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制药用水设备微生物控制设计考虑
2016-1-9

       在一个特定的水储存和分配系统中,总是要预想出一些促进微生物生成问题的特定的基本条件。以下几个基本办法可以抑制这些问题。典型能促进微生物生成的基本条件有: 
       1、停滞状态和低流速区域
       2、促进微生物生长的温度(15~55℃) 
       3、供水的水质差

减轻这些问题的一些基本方法如下: 
       1、维持臭氧水平在 0.02ppm到 0.2ppm之间
       2、连续的湍流
       3、升高的温度
       4、合适的坡度
       5、细菌滋生聚集最小的光滑和洁净的表面
       6、经常排放,冲洗或消毒
       7、排水管道的空气间隙
       8、确保系统无泄漏
       9、维持系统正压
       等方法来处理这个关键问题,通常适合的方法包括使用趋势分析法。使用这种方法,警戒和行动水平与系统标准有关。因此对警戒和行动水平的反应策略能也应该制定出来。即使是最谨慎的设计,也有可能在有些地方形成微生物膜。工程设计规范,如消除死角,保证通过整个系统有足够的流速,周期性的消毒能帮助控制微生物。因此这是在下列情况下储存和分配循环系统中常见的实例: 
       1、在大于 70℃或臭氧的自消毒的条件下
       2、如温度控制在 10℃以下<我国药典附录中提及的是低于 4℃>来限制微生物生长并周期性消毒的情况下
       3、在常温环境下,消毒是通过验证的方法控制微生物生长

对常见的行业实例的法规说明

       下面的行业实例都是工程设计规范(GEPs),在过去就发现可以用来降低微生物生长的机会。如果你全部忽略所有这些项,你就增加了微生物负荷问题的可能性。这些项包括表面处理、储罐方位、储罐隔离、储罐周转率、管道坡度、排放能力、死角和流速。


(1)表面处理
       常见的行业实例是从研磨管道到表面 Ra0.38 先机械抛光后电抛光和管道。电抛光与电镀工艺相反,它可以改进机械抛光后的不锈钢管道和设备的表面处理。减少表面面积和由机械抛光引起的表面突变,因为这些会引起红锈或变色。系统进行机械抛光或电抛光后,应确定抛光物质完全从管道中去除,这样就不会加快腐蚀。

       系统在常温或不经常消毒的环境下操作可能需要较光滑的表面处理。在药典规定用水系统中,为了减少细菌附着力和加强清洁能力,不锈钢管道系统内部表面处理,主要是用研磨和/或电抛光。为了达到较好的(Ra0.4~1.0)的光滑表面,需要相当大的费用。另一个可行的方法是拉伸的PVDF管道,尽管PVDF有其它的缺点,但它在不用抛光的情况下具有比大多数金属系统更光滑的表面,但目前在国内普遍不采用。


(2)  储罐方位
       立式结构是最普遍的,因为有如下优点: 
        制造成本低
        较小死水容积
        简单喷淋球设计
        需要的占地面积小

        当厂房高度受限时可采用卧式


(3)  储罐隔离
       对于药典和非药典规定用水,在担心微生物污染的地方的普遍做法是使用 0.2 微米疏水性通风过滤器。对于热储存容器,通风过滤器必须通过加热来减少湿气的冷凝。另一个可行的方法是向罐内充进 0.2微米过滤的空气或氮气。如果二氧化碳吸收引起注意或防止最终产品的氧化问题,可以充进氮气来进行保护。

 (4)储罐周转率
       普遍的做法是罐的周转率每小时1~5  次。
       周转率对使用外部消毒或处理设备的系统可能是很重要的。
       当储罐处于消毒条件下包括热储存或臭氧,在这种情况下就限制了微生物的生长,此时周转率是不怎么重要的,如冷储存(4~10℃)<我国药典附录中提及的是低于 4℃>,但是必须有文件证明。有些储罐的周转率是为了避免死区。

 (5)  系统排净能力
       用蒸汽进行消毒或灭菌的系统必须要完全排净来确保冷凝液被完全去除。
       从来不用蒸汽消毒或灭菌的系统不需要完全排净,只要水不在系统中停滞就可以了。考虑设备和相关的管道的排放是一个好的工程上的做法。

