纯水系统原理介绍 for Pharma

1、I純水系統原理與應用For PharmaI純水討論內容4水中污染物種類及說明.4各種污染物之檢測單位及其定義.4各種純化方法之說明.如過濾/活性碳/逆滲透/離子交換/電子式去離子/光氧化等.4用水觀念之探討.I為什麼要使用超純水?4最佳化學分析儀器之Detection Limit .4水中污染物之種類及濃度無法確認及穩定供給,所以再現性 會有很大的麻煩.4所以超純水的重要性在於其能提供-1.低污染物背景. 2.高一致性(Consistency)之品質.水中污染物之分類及說明重點18.2Mohm.cm的超純水只能代表水中陰陽離子之濃度趨近於零, 但完全無沒表示水中有無其它種類污染物之存在.I自來

2、水中各種污染物之分類無機鹽類無機鹽類有機化合物有機化合物懸浮顆粒懸浮顆粒 (膠體)微生物微生物(內毒素內毒素)陽離子陽離子 陰離子陰離子 Na+ Cl Ca HCO 2+-天然來源天然來源 環境污染物環境污染物 單寧酸/腐植酸 殺蟲劑/除草劑非可溶性顆粒性物質非可溶性顆粒性物質 (Small Non-deformable solids with a net negative charge) 細菌藻類細菌藻類 真菌真菌 (polyliposaccharide of Gram negative bacterial cell wall) H H H-C-C-OH H H-3-I在純水中微生物適應之道

3、10 um3 um “具黏性”多醣類物質黏膜 (Glycocalyx) 菌膜菌膜(Biofilm) 之形成過程之形成過程I在沉澱物堆積的底部表面上,會有足夠的有機物及鹽類供給會有足夠的有機物及鹽類供給細菌會黏在各種沾濕材料細菌會黏在各種沾濕材料(wetting material)上上, 以主動方式分解及吸收所需養份以主動方式分解及吸收所需養份.菌膜菌膜(Biofilm)之形成過程之形成過程I各類細菌各類細菌有機物顆粒有機物顆粒無機物顆粒無機物顆粒I細菌細菌有機物顆粒有機物顆粒無機物顆粒無機物顆粒內毒素內毒素(endotoxin)菌膜會對環境釋放出內毒素,細菌,酵素及高分子有機分解物菌膜菌膜(B

4、iofilm)生態體系生態體系之形成形成I水中各種污染物之量測單位水中各種污染物之量測單位污染物 檢測名稱 使用單位 無機鹽類無機鹽類 比電導度比電導度 (比阻抗值比阻抗值) uS/cm (Megohm.cm) 有機物有機物 總有機碳總有機碳 (Total Organic Carbon) p.p.b. (ug/L) 懸浮顆粒懸浮顆粒 Silt Density Index / Fouling Index Rate of pluggage of 0.45 um membrane. 微生物微生物 生長在生長在 0.45 微米濾微米濾膜上之菌落數膜上之菌落數. CFU/ml (Colony Formi

5、ng Unit/ml) 內毒素內毒素 - Rabbit Inoculation test - LAL Test Endotoxin units/ml EU/ml I4超純水中之陰陽離子含量可由導電值或 電阻值表達；兩者互為倒數運算關係。 0.1 Mcm = 10 S/cm 1 Mcm = 1 S/cm 10 Mcm = 0.1 S/cm 超純水超純水 : 18.2 M cm 或或 0.055 S/cmcond.docI量測尺度比較4ppm : 百萬分之一 ; mg/liter4ppb : 拾億分之一 ; microgram/liter4ppt : 壹兆分之一 ; nanogram/liter

6、32年之 1秒鐘等於- 1 ppb. !I飲用自來水純水純水超純水 無機鹽類無機鹽類 有機物有機物 微生物微生物 懸浮固體懸浮固體純水之一般性定義* 0.055 us/cm * 18.2Mohm.cm at 25 C * Ions = ppt (10-50 ng/L range) * 3-20ug/L* 大於0.22um之顆粒數應為零 * 1cfu/ml* 0.1-1.0 us/cm * 1-10Mohm.cm * Ions = ppb (ug/L range )*50-200ug/L*10-100cfu/ml*需有合 理的過濾處理 *100-2000us/cm*500 -7000ug/L *

