红锈产生的机理、表征、设计和清洗
2018-12-30 10:05:46   来源:

在无菌制品的生产中,微生物污染的机理与控制措施已得到了制药界的广泛研究。对于制药洁净流体工艺系统而言,微生物污染与颗粒物污染均是药品生产过程中至关重要的风险控制点,红锈作为一种可能导致颗粒物污染的污染物,应进行特别关注。

 

背景

近期,FDA发布了针对某些企业的设备清洁维护发布了483警告信,摘录如下:

案例一:你们公司没有根据产品的性质,对设备和容器具进行清洁、维护、消毒或灭菌:

调查员发现多处标示为易清洁的设备存在有色残留和(或)状态不佳;

例如,XX设备上有白色残留物,在它的一个内部垫片上也有。调查员还发现该垫片上有缺口,可能导致工艺物料积累……

你们公司的答复表明,你们对该残留物进行了取样分析,对化学和微生物污染物进行鉴定和量化分析,结果符合微生物特性。你们公司将该白色残留归因于“设备表面抛光”和“清洁后水滴干涸”。

案例二:你们公司在生产、工艺、包装等环节未能按照适当的规程进行设备维护。比如,用于药品纯化的不锈钢阀门和层析柱的产品接触表面未能进行适当的维护。你们从未对层析柱内表面进行过适当的维护以防止因金属腐蚀对细胞培养产生极为不利的影响。在你们的层析柱的内外表面均发现了可见的红锈……

红锈的介绍

红锈,是在各行业中都很常见的金属腐蚀现象,每年都会给企业带来不小的经济损失。它是一种附着在不锈钢表面的橙色、红色或黑色的腐蚀产物,以氧化铁、镍铬等金属化合物为主要成分。

红锈的类别

红锈一般被分为三类:

Ⅰ类红锈是迁移型红锈,呈黄色或橘黄色,它的特点是易迁移易脱落,易去除但是也易反复,微观形貌呈颗粒状。

Ⅱ类红锈,可以说是制药行业最常见的红锈,呈红或红棕色,紧密附着在不锈钢表面,破坏系统的光洁度,随着集聚程度有脱落的风险。在奥氏体晶粒和晶界上呈簇状生长。

Ⅲ类红锈,是我们最不愿意看到的红锈,它带有磁性,极难去除也很难脱落,它像一张致密的网覆盖在整个不锈钢表面,一般只在纯蒸汽系统中出现。

 

红锈危害

1.  红锈与法规符合性

中国GMP第一百零一条  应当按照操作规程对纯化水、注射用水管道进行清洗消毒,并有相关记录。发现制药用水微生物污染达到警戒限度、纠偏限度时应当按照操作规程处理。

美国21 CFR(联邦法典)第I章,第211部分,D亚节-设备,211.65(a)节“设备的清洁和维护”中写到“设备和器具需要按照适宜的时间间隔定期清洁、维护和消毒,来避免能够改变药品的安全、鉴别、效力、质量或是纯度使其超出官方或其它已经建立的要求的故障或是污染。”

ICH Q3D元素杂质指南于2018年1月开始实施,根据指南内容,制药商不应从辅料或原料药供应商那里获得的信息来完成所要求的风险评估。相反,应该依靠自己的内部检测计划或公开文献。如果需要对某元素杂质进行控制,指南就要求制定元素杂质专用方法。这时,将不会接受非金属性的重金属药典方法。

2.  产品危害

红锈与可见异物

注射剂中的可见异物按类别可分为可溶性和不可溶性两种。不可溶性可见异物包括玻璃屑、纤维、橡胶、涤纶、昆虫、红锈颗粒等等。根据可见异物的来源不同,其可能携带大量的微生物,给药品造成严重的污染。

红锈与不溶性微粒

不溶性微粒的来源很多,并类似于可见异物的来源。制造商需要提高生产环境的空气洁净度,还需要严格把控原辅料的质量,更要对不锈钢表面的脱落物及红锈进行及时处理。

3.  工艺危害

①电导率和TOC  铁氧化物会以0.1~10μm之间的粒径,以金属胶粒的形式在流体中扩散。铁氧化物会吸附正电离子,故而表现出带正电的特征。如果水中的铁氧化物胶颗粒过多的话,水中电导率会有一定的增加;同时,带电胶粒还会影响TOC指标。

②微生物  制药用水系统中的微生物主要是以生物膜的形式存在于系统的内表面,制药用水系统的表面光洁度与微生物污染风险息息相关。红锈的滋生会对不锈钢的表面光洁度带来很大的破坏,给微生物提供滋生的温床,从而导致生物膜形成,并引发微生物指标超标或内毒素超标。

注射用水红锈产生的机理和表征

本文以注射用水为例,对红锈产生的机理和表征进行说明。

注射用水系统中常见的红锈为Ⅱ类红锈,下面就注射用水系统中红锈的产生机理进行阐述。

 

以上两图为某注射用水系统循环泵泵腔内部照片,循环泵中流体温度高、流速快、压力分布不均匀且极易发生气蚀现象,以点腐蚀及高温腐蚀为主要机制而产生的红锈在系统运行初期即布满泵体内腔,并快速形成全面腐蚀。

 

以上两图为某注射用水系统中管道焊缝内部照片。焊道在焊接成型过程中,其熔池及两侧热影响区部分材质经过熔化再结晶过程,由于结晶过程中不充分的自发热处理,其晶型由致密的奥氏体结构变为马氏体及其他非致密排列的疏松微观结构,因此焊道的抗腐蚀性能与奥氏体相比显著降低,一般管道内部的红锈均首先发自于焊道及其热影响区。

 

 

以上两图为某注射用水系统储罐喷淋球外表面以及球体内部表面照片。喷淋球内外表面被红锈覆盖,喷淋球内外表、喷孔因压力分布不均匀产生明显的应力及高温腐蚀红锈。

红锈的预防——设计阶段

从设计、施工和运行三个阶段分别对红锈的预防进行阐述,本期的内容是讲解如何从设计阶段进行红锈的预防。

从设备确认的角度出发,我们通常所说的4Q中的第一个便是DQ,因此良好的质量一定是从设计开始的。而制药用水系统中,红锈是如何通过设计起到预防的作用的呢?那么就听本期分析讲解,主要从8个方面进行了分析:

