總有機(jī)碳TOC (Total Organic Carbon)，是反映水中有機(jī)污染物總量的指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)化學(xué)需氧量 (COD) 的測(cè)定，TOC技術(shù)簡(jiǎn)單、快速。TOC分析儀的分析時(shí)間一般為2-6分鐘，TOC傳感器，比如GE的CheckPoint型號(hào)，可快至15秒。快速的檢測(cè)速度，使TOC檢測(cè)得到廣泛應(yīng)用，尤其在制藥行業(yè)，其應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，而在線TOC檢測(cè)更成為了制藥水系統(tǒng)有機(jī)污染監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。

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案例分享

TOC的在線檢測(cè)能及時(shí)反映水質(zhì)異常，盡早發(fā)現(xiàn)制水系統(tǒng)的問(wèn)題。

某制藥企業(yè)用戶向我們反映，其注射用水的在線TOC監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有異常，希望我們到現(xiàn)場(chǎng)查看 。我們了解了該藥廠的水處理工藝流程，并查看了TOC檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄。

該藥廠的水處理流程為：

其總回水點(diǎn)TOC數(shù)據(jù)在1月底突然升高：

其后，我們對(duì)EDI出水 (純化水) 的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，純化水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)在2月中旬開(kāi)始升高：

從以上制藥水系統(tǒng)TOC與電導(dǎo)率的趨勢(shì)圖中，可以看出，水系統(tǒng)的總回水點(diǎn)在線TOC監(jiān)測(cè)值，早在1月24日就出現(xiàn)異常，開(kāi)始報(bào)警。接著，自2月中旬開(kāi)始EDI出水電導(dǎo)率逐日升高，最后維持在0.7-0.9 μS/cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員反映，EDI運(yùn)行電壓在350V時(shí)，正常電流應(yīng)為0.9A，但此時(shí)電流接近于0A，EDI的電導(dǎo)率和電流都無(wú)法恢復(fù)。

由此可以斷定水系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，而由于1月底恰逢春節(jié)放假，藥廠未能及時(shí)根據(jù)TOC的異常值進(jìn)行處理。推測(cè)其原因可能是自來(lái)水水質(zhì)變差，自來(lái)水公司加入過(guò)多氯氣，導(dǎo)致水中消毒副產(chǎn)物 (DBP)，如三鹵甲烷等 (THM) 和鹵乙酸 (HAA) 過(guò)多，不僅影響了EDI 的性能，還導(dǎo)致純化水中引入過(guò)多的小分子有機(jī)物，如氯仿等。由于反滲透RO對(duì)這些小分子有機(jī)物去除率極低 (約10-50%)，所以這些小分子有機(jī)物進(jìn)入EDI系統(tǒng)，同時(shí)EDI系統(tǒng)的陰離子交換樹(shù)脂可以像活性炭一樣物理吸附這些小分子有機(jī)物，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，這些小分子有機(jī)物把陰離子交換樹(shù)脂的交換通道阻塞，導(dǎo)致EDI性能下降。

在使用直接電導(dǎo)法原理的TOC儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，TOC數(shù)值出現(xiàn)了超標(biāo) (500 ppb)，產(chǎn)生了不合格的純化水。由于不合格的純化水中的有機(jī)物絕大部分為小分子有機(jī)物，它們的沸點(diǎn)多低于100攝氏度，經(jīng)多效蒸餾器后產(chǎn)生的注射水 (WFI) 的有機(jī)物去除率很低，導(dǎo)致注射水 (WFI) 的TOC值也出現(xiàn)了超標(biāo)。

通過(guò)這個(gè)案例，我們可以看到，TOC在線監(jiān)測(cè)在此純化水系統(tǒng)中起到了很好的水處理工藝的預(yù)警作用。當(dāng)TOC測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，很快EDI也出現(xiàn)了問(wèn)題，這表明在線TOC監(jiān)測(cè)可以對(duì)純化水系統(tǒng)管理起到很好的探查作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

