Prévenir l’entartrage des osmoses pharmaceutiques

Quelle stratégie de prévention du tartre convient à votre système de production d’eau purifiée pharmaceutique? La technologie d’osmose inversé (« RO ») est désormais omniprésente dans la purification de l’eau. Alors que les conceptions de systèmes plus anciennes reposaient parfois sur la distillation comme stratégie de purification principale, l’osmose inversée est devenue le bourreau de travail standard. De nos jours, la plupart des pharmacopées l’acceptent même pour la production d’eau pour injection (WFI).

L’osmose inversée est une technologie fantastique lorsqu’elle est correctement appliquée. Elle est assez sensible, cependant, et il est important de s’assurer que l’eau que vos membranes d’RO sont en train de purifier ne les endommagera pas et ne les encrassera pas. Les membranes RO sont assez facilement obstruées par le tartre, qui est causé par une dureté dépassant ses limites de saturation plutôt basses du côté « sale » de la membrane. C’est pourquoi le pré-traitement à l’osmose comprend généralement une étape visant soit à éliminer la dureté soit à augmenter sa limite de saturation.

Après avoir lu cet article, vous devriez avoir une compréhension relativement claire de la technologie qui conviendra le mieux à votre situation. Nous comparerons trois technologies : les adoucisseurs, le dosage de produits chimiques nommés « anti-tartres » et l’enlèvement du tartre par électrolyse (ETÉ).

Facteurs Considérés

Pour chaque technologie, nous avons évalué le coût en capital, les dépenses d’exploitation directes, la fiabilité, les impacts négatifs en aval, les exigences de maintenance et d’exploitation et l’empreinte. Selon vos priorités, chacun de ces facteurs sera plus ou moins important pour vous. Pour cette raison, nous vous recommandons fortement d’effectuer une analyse approfondie de vos besoins avant de sélectionner une technologie de traitement.

Nous fournissons les résultats de notre comparaison dans le tableau récapitulatif ci-dessous et expliquons notre raisonnement autour de tous les critères à l’exception de l’empreinte dans les sections suivantes.

Sommaire

AdoucisseursAnti-tartreETE
Coût en capital (CapEx)$$$$
Coût d’opération annuel (OpEx)$$$$$$$$
Fiabilité***********
Impacts négatifs en aval
Exigences d’entretien et d’exploitationxxxxxx
Empreinte à 5 US GPM6’x2’3’x3’5’x5’2
Empreinte à 80 US GPM8’x12’3’x3’6’x11.5’
Comparaison à haut niveau des adoucisseurs, anti-tartres et ETÉ

1 Nous avons supposé que l’utilisation d’anti-tartre entraînerait un remplacement plus fréquent de la membrane. Pour les estimations d’OpEx excluant les coûts de remplacement de la membrane, reportez-vous à la section Dépenses d’exploitation détaillées.

2 L’empreinte pour ETÉ est notre meilleure estimation prudente basée sur les fiches techniques disponibles, qui sont pour des systèmes d’eau purifiée et WFI complets. L’empreinte réelle peut-être plus petite.

Fiabilité

Les trois options présentées ici sont relativement fiables. Lors de l’évaluation de la fiabilité, nous avons tenu compte à la fois de la fiabilité de l’équipement lui-même et de sa sensibilité au changement de la qualité de l’eau d’alimentation.

Fiabilité des adoucisseurs ****

Les adoucisseurs sont une technologie centenaire et bien éprouvée. S’ils sont correctement entretenus, ils fonctionnent généralement très bien et se décomposent rarement. De plus, ils peuvent être ajustés pour traiter de manière fiable la pire qualité de l’eau d’alimentation prévue sans provoquer d’effets négatifs en aval.

Cependant, ils sont sujets à des pannes mécaniques, en particulier lorsque l’entretien n’est pas effectué fréquemment ou avec suffisamment de diligence. Par exemple, le système de saumure doit être nettoyé régulièrement pour éviter les obstructions et autres dysfonctionnements qui feraient en sorte que l’adoucisseur laisse passer de l’eau dure au RO.

Ils comprennent souvent des vannes multiports complexes ou des nids de vannes qui ont un grand nombre de joints et de pièces mobiles qui peuvent tomber en panne. Même avec ces points de défaillance possibles, une maintenance diligente, qui est très courante dans l’industrie pharmaceutique, permet généralement aux adoucisseurs de fonctionner de manière très fiable.

Ajoutant au facteur de fiabilité des adoucissants est le fait qu’ils éliminent efficacement d’autres cations tels que le fer qui peuvent encrasser les membranes à osmose inversé.

Fiabilité de l’anti-tartre ***

La chimie anti-tartre fonctionne très bien dans les paramètres de qualité de l’eau spécifiés. Cela dit, les systèmes de dosage d’anti-tartre reposent sur une qualité d’eau d’alimentation relativement stable, en particulier le pH et la dureté. Contrairement aux adoucisseurs, un dosage incorrect dû à une qualité d’eau d’alimentation variable peut entraîner un encrassement prématuré des membranes d’osmose inversé. Comme tout système de dosage de produits chimiques, un entretien régulier de la (des) pompes(s) de dosage, des tubes et des vannes est nécessaire pour éviter les obstructions et autres dysfonctionnements.

Fiabilité de l’ETÉ ****

La réduction du tartre par électrolyse est de loin l’option avec le moins de pièces mobiles. Pour cette raison, on peut raisonnablement s’attendre à ce qu’un système ETÉ qui a été correctement dimensionné pour la qualité et le débit de l’eau d’alimentation fonctionnera bien tant que la maintenance recommandée est effectuée.

Malheureusement, notre équipe n’a pas d’expérience directe ni de données client sur la fiabilité de la technologie ETÉ. Nous avons utilisé des témoignages de clients filmés, des commentaires de clients utilisant ETÉ dans des applications de tour de refroidissement et une analyse technique de la technologie comme base pour déterminer la fiabilité attendue.

D’après ces recherches, nous nous attendons à ce que l’ETÉ soit très fiable lorsqu’elle est utilisée dans des paramètres de conception relativement étroits. Si la qualité de l’eau y compris le pH et la dureté, a tendance à varier considérablement dans l’eau d’alimentation, nous nous attendons à ce qu’un encrassement prématuré de la membrane RO puisse en résulter. Cela dit, ETÉ dimensionné pour le pire des cas serait probablement la solution la plus fiable pour la réduction du tartre pré-RO disponible aujourd’hui.

Impacts négatifs en aval

Bien que les technologies de pré-traitement existent évidemment pour protéger les équipements de purification en aval, les trois technologies modifient considérablement la chimie de l’eau. Il est donc important d’être conscient des effets négatifs qu’elles peuvent avoir sur le système d’osmose inversée et la qualité de l’eau qu’il produira.

Impacts négatifs en aval des adoucisseurs

Les adoucisseurs remplacent la plupart des cations bivalents et trivalents dans l’eau d’alimentation par des ions de sodium monovalents. Cependant, les membranes d’osmose inversé ont beaucoup plus de facilité à rejeter les ions bivalents et trivalents qu’à rejeter le sodium. Cela signifie que l’on peut s’attendre à ce que l’utilisation d’adoucisseurs augmente la conductivité du perméat d’osmose inversé proportionnellement à la charge en cations bi- et trivalents de l’eau d’alimentation. La quantité de sodium ajoutée à l’eau d’alimentation n’est généralement pas suffisante pour causer un réel problème. Cependant, lors de la purification de l’eau fortement chargée (conductivité élevée), il peut être intéressant d’explorer d’autres options si la conductivité à la sortie du RO est un facteur de conception limitant.

Impacts négatifs en aval de l’anti-tartre

Bien que le dosage d’anti-tartre soit l’une des approches les plus populaires de la prévention du tartre dans le fonctionnement d’un système RO à grande échelle (>30 US GPM), c’est aussi la méthode que nous avons vu le plus souvent réduire la durée de vie de la membrane.

Une revue de la littérature scientifique révèle que le dosage de l’anti-tartre doit être très précis pour être bénéfique. Un sous-dosage d’anti-tartre peut conduire à un encrassement des membranes avec du tartre tandis qu’un surdosage peut conduire à un dépôt de l’anti-tartre lui-même sur la membrane. Il a également été observé que l’utilisation d’anti-tartres à base de polymères augmente significativement l’encrassement biologique.

En bref, si les anti-tartres sont la solution la moins coûteuse, ils sont généralement ceux qui cause le plus de problèmes et de coûts en aval.

Impacts négatifs en aval de l’ETÉ

Outre l’impact négatif évident d’un système ETÉ défectueux ou mal dimensionné, nous n’avons pas pu identifier d’autres effets négatifs suspects. Il nous semble important de noter que, contrairement aux autres technologies, l’ETÉ enlève la dureté du flux d’eau, ce qui facilite le travail de l’osmose au-delà de la simple prévention de l’entartrage.

Un petit détail que nous avons noté est que le fabricant d’ETÉ BioPureMax indique qu’une partie du chlore libre est généré en très petites quantités par les systèmes ETÉ (source). Nous ne voyons pas cela comme une préoccupation importante, car nous nous attendrions à ce que l’étape ETÉ soit suivit d’une sorte d’étape de déchloration sur tous les systèmes où elle est installée.

