Характеристика методов получения

Предварительная подготовка и получение.

Предварительная подготовка — это совокупность операций, направленных на получение воды такого качества, которое требуется для конечной стадии получения воды очищенной.

Получение — финишная стадия, обеспечивающая получение воды, соответствующей нормативным требованиям.

Фильтрация.

Технология фильтрации играет важнейшую роль в системах обработки воды. Выпускается широкий диапазон конструкций фильтрующих устройств для различного применения. Устройства и конфигурации систем широко варьируют по типам фильтрующей среды и месту использования в технологическом процессе.

Современные фильтрующие системы представляют собой установки с 3-х или 5-ти цикловым режимом работы с возможностью как автоматического (с помощью программируемого контроллера), так и ручного управления:

При З-х цикловом режиме работы фильтрационной установки предусмотрены получение очищенной воды, обратная промывка и прямая промывка фильтрующей среды. Данный режим используется в установках с засыпкой, не требующей регенерации (многослойные фильтры, фильтры обезжелезивания на основе Birm, фильтры с активированным углем).

5-ти цикловой режим работы подразумевает получение очищенной воды, обратную промывку, регенерацию/медленную промывку, быструю промывку и наполнение солевого бака. Данный режим используется для фильтрационных установок, в которых необходимо проведение регенерации фильтрующей среды (фильтры обезжелезивания на основе марганцевого цеолита, фильтры умягчения).

Использование многослойных фильтров является одной из первоначальных стадий предварительной подготовки воды. Их применение целесообразно при высокой мутности воды и высоком содержании механических, коллоидных частиц. Комбинации фильтрующих сред варьируют в зависимости от качества исходной воды, но чаще всего представлены гидроантрацитом, гранатом, кварцем и поддерживающей засыпкой в виде протравленного гравия.

При использовании многослойных фильтров необходимо обеспечить минимальную скорость фильтрации воды — 5−10 м/час и высокую скорость обратной промывки — 35−40 м/час. Исходя из этого, важным критерием является правильный выбор насоса для обеспечения надлежащих скоростей фильтрации и обратной промывки.

Внутреннее устройство автоматического фильтра с 5-ти цикловым режимом работы и дополнительным оборудованием:

• 1. Управляющий клапан;
• 2. Контроллер;
• 3. Корпус фильтра;
• 4. Дренажный шланг;
• 5. Распределительная труба;
• 6. Щелевая корзина;
• 7. Фильтрующая среда;
• 8. Манометры;
• 9. Обводная вентильная система;
• 10. Счетчик расхода воды;
• 11. Бак для приготовления и хранения регенерирующего раствора (NaCl);
• 12. Солевая сетка с «Air check» (регулируемый поплавковый механизм — дополнительная функция);
• 13. Решетка для соли (NaCl);
• 14. Крышка бака;
• 15. Труба-колодец;
• 16. Перелив;
• 17. Трубка для подачи раствора в фильтр и воды в бак;
• 18. Блок питания контроллера (сетевой адаптер);
• 19. Входной вентиль;
• 20. Выходной вентиль;
• 21. Пробоотборник.

Рисунок 1:

Рисунок 2. — Внутреннее устройство автоматического фильтра с 3-х цикловым режимом работы и дополнительным оборудованием:

• 1. управляющий клапан,
• 2. контроллер,
• 3. корпус,
• 4. дренажный шланг,
• 5. распределительная труба,
• 6. щелевая корзина,
• 7. фильтрующая среда,
• 8. манометр,
• 9. обводная вентильная система (байпас),
• 10. счетчик расхода воды,
• 11 поддерживающая засыпка.

Фильтры обезжелезивания на основе фильтрующих сред Birm и марганцевого цеолита применяются для удаления присутствующих в воде примесей железа и марганца. Кроме того, с помощью марганцевого цеолита удаляется растворенный в воде сероводород.

