Скопировать ссылку
На современных фармацевтических предприятиях наличие очищенной воды имеет важное значение. В то время как бытовой потребитель считает водопроводную воду “чистой”, конечный потребитель фармацевтической продукции считает ее сильно загрязненной. В фармацевтической промышленности вода чаще всего используется в жидком виде не только в качестве ингредиента во многих рецептурах, но и в качестве чистящего средства.
Производство воды очищенной
Вода, не содержащая пирогенов, вода для инъекций (WFI) и чистый пар в соответствии с международными фармацевтическими стандартами - широко признана критически важным компонентом.
Очищенная вода, используемая в фармацевтических процессах, обычно производится на месте из местной питьевой воды, которая была получена путем очистки природных источников. Уникальная способность воды в той или иной степени растворять практически все химические соединения и поддерживать практически все формы жизни означает, что питьевая вода содержит множество веществ в растворе или суспензии.
Различия в качестве
В отличие от других видов сырья, чистота питьевой воды значительно варьируется как от одного географического региона к другому, также и от сезона к сезону. Например, вода, получаемая из источника на возвышенностях, обычно имеет низкое содержание растворенных солей и является относительно мягкой, но имеет высокую концентрацию органических загрязнений, в основном коллоидных. Напротив, вода из подземного источника обычно имеет высокий уровень солей и жесткости, но низкое содержание органических веществ. Речные источники имеют среднее качество, но также часто содержат продукты промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности. Сезонные колебания качества воды наиболее очевидны в поверхностных водах. В осенне-зимний период месяцами опавшие листья и разлагающиеся растения выбрасывают большое количество органического вещества в ручьи, озера и водохранилища. В результате органическое загрязнение поверхностных вод достигает пика зимой и снижается до минимума летом. Времена года гораздо меньше влияют на грунтовые воды. Качество и характеристики питьевой воды оказывают важное влияние на режим очистки, необходимый для получения очищенной воды.
Взвешенные частицы
Взвешенные вещества в воде включают ил, мусор из трубопроводов и коллоиды. Коллоидные частицы, которые могут быть органические или неорганические вещества вызывают помутнение воды. Взвешенные частицы могут загрязнять мембраны обратного осмоса и системы электродеионизации, а также нарушать работу клапанов и счетчиков.
Растворенные неорганические соединения
Неорганические вещества являются основными примесями в воде. Они включают в себя:
Соли кальция и магния, вызывающие ‘временную’ или ‘постоянную’ жесткость
Углекислый газ, который растворяется в воде с образованием слабокислой углекислоты
Натриевые соли
Силикаты, выщелачиваемые из песчаных русел рек
Соединения двухвалентного и трехвалентнокислого железа добывается из минералов и ржавых железных труб
Хлориды, образующиеся в результате проникновения солевого раствора
Растворенные органические соединения
Органические примеси в воде образуются в результате разложения растительных веществ, главным образом гуминовых и фульвокислот, а также в результате сельского хозяйства, производства бумаги и бытовых и промышленных отходов. К ним относятся моющие средства, жиры, масла, растворители и остатки пестицидов и гербицидов. Кроме того, переносимая водой органика может включать соединения выщелачивается из трубопроводов, резервуаров и средств очистки.
Микроорганизмы
Главными микроорганизмами, вызывающими озабоченность в системах очистки воды, являются бактерии. Типичный уровень бактерий для питьевой фармацевтической воды составляет десять колониеобразующих единиц на сто миллилитров (10 КОЕ/100 мл) или меньше. Бактерии обычно удерживаются на таком низком уровне за счет использования остаточных количеств хлора или других дезинфицирующих средств. Как только дезинфицирующие средства удаляются во время очистки, бактерии получают возможность размножаться.
