DE69838512T2

DE69838512T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung reines wasser

Info

Publication number: DE69838512T2
Application number: DE69838512T
Authority: DE
Inventors: Jorma TERÄVÄ; Teppo Nurminen
Original assignee: Steris Europe Inc
Current assignee: Steris Europe Inc
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: CN1282306A; FI103106B1; FI103106B; JP2001522719A; FI974211A0; EP1037856A1; DK1037856T3; AU1036499A; WO1999024363A1; CN1173889C; US6485649B1; EP1037856B1; DE69838512D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Reinwasserherstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Injektionswasser (Wasser für Injektionslösungen), die die Verwendung von Destillation vermeidet.
Hintergrund der Erfindung
Besonders reines Wasser wird für bestimmte industrielle Zwecke zum Beispiel in der pharmazeutischen und in der elektronischen Industrie benötigt. In diesem Zusammenhang ist unter reinem Wasser ein für außergewöhnliche Zwecke gereinigtes Wasser zu verstehen, das im wesentlichen steril ist und aus welchem anorganische und organische Verunreinigungen in einem solchen Maß entfernt worden sind, daß vorgegebene Qualitätsanforderungen erfüllt sind.
Die für Wasser festgesetzten Qualitätsanforderungen beziehen sich auf seine chemischen und mikrobiologischen Eigenschaften. Die chemische Qualität kann durch Leitfähigkeitsmessung geeignet überwacht werden. Unter einem mikrobiologischen Gesichtspunkt sind die zu überwachenden Eigenschaften Sterilität und Pyrogenität. Bakterien zum Beispiel geben Zellmembranfragmente in ihre Umgebung ab. Diese Fragmente sind im wesentlichen Lipopolysaccharide, die als Pyrogene, das heißt, fieberhervorrufende Agenzien, wirken. Diese sind relativ thermostabile Verbindungen, und es können hohe Temperaturen und längere Erhitzungszeiten erforderlich sein, damit sie zerstört werden oder ihre nachteiligen Eigenschaften verlieren. Pyrogene werden durch eine qualitativ hochwertige Destillation aus dem Wasser entfernt und können auch durch Umkehrosmose wegen der sehr kleinen Poren in den dabei verwendeten Membranen entfernt werden.
Auf dem pharmazeutischen Gebiet werden an Wasser, das für Injektionspräparate verwendet wird, die sogenannte Injektions- Wasser-Qualität (WFI), die größten Reinheitsanforderungen gestellt. Bei der Herstellung von Injektionswasser müssen die oben erwähnten biogenen Einheiten, die kleiner als Mikroben sind, entfernt werden. Für die Herstellung von WFI-klassifiziertem Wasser erprobte Verfahren sind in Pharmakopöen definiert. Die 1996 herausgegebene 23 US-Pharmakopöe setzt fest, daß Injektionswasser mittels Destillation oder Umkehrosmose hergestellt werden kann. Die entsprechende europäische Pharmakopöe erlaubt nur Destillation.
Hochwertige Destillationsverfahren erfordern beträchtliche Investitionen und die Produktionskosten sind hoch. Umkehrosmose ist ein wirtschaftlicheres Verfahren, verursacht aber oft höhere Unterhaltskosten.
Durch Ultrafiltration ist es möglich, sogar große Moleküle, wie Pyrogene, aus Wasser zu entfernen. Die verwendeten Membranen sind jedoch normalerweise empfindlich auf Hitze und auf rauhe chemische Bedingungen. Mikroben und Pyrogene müssen zuerst aus der Vorrichtung selbst entfernt werden, bevor der Filtrationsprozeß beginnt, und zusätzlich muß während der Produktion die Zufuhr- bzw. Speiseseite in regelmäßigen Intervallen gereinigt, sterilisiert und von Pyrogenen befreit werden. Die meisten Ultrafiltrationsvorrichtungen sind für diese Art der Verwendung schlecht geeignet.
Das US-Patent 5,104,546 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von pyrogenfreiem Wasser unter Verwendung eines Querstrom-Ultrafiltrationselements, das eine Zirkoniumoxid-Membran auf einem keramischen Träger aufweist. Das Material kann chemisch, zum Beispiel mit Stickstoffsäure, von Pyrogenen befreit werden. Die thermische Stabilität der keramischen Filtrationselemente ist auch signifikant und sie können wiederholt dampfsterilisiert werden.
