水源性微生物無處不在，在不同條件下的生存和生長能力各不相同。因此，失控的水系統(tǒng)可以導(dǎo)致藥品微生物污染從而對患者造成傷害。需要對水進(jìn)行凈化，以防止與藥物或產(chǎn)品配方中的其他成分相互作用，同時還必須對水進(jìn)行微生物控制和監(jiān)測，通過對制藥用水系統(tǒng)的設(shè)計與控制，以降低微生物污染的風(fēng)險。

化學(xué)和物理凈水方法都基于強大的技術(shù)，在大多數(shù)情況下，該技術(shù)可以將污染物水平降低到百萬分之一以下。這些方法的檢測靈敏度在十億分之一的范圍內(nèi)。

雖然化學(xué)分析通常能很快得出答案，以確保對問題做出快速反應(yīng)，但微生物評估通常較慢且不太準(zhǔn)確。雖然快速微生物方法正在逐步實施（如ATP生物發(fā)光或熒光DNA特異性染料），但大多數(shù)制藥級用水的微生物評估都依賴于培養(yǎng)方法，這意味著生物負(fù)載結(jié)果要過幾天才能得到（基于相當(dāng)重視良好的設(shè)計原則）。

本文評估了良好設(shè)計的一些要求，以及維持制藥設(shè)施水系統(tǒng)（制藥用水系統(tǒng)）有效微生物控制所需的控制措施。

制藥級用水

美國藥典（USP）和/或歐洲藥典（Ph.Eur.）中定義的制藥用水有四個等級：飲用水（USP）、純化水（USP和Ph.Eur.）、高純化水（Ph.Eur.）和注射用水（WFI，USP和Eur.）。飲用水是其他等級的起始水；它不和產(chǎn)品直接接觸。每個等級都有與生產(chǎn)方法、所需凈化程度以及儲存和分配過程有關(guān)的微生物問題。

純化水通常通過反滲透生產(chǎn)，用于非無菌或無熱原的配方（即不需要內(nèi)毒素規(guī)范）。用途包括一些口服和外用產(chǎn)品，以及片劑和膠囊的造粒工藝。對于此類藥物，關(guān)注的是整體生物負(fù)載和不存在“不可接受”的微生物：根據(jù)給藥途徑，這些微生物會對患者造成潛在傷害。純化水也是WFI和制藥級清潔蒸汽的原料。根據(jù)歐洲藥典的要求，高純度水用于制備眼科、鼻腔/耳朵、皮膚和其他藥物。這種級別的水需要內(nèi)毒素（每毫升<0.25個內(nèi)毒素單位[EU]）和生物負(fù)載控制（每100毫升<10個菌落形成單位[CFU]）。

WFI是制藥行業(yè)使用的最高質(zhì)量的水；它是通過反滲透或蒸餾生產(chǎn)的（自2015年以來，根據(jù)美國藥典和歐洲藥典）。歐洲藥典中規(guī)定了生物負(fù)荷和內(nèi)毒素控制要求，即<10 CFU/100 mL（生物負(fù)荷）和<0.25 EU/mL（內(nèi)毒素）。WFI用于制備胃腸外藥物、透析和沖洗溶液，以及最高級別潔凈室中的清潔試劑。

微生物的問題

對自來水公司或市政當(dāng)局的飲用水進(jìn)行監(jiān)測，以確?；瘜W(xué)污染物水平保持在既定的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并對包括大腸桿菌、腸球菌、銅綠假單胞菌和糞便大腸桿菌在內(nèi)的微生物進(jìn)行篩選。在大多數(shù)地區(qū)，供應(yīng)給制藥廠的水的質(zhì)量都令人滿意。然而，作為一種保護(hù)措施，許多藥廠選擇對水中的大腸桿菌等生物進(jìn)行檢測，作為糞便污染的標(biāo)志。對現(xiàn)場飲用水進(jìn)行處理、軟化、凈化（根據(jù)要求的等級）和分配。

雖然大多數(shù)設(shè)計良好的供水系統(tǒng)可以保持在受控狀態(tài)，但微生物問題可能會發(fā)展。微生物粘附是細(xì)菌表面之間吸引和排斥的物理化學(xué)相互作用平衡的結(jié)果。主要問題是當(dāng)微生物粘附在表面（如流速差的管道）時，會出現(xiàn)形成黏液狀微生物群落，即生物膜。

