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通過對製藥用水係統的設計與控製，以降低微生物汙染的風險
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，失控的水係統可以導致藥品微生物汙染從而對患者造成傷害。需要對水進行淨化，以防止與藥物或產品配方中的其他成分相互作用，同時還必須對水進行微生物控製和監測，通過對製藥用水係統的設計與控製，以降低微生物汙染的風險。
化學和物理淨水方法都基於強大的技術，在大多數情況下，該技術可以將汙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範圍內。
雖然化學分析通常能很快得出答案，以確保對問題做出快速反應，但微生物評估通常較慢且不太準確。雖然快速微生物方法正在逐步實施（如ATP生物發光或熒光DNA特異性染料），但大多數製藥級用水的微生物評估都依賴於培養方法，這意味著生物負載結果要過幾天才能得到（基於相當重視良好的設計原則）。
本文評估了良好設計的一些要求，以及維持製藥設施水係統（製藥用水係統）有效微生物控製所需的控製措施。
製藥級用水
美國藥典（USP）和/或歐洲藥典（Ph.Eur.）中定義的製藥用水有四個等級：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；它不和產品直接接觸。每個等級都有與生產方法、所需淨化程度以及儲存和分配過程有關的微生物問題。
純化水通常通過反滲透生產，用於非無菌或無熱原的配方（即不需要內毒素規範）。用途包括一些口服和外用產品，以及片劑和膠囊的造粒工藝。對於此類藥物，關注的是整體生物負載和不存在“不可接受”的微生物：根據給藥途徑，這些微生物會對患者造成潛在傷害。純化水也是WFI和製藥級清潔蒸汽的原料。根據歐洲藥典的要求，高純度水用於製備眼科、鼻腔/耳朵、皮膚和其他藥物。這種級別的水需要內毒素（每毫升<0.25個內毒素單位[EU]）和生物負載控製（每100毫升<10個菌落形成單位[CFU]）。
WFI是製藥行業使用的最高質量的水；它是通過反滲透或蒸餾生產的（自2015年以來，根據美國藥典和歐洲藥典）。歐洲藥典中規定了生物負荷和內毒素控製要求，即<10 CFU/100 mL（生物負荷）和<0.25 EU/mL（內毒素）。WFI用於製備胃腸外藥物、透析和衝洗溶液，以及最高級別潔淨室中的清潔試劑。
微生物的問題
對自來水公司或市政當局的飲用水進行監測，以確保化學汙染物水平保持在既定的安全標準範圍內，並對包括大腸杆菌、腸球菌、銅綠假單胞菌和糞便大腸杆菌在內的微生物進行篩選。在大多數地區，供應給製藥廠的水的質量都令人滿意。然而，作為一種保護措施，許多藥廠選擇對水中的大腸杆菌等生物進行檢測，作為糞便汙染的標誌。對現場飲用水進行處理、軟化、淨化（根據要求的等級）和分配。
雖然大多數設計良好的供水係統可以保持在受控狀態，但微生物問題可能會發展。微生物粘附是細菌表麵之間吸引和排斥的物理化學相互作用平衡的結果。主要問題是當微生物粘附在表麵（如流速差的管道）時，會出現形成黏液狀微生物群落，即生物膜。
生物膜的形成是因為細菌細胞一旦附著，就會分泌一種多糖-蛋白質複合物（水合聚合物黏液基質），它使每種細菌都能自我包裹在表麵上；生物膜是隨著這些生物的積累而形成的。步驟如圖1：
（i）單個細胞填充表麵（初始附著）
（ii）不可逆黏附
（iii）產生了聚合物外物質，附著物
（iv）不可逆轉的
（v）生物膜結構的發展和成熟
（vi）隨著時間的推移，單個細胞（或細胞團）從生物膜中釋放出來
圖1：生物膜的形成
這種類型的附著發生得相對較慢。各種因素會影響這一過程，包括所涉及的細菌類型、環境中細菌種群的大小及其生長階段的持續時間。一般來說，革蘭氏陰性菌更容易形成生物膜，部分原因是細菌細胞（菌毛）上的附屬物使其更容易附著在表麵。表麵電荷是與細菌粘附有關的另一個重要現象。
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，生物膜的汙染以不同的速率脫落。
圖2：生物膜形成後，水係統中的微生物數量呈指數級增長
生物膜是水係統特別關注的問題，因為在水生環境中發現的細菌種群中，革蘭氏陰性菌占大多數。此外，這些類型的生物體也會釋放內毒素，這是細胞壁的一個組成部分。
製水過程的許多階段，雖然設計目的是為了減少汙染，但矛盾地為生物膜的形成創造了條件。一個例子是，通過基質進行深過濾。當水通過過濾器滲透時，微生物被吸附在基質上，形成複雜的群落。此外，純化路徑也會創造一係列不同營養豐富的繁殖環境。在這個過程的最後，營養物質基本上消耗到非常低的水平，從而產生了一個極端的環境。這種環境會激發微生物的極端應急反應，使它們更難以被消滅。
對於設計和維護適當的係統，純化水和WFI的微生物汙染風險較低。然而，無論何時檢測到微生物（超過規範時），都會造成重大危險。
良好的設計原則
