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Les entreprises pharmaceutiques (ainsi que les fabricants de semi-conducteurs et les centrales électriques génératrices de vapeur haute pression) ont besoin d’une eau d’appoint de haute pureté pour leurs procédés. Les concentrations d’impuretés doivent être de l’ordre de très faibles parties par milliard (ppb) ou même inférieures. Une production fiable et efficace d’eau de haute pureté fait partie intégrante de ces efforts.
Au siècle dernier, le développement des résines échangeuses d’ions synthétiques a été un tremplin majeur pour la production d’eau de haute pureté. Les résines pour éliminer les cations dissous tels que le calcium, le magnésium, le sodium, etc., et les anions, le chlorure, le sulfate et même la silice faiblement ionisée sont devenues une bête de somme pour les systèmes de traitement. Cependant, il est devenu évident que, lorsqu’elles sont utilisées comme technique de purification primaire pour l’eau d’appoint, les résines échangeuses d’ions peuvent être rapidement épuisées en raison de la concentration substantielle d’ions dans l’alimentation d’appoint, même à partir de sources d’eau douce. Ces systèmes nécessitaient souvent des régénérations quotidiennes des résines d’échange avec un acide fort pour les résines cationiques et de la caustique pour les résines anioniques.
Le développement des technologies de membranes a considérablement modifié ce processus. Une configuration de base commune pour la préparation d’eau d’appoint de haute pureté dans l’industrie moderne est décrite ci-dessous.
Les membranes modernes d’osmose inverse (OI) peuvent éliminer plus de 99 % des solides dissous, ce qui nécessite le polissage de l’eau filtrée de l’OI par échange d’ions ou électrodenisation (EDI), ou parfois les deux en série, pour produire un maquillage de haute pureté.
Le prétraitement est un aspect essentiel du fonctionnement fiable des unités d’osmose inverse, en particulier pour réduire au minimum l’entraînement des particules fines vers les membranes d’osmose inverse. De nombreux systèmes de traitement de l’eau du XXe siècle ont été conçus avec des clarificateurs, suivis de filtres multimédias, pour éliminer la plupart des solides en suspension du flux d’appoint de l’usine. Comme d’autres technologies, la clarification a été grandement améliorée au fil du temps, et les clarificateurs modernes peuvent maintenant fonctionner à des taux d’augmentation 10 à 20 fois plus élevés que les grands clarificateurs circulaires conventionnels du passé. Cependant, des particules fines peuvent encore s’échapper avec l’effluent du clarificateur ou du filtre et des membranes d’osmose inverse encrassées, en particulier les éléments principaux. La microfiltration (MF) ou l’ultrafiltration (UF) est souvent recommandée pour les nouveaux systèmes d’eau d’appoint afin de fournir une alimentation en osmose inverse à faible teneur en solides en suspension. La microfiltration ou l’ultrafiltration peuvent être placées en aval d’un clarificateur ou peuvent parfois servir de dispositifs de filtration autonomes.
Contrairement aux éléments OI, qui utilisent des membranes en spirale (comme illustré dans la partie 2 de cette série), les membranes de microfiltre et d’ultrafiltre ont généralement la configuration de fibres creuses, dans laquelle les membranes ressemblent à de longs brins ou fibres de spaghetti, généralement appelés lumens. Les systèmes de type à pression sont courants.
Dans ce type d’unité MF, les fibres sont logées dans des récipients sous pression connectés en parallèle.
L’unité illustrée à la figure 2 a été choisie comme remplacement d’un clarificateur vieillissant, dont la fonction principale était d’éliminer les solides en suspension d’une alimentation en eau du lac. Les résultats de la transition ont été immédiats et, dans certains cas, facilement observables. Par exemple, la turbidité du flux d’entrée vers l’unité OI a chuté d’une plage typique de 0,5 à 1,0 NTU (unités de turbidité néphélométrique) à moins de 0,05 NTU. Le temps entre les remplacements des filtres à cartouche d’osmose inverse est passé de semaines à des mois. De plus, la microfiltration ou l’ultrafiltration en amont améliore les performances de l’osmose inverse, réduit généralement la fréquence des nettoyages de membrane et prolonge la durée de vie de la membrane.
