Вода и водоподготовка в промышленных условиях и в аптеке

 

3.1.4.1. Обратный осмос

 

 Обратный осмос – переход растворителя (воды) из раствора через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Избыточное рабочее давление солевого раствора в этом случае намного больше осмотического. Движущей силой обратного осмоса является разность давлений. Для получения воды методом обратного осмоса, нужно создавая избыточное давление, превышающее осмотическое, «заставить» молекулы диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек чистой воды, увеличивая ее объем.

Обратный осмос – самый  тонкий уровень фильтрации. Обратноосмотическая  мембрана действует как барьер для  всех растворимых солей, неорганических молекул, органических молекул с  молекулярной массой более 100, а также  для микроорганизмов и пирогенных веществ.

Для разделения применяют  мембраны двух типов:

1.Пористые – с размером  пор 10-10³ мкм. Селективная проницаемость основана на адсорбции молекул воды поверхностью мембраны и ее порами. Адсорбированные молекулы перемещаются от одного центра адсорбции к другому, не пропуская соли.

2.Непористые диффузионные  мембраны образуют водородные  связи с молекулами воды на  поверхности контакта. Под действием  избыточного внешнего давления  эти связи разрываются, молекулы  воды диффундируют в противоположную  сторону мембраны, а на образовавшиеся  вакансии проникают следующие. 

Обратноосмотические мембраны, используемые в фармацевтической промышленности, изготовляют из ацетата целлюлозы, полиамида, а также в виде композитных  мембран, где активный слой может  быть выполнен из полиамидов, полиэфиров, полисульфона.

Установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления, пермеатора и блока регулирования, поддерживающего оптимальный рабочий режим. Важным показателем работы установки обратного осмоса является коэффициент оборота, т.е. доля полученного пермеата и концентрата. На оптимальных установках выход пермеата составляет около 75% от исходной воды, образующийся концентрат составляет 25%.

Среди преимуществ обратного  осмоса следует отметить простоту и  независимость от солесодержания исходной воды, низкие энергетические затраты  и значительно невысокие затраты  на сервис и технический уход. Система  достаточно легко подвергается мойке, дезинфекции и очистке, не требует  использование сильных химических реагентов и необходимости их нейтрализации. 

Обратный осмос обычно используется в системах получения  воды для фармацевтических целей  в нескольких случаях:

- перед установками ионного  обмена для снижения расхода  кислоты и щелочи, необходимой  для регенерации;

- для получения воды  очищенной и как подготовительный  шаг перед дистилляцией в целях  получения воды для инъекций;

- как конечный этап  в целях получения воды для  инъекций

Для получения воды для  фармацевтических целей в последнее  время применяют двухступенчатую  систему обратного осмоса минимум  с двумя мембранами, причем концентрат второй мембранной ступени качественно  выше, чем исходная вода первой ступени  и поэтому приток первой ступени  возвращают. Требования к качеству воды, тем не менее, не достигаются и в связи с этим проводят дальнейшую обработку волы. Предварительно вода поступает вначале на первую ступень обратного осмоса. Образующийся при этом концентрат сбрасывается. Пермеат подается на вторую ступень обратного осмоса и еще раз подвергается очистке. Так как концентрат от второй ступени обратного осмоса содержит меньше соли, чем питающая обратноосмотическую установку вода, его можно смешать с подаваемой водой и тем самым вернуть в систему.

У этого метода есть свои недостатки:

- обратный осмос не  способен полностью удалять все  примеси из воды и обладает  низкой способностью к удалению  растворенных органических веществ  с очень малым молекулярным  весом;

- по сравнению с системами  ионного обмена обратный осмос  не позволяет значительно снизить  удельную электропроводность, в  частности из-за высокого содержания  углекислого газа в воде;

- материал мембран является  достаточно хрупким, возможно  нарушение его целостности, и,  вследствие этого, нарушение работы  обратноосмотической установки.  Поэтому чрезвычайно важен выбор  соответствующего материала мембран;

