Чистая вода — дело техники!

 микроэлектроника
 фармацевтика и медицина
 теплоэнергетика и атомная энергетика
 химия и нефтехимия
 гальваника
 пищевая промышленность
 муниципальные объекты и ЖКХ
 оборотное охлаждение и кондиционирование
 коттеджи
 бассейны

Системы (установки) очистки воды для фармацевтики и медицины
Получение воды для фармацевтических целей

     Вода для фармацевтических целей относится к ключевым элементам, обеспечивающим безопасность лекарственных средств. Ее качество регламентируется Фармакопейными статьями (ФС), включенными в Государственную Фармакопею: ФС 42-2619-97  «Вода очищенная» и ФС 42-2620-97 «Вода для инъекций».
     Вода очищенная используется для:

• изготовления неинъекционных лекарственных средств;
• получения пара;
• санитарной обработки;
• мытья посуды (за исключением финишного ополаскивания);
• в лабораторной практике и др.,

     Согласно ФС 42-2619-97 воду очищенную можно получить дистилляцией, ионным обменом,  обратным осмосом, комбинацией этих методов, или другим способом.
Вода очищенная должна отвечать требованиям по ионной, органической, химической и микробиологической чистоте.
     Вода для инъекций ФС 42-2620-97 используется для приготовления стерильных лекарственных средств и финишного ополаскивания материалов упаковки. В производстве при получении воды для инъекций вода очищенная является исходной.
     Поскольку воду для фармацевтических целей получают из воды питьевой, источником которой является природная вода, важно освободить ее от присутствующих примесей.
Исходная вода может содержать различные примеси:

• механические частицы (нерастворимые неорганические или органические примеси);
• растворенные вещества (неорганические соли, ионы кальция, магния, натрия, хлора, ионы серной, угольной кислот и др.);
• растворенные химически неактивные газы (кислород, азот);
• растворенные химически активные газы (диоксид углерода, аммиак);
• микроорганизмы (в т.ч. видимые, плесень, водоросли, цисты и пр.);
• бактериальные эндотоксины (липополисахариды клеточной стенки грамотрицательных микроорганизмов);
• органические вещества (природные органические вещества – гуминовая кислота и др. и загрязняющие органические вещества – промышленные сбросы, удобрения, пестициды и др.);
• коллоиды (железа Fe₂О₃ × y×Н₂О, кремния SiO₂ × y×H₂O, алюминия Al₂O₃ × y×H₂О, образующие комплексные соединения с органическими веществами, так называемые органокомплексы);
• остаточные дезинфицирующие вещества (хлор → хлорноватистая кислота ↔ гипохлорит-ион, хлорамины и др.).

     Исходная вода должна соответствовать требованиям на питьевую воду, регламентируемым СанПиН 2.1.4.1074.01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных  систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
     В зависимости от качества исходной воды, ее химического состава, возможных примесей в технологической схеме получения воды  очищенной большое значение имеет предварительная подготовка воды, которая может включать несколько стадий, таких как фильтрация, умягчение, ионный обмен, обратный осмос и др.

Приготовление воды очищенной
Выбор технологической схемы получения воды очищенной обусловлен:

• качеством исходной (подаваемой) воды;
• выбором конечной стадии получения воды;
• требованиями, предъявляемыми к воде Фармакопейными статьями;
• требованиями к качеству исходной воды, предъявляемыми определенными стадиями (например, дистилляцией, обратным осмосом);
• стадиями предварительной очистки, направленными на удаление примесей, содержание которых нормируется документацией или производителем фармацевтической продукции.

     Высокое качество воды обеспечивается за счет каскадного (модульного) принципа построения системы очистки воды и использования самых передовых методов обработки воды.
Современные системы получения ультрачистой воды для фармацевтики предусматривают многостадийный процесс, обеспечивающий максимальное качество получаемой воды:

Грубая фильтрация механических частиц

Осуществляются с помощью автоматических самопромывных сетчатых фильтров, использующих в качестве фильтрующего материала сетку из нержавеющей стали с размерами пор 90-100 мкм.

