Вода – важлива вихідна та допоміжна речовина у виробництві косметичної та фармацевтичної продукції. Крім того, вона слугує промивним середовищем для миття CIP частин установки та трубопроводів – тому установки демінералізованої води належать до ключових систем виробництва.
Огляд категорій якості води
Окремі галузі висувають різні вимоги до якості води. Поширені позначення:
- Демінералізована вода – повністю знесолена або деіонізована вода (деіонат)
- PW – Purified Water (очищена вода)
- HPW – Highly Purified Water (високоочищена вода)
- WFI – Water for Injection (вода для ін’єкцій)
Мірою ступеня чистоти демінералізованої води зазвичай слугує питома електропровідність у мкСм/см. Кондуктометри вимірюють її безпосередньо в установці.
Як працює отримання води методом зворотного осмосу
Установка зворотного осмосу значною мірою видаляє розчинені компоненти вихідної води. Типовий ланцюжок водопідготовки виглядає так:
- 1ФільтраціяБагатошарові, патронні, ультра- або мікрофільтри видаляють частинки та каламуть.
- 2Активоване вугілляФільтри з активованим вугіллям знижують вміст окисників і зв’язують низькомолекулярні органічні забруднення.
- 3Пом’якшенняКальцій, магній і двовалентне залізо обмінюються на іони натрію – особливо важливо за високої жорсткості води.
- 4зворотного осмосуМембрана розділяє живильну воду на пермеат (чисту воду) та концентрат.
- 5EDI або 2-й ступіньЕлектродеіонізація або другий ступінь осмосу додатково знижує залишковий солевміст.
- 6Буферна ємністьДемінералізована вода накопичується та розподіляється кільцевим трубопроводом.
Через велику внутрішню поверхню шару смоли пом’якшувач є мікробіологічно найкритичнішим елементом усього ланцюжка водопідготовки. Хімічна дезінфекція під час регенерації утримує мікробне число на допустимому рівні. Проте дедалі частіше застосовують установки із санітизацією гарячою водою.
У сучасних установках зворотний осмос – пріоритетний метод знесолення, оскільки він має багато переваг порівняно з іонообмінниками. Як мембранний процес він є водночас механічною та хімічною фільтрацією. При цьому установка продавлює живильну воду крізь напівпроникну мембрану під тиском, вищим за осмотичний.
Так утворюються два потоки: концентрат із затриманими солями та забрудненнями і пермеат – чиста вода з дуже низьким вмістом солей. Зворотний осмос забезпечує чудовий ступінь затримання солей, частинок, мікроорганізмів і пірогенів. Проте мембрани чутливі до біообростання (fouling), утворення відкладень (scaling) та окисників.
Для досягнення необхідної електропровідності далі йде або другий ступінь, або електродеіонізація (EDI). Обидва варіанти забезпечують нижчий залишковий солевміст і, відповідно, більший запас до граничних значень.
Система керування та буферна ємність
В окремих установках пом’якшення система керування має переносити регенерацію на нічний час. Завдяки попередній обробці вихід установки зворотного осмосу значно зростає – приблизно з 50 % до приблизно 75 %. Концентрована залишкова вода скидається в каналізацію, а демінералізована вода – у буферну ємність.
Датчики контролюють рівень у буферній ємності та безпосередньо впливають на систему керування. Якщо рівень опускається нижче мінімуму, установка зворотного осмосу запускає виробництво води. За досягнення максимального рівня вона знову зупиняється. Так установка завантажена оптимально.
Кільцеві трубопроводи до точок відбору
Від резервуара зберігання до окремих точок відбору ведуть кільцеві трубопроводи. Вони запобігають мікробному забрудненню через застій води. Кільцева система проходить повз усі точки відбору, а ручні або автоматичні клапани спрямовують воду до споживачів.
Матеріали
- PVDF – лише хімічна санітизація
- Нержавіюча сталь 1.4404 / 1.4435 (316L) – придатна для стерилізації
Поверхні
- поверхні, що контактують із водою: Ra < 0,8 мкм
- трубопроводи WFI: Ra 0,6–0,4 мкм, електрополіровані – залежно від вимог замовника
Для гігієнічної кільцевої системи також діють такі принципи:
- компактне з’єднання всіх компонентів із мінімальними мертвими зонами, омивання всіх ділянок
- жодних з’єднань зі зміщенням ущільнення або різьбою в кільцевих трубопроводах
- переважно асептичні з’єднання згідно з DIN 11864, у разі чергування гарячого й холодного режимів – за можливості асептичні фланцеві з’єднання
- мембранні T-подібні клапани з мінімальним мертвим об’ємом у точках відбору
- ущільнювальні матеріали з допуском FDA (Food and Drug Administration)
- пасивація після виготовлення кільцевих трубопроводів і частин установки
Знезараження, санітизація та стерилізація
Щоб підтримувати воду вільною від мікроорганізмів, експлуатанти поєднують різні методи. Санітизацію та процеси SIP проводять із заданою періодичністю. Для цього установка має бути розрахована на відповідний метод.
