تکنولوژی برای صرفه جویی و استفاده از الگوهای موفق مصرف آب!

روش های تولید آب قابل تزریق

تاریخ انتشار : ۱۱:۰۳ ۱۵-۰۴-۱۳۹۷

این مقاله برای بار اول در روزنامه کیهان منتشر شد؛ سپس مرکز پژوهش های صدا و سیما آن را به عنوان الگوی موفق مصرف معرفی نمود ؛ نشریه دارو و درمان مقاله را به چاپ دوم رسانید و موضوع در یک کتاب در موضوع صرفه جویی مورد بحث قرار گرفت. پس از آن بارها با ذکر و یا بدون ذکر منبع مقاله تکثیر گردید. امروز با بروز نشانه های کم آبی در منطقه و بحران های آب اهمیت بحث های علمی در موضوع صرفه جویی و آب اهمیت بیشتر یافته است.

تبریز امروز:

 ده سال پیش در ، نشریه نشنال جئوگرافیک از پایین رفتن سفره های آب زیر زمینی در ایران گزارشی تهیه کرده بود؛ کار من هم به آب بسته بود! آن چه متوجه آن شدم کنار گزارده شدن علم و تکنولوژی از صنعت در موضوع آب بود!

 Image result for water crisis in iran

بیش از ده لیتر آب و نزدیک به 16 لیتر آب برای برای تولید یک لیتر سرم مصرف می گردید، سطح آب به سادگی پایین می رفت ؛ تنها مصرف آب صنعتی نبود که منجر به بحران می شد؛ بلکه آب بهداشتی نیز در حال زوال بود! مدیریت آب و بازی با آن برای حفظ آب مفهوم چندانی نداشت. روی موضوع کار بسیار شد و نتیجه  در دسترس بود که ...

این مطلب برای  بار اول در روزنامه کیهان منتشر شد؛ سپس مرکز پژوهش های صدا و سیما آن را به عنوان الگوی موفق مصرف معرفی نمود ؛ نشریه دارو و درمان مقاله را به چاپ دوم رسانید و موضوع در یک کتاب در موضوع صرفه جویی مورد بحث قرار گرفت. پس از آن بارها با ذکر و یا بدون ذکر منبع مقاله تکثیر گردید. امروز با بروز نشانه های کم آبی در منطقه و بحران های آب اهمیت بحث های علمی در موضوع صرفه جویی و آب اهمیت بیشتر یافته است.