Предварительная очистка исходной воды

Технологическая схема предварительной очистки исходной воды в зависимости от источника водоснабжения и ее состава может включать в себя следующие стадии:

• стадию напорной аэрации (или безнапорной аэрации) воды;
• стадию пропорционального дозирования окислителя (биоцида) и коагулянта (флокулянта) с помощью насосов-дозаторов для разрушения ассоциатов и комплексов, а также для удаления как растворенного в воде диоксида кремния, так и коллоидных соединений кремния, железа и др.;
• стадию очистки на однослойных или многослойных насыпных фильтрах (фильтрах механической очистки, фильтрах обезжелезивания); при высоком содержании кремния в исходной воде следует отказываться от фильтрации с использованием кремнийсодержащих фильтрующих сред (например, от использования кварцевого песка);
• стадию адсорбционной очистки на насыпных адсорбционных фильтрах с активным углем, обладающим развитой структурой мезапор, для удаления свободного хлора, присутствующего в воде, органических соединений, влияющих на значение общего органического углерода;
• стадию тонкой очистки на мультипатронных фильтрах с использованием картриджей (фильтрующих элементов) глубинного типа;
• стадию ультрафиолетовой стерилизации (УФ-стерилизации) с длиной волны 254 нм для предотвращения микробиологического загрязнения стадии обессоливания воды;
• стадию ультрафильтрации.

     При необходимости в систему предварительной очистки воды включаются:

• стадия умягчения воды (Na-катионирования), необходимая для удаления из воды солей жесткости и обеспечивающей защиту систем обратного осмоса за счет минимизации содержания катионов кальция и магния в воде; процесс умягчения осуществляется на фильтрах умягчения (фильтрах Na-катионирования)
• стадия корректировки значения рН с помощью комплекса пропорционального дозирования растворов кислоты или щелочи.

     Состав системы предварительной очистки воды, количество стадий подготовки воды, аппаратурное оформление технологического процесса зависит от источника водоснабжения, состава исходной воды, требуемой степени очистки конечного продукта и определяется по результатам математического моделирования отдельных стадий процесса.

Обессоливание подготовленной воды

     Технологическая схема обессоливания воды, как правило, состоит из двух ступеней и  может включать в себя:

• стадию обессоливания с использованием Н-катионирования, ОН-анионирования и промежуточной декарбонизацией воды;
• стадию обессоливания воды с использованием обратного осмоса, который обеспечивает высокую степень очистки воды, снижает содержание анионов и катионов до 1% от их содержания в исходной воде, задерживает микроорганизмы, высокомолекулярные органические соединения, эндотоксины и др. примеси; после установок обратного осмоса требуется последующая декарбонизация пермеата;
• стадию промежуточного накопления и хранения пермеата (фильтрата) после первой ступени обессоливания; хранят пермеат в закрытых емкостях, изготовленных из материалов, неизменяющих свойств очищенной воды и защищающих ее от инородных частиц и микробиологических загрязнений, имеющих шероховатость внутренней поверхности (не более 0,8 Ra) и защищенных дыхательным фильтром от бактерий, пыли, которые могут проникнуть в воду из атмосферного воздуха. Емкость хранения должна быть оптимально подобрана, чтобы обеспечить оборот воды по системе очистки от 1 до 5 раз в час. Вода из емкости при необходимости должна полностью сливаться. Поэтому, во избежание застойных зон, емкость должна устанавливаться вертикально, и высота емкости должна составлять 2 диаметра.
• стадию обессоливания на фильтрах смешанного действия (ФСД);
• стадию обессоливания на установках электродеионизации воды;

Хранение и распределение воды

     Хранение ультрачистой воды осуществляется в емкости, защищенной дыхательным фильтром от бактерий, пыли, которые могут проникнуть в воду из атмосферного воздуха, оборудованной подачей азота и УФ-стерилизатором внутренней поверхности емкости, препятствующего попаданию атмосферного воздуха и последующим нежелательным реакциям (растворение газов и др.). Конструкция емкости должна предусматривать полный слив воды для проведения регламентных процедур по санитарной обработке, отсутствие застойных зон, душирование стенок емкости.
В соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84 «в системах водооснабжения промышленных предприятий должны быть установлены баки-сборники. Емкость сборных баков должна приниматься не менее 10-минутного максимального расхода,  но не более 30-минутного максимальной производительности насоса. Число баков при круглогодичной работе надлежит принимать не менее двух, емкостью по 50 % каждый».
     Особое внимание в системе распределения ультрачистой воды следует уделять насосной группе осуществляющей транспортировку очищенной воды из емкостей в систему распределения.
Основной задачей при проектировании системы хранения и распределения воды очищенной является обеспечение постоянного движения воды в трубопроводе, отсутствии застойных зон, которые способствуют росту микроорганизмов и образованию биопленок на поверхностях. Современные системы хранения и распределения подразумевают под собой рециркуляционную систему с однонаправленным движением потока и возможностью полного удаления воды из трубопровода.
     Критическими параметрами при хранении и распределении воды очищенной являются:

• температура;
• движение воды и ее скорость;
• давление;
• материалы трубопроводов и емкости для хранения.

