工艺用水设备
设计、验证和监控化妆品工艺用水
发布时间：2015-04-20 15:20:00
水是化妆品生产中不可或缺的重要原料。由于检测的滞后性，要求工艺用水具有高度的可靠性和稳定性。加上水非常容易滋生微生物，所以工艺用水的管理在化妆品生产中就尤显重要。
一．水系统的设计
提到工艺用水，首先要从水系统的设计说起。“质量是设计出来的”这句话用在水系统上是再恰当不过了。水系统的设计应考虑到以下几个方面：
１．设计单位：
首先要选择有资质的和经验丰富的设计单位，能够在设计阶段就考虑到水系统的各个环节，并能根据当地水源的特点和企业工艺的要求设计出一套最合理的水系统。有经验的设计单位还有能力对未来可能发生的异常问题作出快速准确的分析和判断，这点很重要。
２．水质标准：
根据《化妆品生产企业卫生规范》的要求，化妆品生产用水的水质至少应达到生活饮用水卫生的标准（GB5749-2006）。这也是工艺用水的最低要求。
需要提及的是，生活饮用水的微生物限度标准与纯化水的指标一样，都是<100CFU/ml。但纯化水通常是以生活饮用水为水源加以提纯，在离子等化学指标上要优于饮用水，更适合于化妆品的生产工艺和配方，因此很多企业都以纯化水的标准来设计工艺用水系统。
纯化水应符合《中国药典》中的化学和微生物的标准。除此之外，还应增加电导率这个指标。目前在中国药典上尚未列入这个项目，但在《欧洲药典》和《美国药典》上，对纯水的电导率有明确要求。通常我们建议纯水电导率应<2.5μS/cm (20℃)。
３．水系统设计
1) 制水设备设计：企业可根据当地水源的特点来选择适合的水处理设备。水的净化通常分为前处理、脱盐和后处理三个阶段。典型的制水流程为：源水－砂滤－活性碳滤－软化器－离子交换－反渗透－储罐－分配管路。企业也可根据用水标准、产水效率、能耗大小、维护成本等因素综合考虑和选择适合本企业的制水设备。
2) 储罐及分配系统设计：储罐及分配系统的设计有较多的环节需要考虑：
Ａ. 首先是材质的选择：推荐使用316或316Ｌ不锈钢，因它的含碳量较低，耐腐蚀性能优越，尤其适用于用热力消毒的管路。
B. 储罐：为防止储罐上部微生物的滋生，储罐内部水的进口应设计为360o旋转式喷淋球；顶部应装有疏水性除菌呼吸器，通常为0.22μm，以阻止空气中的微生物进入储罐。
C. 水泵：水泵应采用卫生设计,即泵采用无油及无其它污染的端面密封方式，该方式不会对水质构成污染风险。
D. 分配系统：
a) 为了避免微生物的滋生，分配系统应设计为循环管路，保证管道内的水不断地流动；
b) 管道的安装需要有一定的坡度，一般为1cm/m，并设有排放点，以便必要时系统能全部排空；
c) 要控制盲管的长度，通常不大于６倍管内径；
d) 管道应采用热熔式氩弧焊接。焊接需要由有资质的人员完成，焊缝需要X光拍片来检查焊接质量。管道的连接也可采用卫生夹头分段连接，两段连续的管壁差不大于0.5mm；
e) 所采用的阀门应为卫生阀门，可用隔膜阀、蝶阀等，应避免使用球阀；
f) 管道内壁应光滑，以减少微生物和杂质的滞留。内表面粗糙度Ra建议小于0.8μm；
g) 在分配管路上要合理设置取样点，确保所取的水样具有代表性。除各使用点外，通常在储罐以及循环管路的总出水口和回水口都要设置取样点；
h) 分配系统上如有热交换器，选型时应充分考虑热交换过程不会因冷却水渗漏而造成交叉污染。建议采用双管板式(double tube sheet)换热器。
4．水系统的消毒：
水系统应能定期消毒以控制微生物。消毒方式主要有三类：紫外消毒、化学消毒和热力消毒。
◆紫外消毒：它能降低水系统中新菌落的生成速率，然而对于浮游微生物来说,它仅部分有效。紫外消毒的穿透性较差，不能消除已形成的生物膜。且消毒的效果受到流量的大小以及流速快慢的影响。通常需要与热力消毒法或化学消毒法配合使用。
