CN110078171A - 用于纯化水且具有自动清洗的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及处理水纯化系统(107)，其包含水流环路(110)，所述环路(110)封闭至处理水的槽(10)上以纯化，且所述环路(110)在所述槽(10)下游的水流方向上依次包含至少一个泵构件(102)、至少一个第一过滤构件(103)、至少一个第二过滤构件(104)及至少一个使用点(U)，所述系统(107)的特征在于，其进一步包含连接所述第一过滤构件(103)与所述槽(10)的至少一个分流管道(112)及连接所述第二过滤构件(104)与所述槽(10)的环路返回管道(114)。本发明涉及使用该系统的方法。

Description

用于纯化水且具有自动清洗的系统及方法

本申请是2012年6月20日提交的国际申请号为PCT/IB2012/053115，中国国家申请号为201280030411.4，发明名称为“用于纯化水且具有自动清洗的系统及方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及水纯化系统，其自动清洗能够产生及分配纯化水的水过滤组件。本发明也涉及使用该系统纯化水的方法。

多种应用，特别是分析化学及分析生物学实验室中的应用需要使用纯水或甚至超纯水。这些系统也用于医学治疗(例如透析)或用于需要极高纯化程度的生物分析仪(用于血液、尿液等)。

人们已设计出水纯化系统来产生具有期望品质，最通常用于分析实验室设置、医学血液透析设备或生物分析仪的水。

在此背景下，纯水或超纯水的分配通常使得能分配致热原含量低于0.005EU/mL且细菌含量低于100CFU/L的纯化水。CFU意指“菌落形成单位”。EU意指“内毒素单位”。参考液体体积来测量参数CFU与EU。

因此，图1图解说明现有技术的用于水纯化的系统100。

在图1中，系统100产生准备在使用点106处分配至使用者的纯纯化水或超纯纯化水。系统100由流动环路105组成，所述环路包含用于纯水或超纯水的槽10，在供应点A处向所述槽填充纯水或超纯水EV(通过反渗透和/或电去电离获得)；及泵102，其在水流方向上在下游连接至槽10的底部，从而使得可向使用点106供应期望的纯化水流，以在封闭流动环路100中维持流并补偿针对过滤组件及液压回路的水头损失；过滤组件103，其通常为超滤过滤器或绝对超滤器；及过滤组件104，其通常为包含过滤膜3的微滤过滤器，所述过滤组件104位于纯化水环路105的T形连接器115上的分流道(diversion)上。

使用者由系统100抽出纯化水的使用点106位于膜3下游的过滤器104的位置处。使用者未抽出的纯化水继续在封闭环路105中经由阀101流向槽10。阀101通常属于校准阀(或弹簧加载止回)或排放阀类型。泵102及阀101的组装在环路105中且具体而言在过滤器104的入口处产生压力，从而使得能在过滤器出口106处获得足够流动速率，且也能使所产生的过量纯化水(或若已终止抽取，则为所产生的全部纯化水)在槽10处再循环。

此流动环路105上存在的槽10向使用者提供适于使用者的流量需要的处理水储存。根据变化形式(未显示)，自环路105的返回可直接在泵上游进行，而不经过所述槽，槽10用作欲处理水的储存器。

过滤器103及104各自包含在润湿时气密的至少一个亲水膜。过滤器中所含空气或任何残余气体必须经清洗以用于使水经过所述膜。在交付使用(commissioning)过滤器时且在操作期间也如此，因为流水中所含任何溶解气体皆可形成气泡，从而在过滤器中产生一个或多个气穴(air pockets)，增加膜的水头损失并降低纯化水流动环路内水的流动速率。

根据此现有技术，需要使用者通过以规律性间隔分别打开各过滤器103及104的手动清洗阀108及109中的每一个来实施排放至大气。通常，使用者在交付使用时打开清洗阀108及109，随后在整个操作期间以规律性间隔打开。这并不总是易于达成，因为可能限制接触手动清洗阀108或109，且在每次清洗时将纯化水释放至过滤器103或104外部。此外，如同例如维护血液透析设备的情形一般，使用者可能为患者且非技术人员，这使得使用者愈发难以实施手动清洗。

