Projektowanie instalacji PW i WFI

PROJEKTOWANIE INSTALACJI WODY OCZYSZCZONEJ ORAZ WODY DO INIEKCJI (WFI)

Woda jest bardzo ważnym składnikiem produkcji przemysłu farmaceutycznego, jej jakość ściśle określają odpowiednie przepisy i jest ona stale kontrolowana. Z tego powodu producenci opierają swoje projekty na aktualnie obowiązujących regulacjach prawnych: Farmakopea Europejska Wyd. 4 i USP 26 dla Wody Oczyszczonej i/lub WFI.

Od 1 stycznia 2002 r. Farmakopea Europejska zezwala na nową jakość wody zwaną „Wodą Wysoko Oczyszczoną” (HPW). Wymagania dotyczące jakości HPW są takie same jak te dotyczące WFI, ale HPW może być produkowana za pomocą innych procesów niż destylacja. W przypadku nowych metod produkcyjnych takich jak biotechnologia, wymagania konsumenta są często bardziej surowe niż wymagania oficjalne, co wynika z tego, że standardowe wartości limitowe dotyczące substancji znajdujących się w wodzie są zbyt wysokie dla procesów użytkowych. Tak więc, HPW jest używana coraz częściej mimo, iż woda oczyszczona teoretycznie spełniałaby oficjalne wymagania.

Przedstawione zostaną czynniki jakie powinny być wzięte pod uwagę podczas planowania instalacji do produkcji wody do celów farmaceutycznych oraz przegląd stosowanych do tego celu procesów.

 
Czynniki wpływające na produkcję wody do celów farmaceutycznych

Na planowanie, projekt i implementację instalacji do produkcji wody do celów farmaceutycznych wpływa wiele czynników:

Rysunek 1. Czynniki wpływające na produkcję wody do celów farmaceutycznych.

W większości przypadków, dla danego projektu nie wszystkie powyższe czynniki mają równorzędne znaczenie i nie zawsze istnieje możliwość wzięcia ich wszystkich pod uwagę. Presja czasowa uniemożliwia ustalenie wszystkich szczegółów. Z związku z tym podano tylko te informacje, które są absolutnie konieczne do poprawnego zaplanowania systemu uzdatniania wody.


Dane podstawowe

Można uniknąć większości błędów, jeśli w odpowiednim czasie dostępne są podstawowe dane dotyczące projektu. Dlatego na początku projektu, tak szybko jak tylko to możliwe powinno się odpowiedzieć na następujące, podstawowe pytania:

• jaki jest skład wody surowej?
• jakiej jakości ma być wyprodukowana lub dostępna woda?
• jaka ilość wody każdej jakości jest potrzebna?
• jakie inne czynniki powinny być wzięte pod uwagę?

Dane te pozwalają producentowi instalacji oszacować rozmiar i koszt instalacji. Są również podstawą do przyszłych działań operatora.

Rysunek 2. Tabela decyzyjna.

 Skład wody surowej

Do prawidłowego zaprojektowania instalacji do produkcji wody przeznaczonej do farmacji bardzo istotna jest dokładna znajomość jakości i składu wody surowej, jej sezonowych fluktuacji i innych czynników mogących mieć wpływ na jej jakość (np. produkty powstające w wyniku korozji z rurociągów). Zaprojektowana technologia uzdatniania musi być zawsze odpowiednio dobrana do jakości wody surowej. Doświadczenie pokazuje jednak, że dane dotyczące wody surowej są w praktyce bardzo często niekompletne.

Podstawowe znaczenie mają następujące dane wody surowej:
• pochodzenie wody (woda źródlana czy powierzchniowa, woda z jeziora czy z rzeki, kilka źródeł wody);
• pobór próbek wody do analiz oraz pomiary przeprowadzane na miejscu (np. SDI);
• jeśli to możliwe, analiza wody z różnych okresów w roku (aby określić sezonowe fluktuacje);
• ciśnienie i temperatura wody oraz maksymalna jej ilość, jaka jest dostępna w miejscu planowanej instalacji.

