Wytwarzanie wody do iniekcji w procesach membranowych

• Strona główna
• Artykuły
• Wytwarzanie wody do iniekcji w procesach membranowych

2023-02-06  / Autor: Łukasz Jusiński, dyrektor Działu Projektowego BWT Polska, europejskiego lidera systemów uzdatniania wody

Czym różni się metoda filtrowania "na zimno" od metody "na gorąco

Dotychczas na rynku obecne były jedynie systemy wytwarzania wody do iniekcji (WFI) poprzez destylację tzw. metodą „na gorąco". Obecnie przedstawiona koncepcja systemu wytwarzania wody WFI w procesach membranowych wykazuje, że proces jest niezawodny, a woda WFI może być generowana w sposób bezpieczny oraz oszczędniejszy niż w procesach wytwarzania „na gorąco". Wybór kombinacji procesów zależy głównie od jakości wody zasilającej i zmienności jej parametrów w ciągu roku.

Pierwsze dyskusje odnoszące się do nowych systemów produkcji wody WFI w procesach membranowych („na zimno") rozpoczęły się w 2002 roku, po pojawieniu się monografii Ph. Eur (1927). Nowe możliwości produkcji wody WFI w procesach membranowych stały się motorem do serii badań i zbierania dodatkowych danych, na bazie których w kwietniu 2017 r. przedstawiono zrewidowaną monografię Ph. Eur. (0169). Dodatkowo Europejska Agencja Leków (EMA) wydała doprecyzowanie w formie dokumentu Q&A, a pod koniec 2017 r. swoje sugestie do zagadnienia złożyło również ISPE.

Właściwy dobór procesu oraz wymiary urządzenia stały się kluczem do uzyskania optymalnego systemu generowania wody WFI w procesie membranowym („na zimno”). Wybór kombinacji procesów zależy głównie od jakości wody zasilającej i zmienności jej parametrów w ciągu roku.

System należy dobierać także pod obecne wymagania, tak aby nie przewymiarować układów, by układ nie znajdował się w stanie gotowości lub wewnętrznej cyrkulacji zbyt długo, co pozwoli uniknąć zatrzymań systemu lub nadmiernej recyrkulacji. System idealny powinien być zaprojektowany w sposób zapewniający jak największą ciągłość operacji produkcji.

Z dokumentów Q&A EMA wynika, że dobór procesów wstępnego uzdatniania odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu stabilnej pracy dalszych układów, jak uzdatnianie w etapie odwróconej osmozy. Postępowanie takie wymaga odpowiedniego specjalistycznego know-how, pozwalającego wybrać optymalną kombinację procesów na podstawie wymaganych podstawowych danych (np. dokładna analiza wody zasilającej).

Niektóre z głównych etapów uzdatniania wstępnego to:

• filtry wielowarstwowe do separacji cząstek,
• ultrafiltracja do separacji substancji koloidalnych i cząstek,
• promieniowanie UV w celu redukcji materii biologicznej lub sanityzacji lub w celu rozbicia substancji utleniających lub TOC,
• dozowanie wodorosiarczanu sodu w celu usuwania wolnego chloru,
• filtracja na złożach węgla aktywnego w celu usunięcia substancji utleniających lub OWO,
• zmiękczanie w celu usunięcia twardości wody,
• dozowanie antyskalantu w celu stabilizacji twardości lub przy wysokim stężeniu kwasu krzemowego.

Zgodnie z wytycznymi ISPE, sugeruje się zastosowanie poniższych kombinacji jako podstawowego systemu uzdatniania wody do iniekcji: Filtracja mechaniczna wstępna > Dozowanie antyskalantu > Odwrócona osmoza I > Odwrócona osmoza II > Odgazowywanie membranowe > Elektrodejonizacja > Ultrafiltracja.

W monografii 0169, opisującej WFI, czytamy: „odwrócona osmoza może być jednostopniowa lub dwustopniowa”. W dokumencie Q&A EMA sugeruje się, że dwustopniowa odwrócona osmoza stanowi dodatkową barierę zabezpieczającą: „Wykorzystanie dwustopniowej osmozy należy uznać za dodatkową gwarancję utrzymania jakości produkowanej wody”.