阐述于专利申请US 2008/0230450 A1中的另一装置使用安装于过滤器排气孔出口处的疏水膜的性质来实现过滤器的自动清洗。然而，若压力较高(即高于疏水膜的起泡点)，此构造具有不理想地排出水的风险，可能使水堵塞排气过滤器孔并降低其使气体有效经过的能力和/或具有因微生物经过所述过滤器而发生污染的风险。

与其他两个先前装置不同且如例如专利US 5,851390中所阐释的另一装置使用组装有亲水膜的疏水膜过滤器。这种装置使得能自动清洗。然而，不能确保过滤器的完整性，因为疏水膜会阻止所测量的过滤器的完整性。

在不存在任何再循环环路及用于一个或多个过滤器的自动清洗装置时，阐述于例如专利US 5,259,54、US 7,250,619、US 4,495,67及US 4,810,388中的用于产生无致热原无菌水的诸多装置在线路中使用一个或多个一次性使用过滤器来产生纯化水。

因此，所产生的问题为设计并制造用于水纯化的系统，所述系统使得可分配尽可能最纯(即，受到的污染尽可能最小)的纯化水，同时在技术上尽可能避免使用者参与，特别是对于清洗装置，并确保使用者可接受的使用时间且同时保证所产生水的品质。

根据本发明的系统有利地使得能提供有效解决方案，且能缓解现有技术装置的缺点。

为此，本发明的一个方面涉及处理水纯化系统，其包含水流环路，所述环路封闭至欲纯化的处理水槽上，且所述环路在所述槽下游的水流动方向上依次包含至少一个泵构件、至少一个第一过滤构件、至少一个第二过滤构件及使用点，

所述系统的特征在于，其进一步包含连接所述至少第一过滤构件与所述槽的至少一个(优选一个)分流管道(diversionary pipe)及连接所述第二过滤构件与所述槽的环路返回管道。

环路返回管道为纯化水流管道。

通常，当第二过滤构件包含膜时，使用点位于第二过滤构件的膜下游。

有利地，若供应系统的处理水具有良好品质且未受污染，则此包含两个过滤构件的系统使得能对于给定时间获得良好品质的水。然而，根据本发明的优选实施方案，可能必需和/或优选将液压回路有规律地去污。

分流管道及返回管道各自为清洗管道，这使得可以对已在相关过滤构件中累积的任何残余气体实施自动清洗并消除死体积的水。最通常地，当过滤构件包含膜时，这些气体会分别在第一过滤构件及第二过滤构件的膜的表面处累积。此外，残余气体通常返回槽处的大气。

这非常有利。实际上，现有纯化系统仅能实施手动清洗。然而，该清洗操作难以实施，特别是对于透析系统而言，因为使用者为患者且并非合格技术人员。

通常，连接至分流管道的第一过滤构件含有至少一个膜，且分流管道位于第一过滤构件的一个或多个膜上游。

根据本发明，使用例如专利文件US 5,762,789或GB 2,132,913中所述具有一个入口及两个出口的过滤器系统有利地促进了与用于自动清洗的分流管道的连接。

分流管道通常且优选地经设置以通过经过所述分流管道的水输送过滤构件中所含的任何残余气体，从而将所述气体抽空至槽中的大气中，并阻止形成任何死体积的穴。在所有情形下，分流管道中水的流动速率足以清洗第一过滤构件，且特定而言当第一过滤构件包含膜时，足以清洗已在所述膜上游且在其上累积的气体。可通过例如使用限制性构件或通过减小构成分流管道的管的直径，有利地限制分流管道中的流动。分流管道也可构成流动环路的下游部分。这在使用点处不抽取时尤其有利。

因此，分流管道优选经设置以使得能在流动环路中流动的水的仅一小部分流过所述分流管道。在本文中，“一小部分”意指低于流量的30％，优选5％至10％。因此，大部分水通常在环路中流动。本领域技术人员能在考虑封闭流动环路的其他参数后为分流管道提供适宜尺寸。通常，计算用于清洗已在过滤构件中累积的气体的分流管道的尺寸，同时符合构成环路的管道中的线速度。这有利地使得能避免在其壁上形成任何生物膜。

