Вода – важное исходное и вспомогательное вещество при производстве косметической и фармацевтической продукции. Кроме того, она служит промывочной средой для мойки CIP частей установки и трубопроводов – поэтому установки деминерализованной воды относятся к ключевым системам производства.
Обзор качеств воды
Отдельные отрасли предъявляют разные требования к качеству воды. Распространённые обозначения:
- Деминерализованная вода – полностью обессоленная или деионизированная вода (деионат)
- PW – Purified Water (очищенная вода)
- HPW – Highly Purified Water (высокоочищенная вода)
- WFI – Water for Injection (вода для инъекций)
Мерой степени чистоты деминерализованной воды обычно служит удельная электропроводность в µS/cm. Кондуктометры измеряют её непосредственно в установке.
Как работает получение воды методом обратного осмоса
Установка обратного осмоса в значительной степени удаляет растворённые компоненты исходной воды. Типичная цепочка водоподготовки выглядит так:
- 1ФильтрацияМногослойные, патронные, ультра- или микрофильтры удаляют частицы и мутность.
- 2Активированный угольФильтры с активированным углём снижают содержание окислителей и связывают низкомолекулярные органические загрязнения.
- 3УмягчениеКальций, магний и двухвалентное железо обмениваются на ионы натрия – особенно важно при высокой жёсткости воды.
- 4обратного осмосаМембрана разделяет питательную воду на пермеат (чистую воду) и концентрат.
- 5EDI или 2-я ступеньЭлектродеионизация или вторая ступень осмоса дополнительно снижает остаточное солесодержание.
- 6Буферная ёмкостьДеминерализованная вода накапливается и распределяется по кольцевому трубопроводу.
Из-за большой внутренней поверхности слоя смолы умягчитель является микробиологически наиболее критичным элементом всей цепочки водоподготовки. Химическая дезинфекция во время регенерации удерживает микробное число на допустимом уровне. Однако всё чаще применяются установки с санитизацией горячей водой.
В современных установках обратный осмос – предпочтительный метод обессоливания, поскольку он имеет множество преимуществ перед ионообменниками. Как мембранный процесс он является одновременно механической и химической фильтрацией. При этом установка продавливает питательную воду через полупроницаемую мембрану под давлением выше осмотического.
Так образуются два потока: концентрат с задержанными солями и загрязнениями и пермеат – чистая вода с очень низким содержанием солей. Обратный осмос обеспечивает превосходную степень задержания солей, частиц, микроорганизмов и пирогенов. Однако мембраны чувствительны к биообрастанию (fouling), образованию отложений (scaling) и окислителям.
Для достижения требуемой электропроводности далее следует либо вторая ступень, либо электродеионизация (EDI). Обе обеспечивают более низкое остаточное солесодержание и тем самым больший запас до предельных значений.
Система управления и буферная ёмкость
В одиночных установках умягчения система управления должна переносить регенерацию на ночное время. Благодаря предварительной обработке выход установки обратного осмоса значительно возрастает – примерно с 50 % до примерно 75 %. Концентрированная остаточная вода сбрасывается в канализацию, а деминерализованная вода – в буферную ёмкость.
Датчики контролируют уровень в буферной ёмкости и напрямую воздействуют на систему управления. Если уровень опускается ниже минимума, установка обратного осмоса запускает производство воды. При достижении максимального уровня она снова останавливается. Таким образом установка загружена оптимально.
Кольцевые трубопроводы к точкам отбора
От резервуара хранения к отдельным точкам отбора ведут кольцевые трубопроводы. Они предотвращают микробное загрязнение из-за застоя воды. Кольцевая система проходит мимо всех точек отбора, а ручные или автоматические клапаны направляют воду к потребителям.
Материалы
- PVDF – только химическая санитизация
- Нержавеющая сталь 1.4404 / 1.4435 (316L) – пригодна для стерилизации
Поверхности
- поверхности, контактирующие с водой: Ra < 0,8 µm
- трубопроводы WFI: Ra 0,6–0,4 µm, электрополированные – в зависимости от требований заказчика
Для гигиеничной кольцевой системы также действуют следующие принципы:
- компактное соединение всех компонентов с минимальными мёртвыми зонами, омывание всех участков
- никаких соединений со смещением уплотнения или резьбой в кольцевых трубопроводах
- предпочтительно асептические соединения по DIN 11864, при чередовании горячего и холодного режимов – по возможности асептические фланцевые соединения
- мембранные T-образные клапаны с минимальным мёртвым объёмом в точках отбора
- уплотнительные материалы с допуском FDA (Food and Drug Administration)
- пассивация после изготовления кольцевых трубопроводов и частей установки
Обеззараживание, санитизация и стерилизация
Чтобы поддерживать воду свободной от микроорганизмов, эксплуатирующие организации комбинируют различные методы. Санитизация и процессы SIP проводятся с заданной периодичностью. Для этого установка должна быть рассчитана на соответствующий метод.