Die internationale Patentanmeldung WO98/28060 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer flachen porösen keramischen Filterkassette, die sich sowohl für eine Sackgassen- als auch eine Durchfluß- bzw. Querstrom-Filtration eignet. Mit der richtigen Wahl der Materialien wird das resultierende Filterelement die physikalischen und chemischen Beständigkeitseigenschaften haben, die für einen Betrieb unter Sterilisationsbedingungen erforderlich sind.
Das US-Patent 4,664,793 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von Reinwasser, wobei das gereinigte Wasser in einem Hauptkreislauf, der einen Speicherbehälter aufweist, zirkuliert. Das Wasser in diesem Kreislauf wird auf diskontinuierliche Weise wärmebehandelt (60–90°C), wenn die Bakterienkonzentration in dem Kreislauf einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat. Der Kreislauf weist eine Sackgassen-Filtrationseinheit und einen Wärmeaustauscher auf, um mit Hilfe eines externen Kühlwassers das gereinigte Wasser auf seine Arbeitstemperatur zu kühlen. Mit diesen Mitteln ist es jedoch nicht möglich, Injektionswasser herzustellen, da die angegebene Temperatur lange Verweilzeiten erfordern würde, um den erforderlichen Sterilitätsgrad zu erreichen.
Die DE-A-36 18 186 betrifft eine zur Wassereinsparung konzipierte Dekontaminationsanlage, die das gleiche Wasservolumen zirkulieren lassen soll, während Verunreinigungen thermisch zerstört werden und durch eine Sackgassen-Filtration entfernt werden. Das von der Erfindung dieses Dokuments gelöste Problem ist die Dekontamination von Personen oder Gegenständen unter Verwendung eines Minimums an Wasser und Energie.
Die US-A-4 664 793 beschreibt eine Reinwasser-Produktionsvorrichtung. Wasser aus einem Speichertank wird vor einer Filtration in einem Wärmeaustauscher sterilisiert, wobei das Filtrat an den Benutzer abgegeben wird oder in den Tank zurückgeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Allgemeine Beschreibung
Ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Reinwasser ist nun erfunden worden, das keine periodischen Sterilisationszyklen aufweist, da der kontinuierliche Prozeß eine integrierte Stufe zur Wärmesterilisation von flüssigem Wasser vor dem Filtrationsschritt aufweist und außerdem die Filtration selbst unter Wärmesterilisationsbedingungen durchgeführt wird. Vorzugsweise kann das hergestellte Reinwasser von WFI-Qualität sein.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Herstellung von gereinigtem Wasser bereitzustellen, wobei die Vorrichtung als ihre wesentlichen Komponenten einen kontinuierlich arbeitenden Wärmesterilisationsabschnitt und einen Filtrationsabschnitt aufweist, wobei das Filtrationsvermögen erforderlichenfalls ausreichend ist, um pyrogenfreies Wasser herzustellen.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die Merkmale der Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung dargelegt, die die Anordnung einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Speisewasser tritt durch ein Rohr 1 ein und durchläuft einen Wärmeaustauscher 2, wo es mit der Wärme eines Rücklaufstroms 3 vorgewärmt wird. Dann wird mit einer Pumpe 4 der Druck erhöht, vorzugsweise auf etwa 15 bar. Ein zweites Vorwärmen findet in einem Austauscher 5 statt, an dessen anderer Seite das Produkt, z. B. Injektionswasser, fließt. Der letzte Temperaturanstieg auf die Sterilisationstemperatur findet in einem Austauscher 6 statt, der zum Beispiel ein dampferhitzter Wärmeaustauscher, wie in der Figur gezeigt, oder ein elektrischer Heizer sein kann. Mittels einer Filtrationskreislauf-Umwälzpumpe 8 wird das Wasser durch eine Querstrom- bzw. Durchfluß-Filtereinheit 9 geführt, wobei ein Teil des Wassers, das Permeat, die Poren durchdringt und gereinigt wird, während der übrige Teil, das Retentat, in den Filtrationskreislauf zurückgeführt wird. Dieser Typ von Filtereinheit wird weit verbreitet für anspruchsvolle Trennungen verwendet, wie zum Beispiel in Cheryan M., "Ultrafiltration and Microfiltration Handbook Technomic Publishing Co., Inc,. Lancaster, PA., 6–7, offenbart ist.