УФ-дезінфекція
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 254 нм руйнує ДНК, клітинну мембрану та ферменти мікроорганізмів. Для цього попередньо оброблена вода контрольовано протікає крізь камеру опромінення. Максимально турбулентний потік підвищує ефективність.
Санітизація за 80 °C
Установку демінералізованої води слід санітизувати щонайменше чотири рази на рік. Теплообмінник нагріває ємність і трубопровідну мережу до 80 °C. Потім гаряча вода циркулює протягом години. Після цього систему спорожнюють і знову заповнюють холодною водою – за бажанням повністю автоматично.
Стерилізація перегрітою водою під тиском 110–130 °C
Процес подібний до санітизації, але відбувається за вищих температур. Понад 100 °C на додаток до тиску насоса створюється надлишковий тиск пари: за 110 °C близько 0,5 бар, за 121 °C близько 1 бар (прибл. 2 бар абс.). Тому установка має бути розрахована відповідним чином.
Починаючи зі 100 °C пара витісняє повітря з ємності. Потім вентиляційний клапан на стерильному фільтрі закривається, тож тиск і температура зростають і підтримуються. Цей процес також може бути повністю автоматичним.
Стерилізація чистою парою
Цей метод потребує вищих інвестицій, оскільки частини установки мають відповідати вищим вимогам, наприклад зводу правил AD 2000 або EN ISO 17665. До цього додаються всебічна кваліфікація та валідація. Докладніше про порядок проведення – у наступному розділі.
Порядок стерилізації чистою парою
Для стерилізації чистою парою всі частини установки мають бути повністю спорожнені. У точках відбору та в найнижчих точках трубопроводів потрібні конденсатовідвідники з відповідними зворотними клапанами. Конденсат має надійно відводитися, і ніхто не повинен мати змоги травмуватися об гарячі трубопроводи.
Для надійного видалення повітря рекомендується вакуумувати резервуар зберігання та трубопровідну мережу. Потім подається чиста пара, а температура регулюється через тиск. Важливо, щоб трубопроводи також були під’єднані до парової мережі. Лише так пара доходить до точок відведення конденсату.
У важкодоступних для стерилізації місцях і на зливах конденсату датчики температури реєструють значення та коригують подачу пари. Щойно всі датчики досягають заданої температури стерилізації (наприклад, 121 °C або вище), починається відлік часу стерилізації. Передумовами для цього є:
- відтворювано керовані процеси стерилізації
- збережені та задокументовані результати вимірювань, важливі для якості
- повністю автоматичний процес стерилізації
- СОП (SOP) для виконання окремих методів стерилізації
Нагрівання водяних контурів
Герметичні кожухотрубні теплообмінники нагрівають водяний контур. Щоб уникнути мікробного забруднення, гарячу воду слід зберігати за 70–99 °C. Холодна вода, натомість, має залишатися нижче 18 °C. Це забезпечує охолоджувач у кільцевому трубопроводі.
Кваліфікація установок демінералізованої води
Для виконання вимог GMP до водяних систем необхідна кваліфікація. Вона охоплює такі етапи:
Роботи з кваліфікації слід чітко специфікувати вже в технічному завданні.
Установка SEEFRIED Verfahrenstechnik GmbH підтримає Вас як під час проєктування, так і під час кваліфікації Вашої установки демінералізованої води.
Поширені запитання про установки демінералізованої води та кільцеві трубопроводи
Які категорії якості води використовують у фармацевтиці та косметиці?
Поширені демінералізована вода (повністю знесолена або деіонізована вода), Purified Water (PW), Highly Purified Water (HPW) і Water for Injection (WFI). Ступінь чистоти зазвичай визначають за питомою електропровідністю в мкСм/см.
Як отримують демінералізовану воду методом зворотного осмосу?
Після ступеня фільтрації та за потреби фільтра з активованим вугіллям і пом’якшення установка зворотного осмосу продавлює воду крізь напівпроникну мембрану. Для дуже низької електропровідності далі йде другий ступінь або електродеіонізація (EDI). Чиста вода накопичується в буферній ємності.
Навіщо застосовують кільцеві трубопроводи?
Кільцеві трубопроводи підтримують постійний рух води та запобігають мікробному забрудненню через її застій. Зазвичай застосовують нержавіючу сталь 316L або PVDF з поверхнями Ra < 0,8 мкм, мембранні клапани з мінімальним мертвим об’ємом та асептичні з’єднання згідно з DIN 11864.
Як часто слід санітизувати установку демінералізованої води?
Щонайменше чотири рази на рік, як правило шляхом нагрівання до 80 °C і циркуляції протягом години. Альтернативи – стерилізація перегрітою водою під тиском за 110–130 °C або стерилізація чистою парою.
Яка кваліфікація потрібна для водяних систем за GMP?
Аналіз ризиків, DQ, IQ, калібрування, OQ, PQ і підсумковий звіт. Роботи з кваліфікації слід специфікувати вже в технічному завданні.