水系统中红锈现象的产生和整体解决方案

水水系系统统中中红红锈锈现现象象的的产产生生和和整整体体解解决决方方案案 牛勇明 （江苏万邦生化医药股份有限公司，江苏 徐州 221004） 摘要：从红锈的危害入手，探讨了红锈产生的原因，并通过提高前期设计建造的工 程质量、中期合理的运行管理、定期系统酸洗钝化维护处理等方法，阐述了红锈的整体解 决方案，以降低红锈的产生几率及其所带来的质量风险。 关键词：水系统；红锈；危害；产生原因；解决方案 0引言 水系统是药品制造企业管理中最重要的五大重要系统之一，我国新版 GMP 的颁布与实 施，对制药用水系统的建造提出了新的更加严格的要求。红锈现象是水系统中普遍存在的 问题，即使是使用 316L 奥氏体不锈钢材质来建造水系统，依然难以避免红锈现象的出现。 本文围绕红锈现象产生的机理，分析了影响红锈产生的诸多因素。虽然红锈的产生不 能避免，但是可以通过提高前期设计建造的工程质量、中期合理的运行管理、定期系统酸 洗钝化维护处理等相结合的方法，尽可能地降低红锈的产生几率及其所带来的质量风险， 打造更安全的制药用水系统。 1红锈的危害 水系统是药品生产制造过程中直接影响药品质量的关键因素，其中注射用水（Water for Injection，简称 WFI）更被 SFDA 中国食品药品监督管理局定义为药品制造的直接原 料[1]。 制药用水主要有纯化水（Purified Water，简称 PW）和注射用水 2 种，为保证纯化水 和注射用水的品质安全，就要求与纯水或注射用水直接或间接接触的部位，均采用无毒、 无害、耐腐蚀、抗氧化的材质制造。因此，除了密封垫外，绝大数制药厂的水系统均采用 抗氧化、耐腐蚀的316L 优质奥氏体不锈钢材料来制造储罐、水泵、管道、阀门及其他各种 部件（如压力计、温度计等） 。 然而，在实际的制药水系统生产中发现，经过一段时间的运行后，316L 材质的不锈钢 管道、储罐、水泵、阀门等内壁均会出现一层红锈，用白毛巾擦拭即可脱落一部分，但不 能完全擦除。 通常情况下，水系统管路内壁缓慢出现的红锈不会对水质造成不良影响，能够满足法 规对于重金属含量极限值的规定。但是，管路内壁红锈的出现确实提高了制药用水水质受 重金属污染的风险（有脱落的可能） 。因此，SFDA 要求制药企业必须采取积极的措施，控 制和减少制药用水系统中出现这种氧化腐蚀现象的产生[2]。 2红锈的产生 2.1红锈的本质 红锈是水系统中由富铁物质组成的小粒子在管路内壁或聚四氟乙烯（PTFE）部件上聚 集产生的，是不锈钢腐蚀的产物[3]。 化学成分主要包括有氧化铁、氧化二铁、氧化三铁和其他成分。颜色有从微黄、红棕 到黑色的不同颜色，一般情况下，红棕和黑色是不能通过擦拭的方式去除的，必须进行化 学清洗。 2.2红锈的来源 虽然说红锈是不锈钢腐蚀的产物，但其主要来源也是不同的。 2.2.1局部腐蚀 局部腐蚀的一种情况是不锈钢母材本身存在局部的微小缺陷，在水系统运行时即会出 现局部腐蚀现象。 另一种情况是在水系统运 流长期冲刷系统内壁的一点 的水蚀现象。 特别是注射用水 固定式喷淋球对储罐内壁的 击所造成的局部侵蚀最为典 1） 。 行中，水 所造成 系统中 长期冲 型（图 2.2.2不合格的焊接 卫生型不锈钢管材的焊接要求很高，劣质的焊接会造成 316L 奥氏体不锈钢焊缝处过度 氧化， 使不锈钢品质发生变化 使其比管道其他部位更易腐 图 1 WFI 储罐的上封头内壁被喷淋球喷 （图 2） ， 蚀。这是 由于在氩气保护合格的前提下，当材料处于 500～900 ℃之间时，碳和铬就会晶间析出[4]， 图 3 为奥氏体不锈钢中碳含量随温度变化的曲线图[4]。 