Pochodzenie wody ma ogromne znaczenie dla doboru technologii uzdatniania. Woda źródlana często nie wymaga wcześniejszego uzdatniania, podczas gdy woda powierzchniowa praktycznie wymaga tego zawsze. Należy pamiętać, że zgodnie z regulacjami prawnymi, surowcem do produkcji wody oczyszczonej czy WFI może być tylko woda spełniająca kryteria wody pitnej.

Dla nowoczesnych procesów membranowych ważna jest również informacja, czy woda surowa jest mieszaniną z kilku, czy pochodzi tylko z jednego źródła. W pierwszym przypadku skład wody może często zmieniać się w istotny sposób w krótkich odstępach czasu, powodując złe funkcjonowanie instalacji i/lub negatywnie wpływać na jakość produkowanej wody.

Możliwe zanieczyszczenia w wodzie surowej i jej źródłach:

• zanieczyszczenia nieorganiczne:
 –    rozpuszczone sole mineralne
 –    nawozy sztuczne
 –    ścieki przemysłowe i komunalne

• zanieczyszczenia organiczne:
 –    pozostałości po zwierzętach i roślinach
 –    ścieki komunalne i przemysłowe
 –    pozostałości po pestycydach i herbicydach

• mikroorganizmy:
 –    bakterie
 –    algi
 –    wirusy
 –    zarodniki
 –    grzyby

• cząstki stałe:
 –    glina i piasek
 –    tlenki żelaza, manganu i innych metali
 –    produkty korozji i inne pozostałości z rurociągów (nie należy lekceważyć)

Określenie jakości wody

Poniższe tabele zawierają przegląd jakości wody określonej w monografiach Ph. Eur. i USP.

Tabela I.  Woda Oczyszczona (PW)

Określenie wymaganej jakości wody leży w gestii użytkownika instalacji. Zalecenia dotyczące wymagań jakościowych dla wody znajdują się w różnych farmakopeach, jak również w przewodnikach wydawanych przez organizacje farmaceutyczne (np. „Notes for Guidance on the Use of Pharmaceutical Water” wydane przez EMEA). Należy jednak pamiętać, że dana aplikacja w wymienionych opracowaniach nie zawsze znajduje precyzyjne odniesienie. Precyzyjne zalecenia dotyczą głównie chemikaliów i farmaceutyków – produktów, które sprzedawane są na rynkach międzynarodowych oraz dla nowych technologii do produkcji aktywnych składników. Wymagana jakość wody musi być dokładnie zdefiniowana przy współpracy z działem zapewnienia jakości w zakładzie. Jakość oczyszczanej wody określona mianem „tak dobra jak jest to możliwe” byłaby kusząca. W większości wypadków nie jest to jednak najlepsze rozwiązanie z uwagi na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz zwiększającą się presję minimalizacji kosztów produkcji.

Określenie wymaganej ilości wody

Temat ten zawsze wywołuje dyskusje i często stwarza problemy projektantom i użytkownikom instalacji. Doświadczenie pokazuje, że istnieje niewiele instalacji, których wydajność nie jest wystarczająca dla określonego zadania. Jest za to bardzo dużo obiektów przewymiarowanych, co oznacza pracę instalacji o niepełnej wydajności, a to z kolei powoduje problemy związane z rozwojem życia mikrobiologicznego. W związku z tym zaleca się, aby w przypadku wątpliwości decydować się raczej na instalację
o mniejszej wydajności.

Poniższy rysunek przedstawia alternatywne dostosowanie rozmiaru instalacji do takich samych wymagań użytkownika.

Rysunek 3. Dwa projekty systemów dla tych samych wymagań (wydajność wobec objętości zbiornika).

Z jednej strony pożądany jest maksymalnie długi czas pracy instalacji w ciągu doby, a z drugiej strony wydajność instalacji powinna być na tyle duża, aby pokryć zapotrzebowanie na wodę w okresach maksymalnego rozbioru. Konflikt ten jest typowy dla instalacji farmaceutycznych i stanowi podstawowe zagadnienie do rozwiązania w fazie projektowej. Z tego powodu, z czysto ekonomicznego punktu widzenia, systemy są często przewymiarowane, ale uzasadnione jest to dobową fluktuacją w rozbiorze wody. Do prawidłowego zaprojektowania systemu niezbędne są precyzyjne informacje o zużyciu dobowym, zużyciu w jednostce czasu, maksymalnym zużyciu chwilowym w poszczególnych punktach poboru oraz informacja czy maksymalne zużycie może zachodzić w kilku punktach poboru jednocześnie.

