蒸汽压缩工艺制备注射用水的水质与节能降耗探析

任红雨 周立法

（安奎柯净化科技有限公司，上海 200051）

蒸汽压缩工艺制备注射用水的水质与节能降耗探析

任红雨 周立法

（安奎柯净化科技有限公司，上海 200051）

简介热压式蒸馏水机制取注射用水的工作流程和原理，并以细菌内毒素挑战性试验的结果分析了热压式蒸馏水机对细菌内毒素的高去除率。以制备注射用水时耗用的电、工业蒸汽、冷却水为要素剖析了热压式工艺在制备注射用水过程中的节能降耗措施和效果。

蒸汽压缩；热压式蒸馏水机；注射用水；细菌内毒素；节能降耗

注射用水（WFI）作为一种制药工艺用水被广泛地使用在各类注射液（包括大小水针）输液、无菌冻干配液、生物发酵、检验试剂配制工序。除了作为无菌制剂的配液用水外，2010版后的中国药典[1]把注射用水的应用范围拓展到滴眼剂、乳化剂的配制。“药品生产质量管理规范及附录”[2]2010年修订版也标明了注射用水作为精洗用水用在直接与药品接触的包装容器（玻瓶、胶塞、铝桶等）最后一道清洗用水，也是设备清洗时的最后精洗用水。

对注射用水的制取方式各国药典均有明文规定，除了美国药典允许使用（RO法）反渗透法制备注射用水外，其他国家药典均规定只能使用蒸馏方法来制备注射用水。中国药典[1]规定：“注射用水是使用纯化水为原料水，通过蒸馏的方法获取的，99.99 %内毒素可以除去的，制药工艺用水。”蒸馏方法制取注射用水通常使用三种蒸馏方式：①单效式蒸馏方式；②多效式蒸馏方式；③热压式蒸馏方式，这三种方式制备的注射用水均可以作为药用工艺用水，其比较见表1所示。

对于目前使用广泛的多效蒸馏水机在各刊物杂志上多有相关论述文章发表，在此不多叙述。本文仅对使用蒸馏压缩工艺制备注射用水的热压式蒸馏方式作简明剖析，从注射用水水质分析，及该型式设备的节能降耗功效作一次深入的探析，供药界同仁参考。

表1 药典允许的三种制备WFI的蒸馏方式Tab.1 Water for injection three preparation method of pharmacopoeia

1 热压式蒸馏工艺制备注射用水的工艺流程简介

热压式蒸馏工艺制备注射用水的工艺流程见图1所示。

1.1 经过预处理的原水（纯化水）进入系统中与产出的注射用水进行热量交换进行预热后喷洒在系统的蒸发管束上（以雾化状态），喷洒的混合水一部分蒸发为水蒸气，另一部分进入集水器中以备循环使用。

1.2 在蒸发器上产生的水蒸气经除雾器后被吸入离心压缩机中，经压缩后水蒸气的温度升到

121℃/250°F，该蒸汽在蒸发器的管束内进行冷凝从而制得纯净的蒸馏水，蒸馏水在泵的作用下经过换热器进入蒸馏水贮罐备用。

2 热压式蒸馏工艺制备注射用水的制水原理

2.1 用离心压缩机的压缩能替代工业蒸汽和冷却水的热能来制备蒸馏水，原水（纯化水）经一次蒸发冷凝的过程生成蒸馏水（WFI），是以压缩能替代热

能，或以电能替代工业蒸汽热能的形式表示出来（类似于电动机车替代蒸汽机车的形式）。

图1 热压式蒸馏工艺制备WFI流程示意Fig.1 Vapor compression distillation P&ID

2.2 热压式蒸馏工艺制备注射用水时其产水量与压缩机输入能量成正比例，而压缩机输入能与设备的传热面积和压缩机前后饱和蒸汽的温度差相关联。其关系见以下公式：

式中 Q ——压缩机输入能（电能），kW；

A ——换热面积，m2；

V ——传热系数；

ΔT —— 压缩机前后级的饱和蒸汽净温度差，℃。

2.3 预处理后的原水在蒸发器的管外侧被蒸发，所产生的蒸汽再经过汽液分离器，除去蒸汽中夹带的液滴（该液滴可能夹带杂质），以确保纯净的蒸汽被离心式压缩机吸入从而保证蒸馏水的优良水质。没有被蒸发的原水进入再循环系统继续被蒸发。对热压式蒸馏水机而言，其进水水质要求较低，可以不使用二级RO纯化水。其进水水质要求见表2所示。

