Water is een belangrijke grond- en hulpstof bij de productie van cosmetische en farmaceutische producten. Bovendien dient het als spoelmiddel voor de CIP-reiniging van installatiedelen en leidingen – demiwaterinstallaties behoren daarom tot de sleutelsystemen van de productie.
Waterkwaliteiten in één oogopslag
De verschillende industrietakken stellen uiteenlopende eisen aan de waterkwaliteit. Gangbare aanduidingen zijn:
- Demiwater – volledig ontzout of gedeïoniseerd water (deïonaat)
- PW – Purified Water
- HPW – Highly Purified Water
- WFI – Water for Injection
Als maat voor de zuiverheid van gedemineraliseerd water dient meestal de elektrische geleidbaarheid in µS/cm. Geleidbaarheidsmeters meten deze direct in de installatie.
Zo werkt de waterproductie via omgekeerde osmose
De omgekeerde osmose verwijdert de opgeloste bestanddelen van het ruwe water grotendeels. Een typische behandelingsketen ziet er zo uit:
- 1FiltratieMeerlaags-, kaars-, ultra- of microfilters verwijderen deeltjes en troebelingen.
- 2Actieve koolActievekoolfilters verminderen oxidatiemiddelen en binden laagmoleculaire organische verontreinigingen.
- 3OnthardingCalcium, magnesium en tweewaardig ijzer worden uitgewisseld tegen natriumionen – bij een hoog kalkgehalte bijzonder belangrijk.
- 4omgekeerde osmoseHet membraan scheidt het voedingswater in permeaat (zuiver water) en concentraat.
- 5EDI of 2e trapEen elektrodeïonisatie of tweede osmosetrap verlaagt het restzoutgehalte verder.
- 6BuffertankHet demiwater wordt opgeslagen en via de ringleiding verdeeld.
De ontharding is vanwege het grote inwendige oppervlak van het harsbed het microbiologisch meest kritische element van de gehele behandelingsketen. Een chemische desinfectie tijdens de regeneratie houdt het kiemgetal op een aanvaardbaar niveau. Steeds vaker worden echter installaties ingezet die met heet water kunnen worden gesaniteerd.
In moderne installaties is omgekeerde osmose de voorkeursmethode voor ontzouting, omdat zij talrijke voordelen biedt ten opzichte van ionenwisselaars. Als membraanproces is zij zowel een mechanische als een chemische filtratie. Daarbij perst de installatie het voedingswater met een druk boven de osmotische druk door een semipermeabel membraan.
Zo ontstaan twee stromen: een concentraat met de afgescheiden zouten en verontreinigingen en een permeaat – zuiver water met een zeer laag zoutgehalte. Omgekeerde osmose bereikt uitstekende retentiegraden voor zouten, deeltjes, micro-organismen en pyrogenen. De membranen zijn echter gevoelig voor fouling, scaling en oxidatiemiddelen.
Om de vereiste geleidbaarheid te bereiken, volgt een tweede trap of een elektrodeïonisatie (EDI). Beide leveren lagere restzoutgehalten en daarmee meer veiligheidsmarge ten opzichte van de grenswaarden.
Besturing en buffertank
Bij enkelvoudige ontharders moet de besturing de regeneratie ’s nachts plannen. Door de voorbehandeling stijgt de opbrengst van de omgekeerde-osmose-installatie aanzienlijk – van ca. 50% naar ca. 75%. Het geconcentreerde restwater stroomt naar het riool, het demiwater daarentegen naar een buffertank.
Sensoren bewaken het niveau van de buffertank en grijpen direct in de besturing in. Daalt het niveau onder het minimum, dan start de omgekeerde-osmose-installatie de waterproductie. Bij maximaal niveau stopt zij weer. Zo is de installatie optimaal benut.
Ringleidingen naar de tappunten
Van de opslagtank naar de afzonderlijke tappunten lopen ringleidingen. Ze voorkomen kiemgroei door stilstaand water. Het ringsysteem loopt langs alle tappunten, en handbediende of automatische afsluiters leiden het water naar de verbruikers.
Materialen
- PVDF – alleen chemisch saniteerbaar
- Roestvast staal 1.4404 / 1.4435 (316L) – steriliseerbaar
Oppervlakken
- waterberoerde oppervlakken: Ra < 0,8 µm
- WFI-leidingen: Ra 0,6–0,4 µm, elektrolytisch gepolijst – afhankelijk van de klanteis
Voor een hygiënisch ringsysteem gelden bovendien de volgende principes:
- alle componenten compact en met minimale dode ruimte verbinden, alle zones laten doorstromen
- geen verbindingen met afdichtingsverspringing of schroefdraad in de ringleidingen
- bij voorkeur steriele verbindingen volgens DIN 11864, bij heet-koudwisselingen zo mogelijk steriele flensverbindingen
- T-membraanafsluiters met minimale dode ruimte op de tappunten
- afdichtingsmaterialen met FDA-goedkeuring (Food and Drug Administration)
- passivering na voltooiing van ringleidingen en installatiedelen
Kiemreductie, sanitatie en sterilisatie
Om het water kiemvrij te houden, combineren exploitanten verschillende methoden. Sanitatie en SIP-processen verlopen in vastgelegde cycli. De installatie moet daarvoor op de betreffende methode zijn ontworpen.