幫助用戶發(fā)現(xiàn)水系統(tǒng)的故障后，我們的工程師給出了建議：

1. 為了確認(rèn)純化水系統(tǒng)中存在氯仿和三氯甲烷等鹵代烷烴的可能，建議到第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行自來(lái)水、純化水和注射用水水樣定量分析；

2. 加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有純化水系統(tǒng)的有機(jī)物去除，尤其是對(duì)去除小分子有機(jī)物的工藝改造，如：

a. 請(qǐng)水處理專家審核現(xiàn)有水處理工藝，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷，進(jìn)行水系統(tǒng)工藝整改；

b. 在超濾后增加活性炭過(guò)濾器；

c. 或在電除鹽EDI前增加脫氧膜組；

d. 或在拋光混床 (Polisher MB) 前加185 UV等。

用戶對(duì)純化水處理系統(tǒng)的反滲透RO和電除鹽EDI進(jìn)行了化學(xué)清洗，但沒(méi)有取得預(yù)期效果，EDI性能也沒(méi)有恢復(fù)。隨后這家藥廠對(duì)純化水處理系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在超濾后和反滲透前增加了活性炭過(guò)濾器，并定期更換活性炭，同時(shí)更換了EDI膜堆。改造結(jié)束后，這幾年其EDI一直運(yùn)行穩(wěn)定，再也沒(méi)有出現(xiàn)純化水 (PW) 和注射水 (WFI) TOC檢測(cè)值超標(biāo)的現(xiàn)象。

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為何選擇在線檢測(cè)？

我國(guó)制藥行業(yè)對(duì)制藥用水TOC檢測(cè)的強(qiáng)制要求，最早來(lái)自于2010年版《中國(guó)藥典》。其對(duì)注射用水的TOC檢測(cè)為強(qiáng)制項(xiàng)目，純化水的TOC檢測(cè)為可選項(xiàng)目 (易氧化物或TOC任選其一)，注射用水與純化水的TOC合格限為500 ppb (μg/L)。

但對(duì)于TOC的檢測(cè)方式，是采用離線實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，還是在線測(cè)定呢？

目前，大部分制藥企業(yè)對(duì)純化水 (PW) 和注射用水 (WFI) 的放行都使用手動(dòng)取樣和實(shí)驗(yàn)室TOC檢測(cè)。但采用在線TOC分析儀取代實(shí)驗(yàn)室分析有很多優(yōu)勢(shì)。

首先，在線TOC分析儀能自動(dòng)從水系統(tǒng)中直接取樣，能消除人工操作可能造成的失誤或樣品污染的風(fēng)險(xiǎn)。

按照2015年版《中國(guó)藥典》四部<0682>章節(jié)《制藥用水中總有機(jī)碳測(cè)定法》，在線監(jiān)測(cè)與離線實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，都是允許的，并明確指明了離線檢測(cè)可能帶來(lái)的污染，及在線檢測(cè)的優(yōu)越性，原文如下：

“在線監(jiān)測(cè)可方便地對(duì)水的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定并對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)流程控制；而離線測(cè)定則有可能帶來(lái)許多問(wèn)題，例如被采樣、采樣容器以及未受控的環(huán)境因素 (如有機(jī)物的蒸氣) 等污染。由于水的生產(chǎn)是批量進(jìn)行或連續(xù)操作的，所以在選擇采用離線測(cè)定還是在線測(cè)定時(shí)，應(yīng)由水生產(chǎn)的條件和具體情況決定?！?p>

美國(guó)FDA也正在進(jìn)行過(guò)程分析技術(shù)PAT (Process Analytical Technology) 的倡儀，即建議所有指標(biāo)檢測(cè)均需進(jìn)行在線檢測(cè)，以確定最終產(chǎn)品的質(zhì)量，一方面可以避免外界的干擾，更重要的是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大限度地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的防范。