2.4 进入离心压缩机的洁净蒸汽经压缩后增加0.2～0.34 bar（3～5 Psi），蒸汽温度上升4 ～ 5 ℃（7～10 °F），该具有较高能量的蒸汽被送到换热器列管内侧冷凝并释放出的潜热又通过列管传递给列管外的原水，使原水蒸发为水蒸气，再经汽液分离器除去液滴后被吸入压缩机里，蒸发与冷凝的过程以此原理往复循环。

表2 热压式工艺制WFI对原水水质要求Tab.2 Vapor Compression WFI， the requirement for the feedwater

2.5 纯净的蒸汽在换热器内侧被冷凝生成注射用水，一般情况下出水温度在80 ～ 85 ℃之间，完全可以满足GMP规定的注射用水可采用70 ℃以上的保温循环以防止外界对注射用水的污染。当然也可以加装换热器的方式获取注射用水点的其他使用温度。（其释放的热量又可以用来预热原水，回收热能。）

2.6 含有杂质（TDS）的少量废水应及时从系统中排出。

3 热压蒸馏工艺制备注射用水杂质去除率的分析

GMP规定注射用水必须在防止细菌内毒素产生的设计条件下生产、贮存及分装，其质量应符合中国药典：注射用水项下的规定，各国药典对注射用水的质量标准均有明确规定，见附表3所示。

表3 中国、欧洲、美国药典对注射用水的质量标准[3-4]Tab.3 Chinese pharmacopeia and the FDA and EU regulations about WFI

由表3可知：三大药典在注射用水（WFI）主要水质质量标准趋于一致（电导率，微生物限量，细菌内毒素），其中关键质量控制要素为细菌内毒素的含量。细菌内毒素（热原）通常是细菌（微生物）细胞生长时的分泌脱落物，多为脂多糖类有机化合物或者是多类微生物细胞的尸体，可以使哺乳动物发热导致不良反应的一种物质。除去细菌内毒素是注射用水的一项关键质量指标。因此对注射用水进行细菌内毒素挑战性试验可以验证蒸馏水水质的优劣。

3.1 在原水内注入一定量的细菌内毒素进行60 min内毒素挑战性测试，其结果见表4所示。（热压式蒸馏水机制备的注射用水）

表4 15个批次挑战性试验检测数据Tab.4 Comprehensive results for endotoxin challenge tests

3.2 测试条件

在注射内毒素30 min后开始取样。用无菌无热原（细菌内毒素）容器取2个原水水样来备用。

3.2.1 测试方法

采用凝胶试验法。

3.2.2 测试结果

原水样本中可以测到有内毒素检出。

蒸馏水水样中内毒素检出量均在0.03 EU/mL以下。

15个批次挑战性试验检测数据见表4所列。

从表4测试结果不难看出热压式蒸馏工艺制取的注射用水，内毒素挑战性测试结果表明热压式蒸馏水机平均内毒素去除率为4.8个Log。

3.3 由上述内毒素挑战性试验的结果再次证明了用热压式蒸馏工艺制取的注射用水水质优良，完全可以达到US.P、 CH.P3、EU.P药典规定的标准，实际上

水质远远高于各国药典要求。

4 热压式蒸馏工艺制备注射用水的节能降耗效果剖析

热压式蒸馏水机以压缩能（电能）替代工业蒸汽的热量制备注射用水。其制水工艺流程及各个功能区段（蒸发，冷凝，压缩，汽液分离等）的温度分布状况见图2所示。

图2 热压式蒸馏水机制水工艺流程及各个功能区段的温度分布状况Fig.2 Vapor compression distillation P&ID and temperature distribution