环路返回管道通常经设置以使得所述管道中的水流清洗第二过滤构件。因此，当第二过滤构件包含膜时，流水冲洗膜上游侧上的表面，以消除死体积的水并清洗已在所述膜上游且在其上累积的气体。

根据本发明，术语处理水用于存在于槽中的水，即使所述水的至少一部分已经纯化。

根据本发明，术语纯化水用于在环路中流动的水，即使所述水的至少一部分已经处理且并非完全纯化。

根据本发明产生的纯化水有利地具有极低程度的微生物，包括细菌(小于100CFU/L)及致热原(小于0.005EU/mL)。

泵构件优选为泵。此外，泵构件优选与存在于环路上的止回构件(或回压构件)关联，所述止回构件优选为止回阀(或弹簧加载止回阀)。泵构件通过补偿针对过滤及液压回路组件的水头损失，有利地使得能在使用点处提供期望量的纯化水并在封闭流动环路内维持流。

根据本发明，所述系统包含第一过滤构件，其优选为超滤过滤器。此超滤过滤器通常包含至少一个膜。此超滤过滤器根据本发明定义为包含截止阈值通常在1,000Da至1,000,000Da之间变化的膜的过滤器。截止阈值由本领域技术人员根据所寻求的效能来选择。此超滤过滤器通常保留存在于流体中的分子，其中所述分子可溶解或不溶解，分子量因膜的选择而构成保留的确定因素。在本发明上下文中，保留阈值通常经选择以使得能去除水的热原。

第一过滤构件也可为带正电绝对过滤器，其有利地组合0.1μm或0.22μm过滤器的性质与超滤过滤器的性质。确切而言，其正电荷使得能通过亲和力而非分子量排除或与分子量排除一起吸收致热原。

第一过滤构件通常位于泵构件下游及紧靠使用点的第二过滤构件上游。

第二过滤构件通常为过滤组件或过滤器，最通常优选为绝对过滤器。该绝对过滤器通常包含至少一个膜，例如包含孔径为0.22μm或0.1μm的膜的过滤器。

环路返回管道用作清洗所述过滤器的管道。当第二过滤构件为膜过滤器时，环路返回管道通常在环路中水的流动方向上位于膜上游。

优选地，根据本发明，在交付使用前，本发明的系统的所有过滤构件的完整性已经测试，达到100％。

使用点通常位于第二过滤构件的位置处，且更优选位于所述过滤构件上，最通常位于环路的分流道上且当第二过滤构件包含膜时，位于膜下游。因此，第二过滤构件通常适宜作为“最终”过滤构件。

这有利地使得能通常通过膜将环路与使用点之间完全分开。第二过滤构件也可位于环路上的线路中，环路中流动的水经过其所构成的过滤器，且使用点位于所述过滤器下游的环路上。然而，这并非优选。实际上，在这种情形下，使用点并不与环路分开(例如通过膜)，且抽取点处的水存在回流污染的风险。

因此，有利地，根据本发明，每一过滤构件优选与适于自动操作的清洗线路或管道关联。

本发明的系统也可进一步包含至少一个灭菌构件。此灭菌构件通常包含至少一个U.V.灯，优选至少两个U.V.灯。有利地，该灭菌构件使得可在某一时段内保持系统的效能。

在本发明上下文中，所用“通过UV灭菌”意指借助一次或多次杀菌紫外辐射通常以连续操作对活要素的破坏作用。紫外辐射最通常在254nm下。

因此，本发明的系统可在槽的位置处(例如且优选安装于槽中)包含至少一个灭菌构件，例如UV灯。槽的此灭菌构件适于对潜在存在于槽中的处理水以及一种或多种附着至槽的非浸没区中的壁的冷凝物灭菌。这种灭菌构件有利地使得能有规律地且间歇地(即以规律性间隔，例如每天分4个时段，每次15分钟)或连续地将为封闭环路的液压回路去污。

独立地或不独立地，本发明的系统可在流动环路上包含至少一个灭菌构件。这种灭菌构件优选为布置于环路上的U.V.灯。流动环路的此灭菌构件有利地提供对环路中流动的水灭菌的构件，且最通常位于第一过滤构件及第二过滤构件上游，这有利地限制环路中的生物膜形成及微生物的产生。

灭菌构件通常为发射杀菌紫外辐射的U.V.汞蒸气灯，此灯可由一个或多个LED(“发光二极管”)或也发射杀菌辐射的放电灯替代。

根据本发明，另外优选地，本发明的系统的一部分，且更具体而言流动环路的包含过滤构件，优选第一过滤构件及第二过滤构件(当存在此二者时)及邻接回路组件的部分为消耗性组件的套件。根据本发明，“消耗性组件”意指效能适于使用点处分配的纯化水的特定寿命或特定体积的一次性(disposable)组件。

消耗性组件通常由第一过滤构件及第二过滤构件及邻接管道构成，且最通常也包含使用点。

消耗性组件套件通常形成单一部分且若可能，在通过辐照或其他技术灭菌或去污的条件下在其包装中递送。这使得能使用简单机械连接构件快速且容易地改变所述消耗性部分，从而降低污染环路或一个或多个过滤组件的风险。所述套件具有有限寿命或有限水处理能力，以在其使用时段期间确保其效能的完整性。所述套件也可包含用于检测及识别的构件，从而使得能分析其于环路上的存在并追踪其寿命或处理水体积。检测构件可呈以下形式：RFID标签、条形码、记忆电路或光学或机械偏振装置或其他构件。可在一次性环路的每一端上使用无菌连接器，例如LYNX S2S连接器，这使得可以在其所附接系统的一次性部分与其余部分之间达成无菌连接。

供应本发明的水纯化系统的处理水产生系统通常包含反渗透处理装置，其中可添加离子交换树脂型去离子步骤或电去电离模块。

本发明也涉及本发明的系统的用途。因此，本发明尤其涉及使用此系统的方法。所述方法通常为纯化处理水的方法，其包含使处理水在封闭水流环路中流动，所述方法包含向所述环路供应处理水的至少一个步骤，及通过供应存在于所述环路上的至少一个槽而将水放置储存的至少一个步骤，所述纯化方法包含至少两个过滤步骤，使用至少一个第一过滤构件的第一过滤步骤优选为超滤步骤，且使用至少一个第二过滤构件的第二过滤步骤优选为微滤步骤，所述方法包含在第二过滤步骤时进行提取(或递送)的至少一个步骤，

所述方法的特征在于，其包含通过使环路中流动的水的一部分在环路分流道中流动来清洗第一过滤构件的至少一个步骤，及通过使环路中流动的水在第二过滤构件和槽之间流动来清洗第二过滤构件的至少一个步骤。

优选地，第一过滤构件及第二过滤构件各自为膜过滤器。在这种情形下，根据优选变化形式，所述方法应使得第一过滤构件和/或第二过滤构件的任何残余气体返回槽中的大气。特定而言，本发明的方法有利地通过使环路中的水在第一过滤构件及第二过滤构件中每一者的过滤膜上游上流动来实施自动清洗，藉此消除死体积并于膜的上游表面处抽空任何残余气体。

优选地，连续实施本发明的方法，即，水在环路及环路的分流道(若存在)中连续流动。本发明的方法优选进一步包含至少一个通常在环路中流动和/或存于槽中的水的灭菌步骤。通常通过至少一个灭菌构件实施此灭菌步骤。根据此实施方案，由于环路中流动的水经过至少一个灭菌步骤，因此该水被连续纯化。

根据使用者的需要连续或不连续地实施经由使用点提取水的步骤。

优选地，本发明的方法包含至少一个使用液位感测器或自动填充阀测量槽中水的体积的额外步骤，所述液位感测器或自动填充阀使得能在起始填充液位与终止填充液位之间连续或不连续地由处理水产生系统自动填充槽。

根据附图可更好地理解本发明，附图包括：

·图1为现有技术的用于水纯化的系统的图，

·图2为本发明的用于水纯化的系统的图，

·图3为可用于图2的系统中的使用两个过滤组件的一次性消耗性模块的透视图，及

·图4为使用两个在相同外壳中组装的过滤组件且可用于图2的系统中的紧凑型一次性消耗性模块的剖面图。

图中相同参考符号表示相同组件。

图1已于前文中评论。

图2为本发明的用于水纯化的系统107的图。系统107由水流环路110组成，所述环路包含固定部分107A及一次性或消耗性部分107B，且其封闭至形成槽的容器10上。

