热压蒸馏水机在大规模生物原液生产中的应用及优势

热压蒸馏水机在大规模生物原液生产中的应用及优势

郑婕

（中国医药集团联合工程有限公司上海分公司 上海 200235）

摘要：在医药工业中，由于注射用水的重要用途，蒸馏水机也作为核心设备进行设计与选型。对于目前医药工业中常见的多效蒸馏水机与热压蒸馏水机，分别从制水原理、设备特点及产能与选型等方面进行剖析。结合大规模生物原液项目的设计过程，通过实际设备参数将两种类型的制水设备进行对比，在其公用介质消耗、产能产率、节能等方面进行了评价，并对工业设备选型提出了建议。

关键词： 热压蒸馏水机 多效蒸馏水机 生物原液生产 能耗

ApplicationandAdvantages of Vapor Compression Distilled Water Machine inLarge-scale[1]BioliquidProduction

ZHENG Jie

(Sino Pharmengin Corporation Shanghai Branch, Shanghai 300072, China)

Abstract: In the pharmaceutical industry, due to the important use of injection water, the distillation water machine is also designed and selected as the core equipment. At present, the multi-effect distillation water machine and vapor compression distilled water machine are commonly used in the pharmaceutical industry. From the principles of water production, equipment characteristics, equipment selection and production capacity, they are analyzed. In the specific design process of large-scale biological liquid production project, the two types of water production equipment are compared. Through practical equipment parameters, utility, production capacity, yield, energy-saving and other aspects are evaluated. Finally, the suggestions are provided for industrial equipment selection.

Key words: Vapor compression distilled water machine; Multi-effect distillation water machine; Biological liquid production; Energy

概述

注射用水为纯化水经蒸馏所得的水，在生物医药领域具有重要作用。蒸馏水机形式多样，目前国内医药工业常用为多效蒸馏水机与热压蒸馏水机两种。在医药工业中，生物原液的生产过程由于需要大量的配液及不锈钢设备清洗步骤，注射用水耗量较多，不同项目其制备设备选型差异较大。本文将注射用水产能为20m³/h的国产同产能热压蒸馏水机和国产的多效蒸馏水机为例进行对比与分析，对两种设备的性能特点进行介绍，对设备的选型提出了建议。

一、注射用水水质标准

注射用水（Water for Injection）为纯化水经蒸馏所得的水，中国药典中对注射用水水质的要求有以下标准：pH值应在5.0~7.0；氨含量应符合规定0.00002%；亚硝盐与亚硝酸盐、电导率、总有机碳，不挥发物与重金属照纯化水标准，符合规定（其中硝酸盐﹤0.06μg/mL 重金属﹤0.1μg/mL ；不挥发物≤10mg/L）；细菌内毒素小于0.25EU；微生物限度不超过10CFU等。注射用水广泛用于生物制品的生产、配制等过程【1-4】，因此注射用水的水质保证在医药生产过程中具有重大意义。因此，蒸馏水机也成为生物制药生产过程中的核心洁净公用工程设备。

二、多效蒸馏水机、热压蒸馏水机制备注射用水的过程

依据《中国药典》中关于制备方法的规定，我国医药工业中注射用水的制备通常采用蒸馏法，以纯化水相变为基础，制备出水质较为稳定的注射用水。同时，经过蒸馏操作后注射用水的无菌性也得以保证。蒸馏水机主要包含蒸发、分离、冷凝三个制备过程。当前，医药工业中主要采用的注射用水制备设备为多效蒸馏水机及热压蒸馏水机两种【5】，下面将这两类设备的制水原理分别进行介绍。

2.1多效蒸馏水机的注射用水制备过程

多效蒸馏水机制备注射用水的原理为在系统中设置多个蒸发装置，通过利用不同蒸发过程产生的纯蒸汽作为加热源，应用到下一级蒸发过程中。以七效蒸馏水机为例，原料纯化水进入后，先经过冷凝器与蒸馏水机制备出的纯蒸汽进行热交换。通过冷凝器，一方面加热纯化水使其温度升高，另一方面利用温差将纯蒸汽冷凝下来。经过加热后的原料水进入一效蒸发器，经由分配器原料水被喷淋到加热管管壁上，使得原料水形成膜状流动从而达到充分换热。在工业蒸汽的作用下，一部分水被汽化为纯蒸汽，原料水从最初的液态变为汽液夹带状态。之后，这部分含有水滴的蒸汽经过汽水分离装置。其中的纯蒸汽经分离后进入下一效作为加热蒸汽，未蒸发的液态水作为原料水进入下一效蒸发器【6,7】。在到达二效后，原料水被一效分离后的纯蒸汽所加热，使得部分原料水汽化，后经过分离装置再得到二效的纯蒸汽与未蒸发的原料水进入下一效。最终，七效后未被蒸发的原料水会被作为高温浓水排放。经由分离装置得到的纯蒸汽，通过冷凝装置液化成为合格的的注射用水。

