引言
注射用水是医药生产过程当中一种重要的制药用水，是重要的生产原料和辅料。注射用水参与了制药生产主要的工艺过程，包括原液生产、分离提纯、成品罐装制备和工艺设备的清洗、洗涤等。注射用水在制药生产中的使用本质上是为了减少和消灭潜在的污染源。从药品生产质量管理规范和良好工程管理规范的角度来看，注射用水的质量的稳定非常重要。本文对注射用水制备系统和分配系统常用的方案作了介绍，对不同方案的特点及优缺点进行了对比分析。通过实际案例对关键参数的选型计算流程和方法进行详细介绍。为制药项目注射用水系统的方案选择和选型计算参考。
1 注射用水质量要求
各国家及地区的药典对注射用水的水质有明确要求，具体见下表1：
注射用水的制备工艺各个国家和地区有着不同的要求，《中国药典》明确规定“注射用水为纯化水经蒸馏所得的水”，由此确定了国内目前注射用水制备只能选择蒸馏法工艺。美国、欧洲、日本及其他一些国家和地区，除了蒸馏法工艺制备注射用水之外也允许其他经验证证明和蒸馏法同样有效且可靠的工艺用来制备注射用水。例如反渗透和终端超滤技术制备注射用水在相关地区已经有了一定的应用。当前注射用水制备应用最广泛的还是蒸馏法工艺。
2.1蒸馏法注射用水制备
蒸馏法制备注射用水设备主要有多效蒸馏水机和热压式蒸馏水机。多效蒸馏水机最大产能在10000L/h左右，热压式蒸馏水机最大产能可以达到30000L/h。
多效蒸馏水机操作维护简单、噪声低且运行稳定，是目前最主流的注射用水生产设备。多效蒸馏水机通过对经过预热的纯化水进行多级蒸发和冷凝，排出杂质和不凝气体，进而获得注射用水。常用的多效蒸馏水机效数为3~8效，效数越多节能效果越好，同样注射用水产量的情况下效数增多蒸汽和冷却水的耗量会降低，但也会增加初期的投资成本。一般情况下7效以上的多效蒸馏水机可以不需要冷却水的消耗。
热压式蒸馏水机产能范围广，并且根据需要可以产出高温注射用水或常温注射用水。热压式蒸馏水机利用压缩机对蒸汽二次压缩提高温度和压力后蒸发纯化水制备注射用水，热压式蒸馏水机通过压缩蒸发系统产生的蒸汽替代大部分工业蒸汽从而降低工业蒸汽的消耗。
表2注射水机能量消耗参考对比表
2.2膜法注射用水制备
膜法制注射用水技术是将现有超滤、微滤、反渗透、EDI等不同的膜工艺进行有机结合，进而达到满足使用要求的注射用水。与蒸馏法生产注射用水相比较，膜法制水技术在经济性和生态环保性能方面都更具优势，也更加高效，这是因为过程中省去了生产工业蒸汽所需的许多设备，节约了大量的蒸汽能源，且注射用水的原水综合利用率可高达85%，因此，生产成本更低。根据实际生产成本统计，膜法制注射用水可以达到多效蒸馏水机制水成本的40%~50%。可见膜法制注射用水具有较大的成本优势。
3注射用水存储分配系统
注射用水存储和分配方案需要综合考虑法规要求、系统质量安全、投资和运行成本等多方面的因素。在合理的成本投入情况下结合生产工艺的需求采用最大限度降低运行风险和微生物污染风险的理念作为确定方案的基本原则。
3.1注射用水存储
注射用水的存储通常选用立式和卧式储罐，立式储罐在清洗和排尽方面相比与卧式储罐条具有一定的优势，所以在条件允许的情况下优先选用立式储罐。
注射用水储罐的容积直接影响注射水机产能的大小和系统微生物污染的风险。储罐较小则用水峰值期间对水机产量要求较大，增加注射用水制备设备的初期投资，同时储罐容积较小增加了相同时间内储罐的换水次数，有利于降低微生物污染的风险。储罐如果较大则可降低对水机产量要求，降低设备的初期投资，但是也减小了单位时间内储罐换水次数，提高了微生物污染的风险。一般情况下储罐换水次数需满足1~5次/h，推荐2~4次/h。如果客观条件造成换水频次低无法满足，也可考虑适当提高分配系统流量，这样同时会增加生产运行成本。选择合适的储罐体积需要综合考虑投资、运行成本和风险等方面的因素。 由表3可以明显看出储罐对于设备能力要求的影响。