  1.  设计计算——一套可靠的制药用水系统计算方法能为制药用水设备和系统选型提供可靠的理论基础和选型依据,同时能够保证水系统设计的合理性,从源头上延缓红锈产生速率。
  2. 水温设定——中国GMP和欧盟GMP建议 “注射用水可采用70℃以上保温循环”,是根据微生物对温度的适应性制定的。书中分别给出了纯水系统和注射用水系统的合适运行温度范围。
  3. pH——由于pH偏酸性会导致腐蚀的增加,因此要严格控制制药用水系统中的pH。药典pH值要求为5~7。
  4. 表面粗糙度等级——本书引用了ISPE推荐的制药用水系统表面粗糙度的合理参数;同时也指出,整个管网系统中,焊缝处的焊接与钝化质量对红锈的滋生影响更大,因此,如何处理好焊接工艺与酸洗钝化工艺是每一个不锈钢管道管件加工供应商所需面对的核心问题。
  5. 防止微生物污染措施——列出了13个方面在设计时应考虑的防止微生物污染的措施。
  6. 防止颗粒物污染措施——列出了10个方面在设计时应考虑的防止颗粒物污染的措施。
  7. 设备组件的选择——在设计阶段,书中对喷淋球、卡接、离心泵、换热器、臭氧发生器的选择进行了描述,便于读者对比选择。
  8. 设计确认——制药用水系统的设计确认(DQ)主要从8个方面进行,分别是:设计文件的审核、制备系统的处理能力、储存和分配系统的循环能力、设备及部件、仪表及部件、管路安装确认、消毒方法的确认、控制系统确认。

洁净流体工艺系统的核心设计理念主要有3个方面组成: “质量源于设计”、防止颗粒物污染、防止微生物污染。任何制药用水系统的质量出现偏差,归根结底是因为设计不当,安装不合理或操作不规导致的 “微生物污染” 或 “颗粒物污染”,例如红锈的发生会导致系统的颗粒物污染。红锈的滋生与洁净流体工艺系列的设计有很大关系,设计合理的洁净流体工艺系统能够有效延缓红锈滋生的速率。

红锈主要是在高温高压的设备内部产生,同时,外源性铁离子的引入也可能是红锈产生的原因。为了延缓红锈产生速率,应当从设计上避免高温高压的环境出现和外源性铁离子的引入。

本节将从制药用水系统的设计计算、水温设定、pH、表面粗糙度等级、防止微生物污染措施、防止颗粒物污染措施、设备组件的选择、设计确认等方面对如何延缓系统中红锈的滋生进行详述。

(1) 设计计算

GMP要求,水系统的运行能力不应超过其设计能力。 “质量源于设计”,“设计源 于计算”,计算是制药用水系统设计中的一个重用的组成部分。一套可靠的制药用水系统计算方法能为制药用水设备和系统选型提供可靠的理论基础和选型依据,同时能够保证水系统设计的合理性,从源头上延缓红锈产生速率。

计算主要包括:制水设备的产能、储罐容积、车间各用水点的使用时间、峰值流量和压力、管网长度和直径、泵流量和扬程、换热器能力计算等。

首先,通过设备选型软件,结合投资总和评估原则,对制水设备的产能、储罐容积的大小、车间各用点的用量进行优化计算,确认出三者的最佳组合。

其次,根据水系统所有用点位置和用点参数、用水点的使用时间、峰值流量和压力、运行温度、回水喷淋球开启压力、流体黏度、管网长度、末端回水流速、管道管件数量,利用制药用水系统泵体和管径选型软件,对泵流量、扬程和管网直径进行优化设计。

优化设计后的水系统,一是可以保证这个系统处于湍流状态,防止生物膜的系统;二是可以维持系统正压,防止产生虹吸现象,污染水质。这两条是对制药用水系统的最基本要求。为了延缓系统内红锈的产生,在优化设计泵体能力和管网直径时,优化结果应避免泵体长时间在高扬程状态下运行,因为对于离心泵而言,泵腔内高压力和高压力变化都会加快水中微量溶解氧对金属的化学腐蚀作用,产生红锈。因此,水系统的管网长度应尽可能短,弯头数量应尽可能少,应合理安排用水点顺序,合理安排用水点的峰值用水时间,同时还应合理选择管网直径、回水流速,尽可能地降低水系统管网阻 力。

离心泵应采用变频操作,既节省能源,又实现泵供给能力的连续调节、缓慢变化,避免供给泵长时间在高扬程状态下运行。对于水系统而言,循环泵的汽蚀现象也不容忽视,尤其是高温注射用水系统。

汽蚀产生瞬间冲击力很大,加之水中微量的溶解氧对金属的化学腐蚀共同作用,在一定时间后,会使叶轮和泵壳表面出现斑痕和裂缝,造成铁离子的脱落,进而产生红锈,污染整个系统。 预防汽蚀现象的发生,泵吸入管路的设计是关键。泵吸入管路系统的有效汽蚀余量最少是泵所要求汽蚀余量的1.3倍以上,否则,泵就不能正常工作,尤其对于过热水灭菌的高温注射用水系统和巴氏消毒的纯化水系统。

泵前阀门应当使用阻力较小的阀门,阀门直径可以比管道直径小,但不得小于泵入口管嘴直径。泵入口管应当尽量减少长度,减少弯头,其管径应比泵入口嘴直径大1~2级,以减少阻力。泵吸入系统由于气体的积聚,也会发生气蚀,因此在吸入管的中途不得产生气袋。在工程安装过程中,由于管径的不匹配,通常需要安装偏心变径进行连接,在泵吸入管路上的变径安装方式应防止不凝气体的聚集。

(2) 水温设定

水系统在设计时,通常设计考虑抑制微生物繁殖措施,例如纯化水系统常用的微生物抑制措施包括臭氧消毒、紫外线杀菌和低温储存 (20℃左右),注射用水系统常用微生物抑制措施有70℃以上储存运行和低温储存运行 (15℃以下)。无论采取哪种微生物抑制措施,在设计时,同样需要考虑红锈产生的颗粒物污染风险。

温度是微生物繁殖的一个重要影响因素,微生物的营养体在60℃以上就停止生长,大多数病原菌在50~60℃以上停止生长,大多数嗜热菌在73℃时停止生长,80℃时只有孢子和一些极端嗜热菌才能存活,因此中国GMP和欧盟GMP建议 “注射用水可采用70℃以上保温循环”。

对于纯化水系统而言,一般建议在正常运行时采用稍低温度 (如18~20℃) 来抑制微生物的快速滋生。前面探讨红锈的滋生时,提到制药用水系统的运行温度越低越利于延缓红锈的生产速率。对于70℃以上保温循环的注射用水系统而言,虽然其微生物污染风险非常低,但对于红锈而言,却有较高的生成风 险。

注射用水系统在设计时,其运行设计温度通常定于80~85℃,有时甚至高达90℃,在满足GMP和当地法规要求的前提下,降低其运行设计温度将有利于延缓红锈的生成速率。

目前,在生物制品车间,高温储存、旁路冷循环的注射用水分配系统 (图10.29) 的设计思路已得到应用与推广,该系统的主要特点是解决了常温注射用水用点的骤冷骤热问题,在初期投资、节能、注射用水使用效率、微生物控制与红锈抑制方面都有很好的表现。

(3)pH值设定

pH也称氢离子指数,是表示溶液酸性或碱性程度的数值。pH是水或水溶液最重 要的理化参数之一。 《中国药典》2015年版对注射用水的pH值要求为5~7,pH值越小说明水溶液中 [H+] 浓度越大 。当pH值小7后,随着水中 [H+] 浓度越大,将增大不锈钢表面的均匀腐蚀、电化学腐蚀、缝隙腐蚀、点腐蚀等反应速率,破坏不锈钢表面的钝化膜,水中的氧气会与金属中释放出来的Fe缓慢地发生化学反应,并形成疏松的氧化铁,即红锈。因此,pH应当严格控制。

(4) 表面粗糙度等级

不锈钢表面粗糙度指的是不锈钢管道内表面或设备内表面等加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。表面粗糙度的大小,对管道和设备的使用性能有很大影响,其中抗腐蚀性也有很大不同。粗糙的内表面,容易使液体通过表面的微观凹谷穿透钝化膜,渗入到金属内层,造成腐蚀,进而产生红锈;同时引起微生物的聚集,生成生物膜,不但加快管道腐蚀,同时将会污染整个系统。

为了降低不锈钢表面粗糙度,通常需要对不锈钢表面进行抛光处理。ISPE推荐制药用水系统表面粗糙度Ra 小于0.76μm。ASME BPE(美国机械工程协会)推荐制药用水系统的管道表面粗糙度Ra小于0.6μm,同时建议注射用水系统采用电解抛光处理。对于配液罐体建议内表面采用电解抛光处理,表面粗糙度Ra小于0.4μm。虽然电解抛光比其他两种方法具有更好的微生物控制优势和抗腐蚀性,但其价格昂贵,企业可结合自身条件合理选择使用。

虽然电解抛光的管道比机械抛光的管道有更好的防红锈性能,但在工程安装阶段,标准管道需要被切割、焊接。整个管网系统中,焊缝处的焊接与钝化质量对红锈的滋生影响更大,因此,如何处理 好焊接工艺与酸洗钝化工艺是每一个不锈钢管道管件加工供应商所需面对的核心问题。

(5) 防止微生物污染措施

无论是制药用水系统还是配液系统,如果发生微生物污染,则需重新运行杀菌或消毒程序。而杀菌或消毒状态下又会促使系统内红锈的生成,因此制药用水系统和配液系统在运行、操作过程中,应当防止微生物污染,减少整个系统杀菌或消毒周期,进而延缓系统内红锈的生成。在国外,一套经过严格验证的注射用水储存与分配系统可以保持1次/年的灭菌频次。

水系统的微生物污染分为外源性微生物污染和内源性微生物污染。原水是水系统中最主要的外源性微生物污染源,单元操作是内源性微生物污染的主要来源。发生微生物污染后,微生物可在管道壁、阀门及其他区域形成菌落,并增殖形成生物膜,生物膜又成为不断的微生物污染源。因此,在整个水系统的设计、选型、安装与运行阶段,因从以下几个方面防止微生物的污染。

  • 系统连接方式应符合ASME BPE安装要求,采用卫生级连接方式。
  • 纯化水出罐管路采用双管路供水,防止死角。
  • 纯化水机不采用中间水箱,或采用包含消毒措施的中间水箱。
  • 严格控制系统死角。
  • 严格控制系统坡度。
  • 严格控制系统内流速,合理计算,防止流速过低造成微生物繁殖。
  • 严格控制水温,避开微生物适宜繁殖温度。
  • 严格控制系统内组件的表面粗糙度,防止微生物繁殖。
  • 呼吸器设计消毒措施。
  • 水系统设计时,设计微生物抑制措施。
  • 禁止采用非卫生级阀门。
  • 提高自动化程度,采用PAT技术分析数据趋势,实现预警与行动。
  • 禁止水系统主管网内安装过滤器,导致微生物快速滋生。

(6) 防止颗粒物污染

由于水系统的储存与分配系统无净化功能,因此一旦发生颗粒物污染,水系统需要重新运行清洗和消毒 (灭菌) 程序,在整个水系统的设计、选型、安装与运行阶段,因从以下几个方面防止颗粒物的污染。

•采用质量可靠的材料和系统组件,避免其质量不符合设计要求。

•严格控制系统内正压,合理计算,防止用点管网倒吸。

•禁止水系统主管网内安装过滤器,防止滤芯破损所引起的外界污染。

•严格控制死角,防止清洗不彻底导致的残留物超标。

•严控控制坡度,防止系统无法自排净。

•严格控制系统内组件的表面粗糙度,防止残留物超标。

•严格执行清洗、钝化程序。

•严格控制焊接过程,防止焊口腐蚀。

•提高自动化程度,防止手动操作方式带来的人员污染风险。

•系统消毒或灭菌后,避免全排净导致的脏空气倒吸带来的二次污染。

(7) 设备组件的选择

水系统的设备选型应当符合工艺要求,同时应当质量可靠,防止对系统内产生颗粒污染和微生物污染。

a. 喷淋球通常安装罐体上封头处,用于保证罐体始终处于自清洗和全润湿的状态,并保证巴氏消毒和过热水灭菌状态下的全系统温度均一。通常水系统常用旋转式喷淋球和固定式喷淋球。与固定式喷淋球相比,旋转式喷淋球节约清洗用水,同时采用水润滑的原理,自动旋转达到360°喷淋的效果。但是对于红锈而言,旋转式喷淋球不允许出现干磨,否则会导致铁脱落并进入水中,进而产生红锈。在配液系统中,洁净气体的进罐口应当避开旋转式喷淋球,防止喷淋球在高压气体的推动下快速旋转而产生干磨。

b. 罐体仪表连接形式通常分为两种: 卡接连接和NA卡接。当采用卡接连接,并且安装位置处于液面以下时,将产生 “死角”,不利于接口内液体流动和清洗,易于滋生微生物。因此建议采用NA卡接。NA卡接是一种新发展起来的罐体连接件,能实现罐体附件的 “无死角” 安装,很好地消除了连接处可能存在的微生物滋生风险。