Szczegółowa specyfikacja zapotrzebowania na wodę umożliwia określenie wymaganej wydajności układu dla każdej jakości wody i jest podstawą do opracowania specyfikacji wymagań użytkownika. Wymaga to dużego nakładu pracy, która jednak z pewnością zwróci się w późniejszych etapach projektu.

Inne czynniki:
• miejsce instalacji (teren, temperatura pomieszczenia itd.);
• uregulowania prawne;
• dokumentacja i specyfikacje wymagań użytkownika w zakresie kwalifikacji i walidacji;
• wymogi GMP;
• wytyczne wewnętrzne (wybór materiałów, przepisy dotyczące instalacji elektrycznej oraz czynniki subiektywne;
• budżet i okres inwestycji oraz harmonogram.

Bilans mediów i energii jest bardzo ważnym aspektem, szczególnie dla większych systemów. Ważnym jest, aby określić czy dostępne są one w wystarczających ilościach i czy infrastruktura została przygotowana w sposób zapewniający pracę bez zakłóceń.

Informacje istotne przy doborze systemu:

• ilość i ciśnienie wody pitnej;
• możliwość odprowadzenia i utylizacji ścieków;
• energia elektryczna;
• woda chłodząca, para, woda gorąca, etc.

Wymagania dotyczące przestrzeni

Systemy uzdatniania wody, tak jak każdy inny element infrastruktury, wymagają przestrzeni. Jeśli dostępna jest wystarczająca ilość miejsca, możliwe jest używanie standardowych komponentów, które zmniejszają koszty inwestycji i ułatwiają prace konserwacyjne. W wielu przypadkach dostępne miejsce instalacji jest zbyt małe, co oznacza konieczność projektowania komponentów niestandardowych, a zatem droższych. Jeśli z kolei za mało jest miejsca na odpowiedni zbiornik magazynowy, to jak wspomniano wcześniej, zwiększyć należy wydajność stacji produkcji wody. Z jednej strony oznacza to wyższe koszty inwestycyjne, a z drugiej zwiększenie ryzyka wystąpienia problemów mikrobiologicznych, gdyż stacja nie będzie pracować z optymalną wydajnością.

Ponadto stacja nie powinna być zlokalizowana w otoczeniu o wysokiej temperaturze powietrza (np. w sąsiedztwie kotła lub generatora pary), ponieważ mogłoby to powodować problemy mikrobiologiczne.

Reasumując, wszelkie kompromisy spowodowane warunkami przestrzennymi są zawsze złymi rozwiązaniami.

Koncepcja ogólna

Główne elementy kompletnej instalacji wodnej to urządzenia służące do uzdatniania wody, czyli system produkcji wody oczyszczonej lub WFI oraz system magazynowania i dystrybucji wody do punktów poboru. Zaleca się, aby systemy te rozpatrywać łącznie i nie traktować ich jako odrębnych zadań projektowych. Należy pamiętać, że nieprawidłowo zaprojektowany system magazynowania i dystrybucji doprowadzi bardzo szybko do pogorszenia parametrów wody, wyprodukowanej dużym nakładem kosztów wody. Prawidłowe rozwiązanie systemu magazynowania i dystrybucji wody stanowi więc prawdziwe wyzwanie dla projektanta. Szczególnie układy składające się z kilku pętli dystrybucyjnych należy projektować z niezwykłą starannością. Konieczne jest przeprowadzenie obliczeń symulacyjnych dla różnych wariantów pracy układu przy zmiennych obciążeniach hydraulicznych, ze szczególnym uwzględnieniem skrajnie niekorzystnych warunków pracy. Pozwoli to na dobranie odpowiedniej wielkości zbiornika magazynowego oraz na uniknięcie niebezpieczeństwa wystąpienia zastojów wody bądź intruzji z atmosfery do układu.

