以相關(guān)法規(guī)和技術(shù)指南為切入點(diǎn)，結(jié)合生物制藥注射用水的特點(diǎn)，分析和總結(jié)了常用的常溫注射用水分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。并對(duì)其中的旁路冷點(diǎn)，儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)和子回路冷循環(huán)的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和實(shí)施難點(diǎn)進(jìn)行了探討。討論結(jié)果已在工程實(shí)踐中經(jīng)過檢驗(yàn)，可以作為類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝的參考。討論還結(jié)合了計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)。

生物藥作為藥品，在20世紀(jì)80年代開始產(chǎn)業(yè)化，近年來占據(jù)著越來越重要的角色。2012年底國務(wù)院頒布了《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，將生物產(chǎn)業(yè)列為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。2015年開始，大量的資本開始涌入，大批海外人才開始回歸，國內(nèi)生物藥迎來了蓬勃發(fā)展期。注射用水作為關(guān)鍵的產(chǎn)品原輔料之一，在生物制藥中占有很重要的地位。

生物制藥的注射用水的需求

通用要求

按照中國、歐盟和美國藥典，注射用水水質(zhì)需要符合以下要求，如表1 所示。

表1 各國藥典注射用水水質(zhì)要求

各國注射用水的要求基本是一致的，歐美檢測(cè)項(xiàng)較少是因?yàn)榘l(fā)達(dá)國家的飲用水要求高于我國，并且三步法電導(dǎo)率檢測(cè)中已包含pH、氨等限值要求。

現(xiàn)今合格的產(chǎn)水設(shè)備都能產(chǎn)出達(dá)到以上要求的注射用水，各大廠商也已將自己的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。所以一個(gè)工廠水質(zhì)的穩(wěn)定主要在于其分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、安裝質(zhì)量是否嚴(yán)格、驗(yàn)證是否充分、預(yù)防性維護(hù)是否全面及時(shí)，日常監(jiān)測(cè)是否具有代表性。

生物制藥注射用水特點(diǎn)

生物制品生產(chǎn)過程中需要用到大量的注射用水。并且由于大多數(shù)產(chǎn)品不耐熱，常溫注射用水需求又占了主要用量。除去清洗機(jī)，設(shè)備 CIP，灌裝前的洗瓶等需要熱注射用水外，其他基本都為常溫需求。比如單抗、苗生產(chǎn)中無論是細(xì)胞培養(yǎng)，培養(yǎng)基配置，緩沖液配置，蛋白收獲，純化還是灌裝制劑都會(huì)用到大量常溫注射用水，使用溫度通常在 25 ℃左右。

具體以一個(gè)典型的 2 000 L 一次性反應(yīng)器生產(chǎn)單克隆抗體和相應(yīng)的下游純化為例，如表2 所示。采用常規(guī)流加模式，蛋白表達(dá)量 4g/L，收獲采用深層過濾，下游純化采用親和層析加陰陽離子層析工藝。

表2 2000L動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)制備單克隆抗體常溫注射用水耗量（每批）

由表2 可知，一個(gè)批次的產(chǎn)品用掉了約 32 t 左右的常溫注射用水。表2 統(tǒng)計(jì)的只是原液生產(chǎn)部分，沒有包括灌裝制劑的用量，但已可見生物制藥對(duì)常溫注射用水需求量很大。

常用常溫注射用水分配設(shè)計(jì)方案

對(duì)于儲(chǔ)存與分配方式，法規(guī)是必須要滿足的要求。根據(jù)《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010 年修訂）》第 99 條 ：注射用水的貯存和分配應(yīng)當(dāng)能夠防止微生物的滋生，注射用水可采用 70℃以上保溫循環(huán)[4]。新版歐盟 GMP 附錄 1《無菌產(chǎn)品生產(chǎn)（修訂稿）》中規(guī)定 ：注射用水的制備應(yīng)由符合經(jīng)確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)的水制備，應(yīng)采用盡可能降低微生物滋生的方式儲(chǔ)存與分配（例如，通過在 70℃以上溫度持續(xù)循環(huán)）[5]。WHO第 55 屆藥物制劑規(guī)范專家委員會(huì)技術(shù)報(bào)告 TRS No.1033 附錄 3《制藥用水 GMP 指南》指出純水和注射用水貯存和分配應(yīng)設(shè)計(jì)為回路，連續(xù)循環(huán)，必要時(shí)維持系統(tǒng)在較高溫度（例如>70℃）。如果工藝需要降低水溫，則應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)降溫。在系統(tǒng)確認(rèn)期間應(yīng)證明冷循環(huán)持續(xù)時(shí)間滿足要求。

所以，循環(huán)、熱儲(chǔ)存都是各國 GMP 推薦的注射用水分配方式，其他溫度循環(huán)也是允許的，但持續(xù)時(shí)間在驗(yàn)證階段需確認(rèn)其滿足系統(tǒng)和水質(zhì)要求，這就給常溫循環(huán)注射用水分配提供了法規(guī)依據(jù)。

具體到工程實(shí)踐上，分配系統(tǒng)的種類和選擇，ISPE Baseline 第 4 卷給出了較全面的例子，其判斷選擇圖如圖1 所示[6]。

圖1 水系統(tǒng)分配形式判斷圖

該判斷圖涵蓋了純水和注射用水的各種分配形式。按照法規(guī)要求，注射用水一般為熱儲(chǔ)存，循環(huán)分配系統(tǒng)。結(jié)合生物制藥注射用水多種溫度需求，常溫用水量大，用點(diǎn)多的特點(diǎn)。其常溫注射用水分配系統(tǒng)一般選用儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)（Cooled BypassCirculation），子回路冷循環(huán)（Cooled Sub-loop）和二次分配冷循環(huán)系統(tǒng)（Secondary Distribution）。對(duì)于一些比較分散的用點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合旁路（Slip stream）或帶熱消毒的冷點(diǎn)進(jìn)行分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

常溫循環(huán)注射用水分配系統(tǒng)案例分析

二次分配冷循環(huán)系統(tǒng)，帶熱消毒的冷用點(diǎn)，這 2種系統(tǒng)是較早的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有投資和運(yùn)行成本較高的缺點(diǎn)，本文不再累贅，著重討論旁路冷用點(diǎn)，儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)和子回路冷循環(huán)系統(tǒng)。

旁路冷點(diǎn)

對(duì)于常見的單個(gè)用點(diǎn)或鄰近的 2 至 3 個(gè)使用點(diǎn)降溫使用，通常使用該方案。相對(duì)于需要引入純蒸汽消毒的冷用點(diǎn)，旁路冷點(diǎn)在不用水時(shí)，一直處于熱水自消毒狀態(tài)，更有利于降低系統(tǒng)微生物負(fù)荷，并且投資和運(yùn)行費(fèi)用都較低。未達(dá)到使用溫度前的注射用水可以直接排掉也可以返回主循環(huán)。若采取排放策略，可將使用閥、排放閥、回水閥以及取樣閥集成為一個(gè)零死角的塊閥，其典型的系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 注射用水旁路冷點(diǎn)系統(tǒng)圖（冷水不回流）

若使用點(diǎn)設(shè)計(jì)用量較大，并且未達(dá)使用溫度的水采用返回主循環(huán)的設(shè)計(jì)，回水會(huì)引起主循環(huán)溫度下降較多，應(yīng)在旁路安裝調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，對(duì)系統(tǒng)控制要求較高。既要控制主循環(huán)冷熱水混合后的溫度，又要讓旁路管道內(nèi)的水保持在完全湍流狀態(tài)，其典型系統(tǒng)圖如圖3 所示。