7、 0.5 - 7 mg/L* 100cfu/mlN.A.oI水質純化方法介紹及說明水質純化方法介紹及說明4過濾法過濾法4活性碳過濾法活性碳過濾法4逆滲透法逆滲透法4離子交換樹脂法離子交換樹脂法混床式電子式去離子方式(EDI)4碳酸鈣結垢控制碳酸鈣結垢控制 軟水機 螯合物/聚磷酸4超過濾法超過濾法4UV (185nm) 光氧化有機物法光氧化有機物法I過濾法過濾法 兩種主要過濾型式 深層過濾式 表面過濾式(濾膜) 深層過濾 - 攔截方式 表面過濾 - 篩選方式I過濾法過濾法深層過濾法 常用材質常用材質 Cotton Fibers Glass Fibers Polypropylene Nylon F

8、ilaments Sand Grains 孔隙度特性孔隙度特性 Nominal 工作範圍 0.5-1000um 濾紙厚度濾紙厚度 1-3mm30um 細微玻璃纖維1500X 放大I過濾法過濾法微孔濾膜法微孔濾膜法 常用材質常用材質 Nylon P.V.D.F. ( Durapore ) P.T.F.E.(Teflon) Cellulose Esters 孔隙度特性孔隙度特性 絕對過濾 工作範圍工作範圍 0.1 to 10 um 材質材質(濾膜濾膜)厚度厚度 150um掃描式電顯放大2000倍所攝之0.22 Durapore濾膜表面. 被標準ATTC綠膿桿菌 Pseudomonas Diminu

9、ta所挑戰之濾膜 0.22um Durapore之掃描電顯之表面照片. I過濾法過濾法 整體比較整體比較 深層過濾深層過濾 結構凌亂 過濾孔隙度一致性低 使用深層過濾濾材來攔截顆粒性污染物 可過濾大量顆粒性雜質 / 工作量大 濾膜過濾濾膜過濾 結構一致性高 孔隙度準確 過濾以濾膜表面阻隔顆粒為主 低顆粒性雜質處理能力I活性碳過濾法活性碳過濾法 使用原料種類使用原料種類 椰子殼 木材 煤碳 原油 / 高分子材質 活化處理方法活化處理方法 加熱處理 化學處理經活化處理過之活性碳產生大量之大/小孔隙,使整體表面積大增,使表面吸附能力大增活性碳可吸附之表面積活性碳可吸附之表面積 1000 m /gra

10、m2I活性碳內部構造活性碳內部構造 可有效中和漂白水等強氧化劑可有效中和漂白水等強氧化劑 可大量吸附水中有機物質可大量吸附水中有機物質活性碳顆粒活性碳顆粒I天然天然 人工合成活性碳人工合成活性碳I水中碳酸鈣結垢控制Ca+ + CO3=CaCO3(S)碳酸鈣因過飽和而沉澱之化碳酸鈣因過飽和而沉澱之化學式學式ICa+ + 2 Cl-NaRNaRNaRNaR4 Na+ + 4 Cl-CaRRRR“硬水硬水“軟水軟水陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂MgMg+ + 2 Cl-軟水過程結垢控制結垢控制I軟水系統再生過程Cl-NaRNaRNaRNaRMg+ + 2 CL-Ca+ + 2 Cl-剩餘之剩餘之Na+

11、 Cl-Na+CaMgRRRR需使用飽和鹽水來再生軟水系統需使用飽和鹽水來再生軟水系統高濃度之高濃度之 NaCl被再生之陽離子樹脂被再生之陽離子樹脂飽和並耗盡之陽離子樹脂飽和並耗盡之陽離子樹脂I滲透原理純水純水(滲透壓較低滲透壓較低)具有選擇性通透特性之具有選擇性通透特性之半通透膜半通透膜含有各種污染物之含有各種污染物之自來水自來水(滲透壓較高滲透壓較高) I純水純水(滲透壓相對較低滲透壓相對較低)(具有選擇性過濾之半通透膜具有選擇性過濾之半通透膜)水流流動方向水流流動方向水流自低滲透壓自然流向高水流自低滲透壓自然流向高滲透壓滲透壓,此乃正常滲透現象此乃正常滲透現象含有各種污染物之含有各種污染