Das Material des Filtrationselements sollte ausreichend inert und thermostabil sein; vorzugsweise ist das oder sind die Filtrationselemente aus einem keramischen Material, zum Beispiel des Typs, der in der oben zitierten internationalen Patentanmeldung WO98/28060 offenbart ist und ein großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis und eine funktionelle Filtermembran auf einem monolithischen keramischen Träger hat. Keramische Materi alien weisen zum Beispiel Materialien auf der Basis von Oxiden, Carbiden oder Nitriden von Aluminium, Titan und Zirkon auf. Andere mögliche Filtermaterialien weisen Metalle auf, zum Beispiel säurebeständigen Sinterstahl. Spezialpolymere, einschließlich PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (fluoriertes Ethylenpropylen), PEEK (Polyetherketon), PES (Polyethersulfon) mit der erforderlichen Wärmebeständigkeit und chemischen Beständigkeit können verwendet werden.
Das Trennvermögen des Filtrationselements soll den Reinheitsanforderungen des Wasserprodukts entsprechen und, wenn nötig, soll es für die Abtrennung von Pyrogenen ausreichend sein. Zum Abtrennen von Endotoxinen oder Pyrogenen wird typisch eine Porengröße im Bereich von 1 nm bis 20 nm verwendet; für Viren ist eine entsprechende typische Porengröße im Bereich von 4 nm bis 100 nm; und für Bakterien ist ein typischer Porengrößenbereich von 100 nm bis 30 μm.
Vorzugsweise werden mehrere Filtrationseinheiten (zwei in der Figur gezeigt) parallel gekoppelt, wodurch eine Rückspülung und eine Wartung während des Betriebs durchgeführt werden können, wie nachstehend offenbart ist.
Der Rücklaufstrom 10 aus dem Filtrationskreislauf wird mit Hilfe eines Steuerventils 11 auf den Filtrationskreislauf und den Ausschußstrom 3 aufgeteilt. Es ist für den erfindungsgemäßen Prozeß charakteristisch, daß der Filtrationskreislauf 5, 6, 8, 9, 10 zusammen mit der Filtereinheit eine Hochtemperaturzone bildet, die während der Reinwasser-Produktion kontinuierlich steril bleibt.
Das Reinwasser, dessen Druck entsprechend dem Druckabfall der Filtrationseinheit gefallen ist, wird durch ein Rohr 12 zu dem Wärmeaustauscher 5 geleitet, wo die Temperatur des Wassers normalerweise bis unter die Siedetemperatur gesenkt wird, da die Wärme auf den Anfang des Filtrationskreislaufs übertragen wird. Vorzugsweise ist der Wärmeaustauscher 5 ein Schale-und-Rohr-Austauscher, in welchem die Enden der Rohre zu doppelten Endmantelplatten zusammengefügt sind, um die Kontamination des gereinigten Produktwassers durch Wasser aus dem Filtrationskreislauf zu verhindern, sollte ein Leck an der Verbindungs stelle zwischen Rohr und Endplatte auftreten; statt dessen würde Wasser des Filtrationskreislaufs nach außen lecken.
Durch das Steuerventil 13 wird das gereinigte Wasser zu seinem Verbrauchspunkt im Rohr 16 gebracht. Ausschußwasser kann während der Startphase der Anlage durch den Zweig 17 abgeleitet werden.
Vorzugsweise sind die Filtrationseinheiten mit Einrichtungen zur Druckmessung sowohl an der Speiseseite als auch an der Produktseite und mit Einrichtungen zum Vergleichen dieser Messungen versehen. Wenn während des Betriebs der Druckabfall über eine Filtrationseinheit einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, da sich Ablagerungen aufbauen, kann eine Rückspülung mit Reinwasser mittels paralleler Filtrationseinheiten durchgeführt werden, wobei eines oder beide Produktventile 14, 15 geschlossen sind und das Ventil 7 geöffnet ist.