生物膜的形成是因為細(xì)菌細(xì)胞一旦附著，就會分泌一種多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物（水合聚合物黏液基質(zhì)），它使每種細(xì)菌都能自我包裹在表面上；生物膜是隨著這些生物的積累而形成的。步驟如圖1：

（i）單個細(xì)胞填充表面（初始附著）

（ii）不可逆黏附

（iii）產(chǎn)生了聚合物外物質(zhì)，附著物

（iv）不可逆轉(zhuǎn)的

（v）生物膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展和成熟

（vi）隨著時間的推移，單個細(xì)胞（或細(xì)胞團(tuán)）從生物膜中釋放出來

圖1：生物膜的形成

這種類型的附著發(fā)生得相對較慢。各種因素會影響這一過程，包括所涉及的細(xì)菌類型、環(huán)境中細(xì)菌種群的大小及其生長階段的持續(xù)時間。一般來說，革蘭氏陰性菌更容易形成生物膜，部分原因是細(xì)菌細(xì)胞（菌毛）上的附屬物使其更容易附著在表面。表面電荷是與細(xì)菌粘附有關(guān)的另一個重要現(xiàn)象。

生物膜中的微生物生長在源頭處通常是很快的（圖2）。然而，用戶大體上的樣本通常是零星的，因為隨著時間的推移，生物膜的污染以不同的速率脫落。

圖2：生物膜形成后，水系統(tǒng)中的微生物數(shù)量呈指數(shù)級增長

生物膜是水系統(tǒng)特別關(guān)注的問題，因為在水生環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌種群中，革蘭氏陰性菌占大多數(shù)。此外，這些類型的生物體也會釋放內(nèi)毒素，這是細(xì)胞壁的一個組成部分。

制水過程的許多階段，雖然設(shè)計目的是為了減少污染，但矛盾地為生物膜的形成創(chuàng)造了條件。一個例子是，通過基質(zhì)進(jìn)行深過濾。當(dāng)水通過過濾器滲透時，微生物被吸附在基質(zhì)上，形成復(fù)雜的群落。此外，純化路徑也會創(chuàng)造一系列不同營養(yǎng)豐富的繁殖環(huán)境。在這個過程的最后，營養(yǎng)物質(zhì)基本上消耗到非常低的水平，從而產(chǎn)生了一個極端的環(huán)境。這種環(huán)境會激發(fā)微生物的極端應(yīng)急反應(yīng)，使它們更難以被消滅。

對于設(shè)計和維護(hù)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，純化水和WFI的微生物污染風(fēng)險較低。然而，無論何時檢測到微生物（超過規(guī)范時），都會造成重大危險。

良好的設(shè)計原則

雖然制水的不同階段都可以造成風(fēng)險，但有許多設(shè)計和控制步驟可以減少微生物的繁殖。

（1）阻隔罐（Break tanks）

阻隔罐是微生物定植的第一個區(qū)域，它可以防止生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水重新進(jìn)入供水系統(tǒng)。飲用水中的微生物附著在水箱的側(cè)面和底部，形成生物膜。從罐中采集的樣品通常符合飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，并且不會立即反映正在積累的生物量。主要預(yù)防措施是定期維護(hù)和沖洗。

（2）活性炭吸附床

吸附床基質(zhì)由細(xì)碳組成，在去除低分子量有機物質(zhì)方面非常有效。它還可以氧化和去除氯等添加劑。它巨大的表面積和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，再加上氯的去除，可以導(dǎo)致微生物的快速定植和增殖。大多數(shù)生物體是革蘭氏陰性菌，如果它們進(jìn)行細(xì)胞裂解，會是內(nèi)毒素的來源?？刂普麄€供水系統(tǒng)的一個關(guān)鍵點是能夠定期用熱水或蒸汽對吸附床進(jìn)行消毒，并經(jīng)常更換。對于新的水系統(tǒng)，消毒應(yīng)以更高的頻率（如每周）開始；根據(jù)微生物負(fù)荷的趨勢進(jìn)行審查，隨著時間的推移（每月）可以減少。評估生物負(fù)荷模式需要6個月至1年的數(shù)據(jù)。