Растворенные газы
Питьевая вода находится в равновесии с воздухом и поэтому содержит растворенный кислород и углекислый газ. Диоксид углерода ведет себя как слабая кислота и использует свойства анионообменных смол. Растворенный кислород обычно является проблемой только при образовании пузырьков это проблема. В тех случаях, когда очищенная вода используется в открытых емкостях, она быстро восстанавливает равновесие с газами, содержащимися в воздухе.
Измерение содержания примесей в питьевой воде
Для того чтобы спроектировать или выбрать систему очистки воды, необходимо иметь информацию о составе питательной воды, обычно местной питьевой воды. Усредненные данные часто можно получить у местного поставщика воды, однако анализ воды дает информацию напрямую. Фильтрующий потенциал воды можно оценить с помощью теста на индекс засорения (FI) или, что менее надежно, на мутность. Для определения неорганических компонентов существует широкий спектр методов. Часто используются ионно-хроматографические, ICP-масс спектрометрические или спектрофотометрические методы. Электрическая проводимость служит ориентиром для потенциальных проблем. Органические соединения могут быть определены индивидуально, например хроматографически, или общее представление о содержании органики может быть получено путем измерения общего содержания органического углерода (TOC). Общее количество жизнеспособных бактерий, а также отдельных видов может быть измерено путем фильтрации или инокуляции и инкубации в подходящей среде для выращивания средний. Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) – это остаток в миллионных долях, полученный традиционным методом выпаривания пробы воды досуха и нагревания при 180°C. Безусловно, наибольшую долю отфильтрованного остатка составляют неорганические соли, и TDS используется в качестве показателя общего содержания присутствующих неорганических соединений. Его можно измерить непосредственно или оценить, умножив электропроводность воды в МКС/см при 25°C на 0,7.
Очистка питьевой воды в достаточной степени для использования в фармацевтической промышленности обычно требует ряда стадий очистки. Общая цель состоит в том, чтобы удалить примеси из воды, сведя к минимуму дополнительное загрязнение компонентов системы очистки и рост бактерий. Проектирование системы и выбор компонентов имеют решающее значение для успеха. Выбор начальных стадий системы очистки будет зависеть от характеристик исходной воды. Основная цель этапов предварительной обработки – уменьшить повреждение последующих компонентов, обеспечить надежную работу системы очистки воды и снизить стоимость эксплуатации за счет предотвращения чрезмерно частой замены более дорогих компонентов.
Бактерия
Особую проблему представляют микроорганизмы и их побочные продукты. Микроорганизмы могут попасть в незащищенную систему очистки воды из питательной воды, через любые отверстия в системе или через место использования. Они будут расти в виде биопленок на всех увлажненных поверхностях компонентов для очистки воды, включая резервуары для хранения и трубопроводы распределительной системы. Биопленка - это слой, состоящий в основном из гликопротеинов и гетерополисахаридов, в которых бактерии могут размножаться даже при очень низкой концентрации питательных веществ в воде. Слой также защищает организмы от периодической обработки биоцидами, которые в первую очередь эффективны для уничтожения планктонных (свободно плавающих) микроорганизмов. Отслаивающаяся биопленка и побочные продукты распада и метаболизма микроорганизмов (например, эндотоксины) всегда являются потенциальными загрязнителями воды.
Задачи, стоящие перед системой получения очищенной воды, заключаются в том, чтобы:
Соответствует всем требованиям, предъявляемым к американским и/или европейским Монографии по фармакопее
Удалите бактерии, присутствующие в питательной воде
Предотвращайте попадание бактерий в систему и повторное загрязнение
Подавляет рост бактерий в системе с помощью конструкции и периодической дезинфекции
Микропористые глубинные фильтры
Микропористые глубинные фильтры обеспечивают физический барьер для прохождения частиц и характеризуются номинальным размером частиц. Глубинные фильтры представляют собой спутанное волокно или материал, спрессованный с образованием матрицы, которая удерживает частицы путем случайной адсорбции или улавливания. Производительность фильтра может быть повышена за счет использования микрофильтров с модифицированной поверхностью, которая будет притягивать и удерживать эти встречающиеся в природе коллоиды, которые, как правило, намного меньше размеров пор в мембране. Глубинные фильтры (обычно 1-50 мкм) обычно используются в качестве экономичного способа удаления основной массы взвешенных твердых частиц и защиты технологий последующей очистки от загрязнения и засорения. Они периодически заменяются.