Z drugiej strony, nawet prawidłowo zaprojektowany i wykonany w najwyższym standardzie technicznym system magazynowania i dystrybucji nie wyeliminuje ewentualnych błędów popełnionych w projekcie systemu wytwarzania wody. Z tego powodu, wszystkie komponenty muszą być rozpatrywane i projektowane jako części jednego spójnego systemu.

W zależności od wybranego procesu, możliwe są znaczne różnice w uzyskiwanym efekcie uzdatniania wody. Podstawowym celem działania stacji uzdatniania wody musi być dostarczenie do punktów poboru (POU) wody o odpowiedniej jakości, wyprodukowanej w sposób pewny i powtarzalny z wody pitnej. W najgorszym przypadku parametry jakościowe wody w punkcie poboru powinny być niższe od wartości limitowych określonych ściśle dla danego rodzaju wody. Praktyka pokazuje, że z powodu błędnego doboru technologii, czy też nieprzewidzianych wcześniej warunków pracy instalacji cel ten nie zawsze zostaje osiągnięty.


Wybór procesu uzdatniania wody

Na rynku dostępnych jest obecnie wiele technologii uzdatniania wody. Każda z nich ma swoje zalety i wady w zależności od zastosowania, ilości produkowanej wody i jakości wody surowej. Poniższa tabela przedstawia zalety i wady różnych procesów.

Tabela IV.  Woda oczyszczona

W ostatnich kilku latach, procesy membranowe stały się preferowanymi metodami do produkcji wody oczyszczonej. Ostatnim trendem stała się kombinacja odwróconej osmozy z EDI SEPTRON, ponieważ metoda ta jest stosunkowo odporna na wahania jakościowe wody surowej przy stosunkowo niewielkiej różnicy w kosztach inwestycyjnych.

Wymiana jonowa jest już bardzo rzadko używana do produkcji wody dla farmacji w Europie Środkowej. Stosuje się ją praktycznie tylko w przypadku krytycznej jakości wody surowej.

Destylacja zalecana jest do produkcji wody oczyszczonej jedynie wtedy, gdy potrzebne są małe ilości wody lub, gdy zamontowane jest już urządzenie do destylacji bądź gdy w przyszłości planowana jest produkcja WFI.

Woda Wysoko Oczyszczona

W zasadzie każda z wyżej wymienionych metod może być stosowana do produkcji HPW, gdyż nie istnieją obecnie żadne przepisy, które ograniczałyby zastosowanie poszczególnych technologii. Tym niemniej z uwagi na wymogi w odniesieniu do zawartości bakterii i endotoksyn dla HPW konieczne jest stosowanie systemów sanityzowanych wodą gorącą lub takich aplikacji gdzie ostatnim stopniem uzdatniania jest ultrafiltracja przystosowana do wykonywania testów integralności.

Przyszłość to systemy, które właśnie pojawiają się na rynku. Są to urządzenia kompaktowe gdzie wszystkie elementy procesu łącznie z jednostką sterującą zabudowane są wspólnie na jednej ramie. Pozwala to na testowane i przekwalifikowanie kompletnych urządzeń już u producenta, w warunkach pracy zbliżonych do rzeczywistych.

Woda Do Iniekcji

W świetle obowiązujących przepisów, w Europie WFI może być produkowana jedynie metodą destylacji i nic nie wskazuje na to, aby w najbliższym czasie uległo to zmianie. Nie powiodły sie wszystkie dotychczasowe próby producentów zmierzające do ograniczenia tych restrykcji, mimo że w innych krajach obowiązują mniej surowe przepisy.

Podsumowanie

Podstawowym warunkiem prawidłowego rozpoczęcia procesu projektowania jest zdobycie w odpowiednim czasie podstawowych danych wyjściowych. Proces projektowania często jest podzielony na fazy „Koncepcja”, „Projekt Podstawowy” i „Projekt Szczegółowy”. Aby uniknąć błędów projektowych w następnych fazach i związanych z tym kosztów, wszystkie dane wyjściowe powinny być dostępne już na etapie Koncepcji.

Szczególnie ważne jest szybkie uzyskanie kompletnych danych wyjściowych do projektowania w przypadku takich projektów, które realizowane są pod dużą presją czasu, a harmonogram realizacji jest bardzo napięty. W dzisiejszych czasach jest to zjawisko powszechne.