- обратноосмотические мембраны  не устойчивы к воздействию  высоких температур. Поэтому необходимо  обеспечить охлаждение воды, где  возможен ее нагрев;

- ультрафильтрационные мембраны могут накапливать грязь. Поэтому их следует эксплуатировать в перекрестном потоке, т.е. вдоль поверхности мембраны всегда должен идти поток, который уносит отделенный материал, в связи с чем, наряду с фильтратом, образуется концентрат;

- некоторые вещества, такие  как сульфаты бария, стронций, карбонат кальция, кремниевая  кислота и др. могут забивать  поры мембран. В связи с этим, прежде чем эксплуатировать систему  обратного осмоса, необходимо определить  коллоидный индекс. Блокирование  мембран можно предотвратить  добавлением средств, препятствующих  образованию отложений или использования  стадий предварительной очистки;

- железо также может  стать причиной ухудшения работы  системы обратного осмоса. При  высоком содержании железа в  питающей воде необходимо проводить  осаждение железа с последующей  фильтрацией;

- необходимо менять мембраны 3-4 раза в год или чаще, что  является не очень удобным;

- увеличивает возможность  микробной контаминации, так как  вода, получаемая этим методом  холодная.

Контроль систем обратного  осмоса осуществляется испытанием на целостность, уровень микробной  контаминации и содержание общего органического  углерода.

 

3.1.4.2 Нанофильтрация

 

Данный вид предварительной  очистки воды предназначен для удаления органических веществ с молекулярным весом от 250 до 1000, некоторых ионов. Нанофильтрация более экономичный процесс с точки зрения расхода воды и использования более низкого давления, чем для обратного осмоса.

Основными недостатками данного  метода, как и других методов, основанных на фильтрации воды, является частая смена  фильтров, заиление, нарушение целостности  мембран, микробиологическая контаминация.

 

3.1.4.3 Ультрафильтрация

 

Представляет собой еще  одну технологию, использующую полупроницаемые  мембраны, но в отличие от устройств  обратного осмоса она работает в  большей степени за счет механической сепарации. При ультрафильтрации действует  система фильтрации под давлением  с границами отделения от 1000 до 100000 Дальтон. Соли не могут быть удалены  ультрафильтрацией. Ультрафильтрация подходит преимущественно для отделения  от пирогенов, микробов и частиц, молекулярная масса которых превышает 10000. Благодаря фильтрационной способности мембраны значительно снижается содержание макромолекулярных и микробных загрязнителей таких, как эндотоксины. Наиболее часто используются волокнистые модули.

Оборудование представляет собой системы мембран, имеющих  диаметр пор 0,001-0,05 мкм.

Основные трудности, связанные  с ультрафильтрацией, заключаются  в совместимости материала мембран  с санитарными агентами, заилении мембран частицами и микроорганизмами, нарушении целостности мембран, сохранении контаминатов в картридже и нарушение целостности уплотнительных прокладок.

Для решения этих проблем  необходимо правильно выбрать вид  и агенты санитарной обработки, правильно  выбрать конструкцию, позволяющую  осуществлять промывку поверхности  мембран и регулярную замену картриджей. Необходимо избежать застоя воды, способствующего  росту бактерий в резервных или  находящихся в состоянии ожидания устройствах, что возможно при использовании  параллельной или последовательной конфигурации устройств.

Для контроля эффективности  работы ультрафильтрационной установки необходим постоянный мониторинг температуры подаваемой воды, общего органического углерода, перепада давлений, испытания на целостность фильтров, микробиологический контроль.

 

3.1.4.4 Микрофильтрация

 

Микрофильтрация позволяет  удалить из воды мелкие частицы и  микроорганизмы. В настоящее время  используются различные фильтры: глубинные (керамические, фарфоровые, фторопластовые, стеклянные, бумажно-асбестовые).    

Фильтры с диаметром  пор 2-3 мкм используют перед мембранами обратного осмоса и ультрафильтрации. Фильтры с диаметром пор 0,22 мкм  – в конце системы получения  воды для инъекций и в системах распределения с целью предотвращения механической и микробиологической контаминации. Фильтры с диаметром  пор 0,22 мкм используются как конечный этап при изготовлении парентеральных лекарственных средств, которые  не поддаются термической стерилизации.