Активированный уголь (AC)
Активированный уголь используется при предварительной обработке для удаления хлора и хлораминов из питательной воды, чтобы они не повреждали мембранные фильтры и ионообменные смолы. Большая часть активированного угля производится путем активации древесного угля из скорлупы кокосовых орехов или угля путем обжига при температуре 800 –1000°C в присутствии водяного пара и CO2. Кислотная промывка удаляет большую часть остаточных оксидов и других растворимых веществ. Активированный уголь, используемый для очистки воды, обычно имеет размеры пор в диапазоне от 500-1000 нм и площадь поверхности около 1000 квадратных метров на грамм. Углерод используется в виде гранул или формованные и герметизированные картриджи, в которых образуется меньше мелких частиц.
Активированный уголь вступает в химическую реакцию с содержанием хлора, в 2-4 раза превышающим его вес, с образованием хлоридов. Эта реакция является очень быстрой и небольшие угольные фильтры позволяют эффективно удалять хлор из воды. Расщепление хлораминов углеродом представляет собой относительно медленную каталитическую реакцию с образованием аммиака, азота и хлоридов, поэтому для их обработки требуются большие объемы углерода. Органическое загрязнение может снизить эффективность использования углерода и зависит от местного водоснабжения. Это следует учитывать при определении размера его углеродных единиц. Второе применение активированного угля заключается в удалении органических соединений из питьевой воды. Активированный уголь поглощает загрязняющие вещества из воды за счет ионных, полярных и Ван-дер-ваальсовых сил, а также за счет поверхностно-активного притяжения. Слои активированного угля склонны к выделению мелких частиц и растворимых компонентов в поток воды и не удаляют все растворенные органические загрязнения, но их использование может привести к значительному снижению TOC. Иногда для этого используется более чистая форма активированного угля, изготовленная из полимерных гранул.
Большая площадь поверхности и высокая пористость активированного угля вместе с материалом, который они улавливают, делают их местом размножения микроорганизмов. Слои с активированным углем необходимо периодически дезинфицировать или регулярно менять, чтобы свести к минимуму накопление бактерий.
Умягчение воды (SO)
Жесткость воды в системе водоснабжения может привести к образованию накипи, которая представляет собой отложение минералов, оставшихся после удаления или испарения воды. Это можно найти в системах обратного осмоса, генераторах чистого пара и системах дистилляции. Наиболее распространенной технологией, используемой для удаления накипи, образованной ионами кальция и магния, является ионная замените умягчение воды. Умягчитель воды состоит из четырех основных компонентов: резервуар для смолы, смола, резервуар для рассола и клапаны или контроллер. Когда жесткая вода пропускается через смолу, кальций, магний и другие многовалентные ионы, такие как железо, прилипают к смоле, высвобождая ионы натрия до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Для замены ионов жесткости на ионы натрия путем пропускания хлорида натрия (NaCl) необходима регенерация раствор (называемый рассолом) пропускают через смолу. Подкисление / дегазация может быть использована в качестве процесса умягчения, но она имеет множество недостатков, например, работа с химическими веществами (серная кислота, антискалант) и приборами для двух регулировок рН. Нанофильтрацию иногда называют процессом размягчения мембраны, и она позволяет удалять анионы и катионы. Потребность в питательной воде для системы нанофильтрации примерно такая же, как и для системы обратного осмоса, и питательная вода должна быть предварительно обработана перед подачей на мембраны.