В результате процессов химического каталитического окисления на поверхности фильтрующей среды, растворенное железо и марганец переходят в нерастворимую форму и в виде хлопьевидного осадка путем обратной промывки выводится из фильтра.

При использовании фильтрующей среды Birm важным условием является наличие в воде растворенного кислорода в концентрации, большей на 15% концентрации растворенного железа. Марганцевый цеолит по мере использования теряет свои каталитические свойства, поэтому необходимым является его периодическая (или постоянная) регенерация раствором калия перманганата. При высоких концентрациях железа и марганца в воде, необходимо предварительно использовать системы аэрации воды.

Одними из широко используемых в фармацевтической практике являются фильтры с активированным углем, адсорбирующим органические вещества с низким молекулярным весом, хлор и удаляют их из воды. Они используются для получения определенных качественных признаков (обесцвечивания воды и улучшения ее вкуса и др.), для защиты от реакции следующими за ними поверхностями из нержавеющей стали, резиновых изделий, мембран. Следует отметить, что с момента удаления активного хлора вода лишается какого-либо бактерицидного агента и, как правило, происходит стремительный рост микроорганизмов. В угольных фильтрах имеются особенно благоприятные условия для развития микробиологической флоры из-за очень большой и развернутой поверхности. В последнее время в качестве фильтрующей среды применяется активированный уголь, импрегнированный серебром, применяемый для снижения микробиологического роста.

Умягчение является частным случаем ионного обмена. Смягчители воды удаляют такие катионы, как магний и кальций, т. е. позволяют понизить жесткость воды.

В большинстве случаев используются автоматические колонки — смягчители, заполненные катионитом, в которых происходит обмен катионов солей жесткости на катионы натрия. На фармацевтических предприятиях при необходимости постоянного (круглосуточного) получения умягченной воды применяются дуплексные установки, регенерация ионообменных смол в которых проводится попеременно.

При снижении обменной емкости смолы проводится периодическая ручная или автоматическая регенерация раствором натрия хлорида.

Умягчение используется в системе водоподготовки чаще всего в 3-х случаях:

• — перед обратным осмосом и дистилляцией;
• — для получения воды, используемой для регенерации установки ионного обмена;
• — в случае, когда достаточно получение умягченной воды (применение воды в автоклавах, моечных и т. п.).

Смягчители, удаляя поливалентные ионы из исходной воды, снижают тем самым потенциальную возможность образования нерастворимого осадка на мембранах обратного осмоса и внутренних поверхностях дистиллятора. К тому же, помимо удаления солей жесткости, путем умягчения можно удалить следовые концентрации очень нежелательных ионов, таких как барий, алюминий, стронций.

Ионный обмен.

Является одним из эффективных методов удаления из воды анионов и катионов. Это одна из важнейших стадий очистки, используемая как этап предварительной очистки, так и для получения воды очищенной.

Ионный обмен основан на использовании ионитов — сетчатых полимеров разной степени сшивки, микроили макропористой структуры, ковалентное связанных с ионогенными группами.

Диссоциация этих групп в воде или в растворах дает ионную пару — фиксированный на полимере ион и подвижный противоположный ион, который обменивается на ионы одноименного заряда (катионы или анионы) из раствора.

При химическом обессоливании обмен ионов является обратимым процессом между твердой и жидкой фазами. Включение в состав смол различных функциональных групп приводит к образованию смол избирательного действия.

Ионообменные смолы делятся на анионообменные и катионообменные. Катионообменные смолы содержат функциональные группы, способные к обмену положительных ионов, анионообменные — к обмену отрицательных.

Смолы могут быть дополнительно разделены на 4 основные группы: сильнокислотные, слабокислотные катионообменные смолы и сильноосновные и слабоосновные анионообменные смолы.

Существует два типа ионообменных аппаратов, наиболее часто используемых в фармацевтической практике, как правило, колоночных:

• — С раздельным слоем катионита и анионита;
• — Со смешанным слоем.