     Поскольку в системе рециркуляции температура очищенной воды колеблется в пределах 15 – 25^оС, то согласно Правилам GMP она должна быть оборудована установками УФ-стерилизации для снижения уровня микроорганизмов в воде.
     Движение воды в трубопроводе должно быть турбулентным со скоростью от 1,5 до 3 м/с.  При этом ни одна часть трубопровода не должна находиться в горизонтальном положении, а точки отбора воды должны быть оборудованы мембранными вентилями санитарного исполнения и спроектированы с учетом правила шестикратного диаметра. В точке отбора воды необходимо учитывать потери давления при трении воды о стенки трубопровода, потери в местах соединений, поворотов, подъемов распределительной петли и др. Необходимо учитывать среднесуточное, среднечасовое и пиковое потребление воды. При увеличении пиковых расходов воды рекомендуется организовывать семафорную систему разбора.
     При правильном проектировании системы распределения критическим является правильный выбор оборудования для достижения необходимого давления воды. Давление деионизованной воды в системе рециркуляции должно быть в пределах 0,2 - 0,3 МПа, и автоматически поддерживаться за счет установки на линии возврата воды в емкость редукционного клапана, выполняющего роль регулятора давления в «петле» рециркуляции (при увеличении разбора воды из системы, т.е. при снижении давления, клапан автоматически закрывается, при понижении разбора воды происходит обратный процесс).
     Система распределения («петля» рециркуляции) должна быть выполнена из труб с внутренней полировкой  максимального качества (менее Ra 0,4). При монтаже оборудования используется бесшовная сварка, обеспечивающая отсутствие шероховатостей в местах соединений. Материалом трубопровода и запорно-регулирующей арматуры является поливинилиденфторид (PVDF) или натуральный полипропилен (РР-n), которые обеспечивают необходимую чистоту воды. В большинстве случаев трубопроводы изготовляются в чистых производствах и герметично упаковываются на месте, обеспечивая высокую чистоту продукта.
     В «петле» рециркуляции устанавливаются:

• УФ-установка, основной целью применения которой является либо обеспечение микробиологического контроля получаемого фильтрата (при использовании длины волны 254 нм), либо снижение содержания органических веществ (при использовании длины волны 185 нм);
•  «полирующий» фильтр на основе ионообменной смолы-органопоглотителя предназначен для гарантийного обеспечения требований, предъявляемых к воде по содержанию общего органического углерода, т.е. вплоть до 20 мкг/л;
• каскад мембранных фильтров с рейтингом фильтрации от 1 мкм до 0,22 мкм.

Метод дистилляции при приготовлении для инъекций

     Основное различие в требованиях Фармакопеи (России, CШA, Европейской) к приготовлению воды для инъекций состоит в следующем:

• согласно Европейской Фармакопее дистилляция является обязательным методом приготовления воды для инъекций;
• Фармакопея США и ФС 42-2620-97 (Россия) допускают как дистилляцию, так и обратный осмос.

     Требования к воде, используемой в фармацевтической промышленности перечислены здесь.

Почему обратный осмос проигрывает перед дистилляцией?

     Во-первых, обратный осмос — это, как правило, «холодный» процесс, чувствительный к температуре (мембраны обладают высокой чувствительностью к нагреву). В плане зашиты от микробиологического загрязнения «холодный» процесс всегда уступает «горячему».
     Во-вторых, есть затруднения с валидацией установок обратного осмоса. Очень сложно доказать непрерывную целостность обратноосмотической мембраны.
     Однако обратный осмос имеет и определенное преимущество перед дистилляцией. Мембраны установок обратного осмоса, удерживая пирогены, позволяют приготовить апирогенную воду.  Для уничтожения пирогенов тепловым методом требуется нагрев до 170^оС, что достигается в сухожаровых стерилизаторах. Дистилляция же проводится при меньших температурах. Поэтому часто для задержания пирогенов непосредственно перед дистилляторами устанавливают модули обратного осмоса.  Они же служат дополнительной защитой дистилляторов от солей жесткости.