c.离心泵是整个水系统运行的动力源泉,同时离心泵也是红锈的高发地。离心泵的设计必须满足工艺生产要求、不污染制药用水系统、泵壳底部自带自排口,同时保证泵腔上部无容积式气隙等。为了延缓泵腔内的红锈生产,建议离心泵腔内部电解抛光处理、泵的扬程不超过70m。对于高温灭菌或消毒的系统,泵入口处建议增加诱导轮。同时为了保证离心泵的质量尽量选择知名可靠品牌。不可选用非卫生级离心泵。

d.换热器是维持水系统水温并周期性进行消毒或杀菌的升温装置,同样是红锈的高发地。美国 FDA 《高纯水检查指南》 建议制药用水系统的换热器采用双板管式设计换热器或洁净段压力始终高于非洁净段的换热器。目前在制药用水系统上,双板管式设计换热器为主流。对于双板管式设计换热器,内外管板的连接形式主要有两种,即胀接和焊接。目前国内大多数企业采用内管板胀接、外管板焊接的方式,但是外管板焊缝及其附近较易发生腐蚀,导致整个换热器成为红锈的重灾区。因此,为了延缓红锈,建议换热器采用内管板胀接、外管板同样胀接的双板管式设计换热器。对于制药用水系 统不可采用单板换热器、双板板式换热器等不可自排净的换热器。

e. 在采用臭氧抑菌或消毒的纯化水系统内,常使用臭氧发生器。臭氧发生器有水源性臭氧发生器和气源型臭氧发生器。水源性臭氧发生器以纯化水为源头,通过电解产生臭氧,再以臭氧水的形式进入水系统;气源型臭氧发生器又分为空气源臭氧发生器和氧气源臭氧发生器,通过放电使气体中的氧气变为臭氧,再通过射流器进入水系统。从防止颗粒物污染角度出发,气源性臭氧发生器容易带来颗粒物,包括致癌物质的释放,不建议使用。

水系统的储存与分配系统无水质进化能力,其进水水质的颗粒物和微生物指标应当符合药典要求,即制水设备的水质质量应当符合药典要求。目前,市面上常用水机的品质良莠不齐,应当选用品质可靠、质量上乘、运行稳定的制水设备,防止制水设备不稳定造成的储存与分配系统颗粒物和微生物污染。

(8) 设计确认

设计确认是在系统/设备安装之前进行的,因此设计确认检查的完整性和专业性对后期系统/设备的运行状态有根源性的影响。以制药用水系统为例,设计确认的检查项目如下。

①设计文件的审核。制备和分配系统的所有涉及文件 (URS、FDS、PID、计算书、设备清单、仪表清单等) 内容是否完整、可用且经过批准。与红锈相关的:URS中对直接接触产品的材质如何要求、机械部件清单所列材质同URS是否一致、机械部件清单中部件是否会产生死角等。

②制备系统的处理能力。审核制备系统的设备选型、物料平衡计算书,是否能保证用一定质量标准的供水制备出合格的纯化水、注射用水或者纯蒸汽,产量是否满足需求。

③储存和分配系统的循环能力。审核分配系统泵的技术参数及管网计算书确认其能否满足用水点的流速、压力、温度等需求,分配系统的运行状态是否能防止微生物滋生。与红锈相关的:泵的选型是否容易产生汽蚀、是否可以使系统流速达到湍流等。

④设备及部件。制备和分配系统中采用的设备及部件的结构、材质是否满足GMP要求。如与水直接接触的金属材质以及表面粗糙度是否符合URS的要求,反渗透膜是否可耐巴氏消毒、储罐呼吸器是否采用疏水性的过滤器,阀门的垫圈材质是否满足GMP或者FDA的要求等。

⑤仪表及部件。制备和分配采用的管件仪表是否为卫生级连接,材质、精度和误差是否满足URS和GMP要求,是否能够提供出厂校验证书和合格证等。与红锈相关的:仪器仪表及部件的连接方式是否属洁净方式等。

⑥管路安装确认。制备和分配系统的管路材质、表面粗糙度是否符合URS,连接形式是否为卫生级,系统坡度是否能保证排空,是否存在盲管、,死角,焊接是否制定了检测计划,纯蒸汽分配管网的疏水装置是否合理等。与红锈相关的:管路材质和表面粗糙度需要符合URS的要求、疏水阀设计合理 (即纯蒸汽不易产生长期积留的冷凝水)、系统保证可排空 (防止残留物引起的腐蚀) 等。

⑦消毒方法的确认。系统采用何种消毒方法,是否能够保证对整个系统包括储罐、部件、管路进行消毒,如何保证消毒的效果。与红锈相关的:消毒周期是否频繁、设计的消毒温度是否过高等。

⑧控制系统确认。控制系统的设计是否符合URS中规定的要求。如权限管理是否合理,是否有关键参数的报警,是否能够通过自控系统实现系统操作要求及关键参数数据的存储。

 红锈的预防——运行阶段

运行参数:

  1. 循环水温——温度介于75~ 85℃为宜。设置高温和低温报警并同换热器后的温度计联动,通过PID调节阀来控制工业蒸汽或冷却水/冷冻水的进量,这样可以使整个主管网维持在一个设定的温度区间。
  2. 产水水温——当注射用水的水质符合企业内控范围时,注射用水出水温度应尽可能地降低,以避免制备出温度过高的注射用水进行储存与分配系统,对储存与分配系统的换热器造成较大的冷却压力和红锈风险,同时也会导致企业的能耗增加。
  3. 纯蒸汽流速——纯蒸汽灭菌时,温度达到121℃以上即可,流速以15~25m/s居多,考虑到输送过程中的热损失,纯蒸汽发生器制备的纯蒸汽可能会适当地提高一些温度,但过高的温度与过快的流速会导致红锈的严重滋生,因此,企业需结合实际需求,合理控制纯蒸汽的运行温度与流速,并制定相应的除红锈维护保养机制。
  4. 消毒与灭菌周期——对于热消毒/热灭菌的系统,消毒/灭菌频率过高,也非常容易导致系统交变荷载过载,频繁的温差变化不利于钝化膜的稳定。因此,推荐企业严格按照PQ执行原则,在负荷微生物负荷的安全情况下,制定合理的消毒与灭菌周期,避免过度消毒与过度灭菌。
  5. 停机处理——阐述了 降低因停产而产生红锈风险的三个措施,降低纯蒸汽用点红锈的滋生速度的三个措施。
  6. 罐体液位控制——阐述了罐体液位不易过高,不可淹没喷淋球,导致喷淋球失效。并建议了防止液位过高的三个措施。

通过合适的方法,已经滋生的红锈能够得到有效控制甚至完全去除,但红锈具有反复性、再生性的特点,在设备或系统运行过程中,有很多因素同红锈的反复滋生速度息息相关,因此,为了确保整个系统始终处于红锈的低风险状态,除了需要在清洗环节做好处理外,企业也需要结合自身情况,合理运用质量度量理念,在日常的维护保养环节中对相关操作或参数进行规范化管理,并制定合理的红锈预防机制。

(1) 循环水温

中国GMP2010版第九十九条规定:“纯化水、注射用水的制备、贮存和分配应 能够防止微生物的滋生。纯化水可采用循环,注射用水可采用70℃以上保温循环。”考虑GMP对于注射用水的微生物抑制的建议,工程上推荐注射用水高温储存、高温循环分配系统的温度介于75~85℃为宜;该温度范围对微生物滋生与红锈滋生都能起到良好的控制作用。

同时,温度过高也容易导致泵体发生汽蚀和点腐蚀的发生,从而使泵腔内部产生大量的红锈并蔓延至全系统中。

在运行阶段,设置高温和低温报警并同换热器后的温度计联动,通过PID调节阀来控制工业蒸汽或冷却水/冷冻水的进量,这样可以使整个主管网维持在一个较合理的温度区间。同时,在主管路安装冷却换热器可以弥补蒸馏水机产水温度偏高而导致的循环温度过高,一旦出现这种情况,就可通过换热器冷却使循环水温降至预先设定的温度。

(2) 产水水温

蒸馏水机的产水温度应当设置在合理的范畴,超过100℃的注射用水可能处于过热状态,其微观状态类似于高压的纯蒸汽系统,它会解离出H+(即质子),质子呈流体状态,电化学腐蚀效应非常严重,其体积甚小且可以轻易穿透致密的钝化膜,对不锈钢钝化膜构成破坏。当注射用水的水质符合企业内控范围时,注射用水出水温度应尽可能地降低,以避免制备出温度过高的注射用水进行储存与分配系统,对储存与分配系统的换热器造成较大的冷却压力和红锈风险,同时也会导致企业的能耗增加。

(3) 纯蒸汽流速

纯蒸汽系统因温度高、流动性快等特征,在所有流体工艺系统中往往红锈现象最为严重。

市场上纯蒸汽的生产设备常采用工业蒸汽为热源,采用换热器和蒸发柱进行热量交换并产生蒸汽,并进行有效的汽-液分离方式以获取纯蒸汽。以工业蒸汽作为热源的换热器,包括蒸发柱,推荐使用双管板式结构,这种结构设计可以防止纯蒸汽被加热介质所污染。用于湿热灭菌的纯蒸汽冷凝液必须符合注射用水的药典质量指标,其内毒素指标是一个非常重要的考察指标。

在纯蒸汽发生器中,去除内毒素的原理主要是利用内毒素的不挥发性。汽水分离的效率越高,设备产出的蒸汽就越纯净,越稳定。倘若蒸汽中夹带着液滴,那附着于液滴中的内毒素就会污染纯蒸汽。

纯蒸汽发生器在设计上对于蒸汽与所夹带水气的分离需尤为谨慎。药典要求注射用水的内毒素含量低于0.25U/ml,纯蒸汽发生器可将原水中的内毒素含量降低3~4个数量级。例如,采用外螺旋分离技术制备的纯蒸汽,其冷凝水中内毒素含量能达到低于0.01U/ml的水平,它能非常好地预防纯蒸汽中内毒素污染所带来的无菌注射剂用药风险。

纯蒸汽灭菌属于湿热灭菌法,是制药企业常用的灭菌方式之一。它利用高温、 高压蒸汽进行灭菌。纯蒸汽的穿透能力非常强,蛋白质、原生质胶体在湿热条件下容易变形凝固,其酶系统容易受破坏,蒸汽进入细胞内凝结成水,能放出潜在热量而提高温度,更增强了灭菌能力。

纯蒸汽灭菌时,温度达到121℃以上即可,流速以15~25m/s居多,考虑到输送过程中的热损失,纯蒸汽发生器制备的纯蒸汽可能会适当地提高一些温度,但过高的温度与过快的流速会导致红锈的严重滋生,纯蒸汽分配管网一旦红锈爆发,会很容易污染下游设备 (如配液罐、湿热灭菌柜等),系统在线灭菌后的颗粒物污染风险非常严重。

因此,企业需结合实际需求,合理控制纯蒸汽的运行温度与流速,并制定相应的除红锈维护保养机制。

(4) 消毒与灭菌周期

常用的水系统消毒与灭菌方式有化学消毒、 紫外线消毒、 巴氏消毒、 臭氧 消毒、 流通蒸汽消毒、 过热水灭菌与纯蒸汽灭菌等。

水系统的消毒与灭菌周期需采用严谨的PQ执行来确认,部分企业为了绝对的安全,提高了系统消毒与灭菌频次,结果水系统所处环境 (温度和压力) 的突变性导致系统承受交变载荷过载,钝化膜腐蚀疲劳加剧,从而导致钝化膜的物理强度、微观紧密性恶化,钝化膜易受外界机械作用和化学作用的破坏,最终的结果是红锈快速滋生。

对于热消毒/热灭菌的系统,消毒/灭菌频率过高,也非常容易导致系统交变荷载过载,频繁的温差变化不利于钝化膜的稳定。因此,推荐企业严格按照PQ执行原则,在负荷微生物负荷的安全情况下,制定合理的消毒与灭菌周期,避免过度消毒与过度灭菌。

(5) 停机处理

如果企业生产任务不紧张,考虑节能而不得不停产的话,可以采取如下措施来避免红锈的滋生和危害:

①在停产之前,应当对系统内部的生物膜、有机膜和红锈进行去除处理,并对不锈钢的表面进行修复,以保证在停产时间内,这3项风险源不再滋生。

②将水排尽之后,需要使用干燥的压缩空气对系统进行吹扫,使系统尽可能地保持干燥。吹扫之后,查看每一个用点、泵腔、罐底等其他局部最低点是否已经无水滴的残留; 第一次吹扫结束后,过24h之后,再使用压缩空气进行 一次吹扫,并经过24h再次进行确认;直到基本完全干燥。

③在停产结束,并在正式使用之前,应当再次对系统进行生物膜、有机膜和红锈进行去除处理,防止停产期间滋生的这些风险源对水质和产品 质量造成风险。

为了尽可能地降低纯蒸汽用点红锈的滋生速度,建议的措施如下:

①使用之前操作要规范,先排掉冷凝水,以降低环境的腐蚀性程度;

②如果用水点不常用,则应在纯蒸汽分配系统的标准操作规程中,明确注明定期对用水点的冷凝水进行排放处理;