（3）水軟化劑

在有硬水的地區(qū)，需要使用軟化劑來防止對去離子器和反滲透系統(tǒng)的干擾。當(dāng)水通過樹脂填充柱時，二價鈣和鎂陽離子被交換為鈉離子。然而，樹脂基質(zhì)為潛在的微生物定殖提供了巨大的表面積。消毒和控制措施，如紫外線和氯氣，對保持水質(zhì)至關(guān)重要。

（4）去離子裝置

標(biāo)準(zhǔn)去離子系統(tǒng)由帶電樹脂柱組成?？梢苑謩e用于陽離子和陰離子去除，或者可以使用混合床系統(tǒng)。去離子的優(yōu)點是，這些柱可以用1摩爾（M）鹽酸和1摩爾（M）氫氧化鈉再生，這兩者都有強殺滅性。如果再生頻率較高，則該柱將保持在已消毒狀態(tài)。未消毒的柱子或那些幾天以上未再生的柱子與活性炭床存在同樣的問題，即細(xì)菌生長的風(fēng)險。

電去離子系統(tǒng)允許連續(xù)的柱再生，而不需要添加再生劑。它們易于維護(hù)，但也能促進(jìn)細(xì)菌生長。反滲透膜可以過濾掉細(xì)菌，但如果維護(hù)不當(dāng)，細(xì)菌可能會生長。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞壁的碎片破裂時，內(nèi)毒素可以很容易地穿過反滲透膜。

   （5）存儲和分配系統(tǒng)

設(shè)計不當(dāng)?shù)膬Υ婧团渌拖到y(tǒng)為微生物的重新定植創(chuàng)造了機會，最終導(dǎo)致產(chǎn)品污染。定植通常很難檢測，因為生物膜緩慢而隨機地釋放污染物（水中的微生物很少成正態(tài)分布，這意味著在辨別出總體趨勢之前，微生物的數(shù)量可能會隨著時間的變化而出現(xiàn)或消失）。

（6）儲罐

儲水箱通常由不銹鋼制成。在使用時，確定內(nèi)部表面的容量、使用率和清洗和消毒頻率非常重要。定期保持水周轉(zhuǎn)有助于防止污染；另一方面，周轉(zhuǎn)緩慢會帶來更大的潛在污染風(fēng)險。儲罐應(yīng)通風(fēng)，以控制水位波動。為了防止外部空氣造成微生物污染，通風(fēng)口應(yīng)安裝疏水性空氣過濾器。這種過濾器還用于避免過濾器堵塞，從而造成真空條件并導(dǎo)致罐體內(nèi)爆。應(yīng)定期進(jìn)行排氣過濾器完整性測試（例如，每6個月或12個月進(jìn)行一次）。

（7）儲存溫度

將WFI儲存在循環(huán)不銹鋼系統(tǒng)中是標(biāo)準(zhǔn)做法，盡管有時在對水要求極低礦物質(zhì)含量時，會使用聚氯乙烯氟化物（PVDF）材質(zhì)。在65ºC至80ºC的溫度下運行的再循環(huán)系統(tǒng)是自我消毒的，但需要注意的是，應(yīng)沒有低于65ºC的冷點。純化水系統(tǒng)可以熱或冷。下文將更詳細(xì)地討論冷水系統(tǒng)的關(guān)鍵方面。

（8）管道和儲罐設(shè)計

如果設(shè)計不當(dāng)或維護(hù)不當(dāng)，管道和水箱比水系統(tǒng)的任何其他部分都更有可能受到污染。設(shè)計良好的管道的一般要求是：

（i）光滑的內(nèi)表面。微生物對光滑表面的粘附不如對粗糙表面的粘附好，因此耐腐蝕性和避免聚集（氧化鐵的形成）很重要（可以通過不銹鋼的電拋光來實現(xiàn)）。管道接頭和焊縫也會破壞平滑度。

（ii）水箱中的水持續(xù)流動和管道中的水快速流動。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每秒1–2米的流速是令人滿意的。這最大限度地減少了微生物粘附在表面（并形成生物膜）的機會。在發(fā)生剪切力的地方，微生物很難粘附在表面。在水靜止的地方，就沒有剪切力（剪切力隨著流速的增加而增加）。

