制药工程工艺之窗 -注射剂除菌、灭菌工艺及设备选择

注射剂简称针剂，指用针头通过肌肉或血管给药的一种制剂，包括灭菌或无菌的溶液、混悬液、乳浊液和临用前制备成溶液或混悬液的无菌粉末。其特点是：药液注入后作用迅速、吸收快、剂量准确、作用可靠；不经消化道避免被消化液破坏；适用于不能吞咽或昏迷患者给药；可局部定位给药。由于通过注射给药，所以质量要求特别高。故注射剂必须满足无菌、无热源、澄明度、安全性、pH值、渗透压、稳定性质量指标要求。注射剂按分散系统可分为溶液型注射剂、注射用灭菌粉剂、混悬型注射剂和乳浊型注射剂等4类^[1]。

无菌药品是指法定药品标准中列有无菌检查项目的制剂^[2]及其原料药，无菌药品的生产须满足其质量和预定用途的要求，以最大限度降低微生物、各种微粒和热原的污染。生产人员的技能、所接受的培训及其工作态度是达到上述目标的关键因素，无菌药品的生产必须严格按照精心设计并经验证的方法及规程进行，产品的无菌或其他质量特性绝不能只依赖于任何形式的最终处理或成品检验^[3]。按生产手段及生产环境空气洁净度级别要求，可分为最终灭菌和非最终灭菌药品。洁净区的设计必须符合相应的洁净度要求，包括达到“静态”和“动态”的标准。“静态”是指所有生产设备均已安装就绪，但未运行且没有操作人员在场状态。“动态”是指生产设备按预定的工艺模式运行并有规定数量的操作人员在现场操作的状态。无菌药品可分为最终灭菌和非最终灭菌注射剂。所谓最终灭菌指大小容量注射剂，它可以通过灌装后对其产品进行灭菌达到无菌要求。而非最终灭菌指粉针剂（包括原料药）在精制过程中进行灭菌、除菌（包括除热原）和在无菌的条件下进行干燥、包装及分装。

此类药品主要指大小容量注射剂及其原料药，其药品可溶于水或油性溶剂，在水中稳定，一般其热敏性较低，在灭菌温度下成分不易分解。在制剂生产的规格上又分为大容量和小容量注射剂，大容量则直接通过静脉滴注给药，而小容量则一般通过肌肉注射给药。由于其给药方式产生的药效快、剂量准确，若药液质量（尤其是染菌或热原超标）有问题，则其后果不堪设想，所以必须把好生产中质量控制的每一个环节。

无菌原料药指用于制备最终灭菌和非最终灭菌药品制剂的原料。无菌性及不溶性微粒污染是无菌原料药区别于非无菌原料药的两大特征，也是质量控制的重要项目。为此，相应的工艺条件与环境应该达到相应标准。大部分无菌原料药是在以后的制剂生产中不再进行灭菌处理的无菌药品，所以要求其生产环境、条件与GMP中该类药品制剂工艺和环境要求相一致。

一般精制方法即将粗品溶于符合质量要求的定量溶剂（需经除菌过滤）内在规定的温度下进行脱色除热原，经脱色过滤的滤液再在精制区经预过滤器及密闭管道系统和终端除菌后进入结晶罐（或中间罐）进行重结晶，晶体溶液经“三合一”过滤得成品。而用于喷干或冷干的饱和滤液则经中间罐再经除菌过滤方可进入喷（冷）干设备。

传统的结晶器主体设备包括结晶罐、离心机、干燥器、过滤器、灭菌设备、空气过滤设备、水处理系统，应定期对设备管道系统及工器具进行清洗灭菌；为防止纯水、注射用水和药液染菌，其储罐排气管道应设疏水性除菌过滤器。现在已经有集过滤、洗涤、干燥为一体的“三合一”设备，无疑此设备使工序大大简化，减少设备与操作的中间环节，也降低污染的几率。用于无菌原料药干燥的设备一般喷雾干燥、冷冻干燥或“三合一”设备，产品质量能得到保证。前两者要求干燥前的药液必须达到无菌、无热原的质量要求，同时，还必须有确保后续工序不会造成新的微粒及微生物的措施。在此，应该提醒注意的是药液及压缩空气、氮气等工艺用气体的过滤精度与过滤程序，必须达到除菌的精度要求（一般过滤粗滤→深层过滤→终端除菌，精度为0.22～0.1 μm）。