4.1 湿润率高，传热效果好，又可以自清洗的蒸发结构设计，产生显著的节能效果。

从图2可以看出，原水在蒸发器蒸发阶段由特殊设计的喷嘴使得原水以雾化状态喷洒在列管外侧，具备非常高的润湿率从而加快原水的蒸发。不仅可以处理高密度的固定杂质从而节约原水预处理的成本，雾化状的喷洒又具备了自清洗的功能。可以清除积存在列管外侧的潜在污垢，保障了列管外侧的传热效果，达到了热能被充分利用的目的。

4.2 原水（纯化水）在蒸发器列管的管束外被蒸发，经过汽液分离后保证了其在压缩过程中始终维持纯净状态，无任何污染物质带入，在列管内侧产生注射用水，无污染物也不会对列管的内壁产生腐蚀，保障了注射用水的优良品质和设备的使用寿命。

4.3 从热交换效率比较由于热压式蒸馏工艺热能利用率高，每1 000 BTU热量可以产出3.24 g注射用水。（而使用了工业蒸汽为热能的多效蒸馏工艺每1 000 BTU热量产出1.84 g注射水）两种制备注射用水工艺的能耗比较见图3所示。

图3 热压式与多效式蒸馏工艺制备注射用水的能耗比较Fig.3 Horizontal vapor compression VS MED operation cost comparison

4.4 由图3可以清晰地看出在同样的产量（5 m3/h WFI）下热压式蒸馏水机比多效式蒸馏水机更节约能量。（以制水时消耗的三个主要元素：电、工业蒸汽、冷却水为例）两种制水方式能耗不同，在节能降耗方面热压式工艺明显优于多效式。

5 结束语

本文简明概要地介绍了用蒸汽压缩工艺制取注射用水的工作流程和原理，并对热压式蒸馏水机制备的注射用水（WFI）进行细菌内毒素挑战性验证试验，证实了热压式蒸馏水机内毒素去除率高，平均除去率可达到4.8个Log，水质优良。同时又对制水时使用的电能、工业蒸汽、冷却水耗用量进行剖析后可知，用热压式制备注射用水每1 000 BTU热量可以产出3.24 g的注射用水，节能效果明显优于多效式蒸馏水机组。

但对于热压式而言，由于机组中增加了蒸汽压缩机，一次性设备投资要比多效式高出很多。因此笔者建议在注射用水产量需求较大的情况下，采用热压式蒸馏水机，比如大于3 t/h，这样设备投资成本回收快（通常18个月即可收回多余投资成本），日常运行费用低，节能降耗效果好。

[1]中华人民共和国药典2015版[S].

[2]药品生产质量管理规范及附录[S].

[3]药品GMP实施指南（厂房，设施与设备）分册，国家食品药品监督管理局认证管理中心[M]. 北京，中国医药科技出版社.

[4]JB/T-20030-2012，多效蒸馏水机行业标准[S].

Analysis and Discussion of Water Quality in Vapor Compression Process for Preparation of Water for Injection and Energy Saving and Emission Reduction

Ren Hongyu, Zhou Lifa
（Aqua-Chen Co. (Shanghai), Shanghai 200051）

The working procedure and principle of vapor compression distillation machine to prepare water for injection (WFI) were introduced in this article. With the results from endotoxin challenging test, high rate of removing endotoxin in bacterium by using vapor compression distillation machine was analyzed. Based on the factors of electricity, industrial steam and cooling water consumed for preparation of water for injection, the measures and effects of energy saving and emission reduction in vapor compression process were analyzed.

vapor compression; vapor compression distillation machine; water for injection; endotoxin in bacterium; energy saving and emission reduction

TQ 085+.1

A

2095-817X（2016）05-0054-000

2016-06-06

任红雨（1978—），男，工程师，主要研究方向：制药产业化设备工程应用与实施。