巴氏消毒水的5倍以上。

往期回顧:

(內附前九篇)

更多問題及答案,將持續放出;

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部分企業網絡學習展示

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? ? ?會中大家可以上傳自己的問題到問答區進行提問,必要的情況下我們可以打開麥克風與老師進行面對面視頻互動。

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