在生产前对触药设备和管道系统进行清洗和灭菌，并在生产过程中保证其无菌性和不受微粒污染是关键。灭菌通常是用纯蒸汽对设备及管道内部在线灭菌，再用福尔马林喷雾的方法与环境一起进行外表消毒。有些设备无法用纯蒸汽在线灭菌，如开放式离心机，则用喷雾消毒后以大量注射水淋洗后再用70%乙醇或异丙醇淋洗后干燥^[4]。

过滤除菌是原料药无菌化的最主要手段，因此对过滤除菌工艺验证十分重要。首先验证所使用的过滤器及其管道系统是否符合设计要求，滤过的产品能否达到质量指标，最主要是无菌性、内毒素或热原低于限定水平。其内容：过滤系统对所滤溶液的适应性、滤材对溶液的污染程度、整个过滤系统的规格、过滤系统的完整性试验、除菌效果、被过滤药液的含菌量控制及过滤时间限定、滤器的使用寿命。对于过滤器的灭菌要求应注意允许的最高灭菌温度、最长累积灭菌时间、安装方法和流体的流动方向。

最终灭菌小容量注射剂(俗称水针剂)指装量小于50 ml，采用湿热灭菌法制备的灭菌注射剂，除一般理化性质外，无菌、热原或细菌内毒素、澄明度、pH值等项目检查均应符合规定。此外，其所用原料、附加剂、溶剂应符合注射用标准；在配制、灌装时严防微生物污染，已配制药液保证无菌热原符合要求并在规定时间内灌装；pH值需设定内控范围及调节方法；需要惰性气体保护产品，惰性气体应符合规定标准。洁净区的设计必须符合相应的洁净度要求，包括达到“静态”和“动态”的标准。GMP认证强力推动水针工艺技术的革新，其操作方式从手工间歇方式向连续式洗灌封联动机组过渡，尤其通过引进、消化、吸收，我国水针的工艺装备有了很大的改观。在生产过程中，质量控制要点除满足原料药规定外，为保证无菌及热原应满足相应控制点与验证要求。

工序	质量控制点	质量控制项目	频次
洗瓶	隧道烘箱	温度	定时/班
	洗净后安瓿	清洁度	定时/班
	烘干后安瓿	清洁与干燥程度	定时/班
配液	药液	澄明度、色泽、滤芯必须做起泡点试验	每批
灌封	烘干后安瓿	清洁度	随时/班
	药液	色泽澄、明度	随时/班
	灌封后半成品	澄明度、药液装量	随时/班
灭菌	灭菌柜	标记、装量、温度、时间、真空度、记录	每柜
灭菌	灭菌前后半成品	外观清洁度、标记、存放区	每批

类别	项目	控制标准		方法
药液过滤系统	滤器的完整性	孔径0.45 μm；≥0.24 MPa 孔径0.22 μm；≥0.34 MPa		起泡点试验
	澄明度	部颁《澄明度检查细则及判断标准》		灯检法
	细菌内毒素	≤0.25 EU/ml		按《中国药典》方法
	微生物指标	≤100 CFU/100 ml		按《中国药典》方法
容器管道清洁验证	残留清洁剂	pH 5～7		pH计(与注射水对照)
	细菌内毒素	≤0.25 EU/ml		按《中国药典》方法
	微生物指标	微生物≤100 CFU/100 ml		按《中国药典》方法
内包装容器清洗效果验证	澄明度	无可见异物		灯检法
	酸碱度	pH 5～7		pH计(与注射水对照)
	细菌内毒素	≤0.25 EU/ml		按《中国药典》方法
	微生物指标	微生物≤100 CFU/100 ml		按《中国药典》方法
灌封系统验证	惰性气体纯度含量99.9%以上
	瓿内充惰性气体		残氧量	符合工艺要求
热压蒸汽灭菌柜验证	热分布试验		最冷点与平均温度＜2.5 ℃	模拟生产状态,温度记录
	热穿透试验
	生物指标剂试验		无菌保证值＞6	用嗜热脂肪杆菌芽孢无菌检查

湿热灭菌指将物品放在灭菌器内，利用高压饱和蒸汽等手段进行灭菌的方法。饱和蒸汽潜热大，穿透力强，容易使微生物蛋白质变性凝固，其灭菌能力强，因此湿热灭菌是最有效及用途最广的灭菌方法。注射剂制备中常用的湿热灭菌法包括热压灭菌和流通蒸汽灭菌。各种微生物对湿热的抵抗力不同，细菌孢子较细菌对湿热的耐受力更强。然而，在一个大气压下，水温最高只可达100 ℃，除非用很长时间，否则很难将细菌孢子杀灭。如欲使湿热的温度提高到100 ℃以上，则需采用热压方法。热压灭菌的压力越高，所需时间越短。注射剂灭菌通常采用的灭菌条件为121 ℃×15 min或115 ℃×30 min。注射剂灭菌也可采用其他温度和时间参数，但必须保证制剂灭菌后的SAL≥10^-6。