 

3.1.5 Электродеионизация

 

Электродеионизация является разновидностью ионного обмена. Системы электродеионизации используют комбинацию смеси смол, выборочно проницаемых мембран и электрического заряда для обеспечения непрерывного потока и непрерывной регенерации. Подаваемая вода распределяется на три потока. Одна часть потока проходит через каналы электродов, а две другие части попадают в каналы очистки и концентрирования, которые представляют собой слои смолы, помещенные между анионной и катионной мембраной. Смешанные слои ионообменных смол задерживают растворенные ионы. Электрический ток направляет захваченные катионы через катион-проницаемую мембрану к катоду, а анионы – через анион-проницаемую мембрану к аноду. Ионообменная смола с обеих сторон мембраны усиливает перенос катионов и анионов через мембраны. Катион-проницаемая мембрана предотвращает поступление анионов к аноду, а анион-проницаемая мембрана предотвращает поступление катионов к катоду. В результате ионы концентрируются в этом отсеке. Сконцентрированные ионы из этого отсека смываются в сток. Очищенная вода выходит из системы. Так как электрический потенциал разделяет воду в канале очистки на ионы Н⁺ и ОН^-, то это позволяет осуществлять непрерывную регенерацию.

Процесс электродеионизации позволяет удалять минеральные вещества. Он зависит от исходного содержания примесей, скорости подаваемого потока воды в систему и предшествующих стадий водоподготовки.

Технология электродеионизации имеет ряд преимуществ:

- является неэнергоемким  процессом

- непрерывная регенерация

- не нужна замены смолы,  поскольку смола не истощается

- не останавливается производство  воды из-за истощения смолы

- достаточно низкие затраты  на обслуживание

- не требуются химические  реагенты для регенерации

Данной технологии очистки  воды присущи практически все  недостатки, характерные для ионного  обмена. Необходимым условием работы установки является температура  воды, которая не должна превышать 10-35◦С и уровень свободного хлора.

 

3.1.6 Электродиализ

 

Электродиализ является электрохимическим  мембранным процессом. При этой технике  заряженная субстанция под влиянием постоянного электронапряжения удаляется электроселективными мембранами. Путем расположения меняющихся анион-катион обменных мембран происходит образование меняющихся камер с высокой и низкой концентрацией ионов. Равномерное затопление мембран является необходимым для эффективного процесса разделения, поэтому большие площади мембран не благоприятны. Определяющим фактором является селективность ионообменных мембран, т.е. они должны быть проницаемыми для противоионов и селективно отделять Со-ионы. При очень высоких концентрациях солей возможен переход нейтральных ионных пар, возможна и обратная диффузия через ионообменные мембраны, из-за чего уменьшается производительность тока. Уменьшение производительности тока означает, что в реальных системах для отделения какого-то количества соли необходима большая затрата тока, чем в идеальной системе для отделения такого же количества соли. Затрата энергии для переноса иона зависит от количества мембранных слоев, электрического сопротивления и потока системы. Поэтому обменные мембраны должны сами иметь очень маленькое электросопротивление. Вследствие высокой скорости потока может последовать концентрация поляризации, а высокая скорость потока в связи с уменьшением расстояния мембран при уменьшении давления всегда нивелируется. Так как с увеличением засоления электрическое сопротивление в камере увеличивается, электродиализ достигает на этой стадии физических границ. Вариант электродиализа, называемый обратимый электродиализ, периодически вращает полярность электрического поля и уменьшает эффект загрязнения. Таким образом, при перенасыщенных растворах можно держать рассчитанное уменьшение соли длительное время.

Механизм разделения основан  на направленном движении ионов в сочетании с селективным действием мембран под влиянием постоянного тока. При использовании электродиализа потери воды составляют не более 5%, уровень растворимых солей снижается на 40-50%. Не требуется добавления химических веществ для поддержания нормальной и продолжительной работы оборудования.