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制藥用水醫藥純化水系統的消毒和滅菌
閱讀：2070 發布時間：2018-4-11
制藥用水醫藥純化水系統的消毒和滅菌
一、巴斯德消毒
巴斯德滅菌（Pasteurization）是法國科學家巴斯德發明的滅菌法，因其對象主要是病源微生物及其他生長態菌，故又稱巴氏消毒。巴氏消毒系指將飲料或其他食物（如牛奶或啤酒）加熱到一定溫度并持續一段時間，以殺死可能導致疾病、變質或不需要的發酵微生物的過程。它也可指射線殺菌法破壞某種食品（如魚或蚌肉）內的大部分微生物以防止其變質的過程。對制藥用水系統而言，巴氏消毒常指低溫滅菌。
經典的巴氏消毒主要使用在食品工業中對牛奶進行消毒處理，在殺滅牛奶中的結核菌的同時，保留了牛奶中對人體生長所需的維生素的蛋白質，使牛奶成為安全的營養品，將牛奶進行巴氏消毒的程序與一般無菌產品的滅菌程序相仿，所不同的是溫度較低，時間較長，通常先將牛奶加熱到80℃，停留一定時間，進行消毒，完成消毒后，將其冷卻至常溫即成為消毒牛奶。所采用的設備為多效巴氏消毒器，以節約能源。在多效消毒器中，*效是用已消毒好的熱牛奶對待消毒的冷牛奶通過熱交換器進行預熱；第二效是將已預熱待消毒的牛奶加熱至80℃并停留一段時間，完成對牛奶的消毒；第三效是用水將一效已回收能量的消毒牛奶進一步冷卻至常溫，然后出消毒器。
巴斯德消毒的另一個經常采用的重點部位是使用回路，即用80℃以上的熱水循環1-2h，這種方法行之有效。采用這一消毒手段的純化水系統，其微生物污染水平通常能有效地控制在低于50CFU/ml的水平。由于巴氏消毒能有效地控制系統的內源性微生物污染。一個前處理能力較好的水系統，細菌內毒素則可控制在5EU/ml的水平。
二、臭氧消毒
在水處理系統中，水箱、交換柱以及各種過濾器、膜和管道，均會不斷的滋生和繁殖細菌。消毒殺菌的方法雖然都提供了除去細菌和微生物的能力，但這些方法中沒有哪一種能夠在多級水處理系統中除去全部細菌及水溶性的有機污染。目前在高純水系統中能連續去除細菌和病毒的方法是用臭氧。1905年起，臭氧就開始用于水處理。它較用氯處理水*，能除去水中的鹵化物。此方法在國內水系統中的應用僅處于起步階段。在國外，這種消毒方式已非常普遍，這是由于臭氧不會產生有害的殘留物。
使用臭氧消毒并在用水點前安裝紫外燈減少臭氧殘留，是制藥用水系統、尤其是純化水系統消毒的常用方法之一。
（1）化學性質及功效
臭氧（O3）是氧的同素異形體，它是一種具有特殊氣味的淡藍色氣體。分子結構呈三角形，鍵角為116°，其密度是氧氣的1.5倍，在水中的溶解度是氧氣的10倍。臭氧是一種強氧化劑，它在水中的氧化還原電位為2.07V，僅次于氟（2.5V），其氧化能力高于氯（1.36V）和二氧化氯（1.5V），能破壞分解細菌的細胞壁，很快地擴散透進細胞內，氧化分解細菌內部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶等，也可以直接與細菌、病毒發生作用，破壞細胞、核糖核酸（RNA），分解脫氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白質、脂質類和多糖等大分子聚合物，使細菌的代謝和繁殖過程遭到破壞。細菌被臭氧殺死是由細胞膜的斷裂所致，這一過程被稱為細胞消散，是由于細胞質在水中被粉碎引起的，在消散的條件下細胞不可能再生。應當指出，與次氯酸類消毒劑不同，臭氧的殺菌能力不受PH值變化和氨的影響，其殺菌能力比氯大600-3000倍，它的滅菌、消毒作用幾乎是瞬時發生的，在水中臭氧濃度0.3-2mg/L時，0.5-1min內就可以致死細菌。達到相同滅菌效果（如使大腸桿菌殺滅率達99%）所需臭氧水藥劑量僅是氯的0.0048%。