L’ultrafiltration est très courante aujourd’hui, offrant une filtration encore plus fine que la microfiltration. Le tableau 1 présente les tailles générales des pores pour les quatre principales technologies à membrane.
Tableau 1 – Tailles générales des pores de la membrane
| Règle de la taille des pores de la membrane |
| Microfiltration – 0,1 μm |
| Ultrafiltration – 0,01 μm |
| Nanofiltration – 0,001 μm |
| Osmose inverse – 0,0001 μm |
Un point important à retenir est que la microfiltration et l’ultrafiltration sont conçues uniquement pour l’élimination des particules, tandis que la nanofiltration et l’osmose inverse éliminent les ions dissous. Les fonctions ne peuvent pas être interchangées.
Principes fondamentaux du traitement de l’eau pharmaceutique
Les usines pharmaceutiques contiennent généralement de nombreux réacteurs discontinus, colonnes de distillation, cristalliseurs et échangeurs de chaleur supplémentaires, qui nécessitent à la fois des systèmes d’eau de refroidissement ouverts et fermés, ce qui rend la chimie des tours de refroidissement bien entretenue essentielle à la fiabilité et à l’efficacité de l’usine.
Le diagramme ci-dessous illustre les questions problématiques qui peuvent affecter les systèmes de refroidissement et comment chaque problème peut influencer les autres.
Regardez le webinaire complet en ligne.
Un autre aspect fondamental de ces systèmes est la décharge de la tour de refroidissement. Pendant près de quatre décennies, le programme de contrôle de la corrosion / du tartre le plus courant pour les tours de refroidissement industrielles reposait sur une chimie de base de composés de phosphate inorganiques et organiques. Cette chimie établit des conditions légèrement alcalines dans l’eau de refroidissement pour réduire le potentiel de corrosion générale, et elle repose sur un dépôt contrôlé de composés de phosphate, y compris le calcium et le phosphate de fer, pour un contrôle de la corrosion supplémentaire. Une petite concentration de zinc est souvent incluse pour un contrôle de la corrosion supplémentaire, avec la partie de phosphate organique (aka, phosphonate) et un polymère supplémentaire fournissant une inhibition du tartre.
Cependant, on s’inquiète de plus en plus de l’impact du phosphore sur l’environnement, en particulier du problème croissant des proliférations d’algues toxiques dans les plans d’eau naturels. Dans de nombreux endroits, les décharges industriels contenant du phosphore sont réglementés.
Pour atténuer ce problème, ChemTreat a développé notre technologie exclusive FlexPro® durable et non salissante. La majorité des produits FlexPro ne contiennent pas de phosphate. Cette formulation sans phosphore interagit directement avec les surfaces métalliques pour former une couche protectrice qui, contrairement aux programmes phosphate / phosphonate, ne repose pas sur le dépôt de produits de réaction pour former cette barrière.
L’application à grande échelle de la chimie s’est avérée très efficace. Dans une usine chimique, l’échangeur de chaleur à deux passes souffrait de corrosion du côté d’entrée à basse température et de dépôts de phosphate de calcium du côté de sortie à haute température en raison de la solubilité inverse des phosphates à des températures plus élevées. FlexPro a aidé le client à résoudre les deux problèmes.
Avant le traitement FlexPro
Après le traitement FlexPro
Pour les usines pharmaceutiques qui produisent une variété de produits et peuvent avoir de nombreux systèmes de refroidissement de différentes tailles et des métallurgies complexes, FlexPro peut être une excellente option de traitement. Plus facile à contrôler que les chimies traditionnelles de phosphate / phosphonate, cette technologie innovante aide les installations à réduire les décharges de phosphate pour atteindre leurs objectifs environnementaux tout en maintenant des performances de corrosion supérieures sans problèmes d’encrassement.