圖3 帶回水流量調(diào)節(jié)的注射用水旁路冷點(diǎn)系統(tǒng)圖（冷水回流）

對(duì)于旁路，主要的阻力降為注射用水換熱器。潔凈型雙管板換熱器阻力降一般在 0.01 ~ 0.07 MPa，單個(gè)旁路阻力在 0.02 ~ 0.08 MPa。按照并聯(lián)管路各支路阻力相同原理，每個(gè)旁路的阻力也會(huì)反映在主循環(huán)上。若該類型用點(diǎn)太多，最后整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的壓力降會(huì)較大，并且市售衛(wèi)生型循環(huán)泵的揚(yáng)程一般不超過0.8 MPa，因此實(shí)際在項(xiàng)目中，也很少見到超過 8 個(gè)旁路冷點(diǎn)串聯(lián)在一個(gè)循環(huán)分配系統(tǒng)內(nèi)。

儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)

注射用水若按冷循環(huán)設(shè)計(jì)，一般不會(huì)設(shè)計(jì)冷水儲(chǔ)罐。因?yàn)閮?chǔ)罐內(nèi)水流動(dòng)慢，低溫儲(chǔ)存一般需要 4 ℃以下，能耗很大。所以，冷循環(huán)有 2 種設(shè)計(jì)思路。一種是降溫使用后，回水又升溫，然后進(jìn)入儲(chǔ)罐，達(dá)到熱存儲(chǔ)的目的。這種降溫又升溫的系統(tǒng)，能耗也比較大，本文不進(jìn)行討論。另一種思路是使用時(shí)完全低溫循環(huán)，待到系統(tǒng)沒有降溫需求時(shí)，再將循環(huán)管路溫度升至 70℃以上。該類系統(tǒng)，按升溫后是否回到儲(chǔ)罐，又分為帶儲(chǔ)罐的旁通冷循環(huán)和無儲(chǔ)罐的子回路冷循環(huán)。

儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)典型系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

圖4 注射用水儲(chǔ)罐旁通冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

對(duì)于這種冷循環(huán)，當(dāng)有冷水使用需求時(shí)，換熱器進(jìn)冷凍水給注射用水降溫，關(guān)閉冷循環(huán)回罐的閥門。當(dāng)用水結(jié)束，關(guān)閉冷凍水進(jìn)水，升溫?fù)Q熱器給注射用水進(jìn)行升溫，待冷循環(huán)回水達(dá)到 70℃以上，自動(dòng)打開冷循環(huán)回罐的閥門。由于用水時(shí)，沒有熱水回到儲(chǔ)罐，為了維持熱儲(chǔ)存的溫度，一般需要設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐的夾套加熱功能。

結(jié)合生物制藥多種溫度的需求，可以將熱注射用水用點(diǎn)，比如清洗機(jī)，設(shè)備 CIP，帶上旁路冷點(diǎn)組成熱循環(huán)，與冷循環(huán)共用儲(chǔ)罐，如圖5 所示。這樣既能克服降溫使用時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)水不流動(dòng)的缺點(diǎn)，又免去加熱夾套的設(shè)計(jì)。

圖5 冷熱循環(huán)共用儲(chǔ)罐的注射用水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

子回路冷循環(huán)

子回路冷循環(huán)類似于二次分配系統(tǒng)，需要在一次分配系統(tǒng)（熱循環(huán)）引出一個(gè)用點(diǎn)作為水源，區(qū)別在于該系統(tǒng)不帶水儲(chǔ)罐，投資和運(yùn)行費(fèi)用都較低。典型的子回路冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6 所示。

圖6 注射用水子回路冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖與改進(jìn)的進(jìn)水閥示意圖

在冷循環(huán)不進(jìn)水時(shí)，為了減少死水，冷循環(huán)進(jìn)水閥門前后需要做到 2D。使用一般的閥門，前后的通路都做到 2D 比較困難?？梢钥紤]將冷循環(huán)回水直接接入進(jìn)水閥腔體，同時(shí)集成取樣閥，定制一個(gè)多通道閥。

對(duì)于冷熱水在閥門腔體內(nèi)混合，可能增加返回主循環(huán)冷水量的顧慮，進(jìn)行 3 維建模，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，然后對(duì)內(nèi)部流體進(jìn)行 CFD 計(jì)算，如圖 7 所示。