臭氧對酵母和寄生生物等也有活性，例如可以用它去除以下類型的微生物和病毒。
?、俨《荆阂呀涀C明臭氧對病毒具有非常強的殺滅性，例如Poloi病毒在臭氧濃度為0.05-0.45mg/L時，2min就會失去活性。
?、阪吣遥涸诔粞鯘舛葹?.3mg/L下作用2.4min就被*除掉。
?、坻咦樱河捎阪咭碌谋Ｗo，它比生長態菌的抗臭氧能力高出10-15倍。
?、苷婢喊咨钪榫╟andida albicans）和青霉屬菌（penicillium）能被殺滅。
?、菁纳铮郝涎x（schistosoma mansoni）在3min后被殺滅。
此外，臭氧還可以氧化、分解水中的污染物，在水處理中對除嗅味、脫色、殺菌、去除酚、氰、鐵、錳和降低COD、BOD等都具有顯著的效果。
應當注意，雖然臭氧是強氧化劑，但其氧化能力是有選擇性的，像乙醇這種易被氧化的物質卻不容易和臭氧作用。
（2）臭氧的發生及常用濃度
臭氧的半衰期僅為30-60min。由于它不穩定、易分解，無法作為一般的產品貯存，因此需在現場制造。用空氣制成臭氧的濃度一般為10-20mg/L，用氧氣制成臭氧的濃度為20-40mg/L。含有1%-4%（質量比）臭氧的空氣可用于水的消毒處理。
產生臭氧的方法是用干燥空氣或干燥氧氣作原料，通過放電法制得。另一個生產的臭氧的方法是電解法，將水電解變成氧元素，然后使其中的自由氧變成臭氧。
使用電解系統生產臭氧的主要優點是：
①沒有離子污染；
②待消毒處理的水是用來產生臭氧的原料，因此沒有來自系統外部的其他污染；
?、鄢粞踉谔幚磉^程中一生成就被溶解，即可以用較少的設備進行臭氧處理。
若在加壓條件下，可生產出較高濃度的臭氧。
（3）殘留臭氧去除法
經臭氧消毒處理過的水在投入藥品生產前，應當將水中殘存（過剩）的臭氧去除掉，以免影響產品質量。臭氧的殘留量一般應控制在低于0.0005-0.5mg/L的水平。從理論說，去除或降低臭氧殘留的方法有活性炭過濾、催化轉換、熱破壞、紫外線輻射等。然而在制藥工藝應用zui廣的方法只是以催化分解為基礎的紫外線法。具體做法是在管道系統中的*個用水點前安裝一個紫外殺菌器，當開始用水或生產前，先打開紫外燈即可。晚上或周末不生產時，則可將紫外燈關閉。一般消除1mg/L臭氧殘留所需的紫外線照射量為90000μW·s/cm2。
（4）注意事項
臭氧zui適用于水質及用水量比較穩定的系統，當其發生變化時應及時調整臭氧的用量。在實際生產中，及時進行調節有一定的困難。
另一個須考慮的問題是水中有機物的含量，當水的混濁度小于5mg/L時，對臭氧消毒滅菌的效果影響極微，混濁度增大，影響消毒效果。如果有機物含量很高時，臭氧的消耗量將會升高，其消毒能力則下降，因為臭氧將首先消耗在有機物上，而不是殺滅細菌方面。因此，國外制藥業在制藥用水系統中增加了總機碳（TOC）的監控項目。但糟糕的是，在受到嚴重有機物污染的進水中用臭氧處理后，大的有機物分子會破裂成微生物新陳代謝的營養源，因此，在沒有維持管網臭氧濃度的情況下，反會使得粘泥增多，進而使水質惡化。