Аппараты первого типа состоят из двух последовательно расположенных колонн, первая из которых по ходу обрабатываемой воды заполнена катионитом, а вторая — анионитом.

Аппараты второго типа состоят из одной колонны, заполненной смесью этих ионообменных смол. Преимуществами ионного обмена являются малые капитальные затраты, простота, отсутствие принципиальных ограничений для достижения большей производительности.

Использование метода ионного обмена целесообразно при слабой минерализации воды: 100−200 мг/л солей, т.к. уже при умеренной (около 1 г/л содержании солей) для очистки 1 м³ воды будет необходимо затратить 5 л 30% раствора соляной кислоты и 4 л 50% раствора щелочи.

Смолы обладают рядом существенных недостатков, затрудняющих их использование:

• — Наличие химически агрессивного реагентного хозяйства и, соответственно, высокие эксплуатационные затраты на его приобретение и хранение;
• — Ионообменные смолы требуют частой регенерации для восстановления обменной способности и повышенного внимания со стороны обслуживающего персонала;
• — Большое количество химически агрессивных сточных вод после проведения регенерации фильтров и др.

Регенерация ионообменных смол производится как правило растворами кислоты хлористоводородной (для Н±формы) и натрия гидрооксида (для ОН—формы). На качество регенерации влияет выбор регенерирующего раствора, тип ионообменной смолы, скорость, температура, чистота, тип и концентрация регенерирующего раствора, время его контакта с ионитами. Для приготовления растворов кислоты хлористоводородной и натрия гидрооксида, их хранения и защиты персонала от возможных утечек, необходимы специальные емкости.

Системы ионного обмена требуют предварительной очистки от нерастворимых твердых частиц, химически активных реагентов во избежание загрязнения («отравления») смолы и ухудшения ее качества.

Ионообменная технология обеспечивает классическое обессоливание воды и является экономичной системой при получении воды очищенной. Данная технология позволяет получать воду с очень низким показателем удельной электропроводности. Поскольку данный метод не обеспечивает микробиологической чистоты из-за использования ионообменных смол, его использование для получения воды очищенной целесообразно в сочетании со стерилизующей (0,22 мкм) микрофильтрацией.

Электродеионизация.

Является разновидностью ионного обмена. Системы электродеионизации используют комбинацию смол, выборочно проницаемых мембран и электрического заряда для обеспечения непрерывного потока (продукта и концентрированных отходов) 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 мембранами. 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, из которого они смываются в сток. В результате получается очищенная вода высокого качества. Разделение воды в канале очистки (секция смолы) электрическим потенциалом на ионы водорода и гидроксила позволяет осуществлять непрерывную регенерацию смолы.

С помощью процесса электродеионизации возможно удаление минеральных веществ. Эффективность метода зависит от исходного содержания примесей, скорости подаваемого потока воды в систему и предшествующих стадий водоподготовки. Метод электродеионизации целесообразно использовать в сочетании с обратным осмосом. Процентное содержание общих растворенных в воде веществ снижается более чем на 99%, удельная электропроводность снижается более чем в 15 раз по сравнению с подаваемой. Содержание общего органического углерода может уменьшиться на 50−90% в зависимости от состава органических веществ в воде и стадий предварительной очистки. Растворенный диоксид углерода переводится в бикарбонат ион и выводится в виде растворимого вещества. Удаление растворенного диоксида кремния составляет 80−95% в зависимости от условий и режима работы.

Технология электродеионизации имеет ряд преимуществ:

• — Является неэнергоемким процессом;
• — Осуществляется непрерывная регенерация;
• — Не нужна замена смолы, поскольку смола не истощается;
• — Не останавливается производство воды из-за истощения смолы;
• — Достаточно низкие затраты на обслуживание;
• — Не требуется химических реагентов для регенерации.

