Methoden zur Herstellung von WFI und Reinstdampf

Die Mehrkolonnen- Verdampferanlage Multitron MT liefert bis zu 15 000 kg/h Destillat

Der Reinstdampfgenerator Vapotron stellt bis zu 5000 kg/h sterilen, pyrogenfreien Reinstdampf her

Die Membranentgasung wird direkt auf dem Rack des Reinstdampfgenerators installiert und lässt sich so im Rahmen des FAT testen

Da die Qualität von WFI und Reinstdampf nicht nur am Ausgang der Erzeugeranlage gewährleistet sein muss, sondern der Point of Use das Maß aller Dinge ist, ist auch besonderer Wert auf die Lagerung und Verteilung des produzierten Wassers zu legen. Gesamtkonzepte auf Turn-key-Basis, wie die Multitron-MT- und Vapotron-VT-Reihen, garantieren hierbei durchgehende Sicherheit und Einhaltung aller Kundenanforderungen sowie der Vorgaben der einschlägigen pharmazeutischen Regelwerke.

Für die destillative Herstellung von WFI können zwei physikalisch ähnliche Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen: die Dampfkompression VC (vapour compression) und die Mehrkolonnendestillation ME (multiple effect destillation). Die Verfahren folgen dem physikalischen Gesetz, dass über den Phasenübergang des Wassers zum Dampf die abzuscheidenden Partikel, Endotoxine, Pyrogene und andere Verunreinigungen im Wasser zurück bleiben. Optimale Anlagen sind kompakt und klein und weisen eine hohe Sicherheit hinsichtlich der Tröpfchenabscheidung sowie einen möglichst geringen Energieverbrauch und niedrige Investitionskosten auf. Zudem müssen Erzeugeranlagen sicherstellen, dass sie nicht selbst mit Partikeln und Abrieb durch eventuell schnelllaufende Aggregate, wie Pumpen oder Verdichter, zum Problemauslöser werden.

Bei VC-Systemen wird prinzipiell die Grundidee der Wärmepumpe angewendet. Dabei bilden die vier Schritte Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion die Prozessabfolge, so dass das Wasser bereits bei geringem Druck (teils unter Vakuum) sowie entsprechend geringen Temperaturen verdampft und wiederum kondensiert wird. Der Vorteil liegt also eindeutig beim geringen Wärmeeinsatz, was allerdings pharmazeutisch auch als Nachteil angesehen werden kann. Denn höhere Temperaturen bieten auch größere pharmazeutische Sicherheit gegen Verkeimung.

Die Hauptgruppe für WFI-Produktionsanlagen in Europa bildet eindeutig die Gruppe der Mehrkolonnenverdampferanlagen. Anlagen mit bis zu acht beziehungsweise neun Kolonnen sind dabei denkbar, wobei diese Kolonnenzahl meist erst ab circa 4000 l/h WFI-Produktion sinnvoll wird. Auch bei den Mehrkolonnenanlagen wird das Speisewasser nur einmal verdampft. Weil zwischen den Verdampferstufen ein Druckgefälle eingestellt und in der jeweils ersten Stufe mit externer Energie geheizt wird, muss dort der maximale Druck erreicht werden. Üblich sind dabei Heizdampfdrücke von 8 bar ü, so dass auf der Reinstdampfseite der ersten Kolonne Drücke von bis zu 7 bar ü beziehungsweise Temperaturen größer 160 °C erzeugt werden. Ausreichende Heizdampfdrücke sind die Voraussetzung für den Einsatz von sieben oder mehr Kolonnen. Der in der ersten Kolonne erzeugte Reinstdampf wird in der nachfolgenden kondensiert und die abgegebene Wärme verdampft wiederum einen Teil des Speisewassers. Weiterhin empfiehlt es sich, immer eine Teilmenge des erzeugten Reinstdampfs zur Vorwärmung des im Gegenstrom geführten Speisewassers zu nutzen.

