Herstellung von Pharmawasser - Was ist bei Verunreinigungen im Eingangswasser zu beachten?
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Die Herstellung von Wasser für pharmazeutische Zwecke erfolgt aus Trinkwasser. Dies ist in den meisten Ländern, wie auch Deutschland oder den USA gesetzlich vorgeschrieben. Die Spezifikationen für Trinkwasser (in Deutschland vorgegeben durch die Trinkwasserverordnung, in den USA durch die National Primary Drinking Water Regulation) sind allerdings, verglichen mit den Arzneibuchanforderungen für Wasser zum pharmazeutischen Einsatz, sehr weit gefasst. Auch ist die Qualität des Trinkwassers sehr unterschiedlich, da Trinkwasser aus den verschiedensten Quellen stammen kann, wie Grundwasser oder Oberflächenwasser von Seen beispielsweise. Aber auch Grundwasser unterscheidet sich lokal in seiner Qualität, je nachdem aus welcher Tiefe es stammt, aber auch die Jahreszeiten können eine Rolle spielen. Werden beispielsweise landwirtschaftliche Flächen in einigen Monaten gedüngt, kann sich dies bei der Trinkwasserqualität bemerkbar machen. Dies ist der Grund, warum Wasseraufbereitungsanlagen für die pharmazeutische Industrie keine vorgefertigte Ware sind, sondern immer eine individuelle Lösung, die in Zusammenarbeit von späterem Nutzer und dem Anlagenlieferanten erarbeitet werden muss. So wird der Anlagenlieferant zu Beginn eines Projekts stets nach der Qualität des Trinkwassers fragen, um die geeigneten Aufbereitungstechnologien anbieten zu können. Der Betreiber ist dann gut beraten, wenn diese Daten, möglichst über ein oder mehrere Jahre vorliegen hat.
Im speziellen werden vor allem folgende Parameter, bzw. Verunreinigungen im Eingangswasser eine Rolle spielen:
Partikel: Diese können aus ungelöstem organischem oder anorganischem Material bestehen. Neben der Anzahl ist bei Partikeln die Größe entscheidend. Mit dem bloßen Auge lassen sich Partikel größer 40 µm erkennen. Mit Partikelfiltern lassen sich Partikel größer 10 µm entfernen, so dass es sinnvoll ist, bei Partikeln über eine Größenordnung von größer 10 µm zu sprechen.
Ionen: Im Gegensatz zu Partikeln sind Ionen in Wasser gelöst. In Wassersystemen spielen Chlorid-, Magnesium-, Calcium-, Nitrat-, Hydrogencarbonat, Sulfat- sowie einige Schwermetallionen eine Rolle. In Abhängigkeit Ihres Löslichkeitsprodukts können Ionen auch als Niederschlag aus der wässrigen Phase ausfallen. Es gibt auch basische oder saure Salze, die den pH-Wert beeinflussen. Hier ist zu beachten, dass deren basische oder saure Wirkung auf Gleichgewichtsreaktionen beruht und ein Teil der Salze nichtgelöst vorliegt. Das kann eine Rolle spielen, wenn man beispielsweise den pH-Wert des Wassers auf 8-9 einstellen möchte, um Kohlendioxid zu entfernen. Eine Berechnung der hierfür benötigten Säuren bzw. Laugen ist nicht so einfach möglich, so dass man zur Mengenbestimmung auf die Titration des Wassers zurückgreifen muss.
Nichtreaktive gelöste Gase: Hier sind Sauerstoff und Stickstoff zu nennen, also Gase, die in Wasser nicht in Ionen dissozieren und kaum Einfluss auf die Wasseraufbereitung haben. Die Konzentration dieser Gase im Wasser fällt bei steigender Temperatur. Sauerstoff kann allerdings sauerstoffempfindliche Produkte negativ beeinflussen.
Reaktive gelöste Gase: Die wichtigsten Vertreter sind hier Kohlendioxid und Ammoniak. Beide wirken sich in Wasser gelöst auf den pH-Wert aus und beide passieren im nicht-dissozierten Zustand die Membranen von Umkehrosmoseanlagen. Dies kann zu Problemen im Prüfpunkt Leitfähigkeit im Wasserverteilsystem führen. Auch ist ein Einfluss von Kohlendioxid bei der Entstehung von Rouging in Diskussion.
Mikroorganismen: Mikroorganismen können im Trinkwasser unter Umständen zahlreich vertreten sein. Durch die Trinkwasserverordnung oder international vergleichbare Vorgabedokumente sind zwar Grenzen vorgegeben, doch werden Trinkwasserleitungen oftmals neben Heizungs-, oder Dampfrohren platziert und können dann bei geringer Abnahme oder an Wochenenden durch die "warme Lagerung" bei längeren Standzeiten nachträglich verkeimen. Neben Bakterien und Viren sind hier auch Algen zu nennen. Die Bestimmung der Keimbelastung im Trinkwasser wird stark durch die Kultivierungsmethode beeinflusst. Nur ein kleiner Teil der im Wasser auftretenden Keime lässt sich durch die verwendete Kultivierung auf Agarplatten auffinden. Dies mag zum einen an der Art des verwendeten Nährmediums liegen - nicht alle Keime wachsen auf allen Nährmedien, als auch am Vorkommen von lebensfähigen Keimen, die sich nicht auf Nährmedien zum auskeimen bewegen lassen. Mittels Ultrafiltrationsschritt in der Wasseraufbereitung lässt sich die Menge an Wasserkeimen sicher reduzieren.
Endotoxine: Gram-negative Bakterien besitzen eine innere und äußere Membran. Diese äußere Membran enthält unter anderem sehr stabile Lipopolysaccharide. Diese werden bei Zerstörung der Bakterienzelle bzw. -membran freigesetzt. Diese als Endotoxine bezeichneten Stoffe können bei parenteralem Körpereintritt Fieber erzeugen und schlimmstenfalls zum Tod führen. Gram-negative Bakterien sind in Trinkwasser zu finden, vor allem in Oberflächenwasser und durch Oberflächenwasser beeinflusstes Grundwasser.
Organisches Material: Als organische Verunreinigung sind neben Pestizid- oder Düngerrückständen die natürlich vorkommenden Huminsäuren zu nennen. Diese sind von daher wichtig, da sie die Lebensdauer von Aktivkohlefiltern negativ beeinflussen sowie Fouling an Membranen von Umkehrosmoseanlagen und an Ionenaustauscherharzen verursachen können. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, bereits in der Trinkwasserzufuhr eine TOC Messung vorzusehen, also einer online Messung des Gesamtkohlenstoffgehalts im Rohwasser.
Kolloide: Kolloide bewegen sich in einer Größenordnung zwischen Ionen und Partikeln und werden in Oberflächenwasser als in Grundwasser gefunden. Für Wasseraufbereitungsanlagen sind Kolloide auf Silikat, Eisen- oder Aluminiumbasis von Bedeutung, welche oft in organischem Material komplexiert sind. Kolloide können zum Verblocken von RO-Membranen führen und somit zu niedrigen Standzeiten. Daher wird bei hohem Kolloidindex in der Regel der RO immer ein Sand-/Kiesfilter vorgeschaltet.
Kolloide können auch Einfluss auf die WFI-Qualität haben. Kolloide im Speisewasser der WFI-Destillation können sich überhalb des Verdampfungsbereichs absetzen und zum Durchbruch vom Speiswasser ins Destillat führen. Abhilfe schafft die regelmäßige Wartung und Entfernung dieser Rückstände.
Zusammengestellt von: Dr Robert Eicher, CONCEPT HEIDELBERG