***

Image result for water crisis in iran
اکنون آب به عنوان عنصری مشابه با نفت دیده می شود، تقاضا برای آن افزایش می یابد اما تامین و فراوری آن محدود است.
بحران آب در اقتصاد و محیط زیست و سلامتی انسان ها تاثیرگذار است. اکنون نیروگاه ها در جهان تحت تاثیر کمبود آب در حد پایین توان و ظرفیت خود کار می کنند، محصولات کشاورزی کاهش یافته اند، 1/1 بیلیون انسان به آب تمیز دسترسی ندارند و این رقم در سال 2020 به دو برابر خواهد رسید. 50 درصد منابع آب جهان که آب تمیز را تامین می کردند، آسیب دیده اند، 70 درصد آب برای کشاورزی استفاده می شود، اما 50 درصد این مقدار بر اثر تبخیر یا استفاده ناصحیح به هدر می رود. (29 آوریل 2008 Creen Tech) و بخش اعظم انرژی جهان برای پمپاژ آب به نقاط مصرف مورد استفاده قرار می گیرد.
¤¤¤
نشریه «نشنال جئوگرافی» در مورد کاهش شدید سطح آب دریاچه های ایران، دلایل آن و مشکلاتی که چنین امری می تواند برای ایران ایجاد کند، مقاله ای منتشر کرده که در آن آمده است: براساس پژوهش های انجام شده، افزایش نیاز و مهار ناشدنی ایران به آب، که بخش اعظم آن از آبخیزها و بسترهای زیرزمینی تامین می شود، باعث شده است که سطح آب در این بسترها سقوط کرده و تحت تاثیر آن، مناطق کشاورزی و حتی سطح برخی مناطق مسکونی نشست کند. برخی ارزیابی ها نشان می دهد که سطح آب در آبخیزها و بسترهای زیرزمینی در ایران طی 15 سال گذشته، به طور متوسط نیم متر در هر سال تنزل پیدا کرده است.
بخش اعظم خاک ایران تقریبا خشک است، فقط 10 درصد از اراضی در کشور باران کافی برای تامین آب مورد نیاز می بارد و سایر بخش های ایران به شدت به آب استخراج شده از زمین متکی اند که نیمی از آن از بسترهای زیرزمینی و آبخیزها تامین می شود. افزایش جمعیت همزمان با توسعه اقتصادی و رشد صنعت و کشاورزی باعث افزایش شدید نیاز به مصرف آب شده است.
اما آب در بسترهای زیرزمینی با سرعت بسیار کمتری جایگزین می شود و بنابراین سطح آب در این آبخیزها رو به کاهش گذاشته است.
بسیاری از این آبخیزها چند هزار سال طول می کشد تا مجددا پر شوند.
به نوشته نشنال جئوگرافی بین سال های 1971 تا 2001 سطح آب در بسترهای زیرزمینی حدود 15 متر کاهش یافته و بررسی ها به کمک تصاویر ماهواره ای نشان می دهد که در برخی مناطق ایران سطح زمین حدود نیم متر در سال نشست کرده است.
ایران تنها کشوری نیست که با این مشکل روبروست یک کارشناس ژئوفیزیک در دانشگاه برکلی می گوید تنها راه حل این مشکل، کشف ذخایر دیگر آب است یا کاهش مصرف کشاورزی، صنعتی و شخصی و اجرای این روش ها در ایران یا هر کشور دیگری که با این مشکل روبروست کار ساده ای نیست.
¤¤¤
شرکت های بزرگ و صاحب تکنولوژی اکنون در حال توسعه تکنولوژی های شیرین سازی آب و تصفیه فاضلاب برای مصارف مختلف صنعتی هستند و این امر موجب رشد تکنولوژی آب گردیده است.
نوآوری و تکنولوژی آب در بها و فرآورده ها و کاهش هزینه تمام شده آن موثر بوده و این نوآوری اکنون با سرعت در حال پیشرفت است.
¤¤¤
آب قابل تزریق
آب قابل تزریق یا آنچه که به نام WFI گفته می شود آبی است که برای تولید محصولات دارویی و انواع محصولات تزریقی که در آنها مقدار اندوتوکسین نیاز به کنترل دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. گاه این آب برای شستشوی تجهیزات یا مجموعه های در تماس با محصولات تزریقی بکار می رود. حداقل کیفیت منابع آب تغذیه کننده قابل تزریق، آب آشامیدنی بر مبنای تعاریف فارماکوپیای آمریکا، اروپا و ژاپن یا تعاریف لازم توسط WHO است.
آب تغدیه پروسه های لازم را طی می کند و بعد از آماده سازی در مرحله بعدی خود وارد سیستم تقطیر یا سیستم های دیگر تائید شده می گردد. آب خروجی باید تمام مشخصه های شیمیایی آب کاملا خالص بعلاوه مشخصه های اندوتوکسین باکتری را داشته باشد.
مونوگراف تولید آب قابل تزریق در فارماکوپیای آمریکا (USP) از چند دوره گذشته روش استحصال آنرا از طریق تقطیر یا روش های معادل و یا پروسه های برتر و ممتاز مورد تائید قرار می دهد.
روش های تولید آب قابل تزریق
استانداردهای بین المللی در زمینه تولید دارو علیرغم داشتن همسویی و شباهت های بسیار، همچنان دارای تفاوت های بسیاری هستند.
آب قابل تزریق مطابق با استاندارد USP می تواند از طریق انواع روش های آبسازی بدست آید.
فارماکوپیای ژاپن امکان تولید آب قابل تزریق را با تقطیر، اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون تائید می کند.
اما فارماکوپیای اروپایی تنها تقطیر را برای این محصول قبول دارد، بطور سنتی تقطیر در صنایع بیوفارما مورد استفاده قرار گرفته است و امروزه اغلب آب قابل تزریق دارویی به شیوه تقطیر به دست می آید. اما با این حال در برخی شرکت های تولیدکننده آب با خلوص بالا از روش های دی یونیزاسیون و اولترافیلتراسیون برای تولید آب قابل تزریق یا با کیفیت بالاتر از آن استفاده می کنند و از تقطیر برای تولید استفاده نمی شود و اغلب صنایع محدودیتی برای این کار ندارد.
تقطیر:

Image result for multi effects wfi water
بر مبنای خواسته های USP، آب قابل تزریق باید با روش تقطیر با یک روش خالص سازی که در حد تقطیر یا برتر از آن باشد استحصال گردد.
همچنین این آب باید آزمایشات مربوط به TOC و کانداکتیویته را طی نماید و سطح اندوتوکسین باکتریایی آن باید در سطح پایین تر از (m1) 0.25 واحد اندوتوکسین باشد.
سطح آلودگی میکروبی نباید بالاتر از cuf10 در هر 100 میلی متر باشد، روش تقطیر می تواند آب مقطر با سطح آلودگی پایین را به همراه حذف اندوتوکسین آن تامین نماید.
سیستم تقطیر با تراکم بخار شامل دو سری نرم کننده، مبدل حرارتی، فیلتر کربن اکتیو، پری فیلتر اولیه um5 (میکرون)، سیستم انتخابی اسمز معکوس با امکان بکارگیری آب گرم برای تمیزکاری و شستشو و یک سیستم نهایی تقطیر تراکمی بخار می باشد.
سیستم تقطیر تراکمی در صورت داشتن مشخصه های درخواستی توسط انواع فارماکوپیاهای مطرح اداری مزیت های زیر نیز می باشد.
- کارکرد معمولا مداوم و با ثبات
- بکارگیری انرژی موثرتر از روش تقطیر متناوب (ضربدری)
- عدم نیازمندی به طراحی پیچیده
- نگهداری و تعمیرات تقریبا کم
اگرچه سیستم های تقطیر ممکن است دارای ثبات باشند. اما این صحت و ثبات، محصول آنها را تضمین نمی نماید. و ممکن است در زمانهایی که در سیستم دارای کارکرد صحیح نباشد یا به صورت مکانیکی اشکال پیدا می کند، تولید آب پایروژن نماید و این در شرایطی است که آب تغذیه با اندوتوکسین بالا وارد سیستم می شود و بسته به روش تهیه آب تغذیه آزمایشات اندوتوکسین ممکن است جواب خطا را نشان دهد.
سیستم تقطیر بر مبنای تراکم بخار نیازمند انرژی زیاد و هزینه بالایی نسبت به سیکل عمر خود و در مقایسه با سیستم های ممبران می باشد.
این سیستم ها نیازمند آب خروجی از اسمز معکوس (RO) یا اسمز معکوس با همراه آب دیونیزه (RO/Deionization) برای تغذیه خود هستند و همچنین این مجموعه ها نیازمند نیروی انسانی زیادتر نسبت به سیستم تقطیر در دستگاه های تقطیر چند مرحله ای می باشند. دستگاه تقطیر چند مرحله ای (MED) معمولا شامل فیلترهای چند رسانه ای (Multi Media Filter) آب نرم کننده های دوگانه، تانک های ذخیره (Break tank) مبدل حرارتی، مخزن فیلتر کربن اکتیو (قابل تمیزکاری با آب داغ)، پری فیلترهای 5us، سیستم های تنظیم PH، دستگاه های اشعه UV 254 نانومتر، دستگاه اسمز معکوس قابل تمیزکاری با آب داغ (که سابق بر این اغلب از ستون کاتیون وآنیونی برای دی یونیزاسیون استفاده می شد) و الکترو دی یونیزاسیون پیوسته (CEDI) که در نهایت به دستگاه تقطیر چند مرحله ای (MED) منتهی گردد.
همراه با برآورد کردن الزامات مربوط به فارکوپیاهای مختلف، تقطیر چند مرحله دارای نقاط قوت دیگری نیز می باشد که عبارت از ثبات و پایداری در تولید و نداشتن قطعات متحرک می باشد. اما نقاط ضعف این سیستم ها عبارتند از: -نیازمندی به آب تغذیه با کیفیت بالا و کلراید در حد 0.5ppm، ضرورت کمتر بودن حدود سیلیکا در حد 1ppm و کانداکتیویته کمتر از 5 میکرو زیمنس در هر سانتی متر (5s/cm)
- مصرف انرژی بسیار زیاد نسبت به تقطیر با بخار تراکمی
- داشتن هزینه بسیار بالای سیکل کارکرد آن نسبت به سیستم های دارای ممبران
- آسیب پذیری در مقابل ورود اندوتوکسین ها که این اشکال در هر دو نوع تولید آب مقطر به روش تقطیر مستقیما مرتبط با آب تغذیه سیستم می باشند.
FDA در بازرسی آب تغذیه با خلوص بالا به این صورت تاکید دارد که بسیاری از دستگاههای تقطیر کاهش 25Log تا 3log مقدار از اندوتوکسین ها را می توانند انجام دهند.
بنابراین در صورتی که حد اندوتوکسین در آب تغذیه به 250Eu/ml برسد امکان پیدا شدن اندوتوکسین در WFI نیز خواهد بود.
روش های دیگر
روش های جداسازی مختلفی مانند RO و اولترافیلتراسیون و اکسیداسیون با ازن می توانند اندوتوکسین را حذف کنند.
حرارت، تقطر، UF، RO و فیلتراسیون، ازن، نور ماورابنفش و روش های شیمیایی می توانند سطوح پایین میکروبی را در آب تامین کنند.
اسمز معکوس دوبارگذر (TPRO) یا (DPRO) قابلیت تولید آب مقطر را دارا می باشد. یک سیستم اسمز معکوس دوبار گذر از یک فیلتر چند رسانه ای، آب نرم کن دوگانه، تانک ذخیره، مبدل حرارتی، فیلترکربن اکتیو قابل شستشو با آب گرم، پری فیلتر 55s، تنظیم کننده PH و دستگاه مولد اشعه ماورا بنفش 245nm و یک مجموعه TPRO قابل تمیزکاری با آب گرم تشکیل می شود.
سیستم می تواند شامل یک مجموعه RO باشد که یک دستگاه CEDI متعاقب آن قرار دارد و بعد از آن یک مجموعه RO باشد که یک دستگاه CEDI متعاقب آن قرار دارد و بعد از آن یک مجموعه RO که انجام عملیات پولیشینگ سیستم را قبل از مخزن ذخیره انجام و آب استحصال شده به عنوان آب قابل تزریق مورد مصرف قرار می گیرد.
مزایای بکارگیری RO برای تولید آب قابل تزریق به شرح ذیل است:
- داشتن کم هزینه ترین سیکل عمر
- کمترین مصرف انرژی
- کاهش دهنده کانداکتیویته، TOC، اندوتوکسین و سطوح میکروبی
-کارکرد پایدار
-شستشو و تمیزکاری گرم بصورت پیوسته
- مورد تائید بودن از نظر کاربرد بوسیله USP
اما سابقه بکارگیری اسمز معکوس برای تولید آب قابل تزریق کم بوده و فارماکوپیای اروپایی آن را به عنوان روش نهایی جهت تولید آب قابل تزریق تائید نمی کند.
به علاوه سیستم RO نیازمند تمیزکاری متناوب بوده و ممبران ها باید تعویض گردند و همچنین ممبران ها آسیب پذیر بوده و ممکن است خراب شوند.
روش دیگر در مقابل تقطیر استفاده از اولترافیلتراسیون با استفاده از UFهای مرسوم یا UF گرم بصورت پیوسته می باشد.
مدول های الترافیلتراسیون در دو شکل از مواد مختلف در بازار موجود هستند، مدول ها از مواد پلیمری و سرامیکی ساخته می شوند و در شکل های حلزونی، مارپیچی، لوله ای، چندین کاناله توخالی هستند.
برخی مدول ها برای کارکرد در دمای محیط و با شستشوی شیمیایی ساخته می شوند. در حالی که برخی مدول های دیگر می توانند در دمای C80 یا بیشتر بصورت پیوسته یا متناوب کار کنند، سیستم های ممبران سیستم های خود تنظیم از نظر شستشو هستند.
رشد میکروبی در آنها وجود ندارد، اما نیازمند شستشوی متناوب برای اطمینان خاطر از بازده سیستم هستند. معمولا یک سیستم UF شامل یک مجموعه RO قابل شستشو با آبگرم سیستم CEDI و یک مجموعه UF است.
در سیستم جایگزین بجای دستگاه UV ثانویه و یک سیستم UF بعد از CEDI می توان سیستمUF پیوسته گرم را جایگزین آن نمود. اولترافیلتراسیون مزایای بسیاری دارد:
هزینه سیکل عمر کم
- مصرف انرژی کم
سابقه استفاده برای تولید آب قابل تزریق در آمریکا و ژاپن
- تاریخچه قابل توجه در آمریکا
- امکان پذیری کاربرد پیوسته در دمای C80
- کاهنده اندوتوکسین تا حد ogs41
نواقص مربوط به استفاده از این تکنولوژی این است که هنوز مجوزی برای استفاده از آن فارماکوپیای اروپایی وجود ندارد.
کاهش کانداکتیویته در آن منوط به آماده سازی اولیه مناسب آب برای سیستم است و ممبران احتمال آسیب دیدن را داشته و همچنین سیستم ممکن است نیازمند تمیزکاری متناوب باشد.
چرا استفاده از ممبران ها بسط نیافته است.
علیرغم تمام مزایای موجود در استفاده از ممبران ها برای تولید آب قابل تزریق، چرا این تکنولوژی آنچنان بسط نیافته است؟
دلیل این امر را می توان بدین نحو بیان کرد که آن زمان که برای اولین بار RO برای تولید آب قابل تزریق پیشنهاد گردید، ممبران ها چندان برای تولید عملی آماده نبودند مجموعه های RO که بتوانند با آب داغ شستشو داده شوند وجود نداشتند و شستشوهای شیمیایی در حد تاثیرگذاری بوسیله حرارت موثر نبودند.
تقطیر در تولید آب قابل تزریