Voda je důležitou výchozí a pomocnou látkou při výrobě kosmetických a farmaceutických produktů. Slouží také jako oplachové médium při čištění CIP částí zařízení a potrubí – zařízení na demineralizovanou vodu proto patří ke klíčovým systémům výroby.
Přehled kvality vody
Jednotlivá průmyslová odvětví kladou na kvalitu vody různé požadavky. Běžná označení jsou:
- Demineralizovaná voda – plně odsolená, resp. deionizovaná voda (deionát)
- PW – Purified Water (čištěná voda)
- HPW – Highly Purified Water (vysoce čištěná voda)
- WFI – Water for Injection (voda na injekci)
Jako měřítko čistoty demineralizované vody slouží většinou elektrická vodivost v µS/cm. Konduktometry ji měří přímo v zařízení.
Jak funguje výroba vody reverzní osmózou
Proces reverzní osmózy do značné míry odstraňuje rozpuštěné látky ze surové vody. Typický řetězec úpravy vypadá takto:
- 1FiltraceVícevrstvé, svíčkové, ultrafiltrační nebo mikrofiltrační filtry odstraňují částice a zákal.
- 2Aktivní uhlíFiltry s aktivním uhlím snižují obsah oxidačních činidel a zachycují nízkomolekulární organické nečistoty.
- 3ZměkčováníVápník, hořčík a dvojmocné železo se vyměňují za sodné ionty – zvlášť důležité při vysokém obsahu vápníku.
- 4reverzní osmózyMembrána rozděluje napájecí vodu na permeát (čistou vodu) a koncentrát.
- 5EDI nebo 2. stupeňElektrodeionizace nebo druhý stupeň osmózy dále snižuje zbytkový obsah solí.
- 6Vyrovnávací nádržDemineralizovaná voda se akumuluje a rozvádí okruhovým rozvodem.
Změkčovač je kvůli velkému vnitřnímu povrchu pryskyřičného lože mikrobiologicky nejkritičtějším prvkem celého řetězce úpravy. Chemická dezinfekce během regenerace udržuje počty mikroorganismů na přijatelné úrovni. Stále častěji se však používají zařízení sanitovatelná horkou vodou.
V moderních zařízeních je reverzní osmóza metodou volby pro odsolování, protože oproti iontoměničům nabízí řadu výhod. Jako membránový proces je zároveň mechanickou i chemickou filtrací. Zařízení přitom protlačuje napájecí vodu polopropustnou membránou tlakem vyšším, než je osmotický tlak.
Vznikají tak dva proudy: koncentrát s oddělenými solemi a nečistotami a permeát – čistá voda s velmi nízkým obsahem solí. Reverzní osmóza dosahuje vynikající míry záchytu solí, částic, mikroorganismů a pyrogenů. Membrány jsou však citlivé na fouling, scaling a oxidační činidla.
K dosažení požadované vodivosti následuje buď druhý stupeň, nebo elektrodeionizace (EDI). Oba poskytují nižší zbytkový obsah solí, a tím větší bezpečnostní rezervu vůči limitním hodnotám.
Řídicí systém a vyrovnávací nádrž
U samostatných změkčovacích zařízení by řídicí systém měl plánovat regeneraci na noc. Díky předúpravě se výtěžnost zařízení reverzní osmózy výrazně zvýší – z cca 50 % na cca 75 %. Koncentrovaná zbytková voda odtéká do kanalizace, demineralizovaná voda naopak do vyrovnávací nádrže.
Snímače sledují hladinu ve vyrovnávací nádrži a přímo zasahují do řízení. Klesne-li hladina pod minimum, zařízení reverzní osmózy spustí výrobu vody. Při maximální hladině se opět zastaví. Zařízení je tak optimálně vytíženo.
Okruhové rozvody k odběrným místům
Ze skladovací nádrže vedou k jednotlivým odběrným místům okruhové rozvody. Zabraňují kontaminaci mikroorganismy způsobené stojící vodou. Okruh prochází kolem všech odběrných míst a ruční nebo automatické ventily vedou vodu ke spotřebičům.
Materiály
- PVDF – pouze chemicky sanitovatelné
- nerezová ocel 1.4404 / 1.4435 (316L) – sterilizovatelná
Povrchy
- povrchy ve styku s vodou: Ra < 0,8 µm
- potrubí WFI: Ra 0,6–0,4 µm, elektrolyticky leštěné – podle požadavků zákazníka
Pro hygienický okruhový systém dále platí tyto zásady:
- všechny komponenty spojovat kompaktně a s minimem mrtvých prostorů, všechny oblasti musí být obtékány
- žádné spoje s přesazeným těsněním ani závitové spoje v okruhových rozvodech
- přednostně aseptické spoje podle DIN 11864, při střídání horké a studené vody pokud možno aseptické přírubové spoje
- T-membránové ventily s minimem mrtvých prostorů na odběrných místech
- těsnicí materiály se schválením FDA (Food and Drug Administration)
- pasivace po dokončení okruhových rozvodů a částí zařízení
Odstraňování mikroorganismů, sanitace a sterilizace
Aby voda zůstala bez mikroorganismů, kombinují provozovatelé různé metody. Sanitace a procesy SIP probíhají ve stanovených cyklech. Zařízení k tomu musí být navrženo pro příslušnou metodu.
