Woda jest ważnym surowcem i substancją pomocniczą w produkcji wyrobów kosmetycznych i farmaceutycznych. Ponadto służy jako medium płuczące przy myciu CIP elementów instalacji i rurociągów – dlatego stacje wody demineralizowanej należą do kluczowych systemów produkcji.
Przegląd jakości wody
Poszczególne branże stawiają różne wymagania wobec jakości wody. Typowe określenia to:
- Woda demineralizowana – woda całkowicie odsolona lub dejonizowana (dejonat)
- PW – Purified Water
- HPW – Highly Purified Water
- WFI – Water for Injection
Miarą czystości wody demineralizowanej jest zwykle przewodność elektryczna w µS/cm. Konduktometry mierzą ją bezpośrednio w instalacji.
Tak działa wytwarzanie wody metodą odwróconej osmozy
Proces odwróconej osmozy usuwa w dużej mierze substancje rozpuszczone w wodzie surowej. Typowy ciąg uzdatniania wygląda następująco:
- 1FiltracjaFiltry wielowarstwowe, świecowe, ultra- lub mikrofiltry usuwają cząstki i zmętnienia.
- 2Węgiel aktywnyFiltry z węglem aktywnym redukują utleniacze i wiążą niskocząsteczkowe zanieczyszczenia organiczne.
- 3ZmiękczanieWapń, magnez i żelazo dwuwartościowe są wymieniane na jony sodu – szczególnie ważne przy wysokiej twardości wody.
- 4odwróconej osmozyMembrana rozdziela wodę zasilającą na permeat (wodę czystą) i koncentrat.
- 5EDI lub 2. stopieńElektrodejonizacja lub drugi stopień osmozy dodatkowo obniża resztkową zawartość soli.
- 6Zbiornik buforowyWoda demineralizowana jest magazynowana i rozprowadzana przez pętlę dystrybucyjną.
Ze względu na dużą powierzchnię wewnętrzną złoża żywicy zmiękczacz jest mikrobiologicznie najbardziej krytycznym elementem całego ciągu uzdatniania. Dezynfekcja chemiczna podczas regeneracji utrzymuje liczbę drobnoustrojów na dopuszczalnym poziomie. Coraz częściej stosuje się jednak instalacje z możliwością sanityzacji gorącą wodą.
W nowoczesnych instalacjach odwrócona osmoza jest metodą z wyboru do demineralizacji, ponieważ oferuje liczne zalety w porównaniu z wymiennikami jonowymi. Jako proces membranowy stanowi ona zarówno filtrację mechaniczną, jak i chemiczną. Instalacja przetłacza wodę zasilającą przez membranę półprzepuszczalną pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia osmotycznego.
Powstają przy tym dwa strumienie: koncentrat z oddzielonymi solami i zanieczyszczeniami oraz permeat – czysta woda o bardzo niskiej zawartości soli. Odwrócona osmoza osiąga doskonały stopień retencji soli, cząstek, mikroorganizmów i pirogenów. Membrany są jednak wrażliwe na fouling, scaling i utleniacze.
Aby osiągnąć wymaganą przewodność, stosuje się następnie drugi stopień albo elektrodejonizację (EDI). Oba rozwiązania zapewniają niższą resztkową zawartość soli, a tym samym większy margines bezpieczeństwa względem wartości granicznych.
Sterowanie i zbiornik buforowy
W przypadku pojedynczych zmiękczaczy układ sterowania powinien przesuwać regenerację na godziny nocne. Dzięki uzdatnianiu wstępnemu uzysk instalacji odwróconej osmozy znacznie rośnie – z ok. 50% do ok. 75%. Skoncentrowana woda odpadowa trafia do kanalizacji, a woda demineralizowana do zbiornika buforowego.