③制定纯蒸汽分配系统例行维护检查制度,重点检查疏水阀的疏水能力。

(6) 罐体液位控制

罐体液位没过喷淋器将导致严重的红锈发生,因此,罐体液位不易过高,不可淹没喷淋球,导致喷淋球失效。

建议措施:

a. 定期查看液位计的校验状态;

b. 高液位一般控制在80%,即会关闭补水阀,并声光报警;

c. 管理者制定年度例行维护制度,由专业人员对系统进行整体的再检查 (类似于再验证的过程),其中的检查项需要包括自控系统的检查。

关于运行过程中,可能存在导致红锈快速滋生的因素不限于上述内容,企业的管理者和操作人员 需要根据自身的情况,合理制定相关规范操作程序、优化运行参数,使设备与系统能够在一个良好的环境下运行,以保证水质、产品质量,延长红锈滋生时间和系统寿命为目的。

锈的去除——清洗的基本原理

清洗的基本原理,在本节中包含了清洗过程的四个基本要素:温度、机械作用、化学作用和时间,其中化学作用涉及到的内容较多,是本节的重点,因此“化学作用”将会分成若干个小部分进行阐述。本期我们介绍的重点是“温度”。

1.1 清洗的基本原理

清洗系统由清洗介质、污物和被清洗物3部分组成。

A. 清洗介质——是指水或以水为溶剂的清洗剂,如纯化水、注射用水、碱液和酸液等;

B. 污物——是指希望从被清洗物表面去除的异物,包括有机物、无机物和微生物等;

C. 被清洗物——是指待清洗的对象,如配液罐体、输送泵和管阀件等。

清洗的基本原理是指向被清洗物的表面污物施加热能、机械能和化学能,通过溶解作用、热作用、机械作用、界面活性作用和化学作用等机理的相互作用,在一定时间内实现被清洗物的有效清洗。

温度 (Temperature)、机械作用 (Mechanicalaction)、化学作用 (Chemicalaction) 和时间(Time) 是清洗过程中的4个基本要素,在清洗技术领域称为TACT模型 。

A. 温度是指清洗用水与清洗液所需的温度,清洗温度与污物的类型和黏固程度有关;

B. 机械作用主要通过流速、流量和压力来实现;

C. 化学作用与选择的清洗剂类型和浓度有关;

D. 时间是指与被清洗表面的充分接触与作用时间。

为实现设备的有效清洗,上述四要素相互影响且互为补充,当某一个要素不足时,可通过增强其他要素的形式加以弥补。详细的理论公式如式 (10.1)。

CR= Ti+ A + C + Te=100% (10.1)

式中,
CR——为清洗标准 (可接受的清洗结果);
Ti ——为 时间(清洗过程的充分接触与作用时间);
A ——为机械作用 (清洗过程的流速、流量与压力);
C ——为化学作用 (清洗剂类型和浓度);
Te——为温度 (清洗用水与清洗液的温度)。

(1) 温度

温度上升可以改变污物和清洗液的物理特性。研究表明,在一定温度范围内,温度每升高10℃,化学反应速度会提高1.5~2倍,清洗速度也会相应提高。升温还会增加大部分残留药液或颗粒的溶解度,加快这些残留物质的溶解速度;同时,清洗液吸收热能后,其动力黏度也会随之升高,这将有助于加快清洗速度。但如果温度过高,将造成制药配液系统中残留的蛋白质发生变性,导致污物与设备间的结合力提高,反而增加了清洗的难度。

图10.4显示了一定范围内清洗温度与清洗时间的关系,适当增加清洗温度有助于节省清洗时间,当温度超过85℃后,清洗时间基本无变化。因此,为提高生产效率,企业常通过加热清洗用水或清洗液的方式来缩短清洗时间,清洗温度一般控制在60~80℃之间。

温度对于除锈效果的保证尤为关键。任何标准在提到除锈的建议方案时,均会提到温度的重要性。

温度对除锈的帮助体现在如下几方面:

①温度可以增加清洗剂和除锈剂的溶解性。

②温度可以增加流体的湍流程度。涡流状态加剧,使表面附着物更易脱落入流体中。

③除锈的过程是: HM+ FexOy →FeM+H2O+Q (热量) 对于这种非可逆反应来说,升温会使反应速度加快。根据范霍夫近似规律,可知,温度增加10K (开尔文),反应速率近似增加2~4倍。

如果制药企业计划在整厂大修期间执行除锈,若没有工业蒸汽,则一套可以加热并有必要的传感装置的除锈设备是必需的。

1.2 机械作用

机械作用对于制药配液系统清洗过程至关重要,它主要通过流速、流量和压力来实现被清洗表面相对松散的污染物去除。

对于配液罐体等容器类设备,主要是通过清洗液的带压喷淋作用去除设备内表面的残留药液;而对于阀门、管道与弯头等药液输送管路,主要是通过清洗液的湍流作用去除管道内壁的残留物。

一、清洗模型

A. TAT模型——早期的清洗实践中,清洗理论为TAT模型 [图10.5(a)],机械作用未得到重视。该模型中时间因素影响最大,其次是化学作用因素和温度因素。

B. TACT模型——随着现代工业的发展,TAT模型因其清洗时间太长、清洗效率低下等原因,已不能满足工业化大发展的实际需求,因此机械作用被引入到清洗理论中,从而形成了TACT模型[图10.5(b)]。

C. TC模型——在现代清洗技术中,为提高工作效率、保护环境、节省清洗时间,机械作用的影响在整个清洗过程中已占50%以上,其余3个参数的影响相对较低。在一 些难于清洗的工况,TC模型 [图10.5(c )] 更加有效。该模型中化学作用和温度未被引入,机械作用因素的影响在整个清洗过程中占到80%以上,其余的影响为时间因素。

二、流体的不同状态

管道内液体的流动状态分为层流、过渡流和湍流3种状态。从量化角度而言,雷诺实验以雷诺数作为流体状态的判断标准:

当雷诺数Re <2000时,流体的流动状态称为层流;

当2000≤ Re ≤4000 时,流体的流动状态称为过渡流;

当雷诺数 Re >4000时,流体的流动状态称为湍流;

当雷诺数 Re > 10000时,称为完全湍流状态,

此时管道的摩擦系数只与相对粗糙度有关, 而与雷诺数无关。

Re = ρud / μ (10 .2)

式中,

ρ 为密度,kg/m3;

d 为管道内径, m;

u 为流速, m/s ;

μ 为黏度, N·s /m2。

A. 层流——层流的流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动,流体的流速在管中心处最大,靠近管道内部壁处最小,管道内流体的平均流速与最大流速之比约为0.5。

B. 过渡流——随着流速的增加,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流动状态称为过渡流。

C.  湍流——湍流是流体的另外一种流动状态,当流速增加到足够大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间有滑动和混合现象,这时的流体做不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生。