◆热力消毒：最常用的有两种。一种为巴氏消毒法，即将水温升高到80~85℃，保温循环１~2小时。要注意监测回水点的温度，因为这个点的温度最低。确保回水点的温度达到80℃，则管路全程的温度都能保证。
另一种为蒸汽消毒法。通常用121℃的饱和蒸汽充满管路，消毒约30分钟。蒸汽消毒时注意将各使用点的阀门微开，以保证蒸汽也能消毒到盲管部分。饱和蒸汽消毒不仅能杀灭细菌，而且也能有效杀灭芽胞。但它对管路的要求比较高，需要用316Ｌ材质的不锈钢，而且管道和储罐需要耐受一定的压力。采用饱和蒸汽消毒时，管线上要配备足够的疏水器，以及时排出冷凝水，避免冷点，提高灭菌效果。
一般情况下，如果巴氏消毒法能解决问题时，就无需使用蒸汽消毒，因为后者的设备和运作成本都比较高。
◆化学消毒：常用的化学消毒法有甲醛、氯消毒和氧消毒。甲醛是一种非常有效的消毒剂，但由于它的高致癌性，现在企业使用的已越来越少。
氯消毒通常选用次氯酸钠、次氯酸钙、二氧化氯等。需要注意的是高浓度的氯对不锈钢管道有一定的腐蚀作用。
氧消毒常用的有双氧水和臭氧。使用双氧水的浓度约为3%，管路充满后消毒30分钟以上。要注意消毒后管道的冲洗，至出水的电导率等于进水电导率。目前使用较多的是臭氧，臭氧具有快速杀菌和灭活病毒的特点，且不会产生有害的残留物，是无污染消毒剂。但它的半衰期比较短(30~60分钟)，对于管路较长的系统，要注意管路末端臭氧的浓度，必要时需要在管路中段增补臭氧。
二、水系统的钝化
水系统在使用前需要钝化。钝化的目的是通过氧化反应，使管道内表面的铁和其它金属离子呈化学惰性；同时在内表面形成一层致密的氧化铬膜，提高不锈钢的抗腐蚀能力。
钝化前需要用碱液清洗储罐和管道，以去处抛光残留的油脂，否则直接钝化效果会不好。常用1%浓度的氢氧化钠溶液在管道内循环30分钟，之后用水冲洗净。
碱洗后才能钝化。钝化的处理方式有几种，常用的是纯水及化学纯的硝酸配制成8%的酸液，在49~52℃循环1小时后排放。之后用大量水冲洗，直至出水的pH恢复到6.5～7.5，且出水电导等于进水电导。
三、水系统的验证
水系统在安装和钝化结束后，需要进行验证。验证的目的在于考查水系统有能力稳定地供应规定数量和质量的合格工艺用水。只有经验证的水系统，才能被投入使用。
完整的验证需要做三部分：安装确认IQ (Installation Qualification), 运行确认OQ (Operation Qualification) 和性能确认PQ (Performance Qualification)。
1．安装确认IQ ：设备、管线安装后，对照设计图纸和供应商提供的技术资料，查验安装是否符合设计要求和设备技术规格。
安装确认需要涵盖制水设备和分配系统。验证的主要内容包括：共用设施的支持是否到位，设备是否符合技术规格，材质、管道坡度、焊缝、盲管长度、储罐及部件等是否符合设计要求，仪器仪表是否校验，资料是否齐全等。
2．运行确认OQ ：是在水处理设备全部开启的情况下，检查设备的各个功能是否运行正常，并测试设备的参数。
验证的内容包括：设备/系统各部分的功能；产水量、产水速度是否达到设计要求；阀门、控制装置是否正常；管道是否泄漏，是否耐压；指示器、在线测试仪及报警器是否正常等。
3．性能确认PQ ：性能确认主要是通过对所有取样点的水质检验，来确认整个水系统的运作是否符合设计要求，水质是否持续符合质量标准。
性能确认通常分为三个阶段。
第一阶段通常为２～４周，目的是确定操作参数范围，制定SOP。需要对所有的点（制水机组各个阶段、储罐、总送水口、总回水口、所有使用点等）每天取样，做化学与微生物指标全项检验。