Czujniki monitorują poziom napełnienia zbiornika buforowego i bezpośrednio oddziałują na układ sterowania. Gdy poziom spadnie poniżej minimum, instalacja odwróconej osmozy rozpoczyna produkcję wody. Przy maksymalnym poziomie ponownie się zatrzymuje. Dzięki temu instalacja jest optymalnie wykorzystana.
Pętle dystrybucyjne do punktów poboru
Ze zbiornika magazynowego do poszczególnych punktów poboru prowadzą pętle dystrybucyjne. Zapobiegają one skażeniu mikrobiologicznemu wskutek stojącej wody. Pętla przebiega obok wszystkich punktów poboru, a ręczne lub automatyczne zawory kierują wodę do odbiorców.
Materiały
- PVDF – wyłącznie sanityzacja chemiczna
- Stal nierdzewna 1.4404 / 1.4435 (316L) – możliwość sterylizacji
Powierzchnie
- powierzchnie mające kontakt z wodą: Ra < 0,8 µm
- przewody WFI: Ra 0,6–0,4 µm, elektropolerowane – w zależności od wymagań klienta
Dla higienicznej pętli dystrybucyjnej obowiązują ponadto następujące zasady:
- łączenie wszystkich komponentów w sposób zwarty i z minimalną przestrzenią martwą, omywanie wszystkich obszarów
- brak połączeń z przesunięciem uszczelek lub połączeń gwintowanych w pętlach dystrybucyjnych
- preferowane połączenia aseptyczne według DIN 11864, przy zmianach gorąco–zimno w miarę możliwości aseptyczne połączenia kołnierzowe
- zawory membranowe typu T z minimalną przestrzenią martwą w punktach poboru
- materiały uszczelniające z dopuszczeniem FDA (Food and Drug Administration)
- pasywacja po wykonaniu pętli dystrybucyjnych i elementów instalacji
Dezynfekcja, sanityzacja i sterylizacja
Aby utrzymać wodę wolną od drobnoustrojów, użytkownicy łączą różne metody. Sanityzacja i procesy SIP przebiegają w ustalonych cyklach. Instalacja musi być zaprojektowana pod daną metodę.
Dezynfekcja UV
Światło ultrafioletowe o długości fali 254 nm niszczy DNA, błonę komórkową i enzymy mikroorganizmów. Uzdatniona wstępnie woda przepływa w kontrolowany sposób przez komorę naświetlania. Możliwie turbulentny przepływ poprawia skuteczność.
Sanityzacja w 80 °C
Stację wody demineralizowanej należy sanityzować co najmniej cztery razy w roku. Wymiennik ciepła podgrzewa zbiornik i sieć rurociągów do 80 °C. Następnie gorąca woda krąży przez godzinę. Potem system jest opróżniany i ponownie napełniany zimną wodą – na życzenie w pełni automatycznie.
Sterylizacja gorącą wodą pod ciśnieniem 110–130 °C
Przebieg jest podobny do sanityzacji, lecz w wyższych temperaturach. Powyżej 100 °C oprócz ciśnienia pompy powstaje nadciśnienie pary: w 110 °C ok. 0,5 bar, w 121 °C ok. 1 bar (ok. 2 bar abs.). Dlatego instalacja musi być odpowiednio zaprojektowana.
Od 100 °C para wypiera powietrze ze zbiornika. Następnie zamyka się zawór odpowietrzający przy filtrze sterylnym, tak aby ciśnienie i temperatura narastały i były utrzymywane. Również ten przebieg może być w pełni zautomatyzowany.
Sterylizacja parą czystą
Ta metoda wymaga wyższych nakładów inwestycyjnych, ponieważ elementy instalacji muszą spełniać wyższe wymagania, np. przepisów AD 2000 lub EN ISO 17665. Do tego dochodzi kompleksowa kwalifikacja i walidacja. Szczegóły przebiegu znajdą Państwo w następnej sekcji.