УФ-дезинфекция
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 nm разрушает ДНК, клеточную мембрану и ферменты микроорганизмов. Для этого предварительно обработанная вода контролируемо протекает через камеру облучения. Максимально турбулентный поток повышает эффективность.
Санитизация при 80 °C
Установку деминерализованной воды следует санитизировать не менее четырёх раз в год. Теплообменник нагревает ёмкость и трубопроводную сеть до 80 °C. Затем горячая вода циркулирует в течение часа. После этого система опорожняется и заново заполняется холодной водой – по желанию полностью автоматически.
Стерилизация перегретой водой под давлением 110–130 °C
Процесс аналогичен санитизации, но проводится при более высоких температурах. Выше 100 °C в дополнение к давлению насоса создаётся избыточное давление пара: при 110 °C около 0,5 bar, при 121 °C около 1 bar (прибл. 2 bar абс.). Поэтому установка должна быть рассчитана соответствующим образом.
Начиная со 100 °C пар вытесняет воздух из ёмкости. Затем вентиляционный клапан на стерильном фильтре закрывается, так что давление и температура нарастают и поддерживаются. Этот процесс также может быть полностью автоматическим.
Стерилизация чистым паром
Этот метод требует более высоких инвестиций, поскольку части установки должны соответствовать более высоким требованиям, например своду правил AD 2000 или EN ISO 17665. К этому добавляются всесторонняя квалификация и валидация. Подробнее о порядке проведения – в следующем разделе.
Порядок стерилизации чистым паром
Для стерилизации чистым паром все части установки должны быть полностью опорожнены. В точках отбора и в самых нижних точках трубопроводов необходимы конденсатоотводчики с подходящими обратными клапанами. Конденсат должен надёжно отводиться, и никто не должен иметь возможности травмироваться о горячие трубопроводы.
Для надёжного удаления воздуха рекомендуется вакуумировать резервуар хранения и трубопроводную сеть. Затем подаётся чистый пар, а температура регулируется через давление. Важно, чтобы трубопроводы также были подключены к паровой сети. Только так пар доходит до точек отвода конденсата.
В труднодоступных для стерилизации местах и на сливах конденсата датчики температуры регистрируют значения и корректируют подачу пара. Как только все датчики достигают заданной температуры стерилизации (например, 121 °C или выше), начинается отсчёт времени стерилизации. Предпосылками для этого являются:
- воспроизводимо управляемые процессы стерилизации
- сохраняемые и документируемые значимые для качества результаты измерений
- полностью автоматический процесс стерилизации
- СОП (SOP) для выполнения отдельных методов стерилизации
Нагрев водяных контуров
Герметичные кожухотрубные теплообменники нагревают водяной контур. Во избежание микробного загрязнения горячую воду следует хранить при 70–99 °C. Холодная вода, напротив, должна оставаться ниже 18 °C. Это обеспечивает охладитель в кольцевом трубопроводе.
Квалификация установок деминерализованной воды
Для выполнения требований GMP к водяным системам необходима квалификация. Она включает следующие этапы:
Работы по квалификации следует чётко специфицировать уже в техническом задании.
Установка SEEFRIED Verfahrenstechnik GmbH поддержит Вас как при проектировании, так и при квалификации Вашей установки деминерализованной воды.
Часто задаваемые вопросы об установках деминерализованной воды и кольцевых трубопроводах
Какие качества воды используются в фармацевтике и косметике?
Распространены деминерализованная вода (полностью обессоленная или деионизированная вода), Purified Water (PW), Highly Purified Water (HPW) и Water for Injection (WFI). Степень чистоты обычно определяется по удельной электропроводности в µS/cm.
Как получают деминерализованную воду методом обратного осмоса?
После ступени фильтрации и при необходимости фильтра с активированным углём и умягчения установка обратного осмоса продавливает воду через полупроницаемую мембрану. Для очень низкой электропроводности далее следует вторая ступень или электродеионизация (EDI). Чистая вода накапливается в буферной ёмкости.
Зачем применяются кольцевые трубопроводы?
Кольцевые трубопроводы поддерживают постоянное движение воды и предотвращают микробное загрязнение из-за её застоя. Обычно применяются нержавеющая сталь 316L или PVDF с поверхностями Ra < 0,8 µm, мембранные клапаны с минимальным мёртвым объёмом и асептические соединения по DIN 11864.
Как часто следует санитизировать установку деминерализованной воды?
Не менее четырёх раз в год, как правило путём нагрева до 80 °C и циркуляции в течение часа. Альтернативы – стерилизация перегретой водой под давлением при 110–130 °C или стерилизация чистым паром.
Какая квалификация необходима для водяных систем по GMP?
Анализ рисков, DQ, IQ, калибровка, OQ, PQ и итоговый отчёт. Работы по квалификации следует специфицировать уже в техническом задании.