因此，雖然離線實(shí)驗(yàn)室測(cè)定是被接受的方式，但在線測(cè)定能將取樣污染的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，是更有效、實(shí)時(shí)、可靠的方式。TOC在線監(jiān)測(cè)正在成為制藥水系統(tǒng)有機(jī)污染監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。有前瞻性的制藥企業(yè)，在實(shí)驗(yàn)室配備TOC分析儀之后，開(kāi)始關(guān)注對(duì)制水系統(tǒng)，采用一點(diǎn)或多點(diǎn)的TOC在線監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，使用在線TOC分析儀，相比較傳統(tǒng)取樣/實(shí)驗(yàn)室分析，更能節(jié)省成本。將實(shí)驗(yàn)室分析轉(zhuǎn)換為在線分析的成本，通常在更換后的一年內(nèi)就能收回。

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如何選擇在線TOC分析儀？

目前市場(chǎng)上應(yīng)用于制藥行業(yè)的在線型TOC分析儀的主要區(qū)別在于使用不同的檢測(cè)方法：選擇性膜電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)和直接電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)。在選擇時(shí)，制藥企業(yè)應(yīng)該注意評(píng)估用途和準(zhǔn)確度。

水中的TOC測(cè)量涉及測(cè)量初始CO2?(無(wú)機(jī)碳，IC)，將所有有機(jī)物完全氧化為CO2，然后測(cè)量其氧化后的CO2總濃度 (總碳，TC)。TC – IC = TOC。如果水系統(tǒng)中出現(xiàn)含有雜原子 (如氮、磷、硫、氯等) 的有機(jī)物，在儀器對(duì)水樣進(jìn)行氧化時(shí)，這些雜原子會(huì)被氧化為相應(yīng)的離子。

直接電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)電導(dǎo)率池直接測(cè)量CO2?(直接電導(dǎo)率，DC方法)，當(dāng)水中出現(xiàn)含雜原子的有機(jī)化合物時(shí)，無(wú)法去除其被儀器氧化后生成的雜離子的影響，會(huì)產(chǎn)生假正及假負(fù)的TOC結(jié)果。如上述案例中，如果水中僅存在10 ppb的氯仿，則氯被氧化為氯離子，所產(chǎn)生的電導(dǎo)率，會(huì)造成TOC報(bào)數(shù)高達(dá)475 ppb。連同水中其他的TOC成分，結(jié)果很容易超出合格限500 ppb，產(chǎn)生報(bào)警。但實(shí)際TOC并沒(méi)有超標(biāo)，儀器報(bào)告超標(biāo)，是因?yàn)槭艿搅薔、S、P、Cl等雜原子電離后的干擾造成的。這時(shí)候，您需要使用以下膜電導(dǎo)率法原理的儀器進(jìn)行真實(shí)TOC的確認(rèn)。

選擇性膜電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)將CO2通過(guò)選擇性膜擴(kuò)散到去離子水中，然后使用膜電導(dǎo) (Membrane-Conductometric，MC) 法在電導(dǎo)池測(cè)量電離的CO2。只有二氧化碳?xì)怏w小分子可以通過(guò)這層膜，而引起電導(dǎo)率升高，進(jìn)而被檢測(cè)。其他雜離子被這層膜屏蔽，不會(huì)通過(guò)膜，不會(huì)影響二氧化碳的檢測(cè)。

如果TOC檢測(cè)準(zhǔn)備應(yīng)用于涉及法規(guī)報(bào)告、測(cè)量產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)時(shí)放行、管理工藝控制限值和進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證的關(guān)鍵質(zhì)量決策，準(zhǔn)確度非常重要，使用選擇性膜電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)的TOC分析儀較合適。

另一方面，如果準(zhǔn)備用于一般的TOC監(jiān)控、趨勢(shì)、故障排查和診斷，而非用于關(guān)鍵的質(zhì)量決定，使用直接電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)的TOC分析儀較合適。

Sievers M9便攜式、M9在線型、500RL在線型TOC分析儀均使用選擇性膜電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)

CheckPoint在線/便攜式TOC分析儀使用直接電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)