制药工程纯化水系统在线检测控制分析

制药工程纯化水系统在线检测控制分析

庄培童

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摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，药品生产过程中需要使用大量的纯化水，利用机械过滤器以及活性炭过滤器对自来水进行过滤，再利用中间水箱、阴阳树脂混合床以及紫外线消毒等设备对水源进行纯化。在此过程中，需要密切关注纯化水的pH值、导电率、总有机碳等指标，采用传统的线下检测模式，不仅检测成本较高，且检测具有一定的滞后性。为了提升纯化水检测效率，利用PLC技术设计一套在线自动检测设备，实现对制药工程纯化水质量的远程监测。

关键词：制药工程；PLC；纯化水

引言

制药用水是药物生产中用量大、使用广的一种辅料，广泛用于药品生产过程和药物制剂的制备，同时也被用作溶剂、冲洗剂等。制药用水的质量直接影响药品的质量，美国食品药品监督管理局（FDA）曾发布多起因制药用水微生物污染等导致的药品召回事件或者警告信。目前，国内外主要药典均规定了制药用水的质量标准及相关要求，但各国对制药用水的分类、制备方法及质量控制要求存在差异。本文汇总概括了中国、美国和欧洲制药用水的管理和技术要求，并对其分类及质量控制的关键点进行了对比分析，为国内制药用水相关技术标准建设及科学监管提供参考。

1制药行业的创新

得益于三家公司的努力，制药公司可以从单一来源获得完整的解决方案：从饮用水流入到超纯水和注射用水的生产，再到废水处理。此外，还能计划开展联合研究和开发项目。EnviroFalkPharmaWaterSystems的销售经理FabianStapper认为，制药公司将从协同效应中受益。“一个整体项目经理将负责协调所有活动。这保证了制药公司在解决不同领域的问题时，联系人都是唯一的。”FabianStapper解释道，“项目的所有联系都集中在EnviroWater集团中的一个人身上。这有助于项目管理。一旦出现问题或延误，我们会采用最短路径在内部解决。这使我们能够高效、高收益地工作。因此客户可以完全信赖我们给出的交货日期，从而节省时间、金钱和精力。”

2制药工程纯化水系统在线检测控制分析

2.1制药废水处理中抗生素抗性的控制研究

制药废水通常含有极高浓度的抗生素、ARBs和ARGs。然而，传统的PWWTPs并不是专门为去除以上新兴污染物而设计的。因此，目前的PWWTPs对抗生素、ARBs和ARGs的去除效率通常较低。同时，越来越多的证据表明，在WWTPs和PWWTPs中广泛应用的生物处理工艺可能促进了废水处理过程中ARBs和ARGs的增殖，同时吸附在剩余污泥中的抗生素外排同样也伴随着环境风险[65]，从而促进了抗生素耐药性的传播扩散。要想减少在生物处理环节大量的ARBs的出现以及ARGs的污染，在废水进入生物处理单元之前对抗生素的量进行控制十分关键[66]，如使用膜滤、人工湿地和絮凝等工艺在进入生物处理单元之前从废水中捕获/拦截ARBs与ARGs。此外，现阶段在污水处理系统的终末阶段会补充各种高级氧化工艺（advancedoxidationprocesses，AOPs）等深度处理技术以增强对抗生素、ARBs和ARGs的去处效率。以往的研究表明，在各种AOPs（如紫外线照射、臭氧氧化、氯消毒、Fenton和Fenton/UV处理）中产生的大量活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）不仅可以有效地破坏抗生素，还可以通过破坏ARBs的核酸和细胞膜等而使其失活。