12、物之自來水自來水(滲透壓相對較高滲透壓相對較高)滲透壓差滲透壓差自然狀態下之滲透現象I逆滲透純水逆滲透純水(低滲透壓低滲透壓)水流方向水流方向:自高滲透壓流向自高滲透壓流向低滲透壓低滲透壓,此乃逆滲透現象此乃逆滲透現象較高滲透壓較高滲透壓較高雜質之較高雜質之自來水自來水逆-滲透現象Reverse - Osmosis外力加壓外力加壓含有高濃度污染含有高濃度污染物之排放水物之排放水I各種水溶液之滲透壓各各地地 自自來來水水 水水中中鹽鹽份份濃濃度度 mg/L 滲滲透透壓壓 (bar) NaCl (海水) 350,000 27.86 花蓮地區 自來水 150 0.12 翡翠水庫 自來水 40 0.0

13、3 臺中地區 自來水 200 0.16 高雄地區 自來水 350 0.28 I利用掃描式電子顯微鏡拍攝之逆滲透膜橫切面照片說明: 此為複合式逆滲透膜, 上層為真正逆滲透膜, 厚度佔整體厚度之百 分之一左右, 其餘為 支撐結構.逆滲透膜之結構放大倍率: 一萬倍 I切線流 RO Tangential Flow逆滲透膜逆滲透膜產產 水水 廢廢 水水進進 水水I逆滲透之重要參數自來水/原水逆滲透純水排放水精緻逆滲透膜之效能精緻逆滲透膜之效能 95 - 99%陰陽離子 去除率(Rejection) 99%有機物 去除率(Rejection) 99%顆粒及微生物 去除率(Rejection) 回收率回收率

14、(Recovery %)20-40%(系統具有回收功能時)I離子交換樹脂之去離子原理R - SO H + Na R - SO Na + HR - NH OH + Cl R - NH Cl + OH33 _+44_陽離子交換樹脂(磺酸)陰離子交換樹脂(四級氨離子) H O2INa+ + Cl-混床式離子交換方式R-Na+R-H+R-OH-R-Cl-H+ + OH- = H2O可純化出可純化出 18.2 Megohm.cm 之超純水之超純水I強酸鹼化學樹脂再生R-OH-R-Cl-R-Na+R-H+陽離子交換陽離子交換 樹脂樹脂陰離子交換陰離子交換樹脂樹脂Na OHH Cl+-Na ClNa ClI

15、 再生後樹脂離子交換樹脂染色: Methyl Red (陽離子) Bromophenol Blue (陰離子)I電子連續式去離子純化原理電子連續式去離子純化原理(EDI) Electrochemical Regeneration of Ion Exchange ResinsACAC電陽極電陽極電陰極電陰極A -陰離子通透膜陰離子通透膜 C - 陽離子通透膜陽離子通透膜Na+H+Na+H+H+H+OH-OH-Cl-Na+排放廢水排放廢水高純度純水高純度純水OH-OH-+_Cl-Cl-H+OH-H+OH-水中代表性污染物鹽類水中代表性污染物鹽類 (NaCl)I超過濾原理及功能 使用超濾膜可有效去除

16、水中之內毒素,Nuclease,膠體及病毒. 一般皆使用分子量為5000 MWCO.做較有效 之污染物去除. 需定期消毒及定時沖洗以達其預定功效之目的. MWCO(Molecular Weight Cut-Off)I紫外線光氧化原理 使用低汞蒸氣壓燈氬氣/汞蒸氣放電電極超純度石英管壁紫外線放射I紫外線/光氧化之輻射波長波長波長 (n.m.)185 n.m.254 n.m.相對輻射強度相對輻射強度%100% 20%殺菌用波長造成光氧化作用之波長I氫氧自由基之循環途徑 UV at 254 nm+ H2OH2O2 + O2UV at254 nm 1.5 O2UV at185 nmO3UV at254

17、 nm+ H2OO2 + O. 2 OH. 氫氧自由基 UV at254 nmI水中有機物之光氧化途徑水中有機物之光氧化途徑CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+CH3OH + 2 OH. HCHO + 2 H2O(甲醇) UVHCHO + 2 OH. HCOOH + H2O (甲酸)UVHCOOH + 2 OH. CO2(aq) + 2 H2OUVI重要用水觀念(1)4愈純的實驗室用水, 愈不宜久放. 因為對18.2 Megohm.cm 之超純水來說,放置一小時之後, 阻抗會下降至4Mohm.cm, pH 則降至5.7左右, 更遑論用水環境及容器所造成的污染 (如空氣中灰塵,接