层流与湍流的本质区别在于是否有径向脉动,湍流有 “径向脉动” 现象,而层流无 “径向脉动” 现象 (图10.6)。只有在管道内完全充满并产生湍流时才能达到理想的清洗效果,清洗过程中必须避免气泡的产生。

三、雷诺系数与流体的关系

雷诺数与流速有一定的关系,不同管径的管道在同样的流速下,其雷诺数不同,设计流速过低,湍流无法实现,清洗效果得不到保证;设计流速过高,运 行时系统管网发生震颤,存在安全隐患,表10.1是ASME BPE标准管道在雷诺数大于30000时流速与管径的关系。

四、管径与流体的关系

同心变径与偏心变径是制药配液系统中经常使用到的变径管件,管道截面积的变化对流体的流动特征会产生影响。

在相同的清洗流量下:

A. DN80——DN80管道内流体的流速为2m/s,达到了清洗所需的湍流状态,

B. DN65——当变径为DN65后,流速增加为3m/s ,雷诺数增加,湍流状态加剧,清洗效果更佳;

C. DN100——当变径 为DN100后, 流速降低为1.2m/s ,雷诺数降低,流体状态转变为层流,从而无法达到预定的清洗效果。

五、喷淋装置的机械作用

机械作用还可来源于喷淋装置。依据工作压力的不同,喷淋装置分为喷淋球和洗罐器两大类 (图10.7)。

喷淋球主要是指处于中、低压工作状态的喷淋装置,主要包括固定式喷淋球、旋转式喷淋球和切线出水喷淋球等;根据清洗角度的不同,喷淋球可分为90 ° 、180 °向上、180 °向下、270 °向上、 360 °和360 °高流量等多种规格;按照安装方式的不同,喷淋球可分为焊接式、螺纹式和插销式等多种形式。 洗罐器主要是指处于中、高压工作状态下的喷淋装置,包括介质驱动洗罐器和外置马达驱动洗罐器等。

六、物理擦拭

另外,对于一些顽固的锈迹或清洗其他机械力不足的设备或位置时,可能需要采用物理擦拭等其他方式弥补,物理擦拭是表面红锈处理的一种增强机械作用的必要补充,但是操作不当可能会对不锈钢的表面造成划痕,导致表面粗糙度加剧。

因此,需要除锈施工方和企业协调处理,并尽量找专业人员执行物理擦拭工作,尽可能地降低表面划伤的风险。

红锈的去除——清洗的基本原理之化学作用

(3) 化学作用

化学作用的主要原理为,通过清洗剂与污物产生的化学作用来改变污物的溶解特性,使污物变成易于溶于水的物质。

化学作用与所选择的清洗剂的类型和浓度有关,合适的清洗剂需具备如下特(优)征(点):

  • 能从被清洗物表面剥离颗粒并使其以较小颗粒形态悬浮或溶解在清洗液中;
  • 能快速溶解于水;
  • 具有表面活性,对污物有良好的渗透和去污能力;
  • 工作浓度能被在线检测并可控;
  • 成分明确、不会引起污染或交叉污染;
  • 对制药配液系统的组件无任何腐蚀等负面影响;
  • 方便污水处理、环境影响小;便于保存且使用成本低。

化学清洗剂主要分为中性清洗剂、碱性清洗剂和酸性清洗剂三大类,其主要包含水及酸液、碱液或表面活性剂。

例如,美国STERIS公司生产的CIP 100属于典型的碱性清洗剂,CIP 200属于典型的酸性清洗剂。化学作用包括水解、渗透、乳化、催化、皂化、螯合、氧化、分散、悬浮、溶胶和络合等多种形式,不同的污物需要不同的化学作用。

一般而言,单一清洗剂只能实现某些特定的清洗功能,没有任何一种清洗剂可同时满足所有的清洗要求。企业需结合残留污物的实际情况合理选择化学清洗剂的类型和浓度。

例如:

A. 对于油脂类污物,可选择表面活性剂的渗透与乳化作用、碱液的分散作用和强碱的皂化作用;

B. 对于蛋白质类污物,可选择碱液或酸液的溶解作用、氧化剂的水解作用和蛋白酶的催化分解作用;对于糖类碳水化合物污物,可选择高温水的溶解作用;

C. 对于淀粉类碳水化合物污物,可选择酸碱液的溶解作用与淀粉酶的分解作用;

D. 对于矿物质类污物,则可选择酸性清洗剂的溶解作用和螯合剂的螯合作用。

① 表面活性剂和分散剂。

一、表面活性剂

表面活性剂对于制药配液系统中油脂类污物的清洗效果非常明显,它是指具有固定的亲水、亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。

A. 表面活性剂的结构——表面活性剂 (图10 .8) 的分子结构具有两亲性,一端为亲水基团、另 一端为疏水基团。亲水基团常为极性的基团,如羧酸、磺酸、硫酸、氨基、胺基或胺盐、 羟基、酰胺基、醚键等;疏水基团常为非极性烃链,如8个碳原子以上烃链。表面活性剂溶解于水中以后能降低水的表面张力、提高有机化合物的可溶性。

B.表面活性剂的工作原理——主要是通过分子中不同部分对于油相与水相的亲和,使两相均将其当作本相的成分。表面活性剂的分子排列在两相之间,使两相的表面相当于转入分子内部,从而降低其表面张力。由于油相与水相都将其当作本相的一个组分,就相当于油相与水相与表面活性剂分子都没有形成界面,通过这种方式部分地消灭了两个相的界面,从而降低了表面张力和表面自由能。

C. 表面活性剂的分类

  • 按作用机制划分,表面活性剂主要提供渗透作用、乳化作用和悬浮作用等 (图10.9)。

  • 按极性基团的解离性质划分,表面活性剂分为阴离子表面活性剂 (如硬脂酸、 十二烷基苯磺酸钠等);阳离子表面活性剂 (如季铵化物等);两性离子表面活性剂 (如卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱型等) 和非离子表面活性剂 (如脂肪酸甘油酯、 脂肪酸山梨坦、聚山梨酯等)。

如前文所述,洁净管道中被红锈覆盖的表面粗糙度较大,使得污物可能存于粗糙表面的死角处,如果使用单纯的水进行冲洗,由于较大的表面张力作用,可能接触不到藏于谷底的污物,如果此时使用表面活性剂,由于降低了表面张力,则有可能接触到污物,从而提高了清洗和除锈的效果 (图10.10)。