2.2上位机的选择

利用PLC单片机构建控制系统过程中，对于上位机的功能有着较高的要求，为了确保上位机软件系统与硬件系统适配，研究人员选择上位机厂商提供的组态软件，即SIMENSWinCC软件，而控制系统选择SI-EMENS-S7300型单片机。在布置上位机软件系统过程中，工作人员要检测该软件的完整性，并对其是否支持制药用水系统在线检测工作关键软件，例如批量控制（BATCH）、管理信息接口等进行验证。此外，上位机软件系统还要支持GMP对于数据记录以及电子签名等需求，方便上位机软件在今后的工作中具有良好的可拓展性。

2.3微生物的控制

微生物限度结果易受检查方法、方法灵敏度、污染菌检出率和培养体系等影响。ChP制药用水微生物检查方法、培养条件等与USP、EP存在不同，可能造成检查结果存在差异。ChP与EP均规定采用薄膜过滤法作为纯化水微生物限度检查方法，USP纯化水检验时列举推荐了薄膜过滤法和平皿法。已有文献对比了两种微生物检测方法，薄膜过滤法相比平皿法更易于去除样本中的抑菌成分，同时薄膜过滤法可以检测更大的样本量更适合低污染水平的水系统，以保证所得到的数据更具有统计学意义；而平皿法具有费用低，检测方法较简便，微生物污染水平较高的水系统采用平皿法可得到更为准确的数据。ChP明确纯化水和注射用水微生物限度检查采用R2A琼脂培养基，而EP规定根据不同水样采用R2A琼脂培养基和胰酪大豆胨琼脂，USP则没有明确培养基种类。R2A琼脂培养基和胰酪大豆胨琼脂两种培养基的主要区别为R2A更适用于支持耐受氯气的微生物生长，属于低营养的培养基，而胰酪大豆胨琼脂用于营养要求较高的细菌培养。USP没有简单规定制药用水微生物污染控制方法，其控制思路是基于不同水系统以及不同阶段的微生物种类、数量等特征选择适宜的微生物检查方法、样本量和培养条件，是指导性标准，有利于药品生产商建立适宜自身水系统的微生物控制策略。鉴于检查方法、培养条件等对制药用水微生物控制的直接影响以及国内外存在的差异，有必要对我国制药用水微生物限度检查和控制策略开展更加细化的研究。另外用于非无菌水性基质药品生产的制药用水，还需根据产品特有要素、生产要素，进行不可接受微生物洋葱伯克霍尔德菌群污染的风险评估，对洋葱伯克霍尔德菌群进行研究和检查，制定合理有效的控制策略。

2.4热灭活处理

根据严格的卫生规定，对于医药生产废水必须进行热灭活处理。在巴西的这一项目中，每座厂房每小时会产生约10m3的废水。热灭活处理的要点是保证135℃的温度和至少2min的停留时间，以杀死所有微生物和灭活病毒。因此，EnviroDTS计划为每座厂房配备SterifixE10200连续流动系统。该系统可连续处理产生的废水。ElmarBillenkamp解释道：“使用换热器可以确保效率，从而降低运营成本。”系统集成的CIP系统会周期性地清洁换热器和停留区域。

结语

制药工作需要大量纯化水，为了避免药品受到污染，需要对纯化水的品质进行实时检测。传统的纯化水线下检测方式效率较低，无法有效控制成本。为了解决这一问题，某制药企业相关研究人员尝试利用PLC技术，建立一套制药工程纯化水在线检测系统，使用SI-EMENS-S7300型PLC单片机作为检测系统的处理器，搭载3层系统框架，实现对于数字量输入/输出单元、模拟量输入/输出单元以及仪表阀门的有效连接，确保纯化水质量始终符合制药需求。

参考文献

［1］魏宗玉.浅谈生物制药中纯化水处理与应用［J］.广东化工，2022，49（6）：104-106.

［2］冀辉，张红春.某制药企业水平衡测试及节水评价［J］.山东化工，2022，51（2）：143-146，149.

［3］颜若曦，曹轶，翟铁伟.药品生产企业质量控制实验室要点与缺陷分析［J］.中国医药工业杂志，2021，52（9）：1253-1258.