制藥用水在線電導(dǎo)率儀補(bǔ)償方式研究

0引言

制藥用水作為制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要原 料,貫穿于整個(gè)藥品生產(chǎn)的全過程,因此制藥用水水質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的影響。制藥用水電導(dǎo)率作為水質(zhì)監(jiān)控中重要的指標(biāo),其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速反映水質(zhì)狀況,所以制藥用水系統(tǒng)無論是在產(chǎn)水口還是分配循環(huán)系統(tǒng)末端均安裝在線電導(dǎo)率儀,以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制藥用水電導(dǎo)率指標(biāo),并配合控制系統(tǒng)來完成水系統(tǒng)供水過程的電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)。

1電導(dǎo)率概念及原理

1.1電導(dǎo)率測(cè)量的概念

電導(dǎo)率是溶液中所有溶解離子種類(鹽、酸、堿和一些有機(jī)物)的非特征性綜合指標(biāo)參數(shù),反映物質(zhì)傳送電流的能力,是電阻率的倒數(shù)。

根據(jù)歐姆定律,通過溶液的電壓(V)與電流(I)成正比:

V=RI

電阻(R)為比例常數(shù),如果已知電壓就可以測(cè)出電流:

I=V/R 

電導(dǎo)G為電阻的倒數(shù):

G=1/R

電導(dǎo)測(cè)量值還取決于測(cè)量池的幾何形狀,由電極常數(shù)(K)表示,計(jì)算方法為電極間距(L)除以介于電極之間電解質(zhì)的有效橫斷面積(A):

K=L/A

在進(jìn)行電導(dǎo)率探頭校準(zhǔn)時(shí),除先校準(zhǔn)溫度以外,對(duì)電導(dǎo)檢測(cè)部分的校準(zhǔn)就是校準(zhǔn)電極常數(shù)(K)。2020版《中國(guó)藥典》“0681制藥用水電導(dǎo)率測(cè)定法”規(guī)定,電極常數(shù)必須在儀器規(guī)定數(shù)值±2%范圍內(nèi)^[1]。

電導(dǎo)率k:

k=GK

1.2電導(dǎo)率測(cè)量原理

電導(dǎo)率測(cè)量池由一對(duì)帶電的電極組成,通過儀器測(cè)量電流并計(jì)算電導(dǎo)率。當(dāng)對(duì)電極施加直流電時(shí),正電荷離子(陽離子)會(huì)朝向負(fù)極(陰極)移動(dòng),而負(fù)電荷離子(陰離子)會(huì)朝向正極(陽極)移動(dòng)。影響電導(dǎo)率的主要因素為溶液中的溶質(zhì)類型、溶質(zhì)含量與溫度。電導(dǎo)率是用于測(cè)定溶質(zhì)含量的,但溫度會(huì)影響離子的移動(dòng)速度,因此不同溫度下測(cè)定同樣的溶劑,溫度將會(huì)影響電導(dǎo)率。溫度高時(shí)離子移動(dòng)速度更快,則溶液的電導(dǎo)率隨溫度升高而升高。

電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系取決于溶液中離子類型和濃度,由于每種溶液的離子類型和濃度都不相同,因此補(bǔ)償時(shí)要選擇合適的方式。為了比較不同溫度下的測(cè)量值,需要把它們補(bǔ)償?shù)絽⒖紲囟?最好是降到同一溫度進(jìn)行測(cè)量。若無法實(shí)現(xiàn),那么測(cè)量?jī)x表將會(huì)采用不同的溫度系數(shù)α,將不同溫度下測(cè)量的電導(dǎo)率 值補(bǔ)償至參考溫度下的電導(dǎo)率值。溶液的溫度系數(shù)α是每1℃的電導(dǎo)率百分比變化量,取決于介質(zhì)的化學(xué)成分和溫度,是一個(gè)隨時(shí)變化的值。補(bǔ)償計(jì)算公式為:

K(T)=K(T₀)[1+α(T—T₀)]

式中:K(T)為不補(bǔ)償?shù)碾妼?dǎo)率;K(T₀)為線性補(bǔ)償后的電導(dǎo)率;T為真實(shí)溫度;T₀為需補(bǔ)償?shù)降臏囟?例如25 ℃。

2電導(dǎo)率補(bǔ)償?shù)哪康?

1)目前電導(dǎo)率使用“三步法”進(jìn)行測(cè)定。在第一步中,如將在線電導(dǎo)率作為放行標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行,就必須使用不補(bǔ)償?shù)姆绞?。如果在線數(shù)據(jù)不作為放行標(biāo)準(zhǔn),只用于過程控制,而把第二步離線測(cè)定作為放行標(biāo)準(zhǔn),那么理論上在線電導(dǎo)率儀表上可以進(jìn)行補(bǔ)償,但是補(bǔ)償方式?jīng)]有規(guī)定。

2)為了準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測(cè)水的純度,會(huì)使用在線儀表,但這種監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是去除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響,在更高的溫度下,離子變得更具流動(dòng)性,因此導(dǎo)電性更好,所以溫度波動(dòng)就會(huì)造成電導(dǎo)率的波動(dòng)。為了在過程控制環(huán)節(jié)去除溫度的影響,為系統(tǒng)控制與報(bào)警提供固定的限度值^[2],就需要對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償去除了溫度波動(dòng)對(duì)電導(dǎo)率檢測(cè)的影響,這樣能更好地進(jìn)行趨勢(shì)分析,制定出準(zhǔn)確的警戒限和行動(dòng)限。

3補(bǔ)償方式

現(xiàn)在能接觸到的電導(dǎo)率儀設(shè)備大部分來自梅特勒或E+H等一線大品牌,圖1、圖2是不同補(bǔ)償模式下,同一個(gè)梅特勒電導(dǎo)率儀在監(jiān)測(cè)過程中注射用水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的情況下的在線數(shù)據(jù)顯示。

1)同一種水質(zhì)(溫度略微變化)在線性25℃補(bǔ)償模式的電導(dǎo)率為0.237μs/cm,標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式的電導(dǎo)率為0.033μs/cm,不補(bǔ)償電導(dǎo)率為0.539μs/cm。由此可見,選擇合理的補(bǔ)償方式是呈現(xiàn)電導(dǎo)率檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

2)梅特勒變送器具有以下補(bǔ)償類型:

(1)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償包括對(duì)非線性高純度效應(yīng)和常規(guī)中性鹽雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償,并應(yīng)符合AsTM標(biāo)準(zhǔn)D1125和D5391要求。

(2)Light84補(bǔ)償與T.Slight博士在1984年發(fā)表的關(guān)于高純水的研究結(jié)果一致,只有對(duì)此方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后才能使用。

(3)Std75℃補(bǔ)償是75℃下的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償算法。在較高溫度下測(cè)量超純水時(shí),首選此補(bǔ)償方式(超純水的電阻率在75℃時(shí)是2.481 8 MΩ?cm)。

(4)線性25℃補(bǔ)償利用一個(gè)表示“%/℃ ”(偏離25℃)的系數(shù)來調(diào)節(jié)讀數(shù),只有當(dāng)溶液具有良好的線性溫度系數(shù)時(shí)才使用。出廠默認(rèn)值為2.0%/℃。

(5)線性20℃補(bǔ)償利用一個(gè)表示“%/℃ ”(偏離20℃)的系數(shù)來調(diào)節(jié)讀數(shù),只有當(dāng)溶液具有良好的線性溫度系數(shù)時(shí)才使用。出廠默認(rèn)值為2.0%/℃。

3)E+H變送器具有以下補(bǔ)償類型:

(1)線性溫度補(bǔ)償;

(2)Nacl補(bǔ)償;

(3)Nacl超純水補(bǔ)償(中性補(bǔ)償);

(4)Hcl超純水補(bǔ)償(酸性補(bǔ)償)。

儀表說明書顯示,梅特勒的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償適用于超純水18.20 MΩ.cm(25℃),制藥用水指標(biāo)達(dá)不到超純水的指標(biāo),顯然選用標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式是不正確的;E+H的線性溫度補(bǔ)償為25℃線性溫度補(bǔ)償模式。為了在不同廠家與不同應(yīng)用環(huán)境下做出統(tǒng)一的補(bǔ)償,最好的方式為采用25℃線性溫度補(bǔ)償模式。

根據(jù)圖3,如果選擇線性25℃補(bǔ)償,不同儀器之間默認(rèn)的補(bǔ)償系數(shù)不同,25℃線性補(bǔ)償就是將α作為一個(gè)固定值進(jìn)行計(jì)算O梅特勒為α=2%/℃,E+H為α=2.1%/℃。α=2%/℃的斜率適用于天然水、飲用水、冷卻水等,不適用于制藥用水。 因此,合理的補(bǔ)償系數(shù)成為電導(dǎo)率補(bǔ)償后數(shù)據(jù)真實(shí)性的關(guān)鍵。

4補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算

在設(shè)備安裝好以后,工程公司或設(shè)備廠家很少會(huì)對(duì)設(shè)備的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,一般為默認(rèn)值,因此需要設(shè)備維護(hù)人員經(jīng)過計(jì)算后進(jìn)行調(diào)整,在不補(bǔ)償模式下,根據(jù)USP表對(duì)比不同溫度下的電導(dǎo)率^[3]。

