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水问生物最新膜集成技术在药用纯化水制备中的应用

发布时间:2017-07-20



前言:最近水问生物在上海某高校医学院以市自来水为水源,采用预处理 + 二级反渗透( RO ) + 连续电除盐技术( EDI ) +后处理的膜集成技术制取满足GMP药用超纯水。 运行结果表明,采用二级 RO+EDI 的膜集成技术制取药用超纯水是可行的,产品水达到分析实验室用水国家标准( GB/T 6682-2008)和中国药典(2010 版)纯化水标准;


随着科学技术的长足发展,药用纯化水制备系统也有了很大改观,其处理技术先后经历了蒸馏法、反渗透膜法( RO )、离子交换法( IX )、电除盐法( EDI )等方法。 这些单一的制水工艺都有其缺陷,尤其离子交换法( IX ),其交换树脂需要周期性地使用酸碱再生,不仅操作繁琐,而且对环境也造成了严重污染。而笔者系统采用反渗透( RO ) + 电除盐( EDI )组合工艺,设备由单台制备机组发展成一整套完整的模块化制备流程,不但满足了生产用水要求,产水可达GMP 水质要求,而且全面解决了离子交换生产过程中的酸碱消耗,避免了环境的二次污染等一系列问题。


1.项目概述

1.1原水水质

上海市某高校医学院以市自来水为水源,经过多介质过滤器 + 活性炭过滤器 +RO+EDI+ 微孔过滤系统后处理到各用水点。 原水水质指标如表 1所示。


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1.2 纯化水水质要求

达到分析实验室用水国家标准( GB/T 6682 —2000 )的一级标准;达到中国药典( 2010 版)纯化水标准;其中电阻率( 25 ℃ ) ≥16 MΩ · cm

2、工艺流程介绍

系统主要工艺选用预处理 + 两级 RO+EDI+ 后处理的膜集成工艺,系统设计以反渗透为核心设备,多介质过滤器、活性炭过滤器、阻垢剂加药系统、保安过滤器等为预处理,保证反渗透系统的正常运行,反渗透系统为预脱盐系统; EDI 为深度处理系统,保证出水水质指标, 使产品水电阻率达到 16 MΩ · cm 以上。 后续处理将纯化水通过纯水泵加压通过 0.1 μm膜过滤器、紫外灭菌器进行消毒灭菌处理,保证终端水质,送至纯化水用水点。 RO+EDI 超纯水工艺流程;如图 1 所示


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3、主要设备及功能说明

3.1 原水箱

原水箱的作用是储存一定量的原水, 以保证后续供水稳定性。 系统中原水箱采用 PE 水箱,容积为1.0 m 3 ,并在水箱上配置 1 套液位开关以检测水箱液位,含有电磁控制阀、管件及液位控制器。

3.2原水泵

原水泵的作用是将原水箱的出水提升至后续处理单元。 系统选用 2 台进口丹麦格兰富水泵( 1 用 1备),设计流量 2.5m 3 /h ,设计扬程 32m ,功率 0.55kW ,

过流部件材质 SUS304 。

3.3 多介质过滤器

采用多介质过滤器的作用是过滤去除水中较大颗粒的悬浮物,减小精密过滤器滤芯的更换频率。多介质过滤器需定期反冲洗,以去除截留的悬浮物。多介质过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理无烟煤、多级石英砂和必要的管路组成。设计中采用多介质过滤器 1 台,产水量 2.5 m 3 /h ,运行流速 10~12 m/s , 直径为 450 mm , 材质为玻璃

钢,配置了 1 套 TMF56A 控制阀来控制多介质过滤器的运行和反洗,反冲洗采用水反洗。

3.4活性炭过滤器

由于反渗透膜为高分子材料, 水中的余氯很容易与其发生氧化反应从而造成膜性能的下降, 甚至损坏反渗透膜组件, 而活性炭过滤器可以很好地吸附去除管网自来水中的余氯。 此外活性炭过滤器还可以有效地吸附去除水中的色度,以及部分有机物、胶体硅、异味。 因此,有必要在反渗透装置之前设置活性炭过滤器对原水进行处理。活性炭过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理优质活性炭和必要的管路组成。设计中采用活性炭过滤器 1 台,产水量 2.5 m 3 /h ,运行流速 10~12 m/s , 直径为 450 mm , 材质为玻璃

钢,配置了 1 套 TMF56A 控制阀来控制活性炭过滤器的运行和反洗,反冲洗采用水反洗。

3.5精密过滤器

原水经过多介质过滤器之后, 部分大颗粒杂质被除去,水的浊度降低,为防止高压泵的叶轮磨损和保证反渗透膜的安全,在高压泵之前设精密过滤器,以去除细小的悬浮物和颗粒。 过滤精度为 5 μm,可有效保证出水浊度 <1 NTU 。系统采用直径为 200 mm 、高度为 600 mm 的精密过滤器 1 台,过流材质为 SUS304 。

3.6 二级反渗透( RO )预脱盐系统

经预处理后的水进入一级高压泵增压后送至一级反渗透系统作脱盐处理。 一级反渗透处理后的脱盐水经过加碱调 pH ,再进入二级高压泵增压后送至二级反渗透系统作进一步脱盐处理, 处理后进入二级反渗透产水箱。反渗透装置综合脱盐率 >98% ,可脱除水中绝大