圖7 改進(jìn)的冷循環(huán)進(jìn)水閥三維模型與內(nèi)部流體網(wǎng)格劃分示意圖

從下面的溫度分布圖可以看出：冷水 25℃（298 K）的回水，對(duì)主管道 78℃（351K）的熱水基本沒有影響。說明冷循環(huán)回水對(duì)熱循環(huán)的溫度降微乎其微，如圖 8 所示。

圖8 冷循環(huán)進(jìn)水閥內(nèi)部溫度分布（進(jìn)水狀態(tài)）

同時(shí)，速度矢量也顯示：在保持冷循環(huán)回水壓力小于熱水供水壓力時(shí)，冷熱水交接面處，冷水基本沒有返流。這一結(jié)果在實(shí)際項(xiàng)目中也得到了證實(shí)，采用該多通道閥的系統(tǒng)，冷循環(huán)使用時(shí)，熱循環(huán)回水溫度只比平時(shí)回水時(shí)低了 0.5℃左右，如圖9 所示。

圖9 冷循環(huán)進(jìn)水閥內(nèi)部速度矢量圖（進(jìn)水狀態(tài)）與局部放大圖

值得注意的是，為了保持主循環(huán)相對(duì)冷循環(huán)的壓力，設(shè)計(jì)上需采取一系列考慮。首先，主循環(huán)泵的流量要覆蓋主循環(huán)與冷循環(huán)同時(shí)使用的峰值量。其次，大型冷循環(huán)應(yīng)盡量將冷循環(huán)主閥靠近主循環(huán)泵出口，作為主循環(huán)的前幾個(gè)用點(diǎn)比較適宜，可以減少主循環(huán)供水壓力波動(dòng)。最后，大型冷循環(huán)用水量最好要做控制，而不只是通過冷循環(huán)泵來限制。程序內(nèi)可以限定最大用水量，達(dá)到設(shè)計(jì)值后不允許再開用點(diǎn)。另外，冷循環(huán)的溫度控制也對(duì)回水溫度傳感器的安裝有更高的要求，其位置一定要能確實(shí)反映冷循環(huán)回水的溫度，而不能被熱循環(huán)進(jìn)水的溫度所干擾。

筆者實(shí)際項(xiàng)目中使用的邏輯是，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)值后，再有新的用水需求，系統(tǒng)進(jìn)入排隊(duì)邏輯，按照用水優(yōu)先級(jí)和各用點(diǎn)開啟閥門先后順序綜合考慮。若考慮到配液定容時(shí)閥門關(guān)小，并未按設(shè)計(jì)流量進(jìn)行使用的因素，可以將排隊(duì)判斷關(guān)聯(lián)換熱器后的溫度，或者在泵出口增加流量計(jì)，和回水流量做差值計(jì)算實(shí)際用水量，但這些也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

結(jié)束語

常溫注射用水分配可分為不帶泵的單點(diǎn)或多點(diǎn)串聯(lián)系統(tǒng)，帶泵的大型冷循環(huán)系統(tǒng)。生物制藥注射用水分配系統(tǒng)一般結(jié)合 2 類系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于旁路冷點(diǎn)，需要著重考慮旁路的流速和阻力。對(duì)于大型帶泵冷循環(huán)系統(tǒng)，帶罐旁通冷循環(huán)系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，但投資相比不帶罐系統(tǒng)較高。對(duì)于不帶罐的子循環(huán)系統(tǒng)，具有投資較低的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)系統(tǒng)控制提出了更高的要求。應(yīng)用 CFD 技術(shù)，對(duì)優(yōu)化的子循環(huán)進(jìn)水閥門內(nèi)流體進(jìn)行數(shù)值模擬，可以看到集成的多通道閥對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定和簡(jiǎn)化起到了積極的作用，并在項(xiàng)目實(shí)踐結(jié)果中得到了證實(shí)。