在許多方面，作為消毒劑的臭氧和氯氣，它們的優點是互補的。臭氧具有快速殺菌和滅活病毒的作用，對于除嗅、味和色度，一般都有好的效果。氯氣則具有持久、靈活、可控制的殺菌作用，在管網系統中可連續使用。所以臭氧和氯氣結合起來使用，看來是水系統消毒zui為理想的方式。
三、 紫外線消毒
（1）紫外線殺菌的機理及規則：
紫外線殺菌的原理較為復雜，一般認為它與對生物體內代謝、遺傳、變異等現象起著決定性作用的核酸相關。微生物病毒、噬菌體內都含有RNA和DNA，而RNA和DNA的共同特點是具有由磷酸二酯按照嘌呤與嘧啶堿基配對的原則相連的多核苷酸鏈，它對紫外光具有強烈的吸收作用并在260nm有zui大值吸收。在紫外光作用下，核酸的功能團發生變化，出現紫外損傷，當核酸吸收的能量達到細菌致死量而紫外光的照射又能保持一定時間時，細菌便大量死亡。
波長在200-300nm之間的紫外線有滅菌作用，其滅菌效果因波長而異，其中以254-257nm波段滅菌效果。這是因為細菌中的脫氧核糖核酸（DNA）核蛋白的紫外吸收峰值正好在254-257nm之間。如將該波段紫外線的滅菌能力定為100%，再同其他波長紫外線的滅菌能力作比較。由表可以看出，超過或低于254-257nm的紫外線，隨波長的增加或減少，滅菌效果均急劇下降。
紫外線的滅菌效果同紫外線的照射量不成線性關系，即被殺死細菌的百分數并不是與照射劑量成正比的（紫外線照射量等于紫外線的輻照度值乘以時間）。只有在照射量很低而細菌數目又很多的時候，紫外線照射量才同細菌的死亡率呈線性關系。當紫外線照射量加大后，每單位劑量的紫外線的增量，并不殺死一定數目的細菌，而是殺死當時還活著的細菌中間某一特定百分數的細菌。從這個意義上看，在紫外線殺菌過程中，微生物的死亡也遵循濕熱滅菌的對數規則（參見中國藥典附則）。
（2）紫外線殺菌裝置
紫外線殺菌裝置結構，由外殼、低壓汞燈、石英套管及電氣設施等組成。外殼由鋁鎂合金或不銹鋼等材料制成，以不銹鋼制品為好。其殼筒內壁要求有很高的光潔度，要求其對紫外線的反射率達85%左右。
紫外線殺菌燈為高強度低壓汞燈，可放射出波長為253.7nm的紫外線，這種紫外線的輻射能量占燈管總輻射能量的80%以上，為保證殺菌效果，要求其紫外線照射量大于3000μW·s/cm2，燈管壽命一般不短于7000h。
紫外燈的燈管是石英套管，這是由于石英的污染系數小，耐高溫，且石英套管對253.7nm的紫外線的透過率高達90%以上，但石英價格較貴，質脆、易破碎。
紫外線殺菌裝置的電氣設施包括電源顯示、電壓指示、燈管顯示、事故報警、石英計時器及開關等。經驗表明，使用紫外線滅菌時，由于長期使用紫外線，有可能使殺菌裝置或其附近的非金屬材料老化，使之降解，導致電阻率的改變。因此，對紫外殺菌器的質量要求主要有兩點：一是高的殺滅率，一般要求大于99.9%；二是當純水或高純變化的水通過該裝置后，電阻率降低值不得超過0.5MΩ· CM（25℃）。
（3）紫外消毒的影響因素和注意事項
紫外線的強度、紫外線光譜波長和照射時間是紫外光線殺菌效果的決定因素。由于波長為253.7nm的紫外光線殺菌能力zui強，因此要求用于殺菌的紫外線燈的輻射光譜能量集中在253.7nm左右，以取得*殺菌效果。
①安裝位置 紫外線殺菌器的安裝位置一般離使用點越近越好，但也應留有從一端裝進或抽出石英套管和更換燈管的操作空間。由于被殺死的細菌尸體污染純水，因此要在紫外殺菌器后面安裝過濾器，一般要求濾膜孔徑≤0.45μm。
②流量 當紫外殺菌器功率不變、水中微生物污染波動較小時，流量對殺菌效果有顯著的影響，流量越大、流速越快，被紫外線照射的時間就越短；細菌被照射的時間縮短，被殺菌的概率也因而下降。如流量不變，源水中微生物污染水平高時，污染菌除去率也高，但出水中菌檢合格率可能下降。
③水的物理化學性質 水的色度、濁度、總鐵含量對紫外光都有不同程度的吸收，其結果是降低殺菌效果。色度對紫外線透過率影響zui大，濁度次之，鐵離子也有一定影響。紫外線殺菌器對水質的要求一般為：色度<15，濁度<5，總鐵含量<0.3mg/L，細菌含量≤900個/ml。盡管中國藥典收載的純化水標準中沒有微生物污染控制的項目和限度，但一般地說，上述條件均能滿足。水的吸收系數越高，輻射強度就越弱，殺菌能力降低；由于光不能透過固體物質，故水中懸浮顆粒會降低紫外線的殺菌效率；水中鈣鎂離子對紫外線吸收很小，因此紫外燈滅菌特別適用于純化水系統。
④燈管功率 燈管實際點燃功率對殺菌效率影響很大。隨著燈點燃時間的增加，燈的輻射能量隨之降低，殺菌效果亦下降。試驗證明，1000W的紫外線燈點燃1000h后，其輻射能量將降低40%左右。此外，還應注意保持穩定的供電電壓，以保證獲得所需要的紫外線能量。
如上所述，隨著時間的推移，紫外燈的功率會逐漸減弱，一般低于原功率的70%即應更換?，F國外使用的紫外燈均帶功率顯示器，不需要人工對使用時間進行累計和計算。當使用不帶功率顯示器紫外燈時，應以適當方式記錄紫外燈的累計工作時間，以防止燈管超過使用期而影響制藥用水系統的正常運行。
⑤燈管周圍的介質溫度 紫外線燈管輻射光譜能量與燈管管壁的溫度有關。當燈管周圍的介質溫度很低時，輻射能量降低，影響殺菌效果。當燈管直接與低溫的水接觸時，殺菌效果很差。若燈管周圍的介質溫度接近0℃時，紫外線燈則難以起動并進入正常殺菌狀態。若以燈管表面溫度40℃時的殺菌效率定為100%，32℃及52℃時的效率則只有85%左右，所以通常將紫外燈管安置在一個開口的石英套管內，以便使燈管與套管之間形成環狀空氣夾層，這樣，既可及時散發掉燈管本身的熱量，又可避免低溫水對紫外燈管發光功能的影響，并使其周圍的溫度保持在25-35℃左右的*運行狀態。
⑥石英套管 石英套管的質量和壁厚與紫外線的透過率有關，石英材料的純度高，透過紫外線的性能好。使用過程中應定期將套管抽出，用無水乙醇擦拭，以保持石英套管清潔狀態。通常，清潔頻率為每年至少1次。
紫外線殺菌燈長期連續運行，在進行殺菌前，應預熱10-30min。應盡量減少燈的啟閉次數，燈每開關1次，將減少3h的使用壽命。另外要求網路電壓穩定，波動范圍不得超過額定電壓的5%，否則應安裝穩壓器。
應當注意，水層的厚度同紫外線殺菌效果有很大關系。例如，對于水流速度不超過250L/h的管路，以30W的低壓汞燈對1cm厚的水層滅菌時，滅菌效率可達90%；對2cm厚的水層的滅菌效率在73%；對3cm厚的水層滅菌效率為56%；對4cm厚的水層則下降到40%。因此，在上述流速條件下，紫外線有效滅菌水層厚度不超過2.2cm。如果水中含有芽胞細菌，水層厚度應減少至1.4cm，水的流速減少至90L/h。如果水中含有泥砂污物，則有效水層厚度還應下降，水流速度亦減小。否則就達不到預期的滅菌效果。