采用紫外线技术生产纯化水——消毒


越来越多的制药生产厂家需要遵照各种生产标准和产品质量标准,制药、营养品、化妆品、医疗保健和生物科技等行业的纯化水质量标准也变得越来越严格。在这篇文章中,广州三晟环保科技有限公司的技术工程师向读者阐述了在纯化水制备过程中,紫外线技术如何将杀菌、降解TOC和脱除余氯结合起来,确保更高品质的纯化水,同时紫外线技术的应用可以有效地减少生产厂家对化学消毒剂的依赖,避免反渗透膜的生物污染。

越来越多的制药生产厂家需要遵照各种生产标准和产品质量标准,制药、营养品、化妆品、医疗保健和生物科技等行业的纯化水质量标准也变得越来越严格。在这篇文章中,广州三晟环保科技有限公司的技术工程师向读者阐述了在纯化水制备过程中,紫外线技术如何将杀菌、降解TOC和脱除余氯结合起来,确保更高品质的纯化水,同时紫外线技术的应用可以有效地减少生产厂家对化学消毒剂的依赖,避免反渗透膜的生物污染。

简介

UV技术最初应用于市政饮用水的消毒。自从40多年前这项技术面市以来,它在全球范围内应用于包括制药、生物制品、化妆品和营养品生产等众多行业的纯化水消毒杀菌、降解TOC(总有机碳量/总可氧化碳量)、脱除余氯、和臭氧及氯胺的降解。

水在制药、生物制品、化妆品和营养品生产过程中是用量最大的物料。由于生产标准的日趋严格,人们采用了越来越复杂的技术屏障和消毒方式,来确保纯化水的安全。 

制药业和其他行业的生产过程,由于生产工艺要求易造成微生物污染和生物污染,而紫外线可以作为一道有效的屏障,确保纯化水水质不对任意生产工艺或阶段产生影响,同时确保工艺下游的处理设备也能最优运行,从而减少停机频次或时间。

紫外线工作原理

紫外线(UV)是介于可见光和X射线之间的电磁波谱。典型的紫外线消毒系统包含一个不锈钢的紫外线反应器,一支石英套管,一支紫外线灯管和相应的电器配件。待处理的水从不锈钢反应器的一端进入,经过整个处理器,再从另一端排出。

依据不同类型的紫外线灯,紫外线消毒技术可分为两种类型——低压和中压。低压紫外线灯是单色紫外线输出(单一波长限制在254nm),而中压紫外线灯是多频紫外线输出(输出范围是185-400nm)。通常来说,低压系统适用于流体小,间歇性流动的工况下,而中压系统技术更适合大流量项目的使用。

消毒

波长在185-400nm之间的紫外线(也称紫外线C)有强大的杀菌效果,其中波长为265nm时杀菌效果最佳。在这些波长范围内,紫外线通过穿透微生物的细胞膜,破坏微生物的DNA,使得微生物不能继续繁殖再生,从而有效地达到杀灭的效果。

相比其他杀菌方法,紫外线有很多明显的优势。特别是与化学杀菌剂不同处在于,紫外线杀菌 不会将有毒物质和残余物质带入纯化水中,不会改变流体的化学成分、气味和pH值。这一特点在制药业和相关行业至关重要——进水的化学剂量往往能改变产品的特性。

TOC的降解

波长小于200nm的紫外线能有效分解水中的有机微粒,特别是低分子量的污染物,比如总有机碳(TOCs)。在这些波长范围内,紫外线通过两种方式起作用:第一种是紫外线的能量直接分解有机物内部的化学键,叫做直接光解;第二种是水分子的光解,分离出带电羟基OH-同样对有机物有分解作用。

降低TOC在离子交换供水系统中特别重要。在离子交换供水系统中,有时官方药典规定的有机物水平很可能达不到。

使用紫外线减少TOC的另外一个优势就是,降解TOC的紫外线灯也能产生高强度波长为254nm的紫外线,从而提供了相应的紫外线消毒。

脱氯作用

许多制药厂的水源采用市政供水。50多年来,余氯被广泛应用于对水的消毒。当氯被加入水中,与水中自然形成的腐殖酸、富里酸和其他物质发生反应,就形成了三卤甲烷化合物(THMs)。由于某些三卤甲烷化合物已被证实对实验室动物有致癌作用,所以一些监管机构,比如美国环境总署(USEPA),就针对三卤甲烷设定了个人饮用水污染物的最大限值。(自1979年以来,美国环境总署规定水中的三卤甲烷的最大限值为100ppb)另外,由于氯的特性,会对净化水设备,例如反渗透膜和DI树脂设备造成损坏。因此,氯一旦完成了其消毒功能,就必须去除掉。