（iii）避免水可能保持停滯的地方（積水區(qū)域）。如果支管太長，主管上的湍流無法擾動支管，水可能會停滯在"死角"中（圖3）。原則盡量減少支管的長度。水也可能在閥門中保持停滯狀態(tài)，尤其在用水點，如那些不經(jīng)常使用的閥門。這可以通過衛(wèi)生或"零死角"閥門來抵消，比其他閥門（如球閥）要好得多。死角的存在將導(dǎo)致生物膜的形成，從而產(chǎn)生內(nèi)毒素釋放。正確的排水坡度也可以降低污染風(fēng)險。循環(huán)管路應(yīng)從起點到回路傾斜（"下降"），以確保系統(tǒng)完全可排空。

   （iv）避免泄漏。漏水會導(dǎo)致水與外部環(huán)境接觸，外部環(huán)境的細(xì)菌可以通過漏水點進(jìn)入系統(tǒng)。儲罐的通風(fēng)口應(yīng)配備過濾器，以防止空氣傳播的微生物進(jìn)入。它們甚至可以通過氮氣等惰性氣體的“包裹”下進(jìn)入。

（v）高溫儲存和分配。盡管在上述控制方面進(jìn)行了最佳嘗試，但內(nèi)毒素脫落生物膜的風(fēng)險被認(rèn)為具有如此重大的影響，以至于大多數(shù)制造商要求儲存和分配溫度保持在65°C以上。如果制造商有足夠的數(shù)據(jù)來證明較低的溫度工作正常，則較低的溫度也可以接受。

然而，對于大多數(shù)藥物制劑而言，65°C的溫度過高。這意味著用戶通常配備有某種形式的冷卻機制。應(yīng)該注意的是，用于此目的的熱交換器可能是內(nèi)毒素和細(xì)菌污染的來源，因此可能抵消高溫循環(huán)的許多好處。

（vi）在適當(dāng)?shù)那闆r下（為了不造成浸出有毒物質(zhì)的風(fēng)險），在管道和儲罐表面上使用涂層有助于解決生物污染問題。

圖3：設(shè)計不良的輸水管道，死角

（9）冷水系統(tǒng)

凈化水系統(tǒng)通常使用臭氧、紫外線和在線過濾器來限制微生物數(shù)量，而不是高溫。需要考慮的要點是：

（i）臭氧被定期用于消毒。它攻擊微生物的外表面，破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。

（ii）紫外線不是消毒劑，雖然它可以降低微生物的數(shù)量。效率取決于路徑長度、流速和光源的使用年限。在制藥水處理系統(tǒng)中，最常用來降低微生物數(shù)量的波長是254納米。紫外線對于催化用作消毒劑臭氧或過氧化氫的分解也非常有用，盡管其功效經(jīng)常因維護(hù)不善或燈故障而減弱。

（iii）過濾器是定植的理想基質(zhì)，需要仔細(xì)監(jiān)測壓差，并經(jīng)常進(jìn)行消毒或更換。如果過濾器上形成了生物膜，消毒會殺死生物膜內(nèi)的大多數(shù)微生物，但可能不會去除基質(zhì)，基質(zhì)可能會迅速重新定植。此外，種群中存在的高抗性“持久細(xì)胞”將不受影響并再生。

（iv）冷水系統(tǒng)通常使用熱塑性材料，因為它們比不銹鋼（在低溫下）遭受的生物污垢更少。用于建造管道的塑料材料通常是聚丙烯或聚偏氟乙烯。

（v）管道工程中的彎曲應(yīng)盡可能平緩且盡可能少；水龍頭的數(shù)量應(yīng)保持在最小值。任何對水流順暢的破壞都會導(dǎo)致湍流，這為循環(huán)微生物粘附在可定植表面創(chuàng)造更多機會，從而導(dǎo)致生物膜的形成。

（10）供水點

生產(chǎn)區(qū)的供水點包括通過輸送管道（或管道）將水從循環(huán)水回路輸送到使用點，輸送管道應(yīng)由合適的無毒材料制成，如聚氯乙烯（PVC）、氯化聚氯乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯。輸送管道應(yīng)在使用后排水，并定期更換（如每24小時更換一次）；必須小心避免水槽濺回或氣溶膠再次污染。安裝新卡套管之前應(yīng)進(jìn)行消毒；在使用之前（在規(guī)定的時間或給定的水量內(nèi)）沖洗管道和出口也是常見的。采取這些措施是為了避免在輸送過程中對水造成污染。