雖然製水的不同階段都可以造成風險，但有許多設計和控製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域，它可以防止生產過程中產生的水重新進入供水係統。飲用水中的微生物附著在水箱的側麵和底部，形成生物膜。從罐中采集的樣品通常符合飲用水的標準，並且不會立即反映正在積累的生物量。主要預防措施是定期維護和衝洗。
（2）活性炭吸附床
吸附床基質由細碳組成，在去除低分子量有機物質方麵非常有效。它還可以氧化和去除氯等添加劑。它巨大的表麵積和營養物質的積累，再加上氯的去除，可以導致微生物的快速定植和增殖。大多數生物體是革蘭氏陰性菌，如果它們進行細胞裂解，會是內毒素的來源。控製整個供水係統的一個關鍵點是能夠定期用熱水或蒸汽對吸附床進行消毒，並經常更換。對於新的水係統，消毒應以更高的頻率（如每周）開始；根據微生物負荷的趨勢進行審查，隨著時間的推移（每月）可以減少。評估生物負荷模式需要6個月至1年的數據。
（3）水軟化劑
在有硬水的地區，需要使用軟化劑來防止對去離子器和反滲透係統的幹擾。當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，樹脂基質為潛在的微生物定殖提供了巨大的表麵積。消毒和控製措施，如紫外線和氯氣，對保持水質至關重要。
（4）去離子裝置
標準去離子係統由帶電樹脂柱組成。可以分別用於陽離子和陰離子去除，或者可以使用混合床係統。去離子的優點是，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。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，即細菌生長的風險。
電去離子係統允許連續的柱再生，而不需要添加再生劑。它們易於維護，但也能促進細菌生長。反滲透膜可以過濾掉細菌，但如果維護不當，細菌可能會生長。當細菌細胞壁的碎片破裂時，內毒素可以很容易地穿過反滲透膜。
（5）存儲和分配係統
設計不當的儲存和配送係統為微生物的重新定植創造了機會，最終導致產品汙染。定植通常很難檢測，因為生物膜緩慢而隨機地釋放汙染物（水中的微生物很少成正態分布，這意味著在辨別出總體趨勢之前，微生物的數量可能會隨著時間的變化而出現或消失）。
（6）儲罐
儲水箱通常由不鏽鋼製成。在使用時，確定內部表麵的容量、使用率和清洗和消毒頻率非常重要。定期保持水周轉有助於防止汙染；另一方麵，周轉緩慢會帶來更大的潛在汙染風險。儲罐應通風，以控製水位波動。為了防止外部空氣造成微生物汙染，通風口應安裝疏水性空氣過濾器。這種過濾器還用於避免過濾器堵塞，從而造成真空條件並導致罐體內爆。應定期進行排氣過濾器完整性測試（例如，每6個月或12個月進行一次）。
（7）儲存溫度
將WFI儲存在循環不鏽鋼係統中是標準做法，盡管有時在對水要求極低礦物質含量時，會使用聚氯乙烯氟化物（PVDF）材質。在65ºC至80ºC的溫度下運行的再循環係統是自我消毒的，但需要注意的是，應沒有低於65ºC的冷點。純化水係統可以熱或冷。下文將更詳細地討論冷水係統的關鍵方麵。
（8）管道和儲罐設計
如果設計不當或維護不當，管道和水箱比水係統的任何其他部分都更有可能受到汙染。設計良好的管道的一般要求是：
（i）光滑的內表麵。微生物對光滑表麵的粘附不如對粗糙表麵的粘附好，因此耐腐蝕性和避免聚集（氧化鐵的形成）很重要（可以通過不鏽鋼的電拋光來實現）。管道接頭和焊縫也會破壞平滑度。
（ii）水箱中的水持續流動和管道中的水快速流動。已經發現，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麵（並形成生物膜）的機會。在發生剪切力的地方，微生物很難粘附在表麵。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，尤其在用水點，如那些不經常使用的閥門。這可以通過衛生或"零死角"閥門來抵消，比其他閥門（如球閥）要好得多。死角的存在將導致生物膜的形成，從而產生內毒素釋放。正確的排水坡度也可以降低汙染風險。循環管路應從起點到回路傾斜（"下降"），以確保係統完全可排空。
（iv）避免泄漏。漏水會導致水與外部環境接觸，外部環境的細菌可以通過漏水點進入係統。儲罐的通風口應配備過濾器，以防止空氣傳播的微生物進入。它們甚至可以通過氮氣等惰性氣體的“包裹”下進入。
（v）高溫儲存和分配。盡管在上述控製方麵進行了最佳嚐試，但內毒素脫落生物膜的風險被認為具有如此重大的影響，以至於大多數製造商要求儲存和分配溫度保持在65°C以上。如果製造商有足夠的數據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，對於大多數藥物製劑而言，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製。應該注意的是，用於此目的的熱交換器可能是內毒素和細菌汙染的來源，因此可能抵消高溫循環的許多好處。