 (6)  死角
       好的工程规范是在有可能的情况下尽量减少或去除死角。常见的做法是限制死角小于 6倍分支管径或更小,这是源于 1976 年CFR212 规范中所提出的“6D”规定。最近,行业方面的专家建议指导采用 3D或更小,而 WHO所建议的死角长度是 1。5D或更小。然而,这个新的指导引起了混乱,因为这个标准的建议者通常是从管道外壁来讨论死角的长度,但是最初的 6D法规指的是从管道中心到死角末端的距离。显而易见,如果一个 1/2 英寸的分支放在一个 3英寸的主管道上,从主管道中心到管道的外壁已经是 3D了。因此,即使是零死角阀门可能都达不到 3D 要求。
       为了避免将来造成混乱,本指南建议死角长度从管的外壁来考虑。我们建议避免对于最大可允许的死角做硬性规定。最后,在不考虑死角长度的情况下,水质必须满足要求。工程设计规范要求死角长度最小,有很多好的仪表和阀门的设计是尽量减少死角的。我们应该认识到如果不经常冲洗或消毒,任何系统都能会存在死角。

(7)正压
       始终维持系统的正压是很重要的。我们普遍关注的一个问题是系统的设计如果没有足够的回流,在高用水量时使用点可能会形成真空。这可能引起预想不到的系统微生物挑战。

(8)循环流速
       常见的做法是设计循环环路最小返回流速为3ft/sec(0.9米/秒)或更高,在湍流区雷诺数大于 2100。

       返回流速低于 3ft/sec(0.9 米/秒)在短时期内可以接受,或在不利于微生物生长的系统内也可以接受,如热,冷或臭氧的环路当中。在最小返回流速的情况下,要维持循环内在正压下充满水。




连续的微生物控制
       工艺水系统通常应用连续的方法控制微生物,并进行周期性消毒。

1、“热”系统
       防止细菌生长的最有效和最可靠的方法是在高于细菌易存活的温度下操作。如果分配系统维持在热状态下,常规的消毒可以取消。
       系统在 80℃的温度下操作,有很多的历史数据表明在这种条件下能防止微生物生长。目前,很多公司在 70℃的温度下验证水系统。在较低的温度下操作的优点包括节约能源、对人的伤害风险低、减少红锈的生成。系统在这个范围内的较高温度下操作在微生物污染方面具有更高的安全性。在 80℃以下的有效性必须在实例的基础上用检测数据来证明。需要注意的是,这个温度范围不会去除内毒素。当内毒素是我们所关注的问题时,必须通过设计合理的处理系统来去除它。

2、“冷”系统
       在这个例子中用“冷”这个词的意思是指一个系统维持在足够低的温度下来抑制微生物生长。虽然这被证明是有效的,但是其需要能耗及与其相关的成本,对这种类型的系统总的来说操作成本是很高的。通常情况下,“冷”系统是在4℃到 10℃<我国药典附录中提及的是低于4℃>的温度下操作。在 15℃以下微生物的生长率明显降低,因此与常温系统相比,冷系统的消毒频率可能要降低。特定温度下的有效性与否,在任何特殊系统中相关的消毒频率必须在实例的基础上通过统计分析来确定。

3、“常温”系统
       任何制药用水系统的循环温度都是通过需要达到的微生物标准或需要达到的使用温度来确定的。在行业中,“常温”的纯化水系统通常使用臭氧和/或热水消毒,与“热”或“冷”系统相比,通常需要较低的生命周期成本,并且还减少了能量消耗。然而,在没有提高系统消毒水平的情况下,在储罐和分配循环中缺少温度控制会导致系统内生物膜的形成,偶尔或不可预测地产生微生物不符合规定的水,以及导致不在计划内的水系统停机。

4、臭氧  
       臭氧能有效的控制微生物。它是一种强氧化剂,与有机体发生化学反应并杀死它们。消灭这些有机物而产生有机化合物,臭氧可能会进一步退化,最后变成二氧化碳。臭氧作为氧化剂其氧化性是氯的两倍,需要不断地加入来维持浓度。
在任何药典规定用水系统和大多数其它应用中,我们希望使用点的水完全没有臭氧。臭氧一般通过紫外线辐射来去除。254纳米的紫外线能把臭氧转变成氧气。较普遍的设计是维持储罐中臭氧浓度在0.02ppm到 0.1ppm之间,在分配环路的起始端用紫外线辐射去除臭氧。为了对环路本身进行消毒,紫外线在不用时可以关掉,臭氧会在环路中循环。破坏臭氧所需要的紫外线量一般是控制微生物需要量的 2 到3倍。应该做测试来证明在使用点没有臭氧。

5、紫外线
       紫外线经证明能减少储存和分配系统中微生物数量。紫外线波长在 200到 300 纳米的时候有杀菌能力,这个波长范围低于可见光谱。紫外线使 DNA失去活性来减少微生物。紫外线经常被认为是杀菌装置,但实际上不是。光线的有效性取决于它作用的水的质量、光线的强度、水的流速、接触时间和细菌存在的类型。

6、过滤
       与其它的微粒物质一起,细菌和内毒素可以通过过滤去除。过滤的介质可能是微滤(2~0.07 微米)也可能是超滤(0.1~0.005 微米)这样的数值范围。必须保持这些过滤器的完整性。
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