Технологии
Обратный осмос (RO)
Мембраны RO используются для удаления загрязнений, содержание которых меньше номинальный диаметр 1 нм. Обратный осмос обычно удаляет от 90% до 99% ионного загрязнения, большая часть органического загрязнения и почти все загрязнения твердыми частицами из воды. Степень удаления неионных загрязнений с молекулярной массой <100 Дальтон может быть низкой. Он увеличивается при более высоких молекулярных массах, и, теоретически, удаление будет полным для молекул с молекулярной массой >300 Дальтон и для частиц, включая коллоиды и микроорганизмы. Растворенные газы не удаляются (например, CO2).
Во время обратного осмоса предварительно очищенная вода перекачивается через входную поверхность мембраны RO под давлением (обычно 4-15 бар, 60-220 фунтов на квадратный дюйм) поперечным потоком. Мембраны RO обычно представляют собой тонкопленочный композит (полиамид). Они стабильны в широком диапазоне рН, но могут быть повреждены окислителями, такими как хлор, присутствующий в городской воде. Предварительная обработка питательной воды с помощью микропористых глубинных фильтров, умягчителя и активированного угля обычно требуется для защиты мембраны от крупных частиц, жесткости и свободного хлора. Типично проходит 75%-90% питательной воды через мембрану в виде проникающего, а остальное выходит из мембраны в виде концентрата, который содержит большую часть солей, органических веществ и практически все твердые частицы. Отношение объема пермеата к объему питательной воды называется “восстановлением”. Эксплуатация системы RO с низким коэффициентом извлечения уменьшит загрязнение мембраны, особенно из-за осаждения солей с низкой растворимостью. Однако возможно восстановление до 90%, в зависимости от качества питательной воды и использования предварительной фильтрации и умягчения.
Эффективность RO-компонента системы очистки воды обычно контролируется путем измерения процента удаления ионов, который представляет собой разницу между проводимостями исходного материала и пермеата, деленную на проводимость исходного материала, рассчитанную в процентах. Ионный отвод и рекуперация будут варьироваться в зависимости от питательной воды, давления на входе, температуры воды и состояния мембраны RO. В эпоху устойчивого развития мы можем еще больше сократить расход воды в системе RO, добавив регенерационный RO, который забирает отходы и пропускает их через еще одна стадия очистки, что позволяет сократить объем сточных вод до 50%. Благодаря своей исключительной эффективности очистки, обратный осмос является очень экономичной технологией для удаления подавляющего большинства загрязнений. Обратный осмос защищает систему от коллоидов и органических загрязнений. За этим часто следует ионный обмен или электродеионизация. Установки обратного осмоса нуждаются в периодической очистке и дезинфекции кислотными и щелочными растворами. Доступны мембраны специальной конструкции для очистки горячей воды при температуре 85°C.
Дегазационная мембрана (DG)
Мембранный контактор – это гидрофобное мембранное устройство, позволяющее воде и газу вступать в непосредственный контакт друг с другом без смешивания. Вода течет по одной стороне мембраны, а газ - по другой. Малый размер пор и гидрофобные свойства мембраны препятствуют прохождению воды через поры. Мембрана действует как опора, которая позволяет газу и воде вступать тв контакт друг с другом через поры. Регулируя давление и состав газа, контактирующего с водой, можно создать движущую силу для перемещения растворенных газов из водной фазы в газовую. Мембранный контактор работает по тем же основным принципам, по которым работают вакуумные дегазаторы или деаэраторы с принудительной тягой. Однако технология на основе мембран обеспечивает более чистую, компактную и стабильную работу.
Мембранная дегазация часто используется при обработке питательной водытс высоким содержанием растворенного CO2 (>10-15 частей на миллион). Углекислый газ будет свободно проходить через мембрану RO. Проходя через мембрану RO, он диссоциирует и повышает электропроводность воды. Мембранная дегазация эффективно удаляет растворенный CO2 и поддерживает низкую электропроводность, что важно для последующих этапов обработки, в частности для непрерывной электродеионизации (EDI).