Хранение и распределение воды для инъекций

     При создании системы хранения и распределения воды для инъекций нужно соблюдать следующие требования:

• Емкость резервуара должна быть такой, чтобы выполнялись требования пользователя по максимальному единовременному потреблению воды
• Минимальная производительность установки должна учитывать любые требования пользователя в будущем
• Качество воды при ее доставке к точке использования.

     Контролируемые параметры воды:

• температура,
• давление,
• проводимость,
• расход,
• общий органический углерод.

Проектирование резервуаров

     Резервуар для хранения воды для инъекций проектируется как сосуд под давлением. Это требование должно сочетаться с возможностью обеспечения полного вакуума (при закупорке вентиляционного фильтра или в случае, когда вентиляционный клапан закрыт).
Резервуар также должен быть рассчитан на давление 0,3 МПа, чтобы систему можно было обрабатывать паром при 134°С. 
     Обработка поверхностей резервуара должна соответствовать требованиям, предъявляемым к трубопроводам. Могут использоваться вертикальные и горизонтальные резервуары, которые имеют свои достоинства и недостатки.
     Обычно требуется, чтобы среднее значение неровностей внутренней поверхности было не более 0,6 мкм и поверхность визуально не содержала раковин.

Скорость потока воды

     Ключевое значение для работы системы распределения воды имеет то, как выполнен ее проект. Плохой проект — это неизбежно проект на неудачу, так как по своей сути система является полностью сварной.
     В руководстве, изданном Международным обществом инженеров фармацевтической промышленности (ISPE), сказано, что оптимизация системы подготовки воды является результатом следующего:

• время, когда вода находится в условиях, благоприятствующих росту микроорганизмов, должно быть сведено к минимуму;
• все изменения температуры воды должны быть сведены к минимуму;
• во время обработки должен обеспечиваться контакт со всеми поверхностями.

     Росту микроорганизмов способствуют:

• Неподвижное состояние воды и наличие зон с низкой скоростью движения воды.
• Значения температуры, которые способствуют росту микроорганизмов.
• Низкое качество исходной воды.
• Попадание неотфильтрованного воздуха в систему.

     В то же время, есть некоторые основные правила, которые позволяют избежать этого.
К таким правилам относятся:

• высокая температура;
• непрерывный турбулентный поток;
• гладкие и чистые поверхности, на которых возможность осаждения питательных веществ сведена к минимуму;
• воздушные разрывы в местах стока;
• герметичные соединения;
• поддержание положительного давления в системе;
• возможность обеспечения полного стока, особенно в системах, обрабатываемых паром.

     Исследования показали, что существует зависимость между скоростью течения воды и образованием биопленок. При ламинарном потоке в непосредственней близости от стенки трубы вода течет очень медленно. Следовательно, необходимо добиться турбулентного течения воды во всех частях системы распределения воды.
Общим правилом является обеспечение скорости возврата воды, равной и больше 1 м/с. Возвратные скорости менее 1 м/с допустимы на короткие периоды времени в системах, где отсутствуют благоприятные условия для роста микроорганизмов.
     Горячие системы (> 65 °С) являются в значительной степени  самоочищающимися.

Расчет производительности

     Важным вопросом является правильный расчет производительности дистиллятора и емкости резервуара хранения воды для инъекций.

    Специалисты компании «Мировые Водные Технологии» по Вашему Техническому Заданию осуществят полный комплекс работ:

• проведут анализ исходных данных по источнику водоснабжения;
• выполнят математическое моделирование процессов предварительной очистки воды, ее кондиционирования, обессоливания, хранения, распределения и финишной очистки;
• подберут необходимое Вам оборудование, которое позволит обеспечить выход по очищенной воде надлежащего качества от 10 л/ч до 10 м³/ч и выше;
• выполнят монтаж оборудования с применением самого современного монтажного оборудования, инструмента, материалов, комплектующих изделий;
• проведут комплекс пуско-наладочных работ и обучение обслуживающего персонала;
• осуществят техническую поддержку в гарантийный и пост-гарантийный периоды эксплуатации оборудования;
• обеспечат эксплуатируемое оборудование расходными материалами и запасными частями.