2.2热压蒸馏水机的注射用水制备过程

热压蒸馏水机制备注射用水的原理主要为利用蒸汽压缩机（热泵）将汽化后的蒸汽进行压缩，提高其温度及热焓值，并将此部分热能在进行蒸馏过程中再利用，提高热能利用率。原料纯化水进入后，先后经过浓水换热器以及注射用水换热器进行热交换，提高温度。随后原料水进入蒸发装置，加热装置启动，将原料水加热并汽化为蒸汽。此蒸汽随后进入蒸汽压缩机被压缩至一定体积，这一步骤将蒸汽温度提高至120~130℃，实现了电能至饱和蒸汽热能的转化，提高了蒸汽热焓值。被压缩的蒸汽经由排出管再回到蒸发装置中，通过与原料水的换热完成冷凝过程，与此同时，二次蒸汽由于具有较高的焓值，其释放出的热能也作为蒸发器中原料水的加热源，实现了蒸汽的高效利用。二次蒸汽经过冷凝步骤形成的蒸馏水被收集在汽水分离罐中。其中，未被冷凝的气体会再次回到蒸发装置中参与换热，直至被冷凝后作为蒸馏水合并收集。最终不凝性气体会被系统排出。汽水分离罐中的注射用水达到一定液位时，经自控系统监测后打入注射用水换热器中冷却，同时这部分高温注射用水对原料水进行前述预加热步骤，随后经在线监测合格后进入注射用水储罐中储存备用【8,9】。

三、大规模生物原液生产中蒸馏水机的选型

在生物原液生产过程中，以单克隆抗体产品生产流程（不锈钢反应器）为例，注射用水的依照工艺流程主要用于以下几个方面：培养基的配制、部分工艺设备用水、缓冲液的配制、不锈钢管罐系统CIP、配套清洗、洗衣及其它辅助用途。根据产量规模及工艺需求的不同，注射用水的用量相差较大。对比当前市场中常见的蒸馏水机可知，多效蒸馏水机产能大多小于在10t/h ，常见产能为0.5~10t/h。热压式蒸馏水机产能最大产能可大30t/h，常见产能可实现于0.5~30t/h区间内。因此，产能的差异往往成为工程中蒸馏水机选型的重要因素。在实际项目设计过程中，如不锈钢管罐系统的生物原液线产量达到8-10万升级时，选用热压蒸馏水机的进行注射用水的制备是一种较为合理的选择。其中，蒸馏水机的产能并非唯一的限制因素，其它因素如设备尺寸、电量、蒸汽消耗量等往往也与最终设备选型有密切关系。在此，下文将通过在两个同类型的设计项目中蒸馏水机的具体选型，阐述多效蒸馏水机与热压蒸馏水机的特性与参数差异。

四、多效蒸馏水机与热压蒸馏水机在生物原液项目中的应用

某单克隆抗体原液生产项目A，项目主要为18000L（发酵液体积）的不锈钢生物原液生产线及其配套西林瓶无菌制剂线。经过生产周期及使用点位核算，注射用水用量达到峰值时，不锈钢原液线注射水需求约占总车间需求的80%。因此在该项目中，满足不锈钢原液线的生产需求为设备选型时的制约因素。经由公用工程点位实时计算分析，最终该项目选定了注射用水制水设备为2台产能为7t/h的多效蒸馏水机甲。

另一单克隆抗体原液生产项目B，项目主要为180000L（发酵液体积）的不锈钢生物原液生产线，规模约为A项目10倍。经过生产周期及使用点位核算，最终该项目选定了注射用水制水设备为4台产能为20t/h的热压式蒸馏水机乙。

在设计过程中，为消除设备产能区别所引起的公用工程耗量差异，在设备选型过程中模拟了一种可以20t/h的多效蒸馏水机（丙）用于辅助计算，现实中并不存在。现将三设备及的主要公用工程耗量对比如下：

表1注射用水制备设备的公用工程耗量差异

Table. 1 Difference in consumption of injection water preparation equipment

由上表可知，热压蒸馏水机可达到的产能较高，同时产水效率也高于多效蒸馏水机，常见多效蒸馏水机浓水排放量约为20%左右，而热压蒸馏水机为7%~10%，在同样的制备要求及进水条件下，热压蒸馏水机可实现节水约10%的效果。其次，热压蒸馏水机不消耗冷却水。此外，热压蒸馏水机工作时需要的工业蒸汽压力较低，而多效蒸馏水机工业蒸汽压力要求较高，常见多为0.6Mpa。

热压蒸馏水机在进行注射用水的制备过程中，经历了电能向热能的转化，故不同类型的制水设备耗能差异较大，其动力需求如下表所示：

表2多效蒸馏水机与热压蒸馏水机动力消耗差异

Table. 2 Power consumption in multiple effect and vapor compression distilled water machines

其中，7t/h的多效蒸馏水机甲蒸汽耗量为1800kg/h，由其可模拟推算得到产能约20t/h的多效蒸馏水机丙工业蒸汽耗量约为5900kg/h，约为甲的三倍。由上表可知，同20t/h产能下的热压蒸馏水机乙饱和蒸汽耗量为2000kg/h，几乎与甲持平。然而从用电量水平可发现，热压蒸馏水机耗电量远远超过多效蒸馏水机，在当前电价及工业蒸汽价格下通过成本分析可知，在注射用水产能要求较高的情况下，选用热压蒸馏水机可以总体上减少能源耗量，从而达到节能目的【10】。但考虑到热压蒸馏水机设备价格较高，对于企业来说前期投入巨大，因此实际设计过程中的蒸馏水机选型需要综合产能、成本、项目具体条件（如厂区蒸汽量、电量）来确定。

五、结论

对于大规模生物原液生产项目，注射用水是洁净公用工程的核心需求介质，热压蒸馏水机的普及，为药品生产企业提供了一种高效、节能的解决思路。随着国内热压蒸馏水机的需求增多，设备逐步国产化（如楚天等），未来该设备在制药行业中将会有极广泛的应用。

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*作者简介：郑婕（1996—），女，硕士，从事医药工程设计工作。