En outre, les fabricants de technologies ETÉ affirment que la technologie supprime la dureté pour empêcher efficacement l’entartrage sur les membranes. Nous serions prudents par rapport à l’utilisation de l’ETÉ lors de la pour des systèmes d’osmose à récupération élevée (plus de 75%).

Exigences d’exploitation et d’entretien

Dans cette section, nous examinons le degré d’intervention de l’opérateur nécessaire pour exploiter et maintenir adéquatement chacune des trois options de prévention du tartre. Nous couvrons ces exigences séparément des dépenses d’exploitation liées à chaque option car certains clients trouvent que certaines exigences sont particulièrement onéreuses, quelles que soient leurs implications en termes de coûts.

Exigences d’exploitation et d’entretien pour les adoucisseurs xxx

L’exigence opérationnelle la plus évidente pour les systèmes d’adoucissement est celle du chargement du sel dans le réservoir de saumure de l’adoucisseur. Dans la plupart des systèmes de purification d’eau pharmaceutiques, il s’agit d’une opération manuelle plutôt que d’un processus assisté par machine ou automatisé, comme dans les usines dotées de grands systèmes de saumure centraux.

Au-delà de l’obligation de remplir le réservoir de saumure, généralement une fois par semaine, les adoucisseurs doivent être surveillés pour détecter les fuites de dureté. Cette tâche peut être automatisée avec un analyseur de dureté en ligne.

D’autres tâches de maintenance telles que le nettoyage du réservoir de saumure et de la vanne de saumure, la vérification du fonctionnement des cycles de régénération et le test de la capacité de résine ne doivent être effectuées qu’une ou deux fois par an.

Dans l’ensemble, les adoucisseurs nécessitent le plus d’intervention de l’opérateur et certainement le plus de manipulation de charges lourdes des trois options de prévention de tarte. Cela étant dit, ces exigences sont acceptables pour la plupart des producteurs pharmaceutiques.

Exigences d’exploitation et d’entretien pour les systèmes anti-tartres xx

Les systèmes de dosage d’anti-tartre nécessitent une surveillance régulière se la dureté d’entrée et des ajustements au niveau de la pompe doseuse lorsque les niveaux de dureté fluctuent. Sinon, ces systèmes nécessitent une maintenance relativement faible, nécessitant une inspection visuelle rapide pour s’assurer qu’il n’y a pas de bouchons ou de fuites et que l’anti-tartre coule comme prévu.

Certains opérateurs préfèrent traiter le moins possible de produits chimiques dangereux. Dans ces cas, l’anti-tartre peut être une option à éviter, malgré la fréquence d’intervention limitée nécessaire pour remplacer périodiquement les chaudières ou les barils. Les produits chimiques sont également relativement faciles à manipuler.

Exigences d’exploitation et d’entretien pour l’ETÉ x

Les systèmes ETÉ fonctionnant selon leurs paramètres de conception spécifiés nécessitent très peu de maintenance. En règle générale, ils sont autonettoyants, inversant le courant et rinçant automatiquement le précipité accumulé une fois par jour. Ces systèmes peuvent nécessiter un simple nettoyage avec un nettoyeur haute pression environ une fois par an pour éviter une perte de performance. De plus, on peut surveiller leur efficacité et la nécessité d’un nettoyage en surveillant leur consommation électrique. Quand le tartre s’accumule, ils consomment plus d’énergie car la résistance entre l’anode et la cathode augmente.

Comparaison de prix

Tous les calculs d’OpEx sont basés sur un fonctionnement 24/7/365 et 10 grains par gallon de dureté.

L’OpEx des adoucisseurs basé sur deux visites d’entretien à 1 000$ chacune et un coût de 6$ par sac de 18.1 Kg (39.8 LB)de sel, dosage de 10 lb de sel par pied cube de résine et capacité de 25 000 grains par pied cube de résine.

L’OpEx de l’anti-tartre est basé sur un dosage de 4.5 mg / L d’Hypersperse MDC700 de SUEZ à un prix de 8.57$ / KG et 2 000$ de coût annuel de maintenance de la pompe en pièces et main d’œuvre.

L’OpEx des ETÉ est basé sur des coûts d’électricité de 0.09$ / kWh.

Conclusion

Choisir la meilleure solution pour prévenir l’entartrage pour votre système d’eau purifiée n’est pas une décision simple. Il n’y a tout simplement pas de « meilleure » technologie, bien qu’il y ait presque toujours un meilleur choix pour une application donnée lorsqu’une évaluation approfondie des besoins incluant les facteurs techniques, économiques, environnementaux et humains a été réalisée.

Quelles sont vos meilleures pratiques en matière de prévention du tartre pour les systèmes d’eau pharmaceutiques? Rejoignez la conversation en laissant un commentaire ci-dessous. Nous aimerions connaître votre opinion!

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