表3 储罐容积对注射水制备设备能力影响对比表
3.2注射用水分配
注射用水分配有热存储热循环、热存储冷却再加热循环、热存储热循环配支路冷用点系统和低温存储低温循环等形式。注射用水用点温度常会有多种要求，并且考虑系统微生物污染风险，热存储热循环配支路冷用点系统的形式在实际应用较多。下面几种为其中最常用的几种形式。
热存储热循环低温用点单点冷却的形式适合于用点温度要求较多，且低温用点较为分散的情况。此方案比较灵活，可适用多种使用要求。缺点是冷点换热器使用多，增加初期投资成本。详见图1
图1热存储热循环低温用点单点冷却
热存储热循环低温用点支路冷却系统的形式适合于低温用点温度要求一致，且低温用点较为集中的情况。此方案相较于单点冷却可以节省初期投资成本。缺点是要求冷点使用要求一致才可以共用一个支路冷却系统，并且每次使用时支路内低温注射用水需要排除，会增加一定的运行成本。详见图2
图2热存储热循环低温用点支路冷却系统
热存储热循环低温用点支路冷却再加热系统的形式适合于低温用点温度要求一致，且低温用点较为集中的情况。此方案相较于支路冷却系统避免了低温用点用水后排除低温水的问题，增加了再加热换热器的初期投资和再加热蒸汽的消耗。冷支路冷却再加热系统详见图3
图3热存储热循环低温用点支路冷却再加热系统
对冷支路系统和冷支路冷却再加热系统进行成本对比分析，冷支路冷却再加热系统可以节约一部分运行成本，但是初期投资成本回收时间过长，从成本节约方面不推荐选用此方案。详见下表4
表4低温用水排放和再加热成本对比表
如果分配系统用点非常多、管道长度大于400米，可以设置独立分配环路或独立分配系统。下图4为独立分配系统示意图。
图4独立分配系统示意图
以上几种为最常用分配形式，项目实际情况往往比较复杂。可以几种形式相结使用满足实际需求。
4注射用水制备和分配系统选型及计算
注射用水系统的设计选型和计算主要涉及注射用水制备设备的生产能力、分配系统储罐的容积、分配系统流量及扬程、分配主管道管径、用户点管径等。
首先需要确定设计选型和计算的基础。注射用水用点峰值用点流量、各峰值用点的使用时间以及分配系统的日用水总量是选型和计算的关键参数。下图5为注射水机能力和分配储罐容积的核算流程，表5为注射水机能力和分配储罐容积核算案例。
图5注射水机和分配储罐核算流程
表5注射水机和分配储罐核算案例
注射用水用点峰值用点流量，储罐容积是计算分配系统流量、主管管径的基础。下图6为分配系统流量和主管管径的核算流程，表6为分配系统流量和主管管径核算案例。
图6分配系统流量和主管管径核算流程
5结论
对于产能需求小于10000L/h的注射用水系统，优先选用多效蒸馏水机。分配系统低温用点选用低温用点支路冷却系统和单点冷却形式相结合的方案，从投资回报角度不建议选用冷支路冷却再加热的方案。从选型计算案例可以看出，选择合理的储罐容积很重要，对注射水制备系统能力大小和分配系统的稳定运行有着直接的影响，直接关系到初期投资和后期运行。注射用水系统是医药生产重要的系统之一，合理的方案选择不仅是注射用水质量稳定的前提，也可以在保证系统稳定运行的前提下降低投资成本和运行成本。
参考文献：
[1] 中华人民共和国药典（2020年版） [M]北京：中国医药科技出版社，2020.
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