至今,有两种脱氯法使用最为广泛,一种是粒状活性炭(GAC)过滤器,另一种是添加中性化学物质,比如亚硫酸氢钠和偏亚硫酸钠。这两种方法有各自的优点,但它们也有许多严重的缺点。粒状活性炭过滤器因其自身多孔状特性和饱含营养的环境,很容易变成一个细菌的滋生地。脱氯化学物质比如亚硫酸氢钠,通常在反渗透膜之前的位置加入,一方面提供细菌滋生所需的条件,另一方面会导致生物膜的产生。另外,这些化学物质处理起来具有危险性,而且还会出现因人为失误而造成过量投加或不足量投加的危险。紫外线技术在脱氯方面的应用日益流行,它有效避免了粒状活性炭过滤器或者化学方法的缺点,并能够有效去除游离氯和氯化合物,去除余氯、杀菌双剑合并。

波长在180-400nm的紫外线能产生将游离氯分离生成盐酸的光化反应。分解游离氯的峰值波长是180nm-200nm,而分解氯化合物(mono-、di-、tri-氯化合物)的峰值波长范围245nm-365nm。用于脱氯的紫外线用量的多少取决于氯的总含量、游离氯和化合氯之间的比率,有机物的背景值以及余氯的预期的目标浓度。

使用紫外线脱氯的其他重要优势在于:

可以有效杀灭微生物,有效控制全线的微生物含量

可以有效降解总有机碳(TOC)

可以消除使用硫酸氢盐的安全隐患

可以排除微生物进入反渗透膜的风险(与活性炭或投加化学药剂方式相比)

可以总体改善水质 

和其他脱氯技术一样,在既定流量下的紫外线用量取决于多个工艺参数,其中主要包括:

工艺用水的紫外线穿透率 (T10)

水中有机物含量

水中原始的氯含量和预期达到的氯含量

紫外线系统的安装位置及作用

用于消毒、减少TOC、脱除余氯和其他非消毒应用的紫外线系统能安装在纯化水系统的各个环节,从专业角度分析我们为每一种应用定义了最佳安装位置。

大多数纯化水系统可分为两个阶段:纯化水生产系统和纯化水分配系统。在纯化水制备阶段,通常使用紫外线设备对水进行消毒,去除水中余氯,或者用于对总有机碳(TOC)进行分解。在纯化水的分配阶段,紫外线设备可用于消毒和臭氧的分解。需要注意的是,当紫外线设备用于TOC降解时,在系外线设备后应加装一套除盐设备。需要辅助设备的原因是,紫外线对有机物经行光化学分解后,会产生一部分带电分子,因此除盐设备中的离子交换树脂可将带点分子去除。

对现有管道和系统进行紫外线系统安装或改造非常简单, 只要做好场地的准备工作,安装只需很短的时间,不会长时间影响生产。一旦安装完成,处理厂可以一天24小时不间断运行,在进行日常的系统维护和清洗(CIP)时,无需关闭紫外线系统。最新的、经过验证的紫外线灯的使用寿命很长(通常超过12000小时)。当需要更换紫外线灯的时候,步骤相当简单,通常由没有经过专门训练的现场人员就可以完成。

结论

紫外线设备在纯化水生产过程中是非常关键的一部分,它可以实现对纯化水中微生物的全线控制和确保纯化水的品质。同时,它也大大减小了反渗透膜的生物污染,延长了两次CIP之间的时间间隔,并减少就地CIP过程中的化学物品使用量。

使用紫外线设备有诸多优势,如:它安装简单,不会对生产过程造成任何干扰或导致停产,设备维护简单,现场人员即能完成操作和维护。由于处理过程中没有化学物质的参与,所以不会影响产品的稳定性。另外,产品也不会含有任何不需要的化学残留物、颜色或者气味。

 

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