制药用水系统的消毒和灭菌
制药用水系统的消毒和灭菌
一、 巴斯德消毒
巴斯德灭菌（Pasteurization）是法国科学家巴斯德发明的灭菌法，因其对象主要是病源微生物及其他生长态菌，故又称巴氏消毒。巴氏消毒系指将饮料或其他食物（如牛奶或啤酒）加热到一定温度并持续一段时间，以杀死可能导致疾病、变质或不需要的发酵微生物的过程。它也可指射线杀菌法破坏某种食品（如鱼或蚌肉）内的大部分微生物以防止其变质的过程。对制药用水系统而言，巴氏消毒常指低温灭菌。
经典的巴氏消毒主要使用在食品工业中对牛奶进行消毒处理，在杀灭牛奶中的结核菌的同时，保留了牛奶中对人体生长所需的维生素的蛋白质，使牛奶成为安全的营养品，将牛奶进行巴氏消毒的程序与一般无菌产品的灭菌程序相仿，所不同的是温度较低，时间较长，通常先将牛奶加热到80℃，停留一定时间，进行消毒，完成消毒后，将其冷却至常温即成为消毒牛奶。所采用的设备为多效巴氏消毒器，以节约能源。在多效消毒器中，第一效是用已消毒好的热牛奶对待消毒的冷牛奶通过热交换器进行预热；第二效是将已预热待消毒的牛奶加热至80℃并停留一段时间，完成对牛奶的消毒；第三效是用水将一效已回收能量的消毒牛奶进一步冷却至常温，然后出消毒器。
巴斯德消毒的另一个经常采用的重点部位是使用回路，即用
80℃以上的热水循环1-2h，这种方法行之有效。采用这一消毒手段的纯化水系统，其微生物污染水平通常能有效地控制在低于50CFU/ml的水平。由于巴氏消毒能有效地控制系统的内源性微生物污染。一个前处理能力较好的水系统，细菌内毒素则可控制在5EU/ml的水平。
二、 臭氧消毒
在水处理系统中，水箱、交换柱以及各种过滤器、膜和管道，均会不断的滋生和繁殖细菌。消毒杀菌的方法虽然都提供了除去细菌和微生物的能力，但这些方法中没有哪一种能够在多级水处理系统中除去全部细菌及水溶性的有机污染。目前在高纯水系统中能连续去除细菌和病毒的最好方法是用臭氧。
1905年起，臭氧就开始用于水处理。它较用氯处理水优越，能除去水中的卤化物。此方法在国内水系统中的应用仅处于起步阶段。在国外，这种消毒方式已非常普遍，这是由于臭氧不会产生有害的残留物。
使用臭氧消毒并在用水点前安装紫外灯减少臭氧残留，是制药用水系统、尤其是纯化水系统消毒的常用方法之一。
（1）化学性质及功效
臭氧（O3）是氧的同素异形体，它是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。分子结构呈三角形，键角为116°，其密度是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，它在水中的氧化还原电位为2.07V，仅次于氟（2.5V），其氧化能力高于氯（1.36V）和二氧化氯（1.5V），能破坏分解细菌的细胞壁，很快地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被称为细胞消散，是由于细胞质在水中被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。应当指出，与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受PH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3-2mg/L时，0.5-1min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果（如使大肠杆菌杀灭率达99%）所需臭氧水药剂量仅是氯的0.0048%。
臭氧对酵母和寄生生物等也有活性，例如可以用它去除以下类型的微生物和病毒。
①病毒 已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。
②孢囊 在臭氧浓度为0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。
③孢子 由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。
④真菌 白色念珠菌（candida albicans）和青霉属菌（penicillium）能被杀灭。
⑤寄生生物 曼森氏血吸虫（schistosoma mansoni）在3min后被杀灭。
此外，臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌、去除酚、氰、铁、锰和降低COD、BOD等都具有显著的效果。
应当注意，虽然臭氧是强氧化剂，但其氧化能力是有选择性的，像乙醇这种易被氧化的物质却不容易和臭氧作用。
（2）臭氧的发生及常用浓度
臭氧的半衰期仅为30-60min。由于它不稳定、易分解，无法作为一般的产品贮存，因此需在现场制造。用空气制成臭氧的浓度一般为10-20mg/L，用氧气制成臭氧的浓度为20-40mg/L。含有1%-4%（质量比）臭氧的空气可用于水的消毒处理。
产生臭氧的方法是用干燥空气或干燥氧气作原料，通过放电法制得。另一个生产的臭氧的方法是电解法，将水电解变成氧元素，然后使其中的自由氧变成臭氧。
使用电解系统生产臭氧的主要优点是：
① 没有离子污染；
② 待消毒处理的水是用来产生臭氧的原料，因此没有来自系统外部的其他污染；
③ 臭氧在处理过程中一生成就被溶解，即可以用较少的设备进行臭氧处理。
若在加压条件下，可生产出较高浓度的臭氧。
（3）残留臭氧去除法
经臭氧消毒处理过的水在投入药品生产前，应当将水中残存（过剩）的臭氧去除掉，以免影响产品质量。臭氧的残留量一般应控制在低于0.0005-0.5mg/L的水平。从理论说，去除或降低臭氧残留的方法有活性炭过滤、催化转换、热破坏、紫外线辐射等。然而在制药工艺应用最广的方法只是以催化分解为基础的紫外线法。具体做法是在管道系统中的第一个用水点前安装一个紫外杀菌器，当开始用水或生产前，先打开紫外灯即可。晚上或周末不生产时，则可将紫外灯关闭。一般消除1mg/L臭氧残留所需的紫外线照射量为90000µW·s/cm2。
（4）注意事项
臭氧最适用于水质及用水量比较稳定的系统，当其发生变化时应及时调整臭氧的用量。在实际生产中，及时进行调节有一定的困难。
另一个须考虑的问题是水中有机物的含量，当水的混浊度小于5mg/L时，对臭氧消毒灭菌的效果影响极微，混浊度增大，影响消毒效果。如果有机物含量很高时，臭氧的消耗量将会升高，其消毒能力则下降，因为臭氧将首先消耗在有机物上，而不是杀灭细菌方面。因此，国外制药业在制药用水系统中增加了总机碳（TOC）的监控项目。但糟糕的是，在受到严重有机物污染的进水中用臭氧处理后，大的有机物分子会破裂成微生物新陈代谢的营养源，因此，在没有维持管网臭氧浓度的情况下，反会使得粘泥增多，进而使水质恶化。
在许多方面，作为消毒剂的臭氧和氯气，它们的优点是互补的。臭氧具有快速杀菌和灭活病毒的作用，对于除嗅、味和色度，一般都有好的效果。氯气则具有持久、灵活、可控制的杀菌作用，在管网系统中可连续使用。所以臭氧和氯气结合起来使用，看来是水系统消毒最为理想的方式。
三、 紫外线消毒
（1）紫外线杀菌的机理及规则
紫外线杀菌的原理较为复杂，一般认为它与对生物体内代谢、遗传、变异等现象起着决定性作用的核酸相关。微生物病毒、噬菌体内都含有RNA和DNA，而RNA和DNA的共同特点是具有由磷酸二酯按照嘌呤与嘧啶碱基配对的原则相连的多核苷酸链，它对紫外光具有强烈的吸收作用并在260nm有最大值吸收。在紫外光作用下，核酸的功能团发生变化，出现紫外损伤，当核酸吸收的能量达到细菌致死量而紫外光的照射又能保持一定时间时，细菌便大量死亡。
波长在200-300nm之间的紫外线有灭菌作用，其灭菌效果因波长而异，其中以254-257nm波段灭菌效果最好。这是因为细菌中的脱氧核糖核酸（DNA）核蛋白的紫外吸收峰值正好在254-257nm之间。如将该波段紫外线的灭菌能力定为100%，再同其他波长紫外线的灭菌能力作比较，其结果如表3.1所示。由表可以看出，超过或低于254-257nm的紫外线，随波长的增加或减少，灭菌效果均急剧下降。
表3.1 不同波长的紫外线灭菌能力
波长/nm220230240250254257260270280290300310360400
相对灭菌率/%0.250.40.630.911.01.00.990.870.60.50.060.0130.00030.0001
紫外线的灭菌效果同紫外线的照射量不成线性关系，即被杀死细菌的百分数并不是与照射剂量成正比的（紫外线照射量等于紫外线的辐照度值乘以时间）。只有在照射量很低而细菌数目又很多的时候，紫外线照射量才同细菌的死亡率呈线性关系。当紫外线照射量加大后，每单位剂量的紫外线的增量，并不杀死一定数目的细菌，而是杀死当时还活着的细菌中间某一特定百分数的细菌。从这个意义上看，在紫外线杀菌过程中，微生物的死亡也遵循湿热灭菌的对数规则（参见中国药典附则）。
即 N/N0=e -KD
式中 N0——紫外线照射前的细菌数目；
e——紫外线照射后的细菌数目；
D——紫外线剂量大小；
K——常数。
表3.2示出了紫外线不同照射量时的灭菌率。表中可清楚地看出，对不同细菌要达到同一灭菌率时，所需的紫外线照射量相差甚大。例如酵母菌要达到90%~100%的灭菌率时，需要紫外线照射量为14700μW·s/cm2。而大肠杆菌则需1550μW·s/cm2，二者相差10倍。
表3.2 紫外线不同照射量时的灭菌率
菌种紫外线照射量/（μW·s/cm2）紫外线波长/nm灭菌率/%
大肠杆菌310
1550
500
3500254
254
270
2701-10
99-100
20
80
金黄色葡萄球菌440
3670265
2651-10
90-100
绿浓杆菌294
4400265
2651-10
90-100
酵母菌2570
14700265
2651-10
90-100
巨大杆菌390
2900254
25420
80
霍乱菌4502651-10
不同种类的微生物在不同照射量下，被杀灭的程度各不相同。
（2）紫外线杀菌装置
紫外线杀菌装置结构，由外壳、低压汞灯、石英套管及电气设施等组成。外壳由铝镁合金或不锈钢等材料制成，以不锈钢制品为好。其壳筒内壁要求有很高的光洁度，要求其对紫外线的反射率达85%左右。
紫外线杀菌灯为高强度低压汞灯，可放射出波长为253.7nm的紫外线，这种紫外线的辐射能量占灯管总辐射能量的80%以上，为保证杀菌效果，要求其紫外线照射量大于3000μW·s/cm2，灯管寿命一般不短于7000h。
紫外灯的灯管是石英套管，这是由于石英的污染系数小，耐高温，且石英套管对253.7nm的紫外线的透过率高达90%以上，但石英价格较贵，质脆、易破碎。
紫外线杀菌装置的电气设施包括电源显示、电压指示、灯管显示、事故报警、石英计时器及开关等。经验表明，使用紫外线灭菌时，由于长期使用紫外线，有可能使杀菌装置或其附近的非金属材料老化，使之降解，导致电阻率的改变。因此，对紫外杀菌器的质量要求主要有两点：一是高的杀灭率，一般要求大于99.9%；二是当纯水或高纯变化的水通过该装置后，电阻率降低值不得超过0.5MΩ·
CM（25℃）。
（3）紫外消毒的影响因素和注意事项
紫外线的强度、紫外线光谱波长和照射时间是紫外光线杀菌效果的决定因素。由于波长为253.7nm的紫外光线杀菌能力最强，因此要求用于杀菌的紫外线灯的辐射光谱能量集中在253.7nm左右，以取得最佳杀菌效果。
①安装位置
紫外线杀菌器的安装位置一般离使用点越近越好，但也应留有从一端装进或抽出石英套管和更换灯管的操作空间。由于被杀死的细菌尸体污染纯水，因此要在紫外杀菌器后面安装过滤器，一般要求滤膜孔径≤0.45μm。
②流量
当紫外杀菌器功率不变、水中微生物污染波动较小时，流量对杀菌效果有显著的影响，流量越大、流速越快，被紫外线照射的时间就越短；细菌被照射的时间缩短，被杀菌的概率也因而下降。如流量不变，源水中微生物污染水平高时，污染菌除去率也高，但出水中菌检合格率可能下降。
③水的物理化学性质
水的色度、浊度、总铁含量对紫外光都有不同程度的吸收，其结果是降低杀菌效果。色度对紫外线透过率影响最大，浊度次之，铁离子也有一定影响。紫外线杀菌器对水质的要求一般为：色度<15，浊度<5，总铁含量<0.3mg/L，细菌含量≤900个/ml。尽管中国药典收载的纯化水标准中没有微生物污染控制的项目和限度，但一般地说，上述条件均能满足。水的吸收系数越高，辐射强度就越弱，杀菌能力降低；由于光不能透过固体物质，故水中悬浮颗粒会降低紫外线的杀菌效率；水中钙镁离子对紫外线吸收很小，因此紫外灯灭菌特别适用于纯化水系统。
④灯管功率
灯管实际点燃功率对杀菌效率影响很大。随着灯点燃时间的增加，灯的辐射能量随之降低，杀菌效果亦下降。试验证明，1000W的紫外线灯点燃1000h后，其辐射能量将降低40%左右。此外，还应注意保持稳定的供电电压，以保证获得所需要的紫外线能量。
如上所述，随着时间的推移，紫外灯的功率会逐渐减弱，一般低于原功率的70%即应更换。现国外使用的紫外灯均带功率显示器，不需要人工对使用时间进行累计和计算。当使用不带功率显示器紫外灯时，应以适当方式记录紫外灯的累计工作时间，以防止灯管超过使用期而影响制药用水系统的正常运行。
⑤灯管周围的介质温度
紫外线灯管辐射光谱能量与灯管管壁的温度有关。当灯管周围的介质温度很低时，辐射能量降低，影响杀菌效果。当灯管直接与低温的水接触时，杀菌效果很差。若灯管周围的介质温度接近0℃时，紫外线灯则难以起动并进入正常杀菌状态。若以灯管表面温度40℃时的杀菌效率定为100%，32℃及52℃时的效率则只有85%左右，所以通常将紫外灯管安置在一个开口的石英套管内，以便使灯管与套管之间形成环状空气夹层，这样，既可及时散发掉灯管本身的热量，又可避免低温水对紫外灯管发光功能的影响，并使其周围的温度保持在25-35℃左右的最佳运行状态。
⑥石英套管
石英套管的质量和壁厚与紫外线的透过率有关，石英材料的纯度高，透过紫外线的性能好。使用过程中应定期将套管抽出，用无水乙醇擦拭，以保持石英套管清洁状态。通常，清洁频率为每年至少1次。
紫外线杀菌灯最好长期连续运行，在进行杀菌前，应预热10-30min。应尽量减少灯的启闭次数，灯每开关1次，将减少3h的使用寿命。另外要求网路电压稳定，波动范围不得超过额定电压的5%，否则应安装稳压器。
应当注意，水层的厚度同紫外线杀菌效果有很大关系。例如，对于水流速度不超过250L/h的管路，以30W的低压汞灯对1cm厚的水层灭菌时，灭菌效率可达90%；对2cm厚的水层的灭菌效率在73%；对3cm厚的水层灭菌效率为56%；对4cm厚的水层则下降到40%。因此，在上述流速条件下，紫外线有效灭菌水层厚度不超过2.2cm。如果水中含有芽胞细菌，水层厚度应减少至1.4cm，水的流速减少至90L/h。如果水中含有泥砂污物，则有效水层厚度还应下降，水流速度亦减小。否则就达不到预期的灭菌效果。