ISPE中文版V4 水和蒸汽系统
预处理与水处理系统的其他零件一样，应符合GEP。预处理作为水处理系统的一个部分，必须作为整个水处理系统验证的一部分进行验证，并且应包括微生物监测。 图4－1
5. 最后处理方案：非制药和制药纯化水 5?1 引言
本章探讨与USP纯化水和非制药用水生产工艺有关的最后处理技术和系统基本配置。
系统有各种配置，并将离子交换基本装置的重要变化反映到膜基本装置。设备和系统材料、表面光洁度和其他设计因素分别探讨，旨在促进使用GEP，以便正确选用零部件、管子、仪器仪表和控制器。 USP纯化水和非制药用水可用各种配置的几乎无法限制的系统组合方法生产。纯化水生产使用的最普通预处理和最后处理技术，请见本章节末端的图5－1、图5－2和表5－4。本章阐述目前采用的系统最后处理方法，包括离子交换法、反渗透法、电去电离法、超滤法、微滤法和紫外线。 绝大部分系统成功生产纯化和非制药用水都使用上述技术和蒸馏法（见第六章）。
离子交换基本装置是纯化水生产几十年的主要装置，并且目前仍然在设施中使用。最近十年已看到反渗透膜基本装置在成长，有些地方有90%以上的新装置都使用反渗透法，最后用连续电去电离、离子交换或反渗透第二阶段抛光。膜基本装置的用途，由于减少化学制剂消耗、污染物废弃（离子化固体颗粒、有机物、胶粒、微生物、内毒素和悬浮固体颗粒）、减少维修、稳定运行和有效寿命循环费而提高。 各种膜基本系统配置与离子交换和蒸馏比较，请参见本章末端表格。
为了促进正确选用材料、表面光洁度和其他设计因素，特阐述系统每个加工部分的设备建造。设备设计详情与工艺选择比较，对系统总投资影响更大。设备许多方面会“超设计”，从而成为不必要的开支。为了设计最佳化，必须正确考虑各零部件的功能、位置、所需的微生物特性、消毒和其他因素。没有必要建造相同表面光洁度等级的系统每个备用零部件和配水系统大部分情况下顺利运行的零件。
许多材料选择是错误的，即使符合GMP要求，因为要求实际上未规定大部分最后处理零件的建造图。必须使用GEP，使系统按技术规范最佳协调运行和寿命循环最佳。一部分考虑是需要按符合GMP频次更换系统的零件（例如：滤清器、RO膜）。
本章在制药和非制药用水系统设备之间不辨别。非制药用水常常以符合制药用水的方法生产和验证。
5?2 离子交换 5?2?1 说明
阴/阳离子交换树脂分别用酸/碱溶液再生。因为水流经离子交换床，所以在水蒸汽中对树脂保含的氢/氢氧离子容易发生离子交换，并由浓度激励。因此，再生法由超化学制剂浓度激励。系统的主要参数包括树脂质量、再生装置、容器衬里和废液中和装置。系统运行可用成品水导电性（电阻率）监测。
双床离子交换系统包括阴离子和阳离子树脂槽。该系统按照盐清除常常以严格去离子（DI）水系统的马力运转。
混合床离子交换系统一般用作辅助或“抛光”系统。混合床DI装置包括一个混合阴离子和阳离子清除树脂槽。阳离子床也可当作“抛光”DI工序，而不是混合床DI使用。
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在现场和非现场再生系统中有离子交换树脂。现场再生需要处理和处置化学制剂，但酌情处理内部过程控制和微生物控制。非现场再生可通过一次使用新树脂或者通过重复再生现用树脂完成。新树脂具有较大的能力和一些可能的质量控制优点，但成本较高。再生树脂运行费较低，但会造成诸如树脂分离、再生质量和稠度等质量控制问题。
本指南附录还能找到离子交换方面的另外详情。 5?2?2 用途
USP纯化水系统离子交换设备的主要目的是满足USP的导电率要求。去离子（DI）装置常常单独或与反渗透法一并使用，以生产USP纯化水。标准的离子交换装置不能有效地清除USP纯化水技术规范所述的其他污物。饮用水中常见的盐离子采用离子交换法从水流中清除，然后用氢和氢氧离子替代。离子交换装置有各种结构，包括双床DI和混合床DI。现场和非现场再生系统中都可采用这两种离子交换装置结构。 5?2?3 预处理要求