压力蒸汽灭菌柜柜室内原有冷空气，需要排净以免影响加热效果。残存冷空气排除可分两种方法，预真空式和下排式，其区别是将排除的方式由被动性改为主动性，即由被蒸汽从上至下靠重力推出变为由真空泵抽出。预真空压力蒸汽灭菌柜操作方法分为两类：一类是采用一次抽真空，将柜室内冷空气减少至规定要求程度的预真空法；另一类是采用多次抽真空，将柜室内冷空气减少至规定要求程度的脉动真空法。

预真空压力蒸汽灭菌柜具有：(1)柜室内冷空气的排除较下排气式彻底，从而作用温度提高，整个灭菌周期明显缩短；(2)柜室内氧气随之减少，使作用时间缩短，故即使作用温度提升至较高，如132～134 ℃、4 min，对物品的损坏亦较下排气式灭菌121 ℃、20 min时为轻；(3)具有比下排气式灭菌柜节约能源、减轻劳动强度、受包装和物品摆放等因素影响较小等优点；(4)比下排气式灭菌柜结构复杂，制造成本高。一次抽真空，对真空泵和柜室的密封要求很高，增加维修工作量；(5)可产生小装量效应，即当物品装量过少，残留气体可将小装量物品包围形成屏障，阻碍蒸汽穿透，可使灭菌失败。

适用范围：(1)适用范围与下排气式蒸汽灭菌柜基本相同，只是由于所抽负压较强，可使敞口瓶内所装液体溢出，故不得用于敞口瓶装液体的灭菌；(2)由于采用强制式抽真空且负压较强，排除冷空气能力更强、排除冷空气更彻底，因而比下排气式灭菌柜更适于织物类物品的消毒灭菌。
2.3.3 脉动真空式蒸汽灭菌柜的基本特点
由于预真空法一次抽真空至-98.64 kPa(20 mmHg)，对设备密封要求高，且可产生“小装量效应”，而脉动真空法在一次抽真空的预真空法基础上改为多次抽真空法，即灭菌时，先抽真空至-95.98～93.31 kPa(40～60 mmHg)，送入蒸汽将压力上升至101 kPa，而后再抽气至负压状态，如此反复抽送3～5次，即可相当于一次抽真空至-98.64 kPa时空气的排除程度。虽然，脉动真空法在抽真空上要多花一些时间，但负压较一次抽真空的预真空法小，因而对真空泵和柜室的密封要求较低，且可防止“小装量效应”的出现，效果更为可靠。为此，对蒸汽灭菌柜而言，我国目前推广的主要是脉动真空式灭菌柜。
2.3.4 检漏灭菌柜
检漏灭菌柜通过附加的真空泵、色水罐、色水泵，利用真空或真空加色水技术，对安瓿针剂、口服液和小输液瓶等在灭菌前或灭菌后实施真空检漏，并由附加的喷淋装置进行检漏后的清洗，以方便后续灯检和印字等作业程序。同时，还有预真空排气功能，与水浴式检漏灭菌柜相比，其缺点是柜内温度的均匀性、温度梯度变化的均衡性不如水浴式，故在达到灭菌效果的同时，也可能部分地影响药品和产生爆瓶现象。

最终灭菌大容量注射剂也称大输液或输液，指50 ml以上最终灭菌注射剂，采用湿热灭菌法制备的灭菌注射剂。除一般理化性质外，无菌、热原或细菌内毒素、澄明度、pH值等项目检查均应符合规定。此外，其所用原料、附加剂、溶剂应符合注射用标准；在配制、灌装时严防微生物污染，已配制药液保证无菌热原符合要求并在规定时间内灌装；pH值需设定内控范围及调节方法。其容器有瓶型或袋型两种，材质有玻璃、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或复合膜等。由于它通过静脉直接进入血液系统，故应在生产全过程采取防止微粒、微生物、内毒素污染。相比较，玻瓶为容器的灌封工艺，工艺流程长易造成污染的环节多，储运亦不方便，而且，硬瓶输液还存在病房污染性空气回瓶，可能造成微生物污染危险。所以，除某些药品不能用塑包外，西方最终灭菌大容量注射剂大多采用塑瓶或塑袋包装。目前，国内玻瓶为包装容器的比重正在大幅度降低，由原来的90%降至60%以下。而塑袋（瓶）包装则上升至40%左右并呈逐渐上升趋势。大输液是我国包装形式和规格变化最大的一个剂型，在大规模GMP认证前的20世纪90年代初，基本上仅有玻璃瓶一种形式，通过大规模的GMP改造，国内一些经济上有实力的企业分别引进塑料瓶、塑料袋生产线。按材质塑料瓶分为PP瓶、PE瓶及不同硬度的硬塑瓶和半硬瓶，而软袋又可分为非PVC和PVC及复合袋（三合一袋），近几年来又有多室袋问世，其比例大体上呈玻瓶︰塑瓶︰塑袋=4︰4︰2的发展趋势。而非PVC膜袋集中了输液包装材料的优点，同时又避免回气对输液的二次污染。它唯一的缺点是价高，但随着膜材的国产化，此缺点将被克服。所以，它是最有使用价值的包装材料。

