純化水管道除紅銹/注射水管道除紅銹
紅銹與藥品質(zhì)量安全--一種全新的紅銹預(yù)防與去除技術(shù)
本文主要介紹制藥行業(yè)紅銹現(xiàn)象的特征及危害，并結(jié)合2010版中國(guó)藥典和2010版GMP的要求提出了具體解決方案;同時(shí)，介紹了HS-210試劑在紅銹去除與鈍化方面的突出作用;最后，重點(diǎn)介紹了制藥用水系統(tǒng)發(fā)生紅銹后的維護(hù)保養(yǎng)措施。
眾所周知，在制藥工程中使用不銹鋼的主要原因之一是因?yàn)樗哂袃?yōu)越的抗腐蝕性。當(dāng)不銹鋼表面出現(xiàn)紅褐色銹斑的時(shí)候，人們往往認(rèn)為：“不銹鋼是不生銹的，生銹就不是不銹鋼了，肯定是鋼質(zhì)出現(xiàn)了問題”。其實(shí)，這是對(duì)不銹鋼的一種片面錯(cuò)誤的看法，實(shí)際上，不銹鋼在特定的條件下也是會(huì)生銹的，工程上稱為“紅銹現(xiàn)象”，見圖1。
圖一紅銹
紅銹是制藥流體工藝系統(tǒng)中不銹鋼材質(zhì)一種常見的工程現(xiàn)象，紅銹常發(fā)生在制藥用水等流體工藝系統(tǒng)的輸送泵腔體內(nèi)壁、隔膜閥閥體和膜片、罐體內(nèi)壁、噴淋球內(nèi)壁以及不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)部分。采用白布在不銹鋼內(nèi)壁進(jìn)行擦拭，或在用水點(diǎn)出口處進(jìn)行過濾取樣，常會(huì)看到黃色或紅色的固體顆粒物，這就是主要成分為氧化鐵的紅銹。
引起紅銹產(chǎn)生的因素較多，例如：高溫或者高壓環(huán)境中;氯化物等高腐蝕性環(huán)境;非不銹鋼成分;以及不恰當(dāng)?shù)谋砻嬷苽?如焊接質(zhì)量問題、材料表面缺陷、不恰當(dāng)?shù)那逑椿蜮g化等)均會(huì)誘發(fā)紅銹的產(chǎn)生。
紅銹發(fā)生后的危害很大，它屬于顆粒物污染，會(huì)影響制藥用水質(zhì)量與藥品澄清度;增加過濾器的有效工作負(fù)荷;影響不銹鋼系統(tǒng)耐壓能力和耐腐蝕能力;與最終產(chǎn)品可能發(fā)生理化反應(yīng)。
紅銹的形成機(jī)理與分類
氧化作用是電化學(xué)反應(yīng)的常見形式，其主要原理為：一個(gè)元素釋放電子，同時(shí)，另一個(gè)元素吸收電子，整個(gè)過程組成了氧化還原反應(yīng)，在這個(gè)過程中，氧氣和金屬或合金中的某個(gè)元素相結(jié)合生成金屬氧化物。不銹鋼耐腐蝕的基本特性是由于合金中的Cr元素和氧氣接觸后，能夠在其表面形成一層穩(wěn)定的富鉻氧化膜，它是不銹鋼在有氧化氣體存在的情況下瞬間形成的，鈍化層形成后，能夠改善金屬的抗腐蝕特性，金屬則表現(xiàn)出特有的“惰性”，其氧化速率將降低到微不足道的范圍。
腐蝕是金屬和環(huán)境之間化學(xué)或電化學(xué)的相互反應(yīng)，它可以導(dǎo)致金屬特性的非預(yù)期改變，這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金屬耐腐蝕功能的降低，常見的腐蝕有均勻腐蝕、電化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕、點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋和晶間腐蝕。一旦有某種原因?qū)е虏讳P鋼的鈍化層遭到了破壞，水中的氧氣就會(huì)與金屬中釋放出來的Fe元素緩慢地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成疏松的氧化鐵，金屬表面就會(huì)表現(xiàn)出銹跡的腐蝕，俗稱“紅銹”，圖2是一種模擬的紅銹形成機(jī)理，雖然該機(jī)理目前還存在爭(zhēng)議，但它較為形象地說明了紅銹形成的化學(xué)過程。
水是一種極弱的電解質(zhì)，25℃時(shí)，水的離子積常數(shù)Kw為1×10-14，100℃時(shí)，水的離子積常數(shù)Kw為55×10-14。高溫注射用水中[H+]濃度和[OH-]濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常溫純化水系統(tǒng)，導(dǎo)致游離的鐵離子與水中氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率增加，最終生成氧化鐵并導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生紅銹現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)在高溫條件下運(yùn)行時(shí)更容易產(chǎn)生紅銹。