离子交换装置需要预处理，旨在从水流中清除不溶解固体颗粒，并避免树脂污垢或恶化。尽管也建议脱氯法，以避免因氧化树脂恶化，大部分饮用自来水通常含氯低，这只说明大部分离子交换树脂的长期效应。 5?2?4 成本节约因素
系统大部分成本节约机会涉及正确选用建造材料、预处理方案、仪器仪表和DI装置尺寸大小。建造管路材料可用PVC至613LSS。如果系统设计正确，则将尽量缩小设备尺寸，并且考虑到微生物控制和维修尽量增加再生之间的时间。若只监测关键参数，诸如导电率（电阻率）、流量、压力等等，则选择能尽量减少仪器仪表。
关于采购费和正在进行的运行费，还有尚需作出节约选择。节约选择主要考虑DI非现场再生瓶、现场再生DI容器（设有自动或手动控制器）或另外水处理装置。 5?2?5 优点和缺点 优点：
设计和维修简单 水生产灵活机动 固定回收良好 单系DI装置成本低
清除电离物（氨、二氧化碳和有些有机物） 缺点：
供水高总溶解固体（TDS）运行费高
需要对现场再生DI（安全和环境问题）作化学处理
完备的现场DI系统因基本容器、化学制品存储和中和装置可能要占用很大的面积 非现场DI装置需要委外服务和显著的再生服务费
非现场再生装置涉及日后使用、搬运和保管DI容器失去控制
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DI容器是再生之间发生微生物生长的最佳地方 5?2?6 消毒
所有离子交换树脂都能用各种化学剂消毒。树脂消耗程度是树脂类型与化学剂的函数。化学清洁剂包括过酸、次氯酸钠和其他等等。有些树脂能在65℃～85℃温度下热水消毒。限制热消毒用的离子交换树脂包括强酸阳离子树脂和一型二乙烯基苯强碱树脂交联的标准聚苯乙烯。
表5－1 离子交换装置操作对比
化学剂用途 消毒方法 投资费用 水消耗 能耗 维修要求 使用的委外服务 可靠性 固定回收操作
非现场再生 无 变换或热水 低 无 低 低 广泛 良好☆ 良好、替换
现场再生 广泛 再生 高 中 低 中 少 良好 良好
☆注：若采用委外服务再生DI瓶，这不免除生产厂离子交换系统质量控制的责任。
表5－2 操作和期望性能限制 供 水 质 量
总悬浮固体（混浊度） 建议10微米滤清 氯公差
总溶解固体（TDS） 温度 导电率
再生和化学剂效率 供水TOC 成品水TOC
随树脂型号而变化，一般为0.5ppm；有些树脂估计高达1ppm。 <200ppm时，可在较高TDS水平运行，但运行费高
大部分阳离子树脂高达121℃；大部分阴离子树脂为40～70℃；而有些阴离子树脂高达100℃。
能达到1.0脉动/cm的导电率，而实际导电率取决于系统预处理和再生计划。 线性变化与供水总溶解固体（最好在200ppm以下）相反。 避免污垢随树脂型号变化的能力。
视树脂型号和供水（难以预计）可提高或减少进水TOC等级。
5?3 连续电去离子（CEDI） 5?3?1 说明
电去离子用电活性介质和电势从水中去除离子或离子化物质，旨在实现离子输送。去离子采用电活性介质区别电渗析或氧化/还原过程，并用电势区别其他离子交换法。
电去离子装置中的电活性介质，其作用是交替收集和释放离子化物质，并采用离子或电子置换机构连续促进离子输送。电去离子装置可以包括永久或临时电荷介质，并可断续、间歇或连续运行。操作电去离子装置，以便引起专门计划的电化学反应，从而达到或增进性能。该装置可包括电活性膜，诸如半渗透离子交换或双极膜。
