在制药和医疗保健机构内，当设计和使用设备和供水系统时，一个重要方面是评估如何避免生物膜的产生。微生物学明确的指出生物膜的形成并非一蹴而就，对于生物膜的处理方式上，显然。预防优于治理。一旦生物膜成熟，即便采用极高的消毒剂浓度和频率，也往往难以根除，只能控制其不过度增殖。因此，核心战术目标是在最早阶段——初始附着期——就阻止它们。

从工程理论角度，预防的理论武器就是流体动力学，特别是通过设计系统来产生足够的剪切力以阻止附着或促进分离。剪切力是流体在流经表面时产生的“拖拽”力。可以想象成快速流动的河水与缓慢流动的泥浆之间的区别。高速水流（高剪切力）会冲走泥沙，而缓慢的水流（低剪切力）则允许泥沙沉降和附着。

因此面对微生物附着这样一个动态过程。流体施加的剪切力就是一个具有破坏性的干扰因素，细胞要想附着在表面上，就需要克服相应的排斥力 （repulsive forces），如果当剪切力大于微生物的粘附力时，附着就无法发生，甚至已附着的细胞也会被剥离。

然而，剪切力的大小并非独立存在，它与流体的流动状态息息相关。这正是雷诺数（Reynolds Number）登场的时刻。

• 层流（Laminar Flow, Re < 2300）：流体分层运动，层次分明，互不混合。流速在管道中心最快，靠近管壁处几乎为零。在层流下，管壁处的剪切力很低，且一旦附着，微生物仿佛置身于一个宁静的港湾，几乎不受干扰。这是生物膜形成的“温床”。

• 湍流（Turbulent Flow, Re > 4000）：流体处于混乱、无序的随机运动状态，充满了各种尺度的涡漩。这些涡漩能持续地将流体从主流区扫向管壁，又将管壁附近的流体卷回中心。这种剧烈的混合作用使得管壁处的剪切力显著增高，并且不断波动，对试图附着的微生物进行持续不断的“冲击”和“清扫”。

因此，微生物层面和工程层面达成了一个共识：必须将系统设计成在正常运行和清洁过程中，流体始终保持湍流状态。而判断是否达到湍流的科学标准，就是雷诺数。换句话说，“Re > 4000”是一个安全阈值。超过这个数，意味着流动产生了足够强大的湍流和剪切力，能有效破坏微生物的附着过程，极大地降低了生物膜形成的风险。

*美国宇航局NASA有一个有用的在线算法（点击阅读原文）来评估雷诺数。

理论与实践的差距 – 雷诺数 or流速？

然而，在真实的工业管道系统中，尤其是在有泵、弯头、阀门和变径的管网中，想要维持理论上纯粹的、无干扰的层流（Laminar Flow）几乎是不可能的。流体总是会受到各种扰动。所谓的“层流条件”更应被视为一个低雷诺数（Re < 2300）下、剪切力较弱、不利于防止生物膜形成的流态，而不是一个可以精确设计和依赖的状态。

在实际的现场供水系统设计中，单纯依赖层流计算是不切实际的，而一个结合了高流速、无死角设计、常规消毒和定期灭菌的整体策略才是有效且可行的。

相比于复杂的理论计算，流速（Velocity）是一个更直观、更易于测量和监控的操作参数。

行业标准通常会规定一个最低流速（例如，对于制药用水分配系统，通常要求 >1 m/s（英尺/秒）或更高）。这个经验值是在大量实践和教训中总结出来的，且经过行业长期验证的经验法则（Rule of Thumb）。

为什么是 >1 m/s (3 ft/s)？因为，它是理论（雷诺数）、实践经验和经济性考量共同作用下的“平衡“解。

• 对于常温下的水（~20°C，动力粘度 ~1 mPa·s），在典型的分配管道直径（例如 1英寸 或 25mm DN）中，维持1.5 m/s 的流速可以轻松地将雷诺数推高至远高于10,000 的水平，这无疑是充分的湍流状态。即使是采用更大的管径或更低的水温，>1 m/s 的速度通常也能确保 Re > 4000，成功避开层流区。

• 管道中的压降（摩擦损失）与流速的平方成正比。这意味着，将流速从 1 m/s 提升到2 m/s，泵送能耗大致会增加至4倍。因此，无限提高流速在经济上是不可持续的。>1 m/s 是一个在微生物控制效益和运营成本之间找到的甜蜜点。

• 而且，高流速的流体，尤其是在通过阀门、弯头等管件时，会产生可观的噪音。>1 m/s 的速度通常能将噪音控制在可接受的工业环境范围内，而更高的速度则可能对工作人员造成困扰，并需要更昂贵的隔音措施。

当然，上述理论和指导数字不是独立存在的，同时还应注意：

死角设计（Dead Legs）：一个设计再好的主干管路，也会被一个长长的死角（Dead Leg）彻底破坏。在死角支管中，流体停滞或流速极低，剪切力为零，immediately成为生物膜的温床。工程师使用 L/D ratio（支管长度L与主管直径D之比） 来严格限制死角。例如，要求所有支管的L/D < 2（甚至更严格）。这是通过物理设计来弥补流体动力学不足的最有效手段。

然而，再完美的设计也无法100%杜绝微生物污染的风险。因此，物理设计必须与化学/生物工艺管理相结合。

常规消毒（Sanitization）：例如，采用臭氧或热水（80°C左右）定期循环，可以有效地控制微生物负荷，杀灭浮游菌，并抑制附着菌的生长。这是一种维持性的控制措施。

定期灭菌（Sterilization/Sanitization）：例如，采用纯蒸汽灭菌（SIP - Sterilize-in-Place）或高浓度化学剂（如过氧乙酸）进行在位清洗（CIP - Clean-in-Place）。这是更强有力的干预措施，旨在彻底摧毁可能形成的生物膜结构，使系统回到一个微生物学上的“初始状态”。

总之，在实际的现场系统中，我们无法也无需“计算层流”，我们的目标是“避免低雷诺数状态”。实现这一目标最直接、最可靠的方法就是您所倡导的：设计一个能维持高流速、无死角的管道系统，并辅以稳健的消毒和灭菌程序。

雷诺数仍然是一个有用的理解工具和设计验证工具（例如，用Re公式来反推为什么1.5 m/s是一个安全流速），但它绝不是现场操作的唯一指南。真正的成功来自于微生物学家和工程师将他们的专业知识，融合到这个涵盖设计、操作、监控和干预的全方位、多屏障策略中。

作者：Shengyi 

来源：拾西

公众号日期：2025年9月15日