输液剂（大容量注射剂）由于体积较大，热量不容易穿透、传热慢，为保证灭菌效果，不适合采用流通蒸汽灭菌法。同样，由于容量大也不适合应用过滤除菌法。输液剂通常应采用热压灭菌法进行灭菌，同时热压灭菌的温度和时间应达到无菌保证的要求。对于热不稳定的药物，建议制成注射剂时首先考虑选择粉针剂，也可考虑小水针。

工序	质量控制点	质量控制项目	频次
洗瓶	过滤后纯化水	澄明度	定时/班
	过滤后注射水	澄明度	定时/班
	洗瓶过程	水温、水压、毛刷、洗涤剂浓度	定时/班
	洗净瓶	残留水滴、洗涤水、pH值、瓶清洁度	定时/班
配液	配制原辅料	复核	每批
	药液	澄明度、主药含量、pH值	每批
	微孔滤膜	完整性试验	使用前后
灌封	涤纶薄膜	洗涤水澄明度、氯化物	定时/班
	灌装后半成品	药液装量、澄明度、铝盖紧密度	定时/班
	灌装后半成品	微生物污染水平	每批
灭菌	灭菌柜	标记、装量、温度、时间、压力、排列层次、记录	每柜
	灭菌前半成品	外壁清洁度、标记、存放区	每柜
	灭菌后半成品	外壁清洁度、标记、存放区	每柜

内容	验证对象	验证工作要点
生产设备及工艺	洗瓶机	最终淋洗水样的澄明度、不溶性微粒、微生物、细菌内毒素、pH值、氯化物
	灌装机	速度、装量符合《中国药典》要求、充氮性能、封口密封的完整性
	药液过滤系统	淋洗水的不溶性微粒、微生物、澄明度、灌装前后过滤器完整性检查
	压盖	完整性外观检查、三指法拧盖不得有松动
	灭菌柜	热分布、热穿透、生物指示剂
	灭菌工艺	灭菌工艺条件（温度、时间、放置数量、排列层次）
	在线清洗	清洗消毒效果：活性成分残留量、不溶性微粒、微生物、细菌内毒素
	生产工艺变更	稳定性、化学指标均一性、灭菌前微生物、澄明度
	主要原辅料变更	对供货商质量审核、活性成分含量、稳定性、热原

大容量注射剂灭菌设备应具备的基本条件：(1)消毒灭菌效果的可靠性与有效性。湿热蒸汽灭菌是否能达到灭菌要求最主要看它的热分布和热穿透指标。由于大输液规格体积大，柜内容量大，所以热分布和热穿透的衡量指标十分重要；(2)操作条件适应性强和操作方法简便并具有运行的经济性、投资的可行性；(3)运行控制参数准确稳定，安全系统的可靠性好；(4)验证结果的精确度与重现性高。

通过附加喷淋装置对灭菌后输液进行快速冷却，减少药物成分分解又缩短灭菌周期和避免冷爆，因设有预真空，使柜内空气彻底排除，利于柜内温度均布。该设备利用饱和蒸汽为灭菌介质，广泛适用于各种耐湿热灭菌的玻璃瓶装、软袋装等大输液产品的灭菌、冷却操作。该系列小型设备（500 ml/500瓶）采用普通灭菌工艺，大中型设备（500 ml/1 000瓶及以上）用于玻璃瓶装大输液灭菌，全过程仅需1 h左右。

灭菌室内先注入洁净的灭菌介质（纯化水）至一定液位，然后，循环泵从底部抽灭菌水经板式换热器加热，连续循环进入灭菌柜顶喷淋系统，让喷出雾状高温水与灭菌物品均匀密切接触。在冷却过程中，关蒸汽阀开冷水阀，使灭菌水连续逐步冷却，用于灭菌物品的快速冷却，并辅以一定反压保护以防止爆瓶。利用高温循环水作为灭菌介质，对物品进行水淋式升温、灭菌、冷却操作。整个工作过程中，灭菌介质运行于封闭的循环系统，有效防止了二次污染。该设备温度调控范围宽、温度均匀性好。辅以反压和对压保护措施，广泛适用于制药行业对玻璃瓶装、塑料瓶装、软袋装等大输液产品的灭菌操作。