连续电去离子（CEDI）过程与收集/释放过程（诸如电化学离子交换或电容去电离）是有区别的。电离过程是连续的，而不是间歇或断续的。活性介质的离子输送性能是基本尺寸参数，这正好与离子能力相反。连续电去电离装置一般包括半渗透离子交换膜、永久电荷介质和能产生DC电场的电源。
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连续电去离子电池由两个毗连的离子交换膜或者由一个膜和一个毗连的电极组成。CEDI装置一般有交变离子耗尽（纯化）和离子浓差电池，这两种电池能从同一水源或不同水源供给。水在CEDI装置中经离子输送纯化。离子或离子化物质从流过离子耗尽（纯化）电池的水，再进入流过离子浓差电池的集中水流中汲取。 CEDI装置纯化的水只流过电荷离子交换介质，而不通过离子交换膜。离子交换膜可渗透离子或离子化物质，但不渗透水。
纯化电池一般在一对离子交换膜之间永久电荷离子交换介质。有些装置在阳离子膜和阴离子膜之间装有混合（阳和阴）离子交换介质，以组成纯化电池。而有些装置在离子交换膜之间具有阳/阴离子交换介质层，以组成纯化电池。其化装置合并离子交换膜之间的单离子交换介质造成单纯化电池（阳离子或阴离子）。CEDI装置可用板式和框式或螺旋式结构电池配置。
电源在CEDI装置的阴极和阳极之间生成直流电场。流经纯化电池的供水水流的阳离子吸入阴极。阳离子通过阳离子交换介质输送，并且要末通过阳离子渗透膜，要末就被阴离子渗透膜排除。阴离子吸入阳极，然后通过阴离子交换介质输送，最后要末通过阴离子渗透膜，要末就被阳离子渗透膜排除。离子交换膜用浓差电池中从纯化电池去除的含有阳离子和阴离子的方式排列方向，以便从CEDI装置中清除离子污物。有些CEDI装置使用浓差电池中的离子交换介质，其条件是：其他装置不使用该介质。
因为纯化水水流的离子强度降低高电压，所以水离子交换介质界面处的梯度能使水分解成离子成分（H+和OH-）。H+和OH-离子连续生成，并在纯化电池出口端分别再生阳离子和阴离子交换介质。离子交换介质再生恒定高水平允许用CEDI法生产高纯化水（1～18莫姆/cm）。 5?3?2 用途
在药品质量对微生欠注意的有些情况下，在USP纯化水或非制药用水生产中，可在反渗透（RO）装置的下游使用CEDI装置，以便提高CEDI装置的寿命。关于USP WFI水，则在反渗透装置的上游使用CEDI装置。 5?3?3 限制
CEDI装置无法清除水中的所有污物。主要清除机理是清除离子或离子化物质。CEDI装置无法100%纯化供水水流，因为浓度水流总是要求从系统中清除污物。CEDI有实际操作的温度限制。绝大部分CEDI装置的工作温度为10～40℃（50～104℉）。 5?3?4 预处理要求
CEDI装置必须保护，以防锈垢形成、污染、热和氧化恶化。RO/预处理设备一般将硬物、有机物、悬浮固体和氧化物降到可接受的水平。 5?3?5 性能
CEDI装置性能是供水质量与装置设计的功能。减少离子固体一般大于允许生产反渗透供水的1～18莫姆/cm优质水的99%。有机物排除一般在50%至95%之间变化，实际排除取决于供水水流中的有机物类型。CEDI装置上游紫外线（185nm）实质上能加速有机物排除。溶解的二氧化碳转为碳酸氢盐后当作溶解离子清除。溶解二氧化硅清除量为80～95%，实际清除量视操作条件。 5?3?6 节约费用因素
绝大部分费用节约机会都围绕正确选用建造材料、仪器仪表和后处理设备选择。可用的管系建造材料可在PVC至316LSS变动。选材只监测重要参数，例如电阻率、流率和压力等等，这就能尽量减少仪器仪表。纯化水的许多用途在电去电离后不必作后处理。有些装置装有紫外线和/或亚微滤清器，旨在降低消毒要求或提供USP中概述的纯化水生产所允许之下的微生物含量。 5?3?7 优点和缺点 优点：
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