以下使用90 ℃補(bǔ)償?shù)?5 ℃時(shí)電導(dǎo)率為1.3 μS/cm的水,根據(jù)梅特勒電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)電導(dǎo)率補(bǔ)償計(jì)算公式K(T)=K(T₀)[1十α(T—T₀)],令α=2%/℃,當(dāng)K(T₀)=1.3μS/cm,T=90℃時(shí),計(jì)算得出K(T)=2.99μS/cm,而2.99μS/cm@90℃的水超過 USP表中的2.7μS/cm@90℃。如果按照這個(gè)補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行反推,補(bǔ)償后原2.99μS/cm@90℃的水補(bǔ)償?shù)?5℃時(shí)是1.3μS/cm,原不合格的水經(jīng)過補(bǔ)償后就合格了,顯然在實(shí)際運(yùn)行過程中選用2%的補(bǔ)償系數(shù)是不合適的,具體的補(bǔ)償系數(shù)需要根據(jù)具體的循環(huán)溫度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

例如,循環(huán)溫度為85℃ ,由于溫度波動(dòng)一般在80~90℃,選擇90℃時(shí)套入公式K(T)=K(T₀)[1十α(T—T₀)],當(dāng)K(T₀)=1.3 μS/cm時(shí),K(T)=2.7 μS/cm@90 ℃ 。經(jīng)過計(jì)算α=1.65%/℃。 80 ℃時(shí)套入公式K(T)=K(T₀)[1十α (T—T₀)],當(dāng)K(T₀)=1.3μS/cm時(shí),K(T)=2.7μS/cm@80℃。經(jīng)過計(jì)算α=1.96%/℃。因此,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況斜率應(yīng)該在1.65%~1.96%進(jìn)行選擇。

由圖4可知,針對(duì)不同的循環(huán)溫度應(yīng)選擇其中最高的溫度來計(jì)算相關(guān)的斜率,例如最高溫度90℃在1.65%補(bǔ)償系數(shù)模式下,電導(dǎo)率都會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)不補(bǔ)償?shù)姆秶畠?nèi),處于USP標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。但是如果選用80℃/1.96%的補(bǔ)償系數(shù)模式,90℃超標(biāo)的水,經(jīng)過補(bǔ)償后也會(huì)合格。所以,要在最高溫度下去計(jì)算并選取相應(yīng)的補(bǔ)償溫度系數(shù)。

補(bǔ)償后使用人員制定設(shè)備和系統(tǒng)電導(dǎo)率的警戒 限和行動(dòng)限更加方便O 但補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)不是最真實(shí)的數(shù)據(jù), 目前注射水系統(tǒng)的電導(dǎo)率采用不補(bǔ)償?shù)脑诰€檢測(cè)已經(jīng)成為趨勢(shì)。

5解決方案建議

目前部分品牌的電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)設(shè)備,有的型號(hào)具備同時(shí)傳輸補(bǔ)償和不補(bǔ)償信號(hào)的功能,可以在水系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)上同時(shí)接入兩個(gè)電導(dǎo)率信號(hào),將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔,用于系統(tǒng)趨勢(shì)分析,根據(jù)趨勢(shì)分析做出報(bào)警限,此報(bào)警限范圍是一定在USP表限值以內(nèi)的,這樣可以去除溫度影響做出合理的警戒限及行動(dòng)限。如果需要最真實(shí)的報(bào)警限,也可以將USP表植入程序內(nèi)部,做一個(gè)固定數(shù)據(jù)的補(bǔ)償,將USP表對(duì)應(yīng)的溫度值減去設(shè)定固定補(bǔ)償值等于報(bào)警值,這樣報(bào)警范圍也在USP表限值以內(nèi)。將不補(bǔ)償?shù)男盘?hào)作為顯示或生產(chǎn)數(shù)據(jù),具體管理可由公司QA部門作出相應(yīng)規(guī)定。同時(shí)接收兩組信號(hào)可以很好地避免電導(dǎo)率檢測(cè)時(shí)溫度波動(dòng)的影響,并滿足未來的趨勢(shì),顯示出最真實(shí)的電導(dǎo)率值。

6 結(jié)束語

制藥用水電導(dǎo)率檢測(cè)在實(shí)際生產(chǎn)中有著極其重要的作用,選擇合適的溫度補(bǔ)償方式與補(bǔ)償系數(shù)是企業(yè)生產(chǎn)過程中制定相應(yīng)質(zhì)量控制線的重要依據(jù)。設(shè)備維護(hù)人員可以根據(jù)產(chǎn)水與循環(huán)溫度對(duì)儀表初始補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,選用最高溫度的點(diǎn)作為補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)。

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2024年第19期第15篇