2.2. 3 内表 面的污 染 图 2晶格发生变化图 3奥氏体不锈钢中碳含量随温度变化 不锈钢管路内壁的污染物主要有： （1）碳钢粒子的污染； （2）研磨粉； （3）砂轮/布轮 的残留物。这些影响因素在水系统经过酸洗、钝化处理后，通常比较容易除去。 2.3影响红锈产生的因素 ISPE 国际制药工程协会在 2006 年的专业技术会议中，对水系统中形成红锈这一氧化 腐蚀的因素进行了专项讨论分析，得出的结论是：温度、CO 2、氮、氧、颗粒磨蚀、臭氧、 管道材料以及卫生消毒的方法等都可能造成制药用水系统的氧化腐蚀。上述影响因素中， 温度、CO 2 和管道材料的影响是最大的[5]。 2.3.1温度影响 为保证制药用水系统的质量安全，防止微生物的有害滋生和内毒素的增加， 《药品生产 质量管理规范》对水系统的运行温度有明确的要求。纯化水系统需定期进行 80 ℃高温巴 氏消毒处理，注射用水系统要求 24 h运行水温始终不低于 70 ℃且定期 121 ℃高温灭菌处 理。 水是一种极弱的电解质，高纯水的离子强度极低：在 25 ℃时，离子强度kw=1×10-14； 在 100 ℃时，离子强度kw=1×10-12。 由此看出，在高温状态下制药用水是呈酸性的，特别是注射用水。在实际运行情况中， 由于运行温度高，导致注射用水管路的红锈现象要比纯化水管路严重得多。 由于制药行业的特殊要求，水泵需符合卫生型设计要求，采用全开式叶轮，泵头内湍 流强烈，放热升温，造成了水系统中泵头内的红锈最严重的情况出现（图 4） 。 图 4 Alfa lava 的全开式水泵叶轮和红锈现象严重的泵头 2.3.2 CO 2 影响 在生产实践中，发现 CO 2 对系统的影响是很大的，由于 CO 2 能溶于水，因此不论是纯化 水还是注射用水中，都不能将其完全去除。 溶于水的 CO 2 又形成碳酸 H 2CO3，H2CO3 发生可逆反应： H 2CO3= HCO3 ˉ+H+ 因此，CO 2 的存在对管路的氧化腐蚀有促进作用，会加重红锈的生成。 2.3.3管道材料的影响 优良的管道材料是安装制造优良的水系统的必备条件，同样，管道材料也是影响水系 统运行质量的关键因素，劣质管道必然比优质管道更容易产生更多更严重的红锈。 3红锈的整体解决方案 虽然制药水系统中发生的氧化腐蚀是不能避免的，但是可以通过前期设计建造、中期 运行管理、定期维护处理等方法，尽可能地降低红锈的产生概率及其所带来的质量风险。 3.1管材质量控制 3.1.1管材标准 目前，国内普遍使用的不锈钢管材是遵循 ISO2037（International Organization for Standardization 国际标准化组织）标准制造，而国外大多数制药厂家使用 ASME BPE（The American Society of Mechanical Engineers 美国机械工程协会 Bioprocessing Equipment 生物加工设备）标准制造的管材，后者比前者的制造标准更加严格，管材质量更好，能够 保证更高的焊接质量。 3.1.1.1管材化学成分表[6～7] ISO2037 与 ASME BPE 管材化学成分对比如表 1 所示。 表 1 ISO2037 与 ASME BPE 管材化学成分对比 从表 1 可以看出，ASME BPE 标准管材对各项指标的控制更加严格，特别是对 S（硫） 含量的控制，既要求了上限，又要求了下限。因为硫的存在会影响到焊接时热区的范围大 小，当对焊的