二、分散剂

分散剂也是一种常用于除锈再钝化处理的表面活性剂。分散剂可均一分散那些难于溶解于液体的无机、有机的固体及液体颗粒,同时也能防止颗粒的沉降和凝聚,是形成稳定悬浮液所需的两亲性试剂。

A. 分散剂的分类

分散剂一般分为无机分散剂和有机分散剂两大类。常用的无机分散剂有硅酸盐类 (如水玻璃) 和碱金属磷酸盐类 (如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)。有机分散剂包括三乙基己基磷酸、 十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯等。

B. 分散剂的作用原理——就是把各种颗粒合理地分散在溶剂中,通过一定的电荷排斥原理或高分子位阻效应,使各种固体很稳定地悬浮在溶剂 (或分散液) 中。分散剂在使用时必须溶水,它们被选择地吸附到颗粒与水的界面上。

常用的是阴离子型,它们在水中电离形成阴离子,并具有一定的表面活性,被粉体表面吸附。粒子表面吸附分散剂后形成双电层。阴离子被粒子表面紧密吸附,称为表面离子。在介质中带相反电荷的离子称为反离子。它们被表面离子通过静电吸附,反离子中的一部分与粒子及表面离子结合得比较紧密,称束缚反离子。

它们在介质成为运动整体,带有负电荷,另一部分反离子则包围在周围,它们称为自由反离子,形成扩散层。这样在表面离子和反离子之间就形成双电层。

微粒所带负电与扩散层所带正电形成双电层称为动电电位。热力电位是指所有阴离子与阳离子之间形成的双电层相应的电位。起分散作用的是动电电位而不是热力电位,动电电位电荷不均衡,有电荷排斥现象,而热力电位属于电荷平衡现象。高分子位阻效应是指一个稳定分散体系的形成,除了利用粒子表面的静电排斥以阻止粒子间的吸附/聚集外,还可以让已吸附负电荷的粒子互相接近时,互相滑动错开,这类起空间位阻作用的表面活性剂一般是非离子表面活性剂。灵活运用静电排斥配合空间位阻的理论,可以构成一个高度稳定的分散体系。高分子吸附层有一定的厚度,可以有效地阻挡粒子的相互吸附,主要是依靠高分子的溶剂化层,当粉体表面吸附层达8~9nm时,它们之间的排斥力可以保护粒子不致絮凝。CIP100与CIP200试剂就是一种含有分散剂的高效清洗试剂。图10.11显 示出其与水和常规含有表面活性剂的洗液相比的优势。

图10.11可以看出,分散剂的作用是非常明显的。当向3个洗液试样 (分别为含表面活性剂的水溶液、氢氧化钠水溶液和CIP100水溶液) 中分别加入活性炭 (模拟污物) 后,将3种溶液以同样的转速,开启磁力搅拌器。一段时间后,前两种试样中的结果类似,即活性炭均浮在溶液表面;而含有分散剂的CIP100溶液,活性炭则溶到了流体中,并分散均匀;另外,在搅拌一段时间之后,向这3 种溶液分别浸入同样大小和同样材质的不锈钢片,观察再沉积现象,前两者均发生了再沉积,而CIP 100则丝毫没有发生再沉积。

本期的篇幅较多,主要介绍碱性清洗剂和酸性清洗剂。而两者,重点偏向“酸性清洗剂”。

1. 对于碱性清洗剂来说,主要作用是去除金属表面的油脂,在除红锈方面,碱性试剂的主要作用是去除生物膜等有机污物,例如 CIP 100清洗试剂。

2. 对于酸性清洗剂,是除红锈程序中必不可少的试剂。其本质是铁与酸的化学反应,原文重点介绍了柠檬酸、硝酸、硫酸、磷酸及混合物(CIP 200)的优缺点比较,重点表扬了一下CIP 200的本领。

原文利用表格的形式对比了各种酸性清洗剂和碱性清洗剂的性能和效果,并且对于I、II、III类红锈也通过表格的形式介绍不同的除锈剂使用的适用性、化学过程及反应的条件。

本期小编又改变的推文的形式,希望能够帮助大家的理解本期的主要内容。上述部分是小编的简要解读,下述部分是水系统的原文,帮助大家查阅具体信息。如果有任何建议,希望大家留言给小编,小编一定仔细阅读,认真揣摩。

② 碱性清洗剂

碱性清洗剂是指pH>7的清洗剂,包括苛性碱、聚磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、胺和碱性表面活性剂等。碱性清洗剂因具有环保无毒、安全、经济成本低、 去除内毒素、分解生物膜、清洗效果好的特点而被广泛运用。碱性表面活性剂是由碱以及表面活性剂等物质构成,利用皂化作用、乳化作用、浸透润湿作用等机理来除去可皂化油脂 (动植物油) 和非皂化油脂 (矿物油) 等金属表面油脂。

例如,氢氧化钠和氢氧化钾可溶解蛋白质,在高温下可皂化脂肪,因此对含蛋白质较高的有机污物有很好的去除作用;聚磷酸盐可防止形成钙的沉淀,常用于不锈钢容器、桶和搅拌器的清洗;硅酸盐可防止铝腐蚀,主要用于铝制容器、桶、搅拌器的清洗。表10.2是常规碱性清洗剂的性能对照表。

由于空气中CO2 的影响,NaOH会与其发生化学反应生成Na2CO3 和NaHCO3,进而影响清洗效果 (图10.12)。 因此,在清洗过程中,需对碱性清洗剂进行在线或离线取样分析,监测其浓度,当NaOH浓度达不到清洗要求时,需及时进行添加或更换。

CIP100是一种高性能的无磷、碱性清洁剂,主要用于手工、浸泡和循环喷淋设备,包括CIP系统。CIP100清洗试剂在不锈钢除锈工艺中主要起到去除生物膜等各种有机污物的作用,适用于制药、生物工程、化妆品、食物和饮料生产中。

③ 酸性清洗剂

对于整个系统的清洗除锈来说,酸洗程序是必不可少的,这也是除锈的根本。 酸性清洗剂是指pH<7的清洗剂,包括硝酸、磷酸和脂肪酸盐类酸性表面活性剂等。酸性清洗剂对碱性清洗剂不能去除的无机物类污物有较好的清洗效果,广泛用于玻璃、不锈钢等表面的清洗。

例如,硝酸和磷酸可溶解无机类污物,较高浓度的强酸还有去除红锈的功能;脂肪酸盐可通过乳化作用降低表面张力,从而将脂肪类污物得到有效清洗。

表10.3是常规酸性清洗剂的性能对照表。需要注意的是,酸性清洗剂对不锈钢金