Необходимым условием использования установки электродеионизации является температура воды, которая должна быть в пределах 10−35^оС и уровень свободного хлора, не превышающий 0,1мг/л, вода должна быть достаточно деминерализована (электропроводность не более 60 мкСм/см (не более 5 мкСм/см в зависимости от применяемого оборудования) и декарбонизированная (содержание СО2 не более 5 мг/л (не более 1 мг/л в зависимости от типа применяемого оборудования)).

Обратный осмос.

Обратный осмос обеспечивает самый тонкий уровень фильтрации. Обратноосмотическая мембрана действует, как барьер для растворимых солей, неорганических и органических молекул, а также для микроорганизмов и пирогенных веществ. В среднем содержание растворенных веществ после стадии обратного осмоса снижается до 1−9%, органических веществ — до 5%, коллоидные частицы, микроорганизмы, пирогенны отсутствуют.

Вода, получаемая обратным осмосом, содержит минимальное количество общего органического углерода.

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 использования сильных химических реагентов и необходимости их нейтрализации. При осуществлении осмотического процесса определенную проблему представляет выбор мембран. Он должен быть основан на требованиях, предъявляемых к водоподготовке, рабочим условиям и характеристикам, условиям санации, безопасности, источнику подаваемой в систему воды. Обратный осмос обычно используется в системах получения воды для фармацевтических целей в следующих случаях:

• — для получения воды очищенной, и как подготовительный шаг перед дистилляцией для получения воды для инъекций;
• — перед установками ионного обмена для снижения расхода кислоты и щелочи, необходимой для регенерации;
• — как конечный этап для получения воды для инъекций (двухступенчатый осмос).

Для получения воды очищенной в последнее время применяют двухступенчатую систему обратного осмоса. Предварительно вода поступает 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.

При использовании обратного осмоса, как предварительной ступени очистки воды, возможно использование одноступенчатой установки. При большой солевой нагрузке и высоком содержании хлоридов в воде данная установка в большинстве случаев не сможет обеспечить качество получаемой воды, регламентированное Фармакопеей.

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. Получаемая этим методом вода холодная (большинство систем используют воду с температурой от 5 до 28^оС), что увеличивает возможность микробной контаминации. По сравнению с системами ионного обмена обратный осмос не позволяет значительно снизить удельную электропроводность, в частности из-за высокого содержания углекислого газа в воде. Диоксид углерода обычно свободно минует обратноосмотические мембраны и попадает в пермеат в тех же количествах, что и в исходной воде. Во избежание этого, рекомендуется использовать анионообменные смолы перед обратноосмотическим модулем, либо декарбонизатор после модуля обратного осмоса.

Материал мембран является достаточно хрупким, возможно нарушение его целостности за счет превышения допустимого давления, либо за счет образования противодавления в линии фильтрата.

При использовании мембран, не выдерживающих воздействие свободного хлора, обязательным является предварительная установка угольного фильтра или дозирование соединений, содержащих натрия сульфит.

Обратноосмотические мембраны неустойчивы к воздействию высоких температур. Поэтому необходимо обеспечить охлаждение воды, если она поступает на установку нагретой.

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 (пермеатом), образуется концентрат.

Некоторые вещества, такие как сульфаты бария, стронция, кальция карбонат, диоксид кремния, механические и коллоидные частицы могут приводить к забиванию пор мембранных элементов, «оштукатуриванию», «остеклению» их поверхности. Это можно предотвратить использованием стадий предварительной очистки.

Из выше сказанного следует, что для эффективной работы обратноосмотических установок необходимо учитывать качество исходной воды и осуществлять грамотный выбор методов ее предварительной обработки и конфигурацию системы в целом.

Дистилляция.

Является традиционным, эффективным и надежным методом, обеспечивающим высокую степень очистки, возможность получения горячей воды и обработки паром, что важно при производстве лекарственных средств в соответствии с правилами GMP.

Следует отметить, что дистилляция редко используется для получения воды очищенной, т. к. существуют более экономичные методы, описанные выше.