环路110在环路中水的流动方向上包含泵102、包含膜123的用于超滤的第一过滤器103及包含膜3的用于微滤的第二过滤器104(且使用点U位于其位置处(在分流道上))及水至槽10的返回途中的最后阀101。

根据本发明，系统107包含横向清洗管道(113、112)，其相对于流动环路110为分流管道。管道113然后112连接第一过滤组件103与槽10，且使得环路中流动的一小部分水能流经清洗管道(112、113)。分流管道113将水供应至构件111，用于通过例如机械限制(例如阀)或特定减小用于管道113的管的直径来调节流向槽10的水的流动速率，随后管道112将来自构件111的水传送至槽10。

管道(112、113)也可包含用于抽空在其中流动的气体的构件(未显示于图2中)，所述气体为预先捕获在膜123上的空气及溶解气体。空气抽空构件根据过滤器103的定位、其至管道113上的连接及管道112相对于槽10的定位来操作。然后将空气及残余溶解气体抽空至槽10中，随后抽空至大气中。通常，槽基本上为封闭系统且经由疏水气体过滤器与外部环境连通，所述疏水气体过滤器允许气体移动穿过过滤器，但阻止外部污染物如污物、尘埃或细菌经过过滤器进入槽10中。

用于清洗第二过滤组件104的其他分流管道使用环路110的在过滤组件104与槽10间之间返回线路114。此线路114使得可通过冲洗膜3的上游侧来抽空捕获于过滤组件104的膜3上游的任何残余气体及所述膜3上的任何气体。为此，过滤组件104在膜3上游具有入口及出口，这有利地使得当使用者不在出口U处使用纯化水时及当所有纯化水在线路114中流动时可消除膜3上游的死体积。

通常，第一过滤构件103及第二过滤组件104经定位以使得其清洗出口向上放置。这使得能确保清洗的有效性。

此外，存在用于消耗性部分107B的3个液压连接及紧固点A、B及C。因此，连接点C定位于位于泵102下游及第一过滤器103上游的环路110的部分中。分流管道113包含连接点B。最后，环路110的位于第二过滤器104下游及阀101上游的部分包含连接点A。

若已达到推荐使用时间或在水分析显示水品质劣化之后，极易分离包含第一过滤构件103及第二过滤组件104以及相关管道的消耗性部分107B与残留于点A、B及C处的固定部分107A，且极易安装清洁且无菌的新部分107B。

图3及4各自在图中显示分别为107'B及107”B的消耗性部分。

图3中表示的消耗性部分或模块107'B使用单独过滤器103及104，其通过置于包含三个连接点A、B及C的盒中的挠性管以及机械锁定系统连接。箭头F指示环路110中大部分水朝使用点U的流动方向。

在图3中呈现的产品实例中，分流管道112在点B处的流动速率为0.2升/分钟。排出泵102的水在点C处的流动速率为1.8升/分钟。因此，在使用点U处用于使用者的水的流动速率可达到1.6升/分钟。

图4中表示的消耗性部分或模块107”B使用过滤器103及104，将其外壳以机械方式组装在一起，这使得能减少部件数目并能实现组合件的紧凑性。该含有过滤器膜的一次性模块107”B可替代图3的个别过滤器或可单独使用，其通过液压管连接至连接点A、B及C。

根据以下实施例可更优选地理解本发明，所述实施例阐释本发明，而不限制其范围。

实施例

该实施例在U.V.灯存在下阐释本发明的优选实施方案，所述灯适于用于该测试的供应水的品质。本领域技术人员能考虑到可利用较纯供应水且在不存在U.V.灯下实施此实施例。

在下表1及2中，污染值通过以下方式获得：使用来自反渗透(RO)及电去电离(EDI)水处理系统的处理水，且用包含如图2中表示的固定部分107A及如图3中所示的消耗性部分107'B的系统纯化，且另外在U.V.灯(未显示于图2中，位于储水器与泵入口之间)存在下。第一过滤器103包含截止阈值为13 000Da的超滤膜，且第二过滤器104为膜孔径为0.22μm的绝对过滤器。

汞蒸气UV灯的功率为17W。

操作流动速率为：

泵102的出口：1.8L/min(恒定)