Als Beispiel für dieses Verfahren kann die Multitron-Anlage von Christ gelten. Bei dieser Anlage sorgt eine kombinierte Schaltung von Kühler und Erhitzer für eine optimale Speisewasservorwärmung und eine maximale Heizdampfeinsparung. Dieser Prozess wiederholt sich in allen Kolonnen. Dabei nimmt der Druck beziehungsweise die Temperatur bis zur letzten Kolonne auf circa 100 °C ab. Der hier produzierte Reinstdampf wird dann im Kondensator mit Hilfe des gegenströmenden Speisewassers kondensiert. In einem zusätzlich eingesetzten Kühler erfolgt am Ende der Prozesskette die Abkühlung des schon in der zweiten bis zur letzten Kolonne erzeugten WFI sowie des Kondensats auf die notwendige Austrittstemperatur von circa 85 bis 100 °C. Insgesamt lassen sich auf diese Weise Einsparungen beim Kühlwasserverbrauch von 25 % sowie beim Dampf von 20 % realisieren. Daraus folgt: Je mehr Kolonnen installiert werden, desto weniger Heizenergie und Kühlenergie muss eingesetzt werden. Ab einem Einsatz von sieben Kolonnen und kaltem Speisewasser wird kein Kühlwasser mehr benötigt. Die Kühlleistung des Speisewassers reicht aus, um die Kondensation und notwendige Unterkühlung im Kondensator zu leisten.

Eine Sonderform der Mehrkolonnendestillationsanlage bildet die Single-Effect-Anlage. Hierbei wird die gesamte zu produzierende Menge an WFI in nur einer Kolonne erzeugt. Sie ermöglicht jedoch keinerlei Energieeinsparung bei den Heiz- und Kühlmedien. Deshalb werden diese Anlagen nur für WFI-Mengen kleiner 150 l/h und bei kurzen Produktionsräumen je Zeiteinheit eingesetzt.

Bei einem Anlagenvergleich hinsichtlich der zu erwartenden Verbrauchswerte, ist die gleiche Anzahl von Kolonnen und Vorwärmern Voraussetzung. Diverse Hersteller bieten Vorwärmer nur optional an, obwohl sich deren Einsatz bei Abwägung der Betriebs- und Investitionskosten fast aufdrängt. Anstelle von zusätzlichem, externem Heizdampf zum Vorwärmen des Speisewassers ist es unter Betriebskostenaspekten sinnvoll, das Heizdampfkondensat auszunutzen. Darüber hinaus könnte bei einigen Anlagentypen eine parallele Reinstdampfentnahme aus der ersten Kolonne zur Minderung der Investitionskosten führen. Denn eine Vergrößerung der ersten Kolonne kann die Investition eines separaten Reinstdampferzeugers eventuell erübrigen. Für diese Anforderungen bietet beispielsweise Christ eine auf die Betriebs- und Investitionskosten bezogene optimierte, individuell passende Lösung an. Die GMP-Kriterien setzt die Multitron-Destille mit dem Combical-Konzept so um, dass sich das Reinmedium ? WFI oder Reinstdampf ? komplett innerhalb des Rohrs befindet. Bewährte Prinzipien wie FDA-gerechtes Design bei Doppelböden oder die Integrationsmöglichkeit der WFI-Ausgangsventile direkt über den Tank, lassen eine komplette Sterilisation aller Anlagenteile zu.

Am Beispiel der Vapotron-VT-Baureihe wird nachfolgend die Erzeugung von Reinstdampf vorgestellt, für die die gleichen Anforderungen und Regularien gelten wie für WFI. Die Reinstdampferzeugung besteht aus dem Verdampfen und Rückhalten von Tröpfchen ohne die nachfolgende Kondensation und Unterkühlung. Hier wird also die erste Kolonne wie bei den ME-Systemen beschrieben eingesetzt. VC-Anlagen eignen sich nicht für diesen Prozess. Auf dem Gebiet der Reinstdampferzeuger konkurrieren der Fallfilmverdampfer und der Umlaufverdampfer miteinander. Bei letzterem sind die Rohre des Wärmeüberträgers in der Regel komplett mit Wasser gefüllt. Wichtig ist es hierbei darauf zu achten, dass die thermische Belastung so gering wie möglich gehalten wird oder sogar ganz entfällt. Christ-Systeme verwenden deshalb die zwar etwas kostspieligere, aber dafür thermisch vollkommen spannungsfrei arbeitende weiterentwickelte Floating-Technologie.

Neben der Reinstdampfqualität ist eine hohe Reinstdampfdruckstabilität selbst bei wechselnder Abnahme erforderlich. Außerdem muss eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit der Anlage auch bei der Entnahme großer Mengen gewährleistet sein. Umlaufverdampfer kommen diesen Forderungen schneller nach, denn bei ihnen steht eine große aufgeheizte Wassermenge als Energiepotenzial im Verdampferraum zur Verfügung. Diese verdampft bei Druckabfällen automatisch und umgehend und hält noch vor dem Nachregulieren die Produktion aufrecht. Weiterhin besitzt das Wasserreservoir den Vorteil, dass kaltes Nachfüllen von Speisewasser den Reinstdampfdruck nicht so stark abfallen lässt. So werden Schwankungen auch ohne zusätzliche Speisewasservorwärmung ausgeglichen. All das fordert das System dynamisch durch ständige Lastwechsel.

Beim Fallfilmverdampfer müssen diese Vorteile durch eine zusätzliche Installation von Vorwärmern oder Pumpen im heißen Zirkulationsbereich ausgeglichen werden. Beides ist wartungsintensiv und erhöht die Betriebskosten. Nicht zu vergessen und allen Reinstdampfsystemen eigen: das ständige Auf- und Nachheizen sowie die daraus resultierende thermische Beanspruchung. Hier sind Konstruktionen mit schwimmenden, innenliegenden Wärmetauschern, die wesentlich geringeren Stressbelastungen unterliegen, im Vorteil.

Wie schon erwähnt, entsprechen die Qualitätsanforderungen für Reinstdampf im Wesentlichen den Vorschriften für WFI. Jedoch muss noch die DIN EN 285 in Bezug auf nichtkondensierbare Gase herangezogen werden. Dort ist festgelegt, dass der Anteil an nichtkondensierbaren Gasen (in der Regel O2, N2, CO2 oder Edelgase) <3,5 Vol.-% betragen muss. Diese Vorschrift gilt insbesondere für Prozesse, bei denen Reinstdampf direkt oder indirekt zur Sterilisation von pharmazeutischen Produkten in entsprechenden Sterilisationskammern genutzt wird. Um den Anteil an gelöstem Gas in Reinstwasser zu verringern, bestehen die Möglichkeiten der warmen Lagerung des Speisewassers und der Membran-entgasung mit Vakuumunterstützung direkt vor der Einspeisung in den Reinstdampferzeuger. Beide Verfahren eignen sich grundsätzlich, den Anteil der nicht-kondensierbaren Gase von >3,5 % auf <1 % zu reduzieren. Eine Warmwasserlagerung ist jedoch relativ aufwändig, da die Entgasung des Wassers auch eine Verweilzeit im heißen System erfordert. Membranentgasungen hingegen weisen einen geringen Platzbedarf auf und können im kontinuierlichen direkten Durchfluss genutzt werden. Beim Vapotron wird die Membranentgasung optional direkt auf dem Rack des Reinstdampfgenerators installiert.

cav 436

Dipl.-Ing. Helmut Sommer

Weitere Informationen zu den Produkten

Seminar „Wasser für pharmazeutische Zwecke“

ISPE – International Society for Pharmaceutical Engineering

Fachmesse TechnoPharm 2005