18、觸容器所產生之溶出物以及儲水桶之微生物污染).4所以現取現用是非常重要的一個觀念.I空氣中二氧化碳與純水所產生之化學反應公式CO2 + H2O H2CO3H2CO3 H+ + HCO3-HCO3- H+ + CO3-+ 重碳酸根離子重碳酸根離子+ 純水純水空氣中之二氧化碳空氣中之二氧化碳= 碳酸碳酸氫離子氫離子碳酸碳酸重碳酸根離子重碳酸根離子+ 碳酸根離子碳酸根離子氫離子氫離子I因空氣中二氧化碳溶於超純水而造成水質之劣化比阻抗值比阻抗值 (M -cm)10-20-4-0-20406080100 時間時間(分鐘分鐘)1.從碳酸中解離出之氫離子濃度從碳酸中解離出之氫離子濃度 H+ = 2 x 10

19、-6 或或 pH= 5.72.因因氫離子氫離子及及碳酸根離子碳酸根離子增加增加,造成比阻抗值下降至造成比阻抗值下降至 4 左右左右.I重要用水觀念(2)4比阻抗值僅能用來表示水中離子濃度高低, 與其它污染物之濃度無關.418.2 Megohm.cm超純水之含意僅能代表水中總離子濃度在1 ppb 以下, 其它污染物需以不同的方法來檢測.4影響實驗結果及再現性的, 絕不僅於離子而已.舉例來說, 很難想像大量存在在自來水中又很難去除之矽酸鹽, 會對生物性酵素活性有極大的影響,所以美國 National Committee of Clinics and Laboratory Standards 所建議

20、之矽酸鹽濃度需低於 10 ppb,這是眾多需要謹慎處理之水中污染物之一 .I以刻意添加有機物以刻意添加有機物(蔗糖蔗糖) 於純水中於純水中,做為做為Milli-Q之進水後之進水後,其所產製的超純水之水質變化其所產製的超純水之水質變化. 0306090120150180210240用水時間累積用水時間累積 (分鐘分鐘)8101214161820比阻抗值比阻抗值, megohm-cm020040060080010001200有機物有機物(TOC), ppb比阻抗值比阻抗值有機物有機物I重要用水觀念(3)4儘量避免純水系統中有菌膜(Biofilm)的形成, 因為一旦菌膜形成,除了會造成下列問題外,沒

21、有任何方法可以有效根除.4菌膜會使超純水無法達到ASTM所建議Type 1水質中微生物數(內壓升高系統漏水加壓幫浦損傷.4菌膜也造成離子交換樹脂無法正常工作.4菌膜也會阻塞 RO 膜,使 RO 膜無法正常工作I重要用水觀念(3)-繼續-4以下是防治菌膜的方法. 準時消毒 RO 膜. 定期清洗儲水槽(用藥或不用藥). 準時更換耗材,不管用水量大小,因為凡是浸泡在水中之耗材,皆會無可避免的會形成菌膜. 合理的用水量,可以確保純水系統的穩定性.I重要用水觀念(4)4取用超純水之環境良好及容器的好壞對超純水之最終水質表現具有關鍵性影響.4對於操作範圍需在 ppb或ppt以下,但室內灰塵缺乏過濾,空氣對

22、流強烈,容器Rinse不夠徹底,樣本容器不加蓋或密封性不足,容器易有溶出物等問題存在時,應考慮改善.I2 weeks1 day1 week1 hourControl5101520250Minutes超純水儲存在聚乙烯容器所產生之有機溶出物超純水儲存在聚乙烯容器所產生之有機溶出物 ConditionsWater samples: 40ml trace enrichment 2.0 ml/minColumn: C18 reversed phase (Waters)Gradient: linear 100% water to 100% acetonitrileWavelength: 254 nmI不

23、同來源純水對不同來源純水對HPLC Baseline 之比較圖之比較圖 50ml trace enrichment on C18, 0-100% acetonitrile/H2O: detector at 214nm時間(分鐘)0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500246810121416UV 吸光值 (AU)瓶裝HPLC用水-1瓶裝HPLC用水-2中央式供水系統具有光氧化功能之Milli-Q純水 帶有內襯之瓶裝HPLC用水-3I重要用水觀念(5)4純水系統濾材的更換原則, 有“條件說”及“時間說”兩種, 兩者並重.4條件說: 1.儀表顯示值劣於標準值. 2. 壓 力損失過大,表示明顯有了阻塞現象. 3.水質檢測結果顯示水質有問題時.4時間說: 定期更換,以避免菌膜(Biofilm)的發生以及維持純水系統之最佳狀態,以避免實驗上所發生的不確定風險.I重要用水觀念(6)4純水水質的等級表達在國際間普遍以ASTM或NCCLS為共通標準,而國內慣用所