第二阶段也需要经历２～４周，需要对所有的点每天取样，但只需检测关键项目。关键项目应包括微生物指标和关键化学指标。第二阶段的目的是验证所确定的操作参数的可靠性、一致性。
需要说明的是工艺用水如果通过第一、第二阶段的测试，就可以开始用于生产了。
第三阶段为监测阶段，通常需要10～12个月，需要对关键点做关键项目的测试。关键点至少应包含储罐、总送水口、总回水口和所有用水点。取样频率为：储罐、总送水口、总回水口每天取样，各使用点每周至少轮流取样一次。第三阶段的目的在于考察在全年四季源水水质波动及全年操作条件下系统具有可靠性和一致性。
三个阶段共计约一年的时间。通过一年验证的水系统，说明所设定的操作参数以及消毒方法、周期等是可行的，且四季源水和环境的变化不会对水质造成影响，水系统的运作是稳定的。
水系统正常运行后，循环水泵一般不得停止工作。若遇较长时间停机时，需要重新对水系统进行验证。通常在正式生产前需要进行2~3周的监测。监测的的频率和项目可参照第三阶段进行。
四、水系统的变更控制
水系统一经验证后，原则上不得随意变更。在某些情况下需要对水系统进行变更时，需由工程部门提出变更需求和方案，经质量部门和使用部门评估和批准后，方可正式实施。变更后的水系统需要重新验证（或局部验证），以确认变更不会对水质造成不良影响。
水系统的变更通常有：新增分配管路、管路改线、管材变化、用水点增删、取样点增删、设备更换（含阀门，过滤器）、灭菌周期、灭菌方法、预防维护计划等。
这里需要强调的是：变更需要受控。
五、工艺用水的日常监测
水质的日常监测分为在线监测和实验室监测两种。
在线监测的项目主要有：在线电导率(Conductivity)和总有机碳（TOC）。
在线测试的优点是能时时监控水质，仪器对水质的异常波动能及时报警，有助于迅速采取措施。它的缺点是由于管道内的水一直处于流动状态，因此测试的数据不能做到非常精准，但误差通常也在可接受范围之内。化妆品企业可根据制造工艺的特点设置合理的在线监测内控范围。
实验室的监测仍是企业监测水质最主要的手段。检测的频率可根据验证的结果而定，通常不少于每个使用点每周轮流取样检测一次。检测的项目至少应包括：pH，电导率和微生物。有些企业还会检查水中所含的氯离子浓度或臭氧浓度。
还需要强调一下微生物测试的方法。虽然在许多规范上采用的是1ml样品平皿法测试，但此法由于样本量过少，往往不能真实地反映水中微生物的情况。在此我们推荐薄膜过滤法，所测的水样至少为100ml，经0.45μm薄膜过滤后，直接将滤膜进行培养。这种方法因样本量大，其测试结果会更加真实和准确。另，取样后，应尽快完成微生物测试（一般不超过2小时），以免水中微生物繁衍而影响结果的真实性。
工艺用水的微生物限度通常为：
警戒水平(Alert Level): 10 CFU/100ml
纠偏限度(Action Level): 100 CFU/ml
警戒水平和纠偏限度可作为水系统的运行控制标准。当微生物超出警戒水平时，说明水系统有偏离正常运行的趋势，此时需要密切关注，探求可能的原因，但尚不需要采取措施。如果水质超出纠偏限度时，在排除取样或检验异常的情况下，说明工艺用水已受到污染。此时如果该样本所代表的水已被用于化妆品中，应及时隔离该批产品，并对其进行微生物风险评估。只有充分数据证实产品的安全性时，方可对其放行。同时对于受污染的水系统，需要分析和调查微生物超标的原因，并及时采取有效的纠偏措施，以使水系统的运行尽快恢复正常。
工艺用水是化妆品生产中不可缺少的重要原料，也是产品质量的基础。随着化妆品行业的不断发展以及GMP理念的日益深入，工艺用水的质量及水系统的管理也受到越来越多企业的重视，进而提高了化妆品的可靠性，保障了消费者使用的安全。