部分的盐分及大分子有机物。装置中膜组件采用美国陶氏公司性能优越的BW30HRLE-4040 聚酰胺复合膜共 8 支, 单支膜稳定脱盐率 99.3% ,膜通量 11.356 m 3 /d ,该膜具有高流量、高脱盐率的优点。反渗透装置采用全自动操作方式, 反渗透装置

配有相关的流量计、压力表、电导仪、取样装置和相关的控制元件。

RO 系 统 运 行 期 间 对 水 质 进 行 分 析 , 余 氯0.005~0.01 mg/L , pH 为 7.3~8.2 , 溶 解 性 有 机 物( TOC,以C 计) <0.5 mg/L , SDI<2 。 石英砂、活性炭过滤前处理系统产水水质完全满足反渗透进水要求。

加碱调 pH 装置由 1 箱 1 泵组成, 计量泵采用美国米顿罗隔膜计量泵,计量泵与反渗透系统联动。该计量泵最大出力 0.7 L/h ;压力 1.03 MPa 。 计量箱

采用 60 L 的 PE 水箱。膜型号为 BW30HRLE-4040 , RO 系统操作条件

如表2所示。


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3.7EDI 深度除盐系统

来自二级反渗透产水箱的水经过 EDI 供水泵、紫外灭菌器、 1 μm 膜过滤器进入 EDI 系统进行深度脱盐后,进入纯水箱,再经纯水泵加压通过 0.1 μm膜过滤器,并送至用水点。EDI 除盐是在直流电场的作用下, 通过阴阳离子交换膜的选择透过性及填充树脂的离子交换的作用,脱除进水的各种离子。 因此 EDI 制水过程不需酸、碱化学药品再生即可连续制取高品质纯水,生产出电阻率高达 16~18 MΩ · cm 的超纯水。 系统 EDI模块采用美国 Electropure 的 XL-300R 模块 1 台,整流电源 MXD-1 ,处理水量 0.5 m 3 ,流道方式为下进上出。 EDI 模块操作条件如表 3 所示。


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3.8 纯水供水泵

用于提供 EDI 所需水量及压力。 采用 1 台进口丹麦格兰富水泵,设计流量 0.6 m 3 /h ;设计扬程 53 m ,功率 0.37 kW ,过流部件材质为 SUS316 。

3.9 紫外灭菌器对输送至各用水点的纯化水进行消毒灭菌处理。 流量 1.0 m 3 /h ,材质为 SUS316 。

3.10 0.1 μm 微孔过滤器过滤精度为 0.1 μm ,去除大于 0.1 μm 的悬浮性固体颗粒,保证终端用水点水质。

4、 工程调试与运行效果

4.1 工程调试

膜集成系统投入使用至今,运行稳定,产水质量高,产水电阻率始终保持在 17 MΩ · cm 以上。多介质过滤器、活性炭过滤器均为手动操作,当系统压差达到 0.05 MPa 时,分别对其进行反冲洗,冲洗步骤均为反冲洗 25 min , 然后正冲洗 15 min 。 系统采用PLC+ 触摸屏组合实现自动控制。 系统内所有电机和其他元件均采用程控 / 手动两种操作方式,除此以外系统配有调试模式以便检修维护, 集控操作统一由PLC 实现。

二级高压泵的启停与一级供水水压相关, 实现二级反渗透的自动运行, RO 冲洗阀选用慢开电动阀,保证 RO 系统压力平滑增长,预防水锤现象损坏膜元件,延长膜元件的使用寿命。EDI 装置设有就地直流电源柜, 控制部分可以通过集中 PLC 实现控制, 就地设有低流量保护、电压电流过载保护、水质安全保护、在线仪表安装和显示等。 在在线仪表上可读出每台 EDI 装置的有关运行参数。 EDI 装置的投运或备用主要是通过控制 EDI供水泵及直流电源的启动或停止来实现, EDI 的整个 装 置 的 启 停 是 通 过 纯 水 箱 的 液 位 变 化 来 决定的。

4.2 运行效果

二级 RO+EDI 膜集成系统投入使用至今, 运行稳定,产水质量高,水质达到分析实验室用水国家标准 GB/T 6682 — 2000 的一级标准,达到中国药典( 2010 版)纯化水水质要求;产水电阻率始终保持在17 MΩ · cm 以上。 纯水电导率如表 4 所示。

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5、经济分析

该项目总投资为 35.2 万元,其中设备工程投资为 30.5 万元,技术服务及其他费用为 4.7 万元。处理成本为 5.9 元 /m 3 ,含电费为 4.7 元 /m 3 、药剂费为 0.30元 /m 3 、人工费为 0.9 元 /m 3 ,不含折旧、维修费用等。

6、结论

系统采用二级 RO+EDI 膜集成工艺, 产水符合中国药典及 GMP 对药用纯化水水质的要求,并能够保证出水电阻率 >17 MΩ · cm 。 与离子交换技术相比较,集成工艺具有技术先进、运行稳定、产水质量高、无污染、运行费用低等优点。RO 装置与 EDI 装置集成组合使用, 既可以有效解决 RO 出水脱盐不彻底的缺点,又可以提高EDI 模块的进水水质,防止 EDI 损坏,加大了整体净水效果。 RO 膜与 EDI 模块的集成使用技术,不但在药用纯化水制备的应用中有非常显著的效果, 而且可以进一步推动水处理行业向集成工艺、低成本、无污染、高质量、绿色环保的方向发展。




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