按發(fā)生的程度不同，可將紅銹分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共3類(圖3)。Ⅰ型紅銹也稱遷移型紅銹，包含多種源金屬所衍生的氧化物和氫氧化物，主要成分為Fe2O3，并含有少量的FeO與Fe(OH)2，Ⅰ型紅銹呈顆粒態(tài)，在不銹鋼表面附著疏松，并呈現(xiàn)橙色或橙紅色，具有從紅銹生成點(diǎn)向下游遷移的趨勢(shì)，Ⅰ型紅銹具有易于生成、易于去除、易于復(fù)發(fā)等特點(diǎn)。Ⅱ型紅銹屬于金屬表面局部形成的活性腐蝕，主要成分為Fe2O3，呈現(xiàn)從紅色、橙色、藍(lán)色、紫色、灰色到黑色的一系列色譜，Ⅱ型紅銹在不銹鋼表面附著緊密，一旦形成，較難去除，常以蝕坑、腐蝕縫隙等多種形式出現(xiàn)，它與氯化物或其他鹵化物的腐蝕有關(guān)。
Ⅲ型紅銹為加熱氧化后產(chǎn)生的黑色氧化物，常發(fā)生在高溫環(huán)境中(例如純蒸汽系統(tǒng))的表面氧化，主要成分為Fe3O4，隨著紅銹層的增厚，系統(tǒng)顏色會(huì)從金色變到藍(lán)色，然后變成深淺不一的黑色，這種表面氧化以一種穩(wěn)定的膜的形式開始，并且?guī)缀醪怀深w粒態(tài)，它的晶體結(jié)構(gòu)類似于極其穩(wěn)定的磁鐵礦石。
除紅銹試劑與案例
HS-220與HS-210試劑是碩科公司專門針對(duì) “紅銹”的去除與不銹鋼材料的鈍化而開發(fā)的清洗劑。HS-220為堿性清洗劑，主要用來清除不銹鋼表面的油漬、蛋白污物和生物膜，為HS-210的除銹清洗作用提供前提保證;HS-210為酸性清洗劑，尤其適用于制藥、化妝品、醫(yī)療器械、食品和飲料行業(yè)的特殊要求，主要成分包括磷酸、檸檬酸、表面活性劑和分散劑等，可有效去除不銹鋼表面的紅銹，尤其是Ⅰ型紅銹與Ⅱ型紅銹。圖5是不同濃度的HS-210對(duì)Fe2O3的溶解度對(duì)照表，15% CIP對(duì)Fe2O3的溶解度可達(dá)到260g/100加侖。
CIP200清洗試劑的主要成分為檸檬酸，有效避免了按照慣例采用硝酸等強(qiáng)酸清洗時(shí)對(duì)不銹鋼的強(qiáng)酸腐蝕反應(yīng);同時(shí)，HS-210清洗試劑含有穩(wěn)定的表面活性劑和分散劑，既增加表面潤(rùn)濕效果，又減少了污物的重新沉積;HS-210清洗試劑可以與多種材料兼容，在任何溫度下都處于低泡沫狀態(tài)，有效預(yù)防了離心泵的氣蝕發(fā)生，另外，它還可以充分漂洗，殘留量極低。尤為重要的是，15% CIP200清洗試劑具有與17% HNO3同樣的鈍化效果(圖6)，可實(shí)現(xiàn)不銹鋼系統(tǒng)的紅銹去除與酸洗鈍化一步完成，極大地簡(jiǎn)化了清洗流程、節(jié)省了清洗時(shí)間，因此，HS-210清洗試劑已被廣泛應(yīng)用于純化水與注射用水系統(tǒng)、純蒸汽系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、CIP/SIP系統(tǒng)的除銹和鈍化。
小結(jié)
為降低制藥流體工藝系統(tǒng)產(chǎn)生紅銹的風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)需采用“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”的管理理念，從設(shè)計(jì)源頭開始進(jìn)行有效控制。在工程中，如下措施對(duì)于預(yù)防并控制紅銹的發(fā)生有一定的借鑒作用：
適當(dāng)降低注射用水系統(tǒng)循環(huán)溫度，如系統(tǒng)溫度保持在70℃~ 85℃之間循環(huán);
嚴(yán)格按照焊接標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制系統(tǒng)按照3D死角的原則進(jìn)行安裝，防止殘留物引起晶體腐蝕;
選擇質(zhì)量可靠的噴淋裝置，防止脫落鐵屑導(dǎo)致的外源性鐵離子引入，避免噴淋球干轉(zhuǎn)摩擦;
保證良好的酸洗鈍化效果并有效生成鈍化膜，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性維護(hù)鈍化，重新生成鈍化膜，推薦鈍化周期為1~3年/次;
選擇有質(zhì)量保證的原材料進(jìn)行系統(tǒng)安裝，對(duì)不銹鋼管道管件的材質(zhì)報(bào)告進(jìn)行系統(tǒng)追溯，保證316L材質(zhì)的品質(zhì)和拋光度;
引入紅銹的流體分析技術(shù)或表面分析技術(shù)，安裝紅銹在線監(jiān)測(cè)儀，建立完善的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制，及早發(fā)現(xiàn)、及早清洗。