La vapeur est largement utilisée dans l’industrie pharmaceutique pour de nombreux processus de transfert de chaleur et de stérilisation. Un contrôle rigoureux de la chimie de la production de vapeur est également nécessaire pour éviter la corrosion et l’encrassement des équipements qui pourraient autrement provoquer des pannes et des arrêts du processus.
Le traitement du système de condensat/eau d’alimentation de la chaudière est un aspect essentiel de la protection des équipements de production de vapeur. En général, la plupart des canalisations de ces réseaux sont en acier au carbone. Les programmes de traitement sont normalement conçus pour minimiser les deux principaux mécanismes de corrosion : la corrosion générale et l’attaque d’oxygène. La corrosion générale de l’acier au carbone est souvent traitée en maintenant le pH dans une plage légèrement alcaline de près de 9 à 10.
Figure 1. Influence de la température et du pH sur la dissolution du fer de l’acier au carbone. Source : Sturla, P., Proc., Cinquième Conférence nationale sur l’eau d’alimentation, 1973, Prague, Tchécoslovaquie.
Dans l’industrie électrique, le conditionneur de pH commun est l’ammoniac, qui augmente le pH de l’eau d’alimentation via la réaction suivante :
Cependant, l’ammoniac n’est généralement pas préféré pour les systèmes où la vapeur peut toucher des produits alimentaires ou pharmaceutiques. Les solutions de rechange les plus courantes sont les amines neutralisantes, qui sont des composés organiques à chaîne courte avec un groupe amine attaché ou incorporé.
Même dans ce cas, seuls certains de ces composés répondent aux exigences réglementaires, et ils sont souvent soumis à des limites de concentration.
Par conséquent, les produits de traitement et les points d’injection doivent être choisis avec soin, et les concentrations résiduelles doivent être surveillées. L’équipe expérimentée de ChemTreat peut travailler avec vous pour développer le meilleur programme de conditionnement du pH pour votre installation. Nous pouvons adapter un traitement amine mélangé aux besoins spécifiques de votre système.
La plupart des systèmes de générateurs de vapeur industriels comprennent un désaérateur mécanique (DA).
Figure 2. Une disposition courante de production de vapeur industrielle. Notez l’alimentation en eau d’appoint et le retour des condensats vers le dégazeur.
Cependant, la limite inférieure d’oxygène dissous (D.O.) garantie par les fabricants de l’AD est généralement de 7 parties par milliard (ppb) dans le réservoir de stockage de l’AD. Pour réduire davantage les concentrations d’oxygène dissous dans l’eau d’alimentation de la chaudière, de nombreuses installations ajoutent un agent réducteur supplémentaire, c’est-à-dire un piège à oxygène.
Les piégeurs d’oxygène communs aux applications de l’industrie lourde, tels que le carbohydrazide, l’hydroquinone, etc., ne conviennent souvent pas aux installations pharmaceutiques équipées de chaudières à basse pression. Le sulfite de sodium non volatil (Na2SO3) est une alternative.
Ce produit ne passe généralement pas dans la vapeur, à moins qu’un mauvais fonctionnement de la chaudière ou un dysfonctionnement des dispositifs de séparation de la vapeur du tambour ne permette une incursion mécanique de l’humidité dans la vapeur. Un autre composé populaire pour l’élimination de l’O.D. dans des applications spéciales est l’acide érythorbique.
Comme le sulfite de sodium, c’est un agent réducteur non volatil.
Contactez-nous pour obtenir de l’aide dans la conception d’un programme de traitement adapté à vos besoins spécifiques. Comme toutes les autres technologies, une diligence raisonnable est nécessaire pour déterminer la faisabilité de l’utilisation des méthodes. Consultez toujours les manuels et guides de votre équipement et demandez conseil à ChemTreat pour répondre aux besoins spécifiques de votre système.