UV-desinfectie
Ultraviolet licht met een golflengte van 254 nm vernietigt DNA, celmembraan en enzymen van de micro-organismen. Het voorbehandelde water stroomt daarvoor gecontroleerd door een bestralingskamer. Een zo turbulent mogelijke stroming verbetert de werking.
Sanitatie bij 80 °C
Een demiwaterinstallatie moet minstens vier keer per jaar worden gesaniteerd. Een warmtewisselaar verwarmt tank en leidingnet tot 80 °C. Daarna circuleert het hete water een uur lang. Vervolgens wordt het systeem geleegd en opnieuw met koud water gevuld – op verzoek volautomatisch.
Sterilisatie met heet water onder druk, 110–130 °C
Het verloop lijkt op de sanitatie, maar bij hogere temperaturen. Boven 100 °C bouwt zich naast de pompdruk een stoomoverdruk op: bij 110 °C ongeveer 0,5 bar, bij 121 °C circa 1 bar (ca. 2 bar absoluut). De installatie moet daarom dienovereenkomstig zijn ontworpen.
Vanaf 100 °C verdringt de stoom de lucht in de tank. Daarna sluit de beluchtingsklep op het steriele filter, zodat druk en temperatuur worden opgebouwd en vastgehouden. Ook dit verloop is volautomatisch mogelijk.
Sterilisatie met schone stoom
Deze methode vraagt hogere investeringen, want de installatiedelen moeten aan strengere eisen voldoen, bijv. het AD 2000-regelwerk of EN ISO 17665. Daar komt een uitgebreide kwalificatie en validatie bij. Details over het verloop vindt u in het volgende deel.
Verloop van de sterilisatie met schone stoom
Voor de sterilisatie met schone stoom moeten alle installatiedelen volledig zijn geleegd. Op de tappunten en op de laagste punten van de leidingen zijn condenspotten met geschikte terugslagkleppen nodig. Het condensaat moet veilig kunnen afvloeien, en niemand mag zich aan de hete leidingen kunnen verwonden.
Voor een veilige ontluchting is het raadzaam opslagtank en leidingnet vacuüm te trekken. Vervolgens stroomt schone stoom in, en de temperatuur wordt via de druk geregeld. Belangrijk is dat ook de leidingen op het stoomnet zijn aangesloten. Alleen zo stroomt de stoom tot aan de condensaatafvoerpunten.
Op moeilijk te steriliseren plekken en bij de condensaatafvoeren registreren temperatuursensoren de waarden en regelen ze de stoom bij. Zodra alle sensoren de vastgelegde sterilisatietemperatuur bereiken (bijv. 121 °C of hoger), begint de sterilisatietijd. Voorwaarden daarvoor zijn:
- reproduceerbaar stuurbare sterilisatieprocessen
- opgeslagen en gedocumenteerde kwaliteitsrelevante meetwaarden
- een volautomatisch sterilisatieverloop
- SOP’s voor de uitvoering van de afzonderlijke sterilisatiemethoden
Verwarming van watercircuits
Lekveilige pijpenbundelwarmtewisselaars verwarmen het watercircuit. Om kiemgroei te voorkomen, moet heet water bij 70–99 °C worden opgeslagen. Koud water moet daarentegen onder 18 °C blijven. Daarvoor zorgt een terugkoeler in de ringleiding.
Kwalificatie van demiwaterinstallaties
Om aan de GMP-eisen voor waterinstallaties te voldoen, is een kwalificatie vereist. Deze omvat de volgende stappen:
De kwalificatiewerkzaamheden moeten al in het programma van eisen duidelijk zijn gespecificeerd.
De SEEFRIED Verfahrenstechnik GmbH ondersteunt u zowel bij het ontwerp als bij de kwalificatie van uw demiwaterinstallatie.
Veelgestelde vragen over demiwaterinstallaties en ringleidingen
Welke waterkwaliteiten worden in farmacie en cosmetica gebruikt?
Gangbaar zijn demiwater (volledig ontzout of gedeïoniseerd water), Purified Water (PW), Highly Purified Water (HPW) en Water for Injection (WFI). De zuiverheid wordt meestal via de elektrische geleidbaarheid in µS/cm bepaald.
Hoe wordt demiwater via omgekeerde osmose geproduceerd?
Na een filtratietrap en eventueel een actievekoolfilter en ontharding perst de omgekeerde osmose het water door een semipermeabel membraan. Voor zeer lage geleidbaarheden volgt een tweede trap of een elektrodeïonisatie (EDI). Het zuivere water wordt in een buffertank opgeslagen.
Waarom worden ringleidingen toegepast?
Ringleidingen houden het water voortdurend in beweging en voorkomen kiemgroei door stilstaand water. Gebruikelijk zijn roestvast staal 316L of PVDF met oppervlakken Ra < 0,8 µm, membraanafsluiters met minimale dode ruimte en steriele verbindingen volgens DIN 11864.
Hoe vaak moet een demiwaterinstallatie worden gesaniteerd?
Minstens vier keer per jaar, meestal door opwarmen tot 80 °C en een uur circulatie. Alternatieven zijn sterilisatie met heet water onder druk bij 110–130 °C of sterilisatie met schone stoom.
Welke kwalificatie is nodig voor GMP-waterinstallaties?
Risicoanalyse, DQ, IQ, kalibratie, OQ, PQ en een afsluitend rapport. De kwalificatiewerkzaamheden moeten al in het programma van eisen worden gespecificeerd.