制藥用水系統(tǒng)當(dāng)出現(xiàn)錯誤情況時

水系統(tǒng)控制的喪失和微生物污染可能有多種原因，包括樹脂老化、過濾器老化、紫外線燈維護(hù)不善、維護(hù)不當(dāng)、無法實現(xiàn)有效的熱分布、泄漏（如熱交換器）、死管段和水系統(tǒng)改造（如切斷管道）。

有多種選擇可用于處理和改善水質(zhì)。選擇的方法取決于微生物惡化的原因、問題的來源、所需的水質(zhì)、待處理的水量和分配系統(tǒng)的類型。系統(tǒng)設(shè)計會影響微生物種群的大小和清除能力。死管、通往水龍頭的長管道、無法排水的管道和U型彎管也會造成微生物問題。

通常使用四種方法來去除微生物污染：加熱、化學(xué)物質(zhì)、過濾或紫外線。處理時間對每個方法來說都很重要。

如前所述，加熱可用于維持在65°C至80°C的熱水系統(tǒng)的循環(huán)回路中（≥75°C為最佳）。如果這被證明是不夠的，那么應(yīng)該有過熱系統(tǒng)的能力（將溫度升高到121°C一小時或更長時間）。

化學(xué)處理（如臭氧、氯、二氧化氯、過氧化氫、過乙酸和氫氧化鈉）適用于原水，但也可用于處理蒸餾、去離子和反滲透產(chǎn)生的水的分配系統(tǒng)。所用化學(xué)品的濃度取決于配水系統(tǒng)中水的位置。例如，如果達(dá)到每升游離氯0.2毫克的最低水平，氯化通常是有效的。接觸時間會隨著水溫和pH值的變化而變化；0.2mg/L游離氯的典型時間在30到60分鐘之間。重要的是，任何添加的化學(xué)物質(zhì)都必須在某個時候去除。

使用0.22微米（μm）多孔過濾器的膜過濾適用于使用量適中且可以保持連續(xù)水循環(huán)的情況（即，水不斷返回儲罐并重新過濾，但抽出使用的水除外）。雖然過濾原理上運行良好，但對于高吞吐量來說，它相對昂貴，因為它們需要定期更換以防止堵塞和“滲透”。因此，使用0.22μm過濾器來控制產(chǎn)品制造用水的污染是不受歡迎的。過濾器只能在分發(fā)過程之前使用。

紫外線輻射（254nm）用于消毒具有良好光學(xué)清晰度的水；它在多燈系統(tǒng)的再循環(huán)水系統(tǒng)中工作得特別好。雖然接觸時間因劑量和流速而異，但通常在1至10秒的范圍內(nèi)。需要這段時間才能讓紫外線穿透水，并與任何存在的細(xì)菌接觸。

微生物監(jiān)測

頻繁的監(jiān)測對于驗證微生物控制非常重要。這涉及生物負(fù)荷評估，通常使用帶有膜過濾的微生物計數(shù)方法，并選擇低營養(yǎng)瓊脂（如R2A）作為培養(yǎng)基。在適用的情況下，還建議用鱟試劑進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)毒素檢查。在這兩種情況下，行動或警戒限值都必須基于驗證數(shù)據(jù)，并且必須設(shè)置得足夠低，以表明正常操作條件發(fā)生了重大變化。

結(jié)論

在制藥配水系統(tǒng)中，微生物粘附會引發(fā)生物膜的形成，加劇水的污染，降低飲用水的美觀質(zhì)量，增加管道的腐蝕率，并通過增加病原體的存活率來降低微生物安全性。因此，微生物控制是工程師、生產(chǎn)人員和微生物學(xué)家關(guān)注的問題。

本文概述了水系統(tǒng)的微生物學(xué)，并概述了制藥級用水的設(shè)計、控制和生成。雖然已經(jīng)討論了設(shè)計和控制的幾個方面，但可能最重要的兩個方面是避免積水（這總是污染源），以及在水系統(tǒng)的每個步驟都有消毒規(guī)定。