UV dezinfekce
Ultrafialové světlo o vlnové délce 254 nm ničí DNA, buněčnou membránu a enzymy mikroorganismů. Předupravená voda přitom řízeně proudí ozařovací komorou. Co nejturbulentnější proudění zlepšuje účinek.
Sanitace při 80 °C
Zařízení na demineralizovanou vodu by mělo být sanitováno nejméně čtyřikrát ročně. Výměník tepla ohřeje nádrž a potrubní síť na 80 °C. Horká voda pak hodinu cirkuluje. Poté se systém vypustí a znovu naplní studenou vodou – na přání plně automaticky.
Sterilizace přehřátou tlakovou vodou 110–130 °C
Průběh je podobný sanitaci, ale při vyšších teplotách. Nad 100 °C vzniká kromě tlaku čerpadla navíc přetlak páry: při 110 °C asi 0,5 bar, při 121 °C přibližně 1 bar (cca 2 bar absolutně). Zařízení proto musí být odpovídajícím způsobem navrženo.
Od 100 °C vytlačuje pára vzduch z nádrže. Poté se zavře odvzdušňovací ventil na sterilním filtru, takže se tlak a teplota vytvoří a udržují. I tento průběh může být plně automatický.
Sterilizace čistou párou
Tato metoda vyžaduje vyšší investice. Části zařízení totiž musí splňovat vyšší požadavky, např. předpisy AD 2000, resp. EN ISO 17665. K tomu přistupuje komplexní kvalifikace a validace. Podrobnosti o průběhu najdete v další části.
Průběh sterilizace čistou párou
Pro sterilizaci čistou párou musí být všechny části zařízení zcela vyprázdněny. Na odběrných místech a v nejnižších bodech potrubí jsou nutné odváděče kondenzátu s vhodnými zpětnými ventily. Kondenzát musí bezpečně odtékat a nikdo se nesmí o horké potrubí zranit.
Pro bezpečné odvzdušnění se doporučuje uvést skladovací nádrž a potrubní síť pod vakuum. Poté vtéká čistá pára a teplota se reguluje tlakem. Důležité je, aby i potrubí byla připojena na parní síť. Jen tak pára proudí až k místům odvodu kondenzátu.
V místech, která se obtížně sterilizují, a na odtocích kondenzátu snímají teplotní čidla hodnoty a dodávku páry doregulují. Jakmile všechna čidla dosáhnou stanovené sterilizační teploty (např. 121 °C nebo vyšší), začíná doba sterilizace. Předpoklady jsou:
- reprodukovatelně řiditelné sterilizační procesy
- uložené a zdokumentované naměřené hodnoty relevantní pro kvalitu
- plně automatický průběh sterilizace
- SOP pro zacházení s jednotlivými sterilizačními metodami
Ohřev vodních okruhů
Vodní okruh ohřívají trubkové výměníky tepla zabezpečené proti netěsnosti. Aby se zabránilo kontaminaci mikroorganismy, měla by se horká voda skladovat při 70–99 °C. Studená voda by naopak měla zůstat pod 18 °C. K tomu slouží zpětný chladič v okruhovém rozvodu.
Kvalifikace zařízení na demineralizovanou vodu
Ke splnění požadavků GMP na vodní systémy je nutná kvalifikace. Zahrnuje tyto kroky:
Kvalifikační práce by měly být pečlivě specifikovány již ve specifikaci požadavků.
Proces SEEFRIED Verfahrenstechnik GmbH vám pomůže s návrhem i s kvalifikací vašeho zařízení na demineralizovanou vodu.
Časté dotazy k zařízením na demineralizovanou vodu a okruhovým rozvodům
Jaké kvality vody se používají ve farmacii a kosmetice?
Běžná je demineralizovaná voda (plně odsolená, resp. deionizovaná voda), Purified Water (PW), Highly Purified Water (HPW) a Water for Injection (WFI). Stupeň čistoty se většinou určuje elektrickou vodivostí v µS/cm.
Jak se vyrábí demineralizovaná voda reverzní osmózou?
Po filtračním stupni a případně filtru s aktivním uhlím a změkčení protlačuje reverzní osmóza vodu polopropustnou membránou. Pro velmi nízké vodivosti následuje druhý stupeň nebo elektrodeionizace (EDI). Čistá voda se akumuluje ve vyrovnávací nádrži.
Proč se používají okruhové rozvody?
Okruhové rozvody udržují vodu v trvalém pohybu a zabraňují kontaminaci mikroorganismy způsobené stojící vodou. Obvyklá je nerezová ocel 316L nebo PVDF s povrchy Ra < 0,8 µm, membránové ventily s minimem mrtvých prostorů a aseptické spoje podle DIN 11864.
Jak často by se mělo zařízení na demineralizovanou vodu sanitovat?
Nejméně čtyřikrát ročně, většinou ohřevem na 80 °C a hodinovou cirkulací. Alternativou je sterilizace přehřátou tlakovou vodou při 110–130 °C nebo sterilizace čistou párou.
Jaká kvalifikace je nutná pro vodní systémy GMP?
Analýza rizik, DQ, IQ, kalibrace, OQ, PQ a závěrečná zpráva. Kvalifikační práce by měly být specifikovány již ve specifikaci požadavků.