其工作原理与前述静态式水浴式灭菌柜基本相同，只是柜体装载灭菌物品的灭菌车是以一个可以调整的速度不断地正反旋转，因而强制对流形成强力扰动的均匀趋化温度场，从而更加缩短柜室内温度均衡的时间。同时，瓶内药液被均匀地搅拌加热、恒温、冷却完成灭菌全过程。由于回转运动，柜内温度场较静态式更趋一致，热的传递更快，无死角，因而灭菌效果更佳、灭菌周期更短。由于不停地旋转，可使灭菌物品运动起来，真正地使热量容易传递到产品中间，达到快速效果，因而较静态式更适用于热敏性瓶装药液的灭菌。

普通压力蒸汽灭菌柜的饱和蒸汽通常是由工业锅炉提供的，由于输送系统等原因，蒸汽内常含有杂质及为减少对蒸汽锅炉的损坏而多在水中加入的少量挥发性胺等物质，使之在灭菌过程中会沉积在被灭菌物品上，这样进入无菌组织的用品便会对病人产生危害，而盛装无菌物品的容器会对无菌物品产生再次污染，进入组织培养基中也不利于病毒的培养。鉴于上述原因，在脉动真空蒸汽灭菌柜的基础上，提出了开发柜室内使用纯蒸汽、夹套内使用锅炉蒸汽的纯蒸汽灭菌柜，用于无菌手术和诊断的医疗器械、盛装无菌物品的容器、包装材料等物品的灭菌，既达到了理想的灭菌效果，又提升了灭菌柜的产品档次。

用饱和蒸汽加空气作为混压灭菌介质，进行高温快速加热灭菌，采用均匀布点技术，柜内冷空气排除彻底、灭菌温度均匀。灭菌后利用附加的冷却装置，从外部注入冷却水，均匀喷淋软袋，快速冷却至出瓶温度，冷却的同时辅以反压跟踪技术，确保无爆袋产生。整个操作循环周期短，生产效率高。适用于对塑料袋、塑料瓶等软包装大输液或其他软包装液体的灭菌，也可通用于玻璃瓶装大输液产品的灭菌处理。

注入技术，并在冷却中辅反压跟踪技术，确保灭菌、冷却过程中均无爆袋。不同的是该柜的混压气体通过置于柜顶的一个或几个高能双速风机，强制性地在灭菌室产品中间对流循环，提供良好的热传递，保证温度的均匀性，解决一般软包装灭菌柜由于采用混压灭菌原理而产生灭菌温度不均匀的问题。灭菌后，通过冷凝冷却盘管由冷却水将柜内蒸汽冷凝、冷却循环空气，使灭菌物品既降温又使其表面干燥，利于快速灯检与入库。因此该灭菌柜特别适于对PE、PP塑料瓶装、PVC、复合塑料软袋装液体灭菌以及冷却结束时容器和包装必须干燥的产品的灭菌。同时，由于采用强制循环技术，利于蒸汽和压缩空气的均匀混合，保证柜室内灭菌温度的均匀性，因而可使灭菌柜的有效灭菌空间比一般软包装灭菌柜大。

除菌是无菌药品极为重要的一道工序，尤其对非最终灭菌药品是必不可少的。工艺气体（纯蒸汽、压缩空气、氮气等）应该经过除菌，药液以及稀释、溶解用熔媒需要经过除菌过滤。微滤除菌处理的流程可简单分为预净化和除菌处理两大部分。预净化是为除菌处理服务的,其目的是去除被处理流体中各种固形物。如气体中的水、油、尘埃，液体中的胶体、悬浮颗粒。合适的预过滤最好能滤除细菌、噬菌体等微生物外的所有杂质，使除菌过滤器达到最长的使用寿命，除菌过滤稳定可靠^[7]。本文仅就空气除菌和药液除菌典型流程分别进行介绍。

压缩空气除菌流程：(1)两级冷却、分离、加热的空气除菌流程（发酵生产用）。空气→高空取气管→除尘器→空压机→储气罐→一级冷却器→油水分离器→二级分离器→除雾器→加热器→总过滤器→分过滤器→无菌空气；(2)空气→高效前置过滤器→压缩机→储气罐→冷却器→丝网分离器→加热器→过滤器→无菌空气。