Przebieg sterylizacji parą czystą
Do sterylizacji parą czystą wszystkie elementy instalacji muszą być całkowicie opróżnione. W punktach poboru i w najniższych punktach rurociągów potrzebne są odwadniacze z odpowiednimi zaworami zwrotnymi. Kondensat musi bezpiecznie odpływać i nikt nie może ulec poparzeniu o gorące przewody.
Do bezpiecznego odpowietrzenia zaleca się wytworzenie próżni w zbiorniku magazynowym i sieci rurociągów. Następnie wpływa para czysta, a temperatura jest regulowana poprzez ciśnienie. Ważne jest, aby również rurociągi były podłączone do sieci parowej. Tylko wtedy para dociera aż do punktów odprowadzania kondensatu.
W miejscach trudnych do wysterylizowania i na odpływach kondensatu czujniki temperatury rejestrują wartości i korygują dopływ pary. Gdy wszystkie czujniki osiągną ustaloną temperaturę sterylizacji (np. 121 °C lub wyższą), rozpoczyna się czas sterylizacji. Warunkami są:
- powtarzalnie sterowane procesy sterylizacji
- zapisane i udokumentowane wartości pomiarowe istotne dla jakości
- w pełni automatyczny przebieg sterylizacji
- SOP dotyczące obsługi poszczególnych metod sterylizacji
Ogrzewanie obiegów wody
Szczelne płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła ogrzewają obieg wody. Aby zapobiec skażeniu mikrobiologicznemu, gorącą wodę należy przechowywać w temperaturze 70–99 °C. Zimna woda powinna natomiast pozostawać poniżej 18 °C. Zapewnia to chłodnica zwrotna w pętli dystrybucyjnej.
Kwalifikacja stacji wody demineralizowanej
Aby spełnić wymagania GMP wobec systemów wodnych, konieczna jest kwalifikacja. Obejmuje ona następujące etapy:
Prace kwalifikacyjne powinny być precyzyjnie określone już w specyfikacji wymagań.
Proces SEEFRIED Verfahrenstechnik GmbH wspiera Państwa zarówno w projektowaniu, jak i w kwalifikacji stacji wody demineralizowanej.
Najczęstsze pytania dotyczące stacji wody demineralizowanej i pętli dystrybucyjnych
Jakie jakości wody stosuje się w farmacji i kosmetyce?
Typowe są woda demineralizowana (całkowicie odsolona lub dejonizowana), Purified Water (PW), Highly Purified Water (HPW) i Water for Injection (WFI). Stopień czystości określa się zwykle na podstawie przewodności elektrycznej w µS/cm.
Jak wytwarza się wodę demineralizowaną metodą odwróconej osmozy?
Po stopniu filtracji oraz ewentualnie filtrze z węglem aktywnym i zmiękczaniu odwrócona osmoza przetłacza wodę przez membranę półprzepuszczalną. Dla bardzo niskiej przewodności stosuje się drugi stopień lub elektrodejonizację (EDI). Czysta woda jest magazynowana w zbiorniku buforowym.
Dlaczego stosuje się pętle dystrybucyjne?
Pętle dystrybucyjne utrzymują wodę w ciągłym ruchu i zapobiegają skażeniu mikrobiologicznemu wskutek stojącej wody. Typowo stosuje się stal nierdzewną 316L lub PVDF o powierzchniach Ra < 0,8 µm, zawory membranowe z minimalną przestrzenią martwą i połączenia aseptyczne według DIN 11864.
Jak często należy sanityzować stację wody demineralizowanej?
Co najmniej cztery razy w roku, zwykle przez podgrzanie do 80 °C i godzinną cyrkulację. Alternatywą jest sterylizacja gorącą wodą pod ciśnieniem w 110–130 °C lub sterylizacja parą czystą.
Jaka kwalifikacja jest wymagana dla systemów wodnych GMP?
Analiza ryzyka, DQ, IQ, kalibracja, OQ, PQ oraz końcowy raport. Prace kwalifikacyjne powinny być określone już w specyfikacji wymagań.