Ионный обмен (IX)
Слои ионообменных смол могут эффективно удалять ионизированные частицы из воды, заменяя их на ионы H+ и OH-. Ионообменные смолы представляют собой пористые гранулы толщиной менее 1 мм, изготовленные из нерастворимых полимеров с высокой степенью сшивания и большим количеством центров сильного ионного обмена. Ионы из раствора мигрируют в гранулы, где в зависимости от их относительной плотности заряда (заряда на гидратированный объем) они конкурируют за места обмена. Гранулы бывают либо катионными, либо анионными. Сильными катионными смолами обычно являются полисульфоновые кислоты производные полистирола, сшитые дивинилбензолом. Сильными анионными смолами являются бензилтриметил четвертичный гидроксид аммония (Тип 1) или бензилдиметилэтил гидроксид четвертичного аммония (Тип 2) производные полистирола, сшитые дивинилбензолом. Слои ионообменных смол выпускаются либо в картриджах, либо в цилиндрах, которые заменяются / удаляется с места установки для дистанционной регенерации или в виде комплекта резервуаров, емкостей, клапанов и насосов, что позволяет проводить регенерацию ионообменных смол на месте. Положительно заряженные ионы (например, кальций, магний) удаляются катионной смолой путем обмена ионов водорода на более тяжелые, высокозаряженные катионы. После израсходования катионную смолу регенерируют, подвергая смолу воздействию избытка сильной кислоты, обычно соляной (HCl). Аналогичным образом отрицательно заряженные ионы (например, сульфат, хлорид) обмениваются с гидроксильными ионами на анионной смоле. Анионную смолу регенерируют с использованием крепкого раствора гидроксида натрия (NaOH). Очень большая площадь поверхности ионообменных смол делает их потенциальным местом размножения микроорганизмов и может привести к выделению мелких частиц и растворимых компоненты. По этим причинам следует использовать смолы хорошего качества и поддерживать как можно меньший объем слоя. Фильтры обычно устанавливаются после слоев для улавливания мелких частиц и других твердых включений. Накопление бактерий можно свести к минимуму за счет частой рециркуляции воды и регулярной замены картриджа. В конструкции современной ионообменной установки используются относительно небольшие слои смолы и частая регенерация – это сводит к минимуму возможность роста микроорганизмов. Благодаря подходящему выбору смолы, предварительной обработке и конструкции системы ионный обмен обеспечивает самые низкие уровни должно быть достигнуто ионное загрязнение.
Непрерывная электродеионизация (EDI)
Непрерывная электродеионизация – это технология, сочетающая ионообменные смолы и ионоселективные мембраны с постоянным током для удаления ионизированных частиц из воды. Он был разработан для преодоления ограничений, связанных со слоями ионообменных смол, в частности с выделением ионов по мере износа слоев и связанной с этим необходимостью замены или регенерации смол.
Пермеат обратного осмоса проходит через одну или несколько камер, заполненных ионообменными смолами, удерживаемыми между катион- или анион-селективными мембранами. Ионы, которые связываются с ионообменными смолами, мигрируют из камеры разбавления в отдельную камеру (концентрат) под воздействием приложенного извне электрического поля, которое также вырабатывает H+ и OH, необходимые для поддержания смол в их регенерированном состоянии. Ионы, находящиеся в камере концентрирования, рециркулируют в резервуар для очистки или сбрасываются в отходы. Ионообменные слои в модулях электродеионизации (EDI) регенерируются непрерывно, поэтому они не истощаются, как ионообменные слои, работающие в периодическом режиме (с химической регенерацией). Кровати EDI, как правило, также меньше по размеру и остаются в эксплуатации гораздо дольше. EDI предпочтителен для многих применений в производстве очищенной воды в фармацевтике из-за его “чистой” нехимической природы и постоянного высокого качества производимой воды. Смолы, используемые в системах EDI, могут представлять собой либо отдельные камеры анионных или катионных гранул, слои каждого типа в пределах одной камеры, либо замкнутый комплекс смесь катионных и анионных шариков.
