LOGFILE Nr. 15/2012 - Herstellung von Pharmawasser

 23.04.2012

Herstellung von Pharmawasser nach „State of the Art“

Autor: Dr. Herbert Bendlin

In der pharmazeutischen Industrie nimmt aufbereitetes Wasser eine besondere Stellung ein. Es muss nicht nur den geforderten Qualitätsvorgaben genügen, sondern es  wird auch noch direkt nach der Herstellung einer weiteren Verwendung zugeführt. Entsprechend hoch sind der Aufwand in der Herstellung und Kontrolle dieses Rohstoffes. Dieser Artikel beschreibt die aktuelle Technologie in der Herstellung von Purified Water (PW) und Highly Purified Water (HPW).

Gemäß der European Pharmacopoeia ist als Ausgangsmedium Trinkwasser entsprechend der gültigen Trinkwasserverordnung vorgeschrieben. Der Nachweis der Trinkwasserqualität ist im Rahmen der Validierung zu belegen, ebenso der Einfluss der jahreszeitlichen Schwankungen auf die Aufbereitungsanlage. Eine fachgerechte Validierung einer Wasseraufbereitungsanlage erstreckt sich somit über 1 Jahr.

Umkehrosmose

Der notwendige Verfahrensschritt zur Entsalzung ist nicht mehr die Ionenaustauschertechnologie sondern die Umkehrosmosetechnologie (Reverse Osmosis, RO): Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe an einer geeigneten Membran sorgen aufgrund der Naturgesetze für einen Konzentrationsausgleich. Durch einen entsprechenden Druck (über dem osmotischen Druck) auf einer Seite der Membran kann ein entsalztes Wasser auf der anderen Seite der Membran erzwungen werden.

Dieser Prozess (Umkehrosmose genannt) wird heute zur Wasserentsalzung eingesetzt. Die dabei eingesetzten Spiralwickelmodule in einem geeigneten Druckrohr werden weltweit in einheitlichen Baugrößen produziert und stehen preisgünstig in den unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung. Geeignete Membranen haben heute eine Rückhaltequote von nahezu 99%. Es ist aber zu beachten, dass diese  Membranen technische Produkte darstellen, die durchaus auch „Löcher“ haben können. Diese Membranen sind nicht wie z.B. ein Sterilfilter auf eine 100%ige Undurchlässigkeit geprüft.

Ein weiterer Nachteil der Membrantechnologie ist, dass aufgrund der Aufkonzentrierung auf der Membranoberfläche mit einer Verblockung auf der Membranfläche zu rechnen ist, wenn die Löslichkeit der Wasserinhaltsstoffe überschritten wird. Es ist daher eine geeignete Vorbehandlung des Einspeise­wassers zwingend notwendig. Im Bereich der pharmazeutischen Wasseraufbereitung ist dies die klassische Enthärtung des Wassers. Die in anderen Bereichen eingesetzte Dosierung von Antiscalants ist nicht zulässig. Antiscalants sind chemische Substanzen, welche die Härte des Wassers „unschädlich“ machen und dadurch die Ausfällung verhindern.

EDI-Technologie

In der Praxis enthält das lokale Trinkwasser eine solche Menge an Wasserinhaltsstoffen (Salze), dass eine weitere Entsalzungsstufe erforderlich ist, um die nach Arzneibuch zulässigen Restgehalte zu erreichen. Dazu wurde in der Vergangenheit eine weitere Umkehrosmose-Einheit eingesetzt. Moderne Anlagen verwenden heute jedoch die elektrochemische Deionisierung, die EDI-Technologie. Diese Technologie kombiniert verschiedene Verfahren. In einem Gleichspannungsfeld werden die noch vorhandenen Ionen entsprechend ihrer Ladung eine Wanderung beginnen. Durch die Verwendung von ionenselektiven Membranen in den „staks“, so werden diese Komponenten genannt, entstehen Bereiche sowohl mit einem angereicherten Ionenfeld (Konzentrat­strom) als auch einem abgereicherten Ionenfeld (Produktstrom). Aufgrund der geringen Wanderungstendenz ist immer eine Vorbehandlung mittels der Umkehrosmose erforderlich. Verfahrenstechnisch kann eine solche EDI-Einheit nur ionogene Stoffe entfernen.

Membranentgasung

Eine kostengünstige Reduzierung der Kohlensäure ist mit dieser Technologie ebenfalls nicht möglich. Je nach vorhandener Menge an Kohlensäure (bedingt durch die Wasserhärte und den pH-Wert des Speisewassers) ist eine weitere Verfahrensstufe erforderlich. Hier hat sich die Membranentgasung durchgesetzt. Hierbei handelt es  sich um ein Diffusionsverfahren, wobei als treibende Kraft das Konzentrationsgefälle auf den beiden Seiten der Wasser abweisenden Membran dient. In der Praxis wird dazu entweder ein Vakuum oder ein Strippgas eingesetzt.  Strippen bedeutet hier, dass im Gegenstrom an der anderen Seite der Membran ein Gas (z. B. Luft) zum Transport eingesetzt wird.

Ultrafiltration

Zur Sicherstellung der mikrobiologischen Produktqualität für Highly Purified Water (HPW) wird als letzte Verfahrenstufe eine Ultrafiltration eingesetzt. Der große Vorteil dieser Verfahrenstufe liegt in der geeigneten Bauform der Module, die einen Integritätstest ermöglicht (Bubble Point, Forward Flow). Somit kann jederzeit eine Überprüfung der Membran auf Integrität erfolgen und Risse oder Löcher festgestellt werden.

Eine moderne Pharmawasseraufbereitungsanlage ist somit modular aufgebaut (siehe Abbildung 1). Je nach Notwendigkeit werden die erforderlichen Komponenten modular zusammen gefügt, um die gewünschte Produktwasserqualität zu erzeugen.

Abbildung 1 Modularer Aufbau einer Wasseraufbereitungsanlage für Purified Water

Image

Sanitisierung

Für jede Pharmawasseraufbereitungs- und Verteilungsanlage ist eine wirksame Technologie zur Sanitisierung gefordert. Nur so kann ein validiertes System langfristig erhalten bleiben. Grundsätzlich sind in modernen Anlagen heute zwei verschiedene Ansätze möglich:

  • Chemische Sanitisierung mittels geeigneten Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid oder Peressigsäure. Diese Medien erfordern eine gewisse Einwirkzeit, um die mikrobiologische Belastung zu zerstören. Anschließend müssen die Chemikalien  aus den Anlagen wieder ausgespült werden.
  • Thermische Sanitisierung mittels erhöhter Wassertemperatur, etwa 85°C. Durch die Verwendung von geeigneten Materialien und entsprechenden temperaturbeständigen Komponenten ist es heute möglich die vollständige Wasseraufbereitungsanlage vom Enthärter bis zur UF-Komponente regelmäßig zu sanitisieren. Das thermische Aufheizen, Halten der Temperatur und Abkühlen kann sehr gut automatisiert werden.

Kombination RO/EDI

Für die Herstellung von Pharmawasser, sowohl PW als auch HPW-Wasser, stehen somit Verfahren zur Verfügung, die sich in der Praxis gut bewährt haben. Die Vielzahl der Anlagen hat dazu geführt, dass inzwischen auch für die EDI-Module verschiedene Hersteller am Markt vorhanden sind, was, vergleichbar den RO-Modulen in der Vergangenheit, zu deutlichen Kostenreduktionen geführt hat.

Anlagen mit einer zweistufigen RO-Technologie sind kaum preiswerter als Anlagen, die mit RO und nachgeschalteter EDI-Technologie arbeiten. Ein besonders großer Vorteil der Systemkombination RO/EDI ist, dass diese Variante die geforderte Leitfähigkeit von 1,3 µs/cm viel sicherer einhalten kann als eine doppelstufige RO-Anlage. Auch lassen die bisherigen Erfahrungen bei den thermisch sanitisierbaren Anlagen mit der Systemkombination RO/EDI erkennen, dass die mikrobiologische Sicherheit gegeben ist. Diese Entsalzungstechnologie ist somit nicht schlechter als die konventionelle
reine Membrantechnologie.

Fazit

Durch den Einsatz einer Membrananlage und der EDI-Technologie ist die Herstellung von PW-Wasser problemlos möglich. Wird eine hohe mikrobiologische Reinheit gefordert, so ist die Verwendung der UF-Technologie möglich. Qualifizierung und Validierung sind etablierte Verfahren.

Es ist jedoch bei jeder Pharmawasseraufbereitung die individuelle Problematik (z. B. hoher Gehalt an organischer Materie, hohe mikrobiologische Belastung) des lokalen Trinkwassers zu beachten. Die Einflüsse des Speisewassers sind es, die im täglichen Betrieb zu großen Unterschieden bei vergleichbaren Anlagen führen. Ein GMP-gerechtes Anlagendesign ohne ein dem Speisewasser angepasstes Sanitisierungskonzept wird zwangsläufig zu Problemen führen. Nicht ohne Grund wird eine 12-monatige Validierungsphase gefordert.

Auch werden in der Praxis viele Anlagen tendenziell überdimensioniert. Dies führt zu Problemen durch Stillstandszeiten oder unnötige Zirkulation von Wasser. In der Praxis ist es meistens möglich, durch einfache Aufrüstung einer Anlage die Leistung bei Bedarf zu steigern.

Autor:

Dr. Herbert Bendlin

Technisches Sachverständigenbüro
Gothaer Straße 14
56235 Ransbach-Baumbach

Herbert@bendlin.de

Autor des Praxisbuch Reinstwasser. >>> Mehr Informationen

Leitartikel als PDF öffnen