Często konieczne jest usuwanie wolnego CO₂ , jeżeli stężenie przekracza podane przez producenta dopuszczalne limity, aby zapewnić niezawodność działania EDI. Odgazowywanie membranowe jest powszechnie stosowanym etapem procesu separacji CO₂ . Ponadto warsztaty ISPE wskazują, że nieznaczne lotne węglowodory mogą być usuwane jednocześnie przy wsparciu procesu próżnią. Także w monografii 0169 wspomniano, że „odwrócona osmoza, która może być jedno lub dwustopniowa, połączona z inną dostosowaną technologią jak elektrodejonizacja, ultrafitracja lub nanofiltracja”.

Przy SDI<3 i klarowności <0,5 FTU nie są wymagane żadne szczególne etapy uzdatniania wstępnego w odniesieniu do substancji koloidalnych w wodzie lub zawiesin.

Przed etapem RO twardość musi zostać usunięta lub utrzymana w roztworze za pomocą antyskalantu (AS), aby uniknąć skalowania membrany RO. W związku z dozowaniem AS, etap RO jest dwustopniowy, a koncentrat drugiego etapu jest recyrkulowany. Pozwala to na osiągnięcie wysokiej wydajności systemu, a także na użytkowanie wody zasilającej z wyższą zawartością soli. Jednocześnie występuje podwójna bariera mikrobiologiczna, co oznacza dodatkowe bezpieczeństwo i minimalizację ryzyka. Redukcja CO₂ – poniżej poziomu dla działania EDI – odbywa się poprzez odgazowanie membranowe.

Resztkowe odsalanie odbywa się za pomocą EDI w spiralnym module bez stref martwych. Technika ta zapewnia bardzo dobre oddzielenie pozostałego CO₂ , SiO₂ , boru i TOC. W końcowym etapie ultrafiltracji stosuje się membrany o wartości odcięcia 15 000 DA. Moduł UF jest podłączony kołnierzem bezpośrednio na module EDI. Ta koncepcja BWT wyróżnia się kompaktową budową i niskimi kosztami na metr sześcienny wytworzonego WFI.

Wymiana wkładki UF odbywa się prewencyjnie w trakcie okresowej konserwacji. Ryzyko oznak starzenia (utraty integralności) jest zminimalizowane dzięki wymianie zapobiegawczej w cyklach jednodwuletnich. Cały system można sanityzować gorącą wodą o temperaturze większej lub równej 80°C. Możliwe jest także wykonanie chemicznej sanityzacji lub czyszczenie.

Aspekty ekologiczne: która z metod jest bardziej ekologicznie neutralna?

Fizykochemiczne wymagania wody WFI już są bezpiecznie spełnione po etapie EDI. Jednak celem ostatniego procesu jest zatrzymanie mikroorganizmów i endotoksyn/pirogenów. Mimo że w opracowaniach wspominany jest proces nanofiltracji jako doczyszczający, bardziej preferowanym jest etap ultrafiltracji ze względu na warunki pracy czy możliwość wykonania testu integralności. Do separacji wspomnianych endotoksyn/pirogenów w wodzie farmaceutycznej wystarczą moduły o odcięciu na poziomie 10 000-20 000 Da. Niektóre moduły oferują odcięcie na poziomie 6 000 Da, jednak należałoby w tym miejscu dokładniej przeanalizować ewentualny wpływ na poprawę powstrzymania endotoksyn/pirogenów. Należy także pamiętać, że na poziom odcięcia wpływ ma wiele czynników operacyjnych, jak temperatura, ciśnienie, przepływ.

Zgodnie z wytycznymi z EMA Q&A, należy wprowadzić dla zimnych systemów WFI odpowiednią koncepcję okresowej dezynfekcji w ramach strategii kontroli jakości. Zalecane jest połączenie chemicznej i termicznej (>75°C) sanityzacji. W zależności od wybranych etapów uzdatniania wstępnego i ograniczeń na odporność cieplną użytych materiałów, sanityzacja termiczna może okazać się niemożliwa na etapach wstępnych. W przypadku mikrobiologicznie krytycznego etapu zmiękczania i dalszych etapów procesu (RO, MEG, EDI, UF), sanityzacja gorącą wodą została uznana za rozsądną i niezbędną w warsztatach ISPE.

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 6/2022

"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

BWT Polskauzdatnianie wodyochrona środowiskagospodarka wodna