Обратный осмос (а иногда и мембранная дегазация) обычно представляет собой используется перед EDI, чтобы гарантировать, что пакет EDI не перегружен высоким содержанием солей. Небольшой объем смол в пачке приводит к низкому выделению органических молекул. Как правило, RO удаляет около 95% ионов; EDI удаляет 99% оставшихся ионов, а также углекислый газ, органику и диоксид кремния. По сравнению с DI предпочтительной технологией является только комбинация RO и EDI, поскольку RO обеспечивает очень хороший мембранный барьер для удаления бактерий, что значительно снижает риск микробного загрязнения. EDI отполирует RO проникают до требуемых уровней электропроводности, требуемых на данном рынке. Как правило, вода, получаемая из продукта EDI, имеет удельное сопротивление от 1 до 18,2 МОМ-см (при 25°C) и общее содержание органического углерода ниже 20 частей на миллион. Уровень бактерий сведен к минимуму, поскольку электрические условия внутри системы подавляют рост микроорганизмов. Современные системы EDI позволяют пользователю проводить дезинфекцию горячей водой при температуре 85°C в течение от одного до четырех часов.
Дистилляция
Фармацевтическая компания по-прежнему химически и микробиологически очищает воду путем изменения фазы и разделения уноса. В ходе этого процесса вода испаряется с образованием пара. Пар отделяется от воды оставляя после себя растворенные твердые вещества, нелетучие вещества и высокомолекулярные примеси. Однако примеси с низким молекулярным весом переносятся с водяным туманом/каплями, которые увлекаются паром. Сепаратор удаляет мелкодисперсный туман и захваченные примеси, включая эндотоксины. Очищенный пар конденсируется в воду для впрыска. Доступны системы дистилляции, обеспечивающие как минимум 3 log10 снижение содержания загрязняющих веществ, таких как микроорганизмы и эндотоксины. Доступны три варианта исполнения, включая одноэффектный (SE), многоэффектный (ME) и парокомпрессионный (VC). В многоэффектной установке очищенный пар, образующийся при каждом эффекте, используется для нагрева воды и выработки большего количества пара при каждом последующем эффекте. Эффективность повышается с каждым добавленным эффектом. В парокомпрессионной установке пар, образующийся при испарении питательной воды, сжимается и впоследствии конденсируется с образованием дистиллят. Все дистилляционные установки подвержены образованию накипи и коррозии. Перегонные кубы VC требуют минимального умягчения воды для удаления кальция и магния, а также низкого содержания хлоридов и диоксида кремния. Для перегонных кубов ME требуется более высокое качество питательной воды; для предварительной обработки обычно используются установки ионного обмена или обратного осмоса. Перегонные кубы чувствительны к хлору и должны быть защищены дозировкой активированного угля или метабисульфита натрия.
Микропористые фильтры
Микропористые фильтры обеспечивают физический барьер для проникновения частиц и микроорганизмов в системы очистки воды. Картриджные фильтры, характеризуются абсолютными показателями размера частиц, имеют однородную молекулярную структуру, которая, подобно решету, удерживает на своей поверхности все частицы размером больше контролируемого размера пор. Картриджные фильтры (от 0,05 до 0,22 мкм) обычно используются перед распределительным баком для очищенной воды для улавливания микроорганизмов и мелких частиц. Захваченные частицы, включая микроорганизмы или продукты их метаболизма, а также растворимые вещества, могут быть вымыты из фильтров, и для поддержания желаемых уровней необходимо соответствующее техническое обслуживание (регулярная дезинфекция и периодическая замена).
Недавно установленные фильтры обычно требуют промывки перед использованием для удаления извлекаемых загрязнений. Микропористая фильтрующая мембрана, как правило, считается незаменимой в системе очистки воды, если только она не заменена генератором ультрафиолета или ультрафильтром.