（vi）在適當的情況下（為了不造成浸出有毒物質的風險），在管道和儲罐表麵上使用塗層有助於解決生物汙染問題。
圖3：設計不良的輸水管道，死角
（9）冷水係統
淨化水係統通常使用臭氧、紫外線和在線過濾器來限製微生物數量，而不是高溫。需要考慮的要點是：
（i）臭氧被定期用於消毒。它攻擊微生物的外表麵，破壞細胞壁和細胞膜。
（ii）紫外線不是消毒劑，雖然它可以降低微生物的數量。效率取決於路徑長度、流速和光源的使用年限。在製藥水處理係統中，最常用來降低微生物數量的波長是254納米。紫外線對於催化用作消毒劑臭氧或過氧化氫的分解也非常有用，盡管其功效經常因維護不善或燈故障而減弱。
（iii）過濾器是定植的理想基質，需要仔細監測壓差，並經常進行消毒或更換。如果過濾器上形成了生物膜，消毒會殺死生物膜內的大多數微生物，但可能不會去除基質，基質可能會迅速重新定植。此外，種群中存在的高抗性“持久細胞”將不受影響並再生。
（iv）冷水係統通常使用熱塑性材料，因為它們比不鏽鋼（在低溫下）遭受的生物汙垢更少。用於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盡可能平緩且盡可能少；水龍頭的數量應保持在最小值。任何對水流順暢的破壞都會導致湍流，這為循環微生物粘附在可定植表麵創造更多機會，從而導致生物膜的形成。
（10）供水點
生產區的供水點包括通過輸送管道（或管道）將水從循環水回路輸送到使用點，輸送管道應由合適的無毒材料製成，如聚氯乙烯（PVC）、氯化聚氯乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯。輸送管道應在使用後排水，並定期更換（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汙染。安裝新卡套管之前應進行消毒；在使用之前（在規定的時間或給定的水量內）衝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汙染。
製藥用水係統當出現錯誤情況時
水係統控製的喪失和微生物汙染可能有多種原因，包括樹脂老化、過濾器老化、紫外線燈維護不善、維護不當、無法實現有效的熱分布、泄漏（如熱交換器）、死管段和水係統改造（如切斷管道）。
有多種選擇可用於處理和改善水質。選擇的方法取決於微生物惡化的原因、問題的來源、所需的水質、待處理的水量和分配係統的類型。係統設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汙染：加熱、化學物質、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，加熱可用於維持在65°C至80°C的熱水係統的循環回路中（≥75°C為最佳）。如果這被證明是不夠的，那麽應該有過熱係統的能力（將溫度升高到121°C一小時或更長時間）。
化學處理（如臭氧、氯、二氧化氯、過氧化氫、過乙酸和氫氧化鈉）適用於原水，但也可用於處理蒸餾、去離子和反滲透產生的水的分配係統。所用化學品的濃度取決於配水係統中水的位置。例如，如果達到每升遊離氯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遊離氯的典型時間在30到60分鍾之間。重要的是，任何添加的化學物質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於使用量適中且可以保持連續水循環的情況（即，水不斷返回儲罐並重新過濾，但抽出使用的水除外）。雖然過濾原理上運行良好，但對於高吞吐量來說，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過濾器來控製產品製造用水的汙染是不受歡迎的。過濾器隻能在分發過程之前使用。
紫外線輻射（254nm）用於消毒具有良好光學清晰度的水；它在多燈係統的再循環水係統中工作得特別好。雖然接觸時間因劑量和流速而異，但通常在1至10秒的範圍內。需要這段時間才能讓紫外線穿透水，並與任何存在的細菌接觸。
微生物監測
頻繁的監測對於驗證微生物控製非常重要。這涉及生物負荷評估，通常使用帶有膜過濾的微生物計數方法，並選擇低營養瓊脂（如R2A）作為培養基。在適用的情況下，還建議用鱟試劑進行細菌內毒素檢查。在這兩種情況下，行動或警戒限值都必須基於驗證數據，並且必須設置得足夠低，以表明正常操作條件發生了重大變化。
結論
在製藥配水係統中，微生物粘附會引發生物膜的形成，加劇水的汙染，降低飲用水的美觀質量，增加管道的腐蝕率，並通過增加病原體的存活率來降低微生物安全性。因此，微生物控製是工程師、生產人員和微生物學家關注的問題。
本文概述了水係統的微生物學，並概述了製藥級用水的設計、控製和生成。雖然已經討論了設計和控製的幾個方麵，但可能最重要的兩個方麵是避免積水（這總是汙染源），以及在水係統的每個步驟都有消毒規定。
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