Das Material der Vorrichtung soll die technischen und Durchführungsanforderungen erfüllen, im allgemeinen sind säurebeständiger Stahl und PTFE die Materialien der Wahl, zusätzlich zu dem Material der Filtereinheiten. Die Temperatur des in dem Filtrationskreislauf zirkulierenden Wassers ist ständig oberhalb des Atmosphärendruck-Siedepunkts, und da der Kreislaufdruck in der Größenordnung von 15 bar, wie oben angegeben, oder sogar höher sein kann, muß die Vorrichtung konzipiert sein, um bei der betreffenden Temperatur unter erhöhtem Druck betrieben zu werden; folglich müssen die Pumpen, Rohre und Ventile entsprechend gewählt werden und müssen die Behälter gemäß den betreffenden Regeln und Vorschriften für Druckbehälter konzipiert sein.
Da eine Zone mit dauerhaft hoher Temperatur in einem kontinuierlichen Prozeß enthalten ist, sind die einzelnen Sterilisationsstufen, die in Herstellungsvorrichtungen für gereinigtes Wasser normalerweise in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden, weggelassen worden. Die minimale Wasserverweilzeit in der Sterilisationszone ist an die verwendete Temperatur angepaßt, um eine kontinuierliche Sterilität an der Druckseite der Filtrationselemente bereitzustellen. Die Temperatur des Sterilisationsabschnitts ist oberhalb von 100°C; vorzugsweise ist sie oberhalb von 140°C; und am stärksten bevorzugt ist sie in dem Bereich von 140–150°C. Weil an keiner Stelle Wasser verdampft wird und ein wesentlicher Teil der Energie in den aus dem Prozeß austretenden Strömen auf den Speisestrom übertragen wird, ist die Energieeinsparung bzw. -effizienz gut. Die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Energiemenge wäre ungefähr drei Mal so viel wie diejenige, die für das Heizen des Wassers auf 140–150°C unter Druck erforderlich ist.
Die offenbarte Vorrichtung ist für die Herstellung von gereinigtem Wasser konzipiert, es ist aber für Fachleute offensichtlich, daß andere wäßrige Flüssigkeiten unter Berücksichtigung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften sterilisiert und gereinigt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Reinwasser mittels Wärmesterilisation und Filtration, wobei das Wasser, ohne zu verdampfen, auf eine Temperatur oberhalb von 100°C erwärmt wird, um einen vorgegebenen Sterilisationsgrad in dem Wasser zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser kontinuierlich in einer Hochtemperaturzone zirkuliert wird, die einen Heizer und eine sich daran anschließende Durchfluß-Filtereinheit aufweist, wobei die Filtration im wesentlichen bei der Temperatur des Sterilisationsschritts durchgeführt wird, wobei das die Filtereinheit durchdringende Wasser gereinigt wird und der restliche Teil zurückgeführt wird, wobei ein Teil des restlichen Teils als ein Ausschußstrom abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Sterilisationsschritts oberhalb von 140°C, vorzugsweise im Bereich von 140–150°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Reinwasser die Qualität von Wasser für Injektionslösungen hat.
Vorrichtung zur Herstellung von Reinwasser, mit einer Einrichtung zur Wärmesterilisation und einer Einrichtung zur Filtration sowie einer Speisewasserleitung (1) und einer Leitung für gereinigtes Wasser (16), gekennzeichnet durch einen Filtrationskreislauf, der aufweist: – einen Heizer (6), – eine Pumpe (8), – mindestens eine Durchfluß-Filtrationseinheit (9), und – eine Rücklaufleitung (10), die eine dauerhaft oberhalb von 100°C haltbare Hochtemperaturzone bilden, und – ein Steuerventil (11) zum Ableiten eines Ausschußstroms (3) aus dem Filtrationskreislauf.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Filtrationseinheiten und eine Einrichtung (7, 14, 15) aufweist, um Reinwasser zu der Reinseite einer jeden Filtrationseinheiten zu leiten, um diese Filtrationseinheit in einer zum Filtrationsstrom entgegengesetzten Richtung zu spülen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (2, 5) aufweist, um Wärme von den aus der Vorrichtung austretenden Wasserströmen auf das Speisewasser zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Wärmeübertragung mindestens einen Rohr-und-Schale-Wärmeaustauscher mit doppelten Endmantelwänden aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Messen der Druckdifferenz zwischen den Speise- und Produktseite der Filtrationseinheiten.