清洗管道112：0.2L/min(恒定)

自使用点U的抽取：0.5L/min(平均)、1.1L/min(最大)

进入供应点A中的处理水的产生：0.5L/min(恒定)

在135天时间内进行测量。

所得值(平均)呈现于下表1中。

使用取样阀及膜过滤方法(具有0.45μm孔径膜的Millipore Milliflex)由最终过滤器的出口提取水试样。

在过滤后，在5天期间在35℃下在生长培养基板(R2A及TSA)上培育膜。

在培育时间后，对膜上的CFU计数并将其记录于表1及2中。

表1

污染物	进入槽中的处理水	位于102上游的UV灯的出口	使用点U
				细菌(CFU/升)	10 000-30 000	<1000	<100
内毒素(EU/ml)	0.0281	0.009	<0.005

每天测量值汇总于下表2中。

表2

因此，可发现本发明的系统的有效性，所述系统易于使用且使得能以随时间稳定的方式产生超纯水。

Claims (11)

1.处理水纯化系统(107)，其包含水流环路(110)，所述环路(110)封闭至处理水的槽(10)上以纯化，且所述环路(110)在所述槽(10)下游的水流方向上依次包含至少一个泵构件(102)、至少一个包含膜的第一过滤构件(103)、至少一个包含膜的第二过滤构件(104)、两个连接至过滤膜的上游侧的环路的管道、及第二过滤构件(104)的膜的下游侧的使用点(U)，

其中所述系统(107)进一步包含连接所述第一过滤构件(103)与所述槽(10)的至少一个分流管道(112)，及连接所述第二过滤构件(104)与所述槽(10)的环路返回管道(114)，

其中所述分流管道(112)经设置以使得能够清洗所述第一过滤构件(103)，并使得能在所述流动环路(110)中流动的水的低于流量的30％流过所述分流管道(112)，并且

其中所述环路返回管道(114)经设置以清洗所述第二过滤构件(104)，并且所述环路返回管道(114)位于所述第二过滤构件(104)的膜的上游侧，残余气体返回槽中的大气，

槽(10)为封闭系统且经由疏水气体过滤器与外部环境连通，所述疏水气体过滤器允许气体移动穿过过滤器，但阻止外部污染物经过过滤器进入槽(10)中。

2.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述泵构件为泵(102)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述泵构件(102)与存在于所述环路(110)上的止回构件(101)关联。

4.根据权利要求3所述的系统(107)，其中所述止回构件为止回阀(101)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述第二过滤构件为过滤器(104)。

6.根据权利要求5所述的系统(107)，其中所述第二过滤构件为绝对过滤器(104)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述第一过滤构件(103)为超滤过滤器(103)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述系统(107)进一步包含至少一个灭菌构件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(107)，其中所述流动环路中包含所述第一及第二过滤构件及邻接回路组件的部分为消耗性组件的套件(107B)。

10.使用根据权利要求1-9中任一项所述的系统纯化处理水的方法，该方法包含使处理水在封闭水流环路(110)中流动，所述方法包含向所述环路供应处理水的至少一个步骤(A)，及通过供应存在于所述环路(107)上的至少一个槽(10)而将水放置储存的至少一个步骤，残余气体返回槽处的大气，所述纯化方法包含至少两个过滤步骤(103、104)，使用至少一个第一过滤构件的第一过滤步骤(103)为超滤步骤，且使用至少一个第二过滤构件的第二过滤步骤为微滤步骤(104)，所述方法包含在所述第二过滤步骤(104)时进行提取的至少一个步骤(U)，

所述方法的特征在于，其包含通过使所述环路(110)中流动的水的一部分在所述环路的分流道(112)中流动来清洗所述第一过滤构件(103)的至少一个步骤，及通过使所述环路(110)中流动的水在所述第二过滤构件(104)和所述槽(10)之间流动来清洗所述第二过滤构件(104)的至少一个步骤，

槽(10)为封闭系统且经由疏水气体过滤器与外部环境连通，所述疏水气体过滤器允许气体移动穿过过滤器，但阻止外部污染物经过过滤器进入槽(10)中。

11.根据权利要求10所述的纯化方法，其中所述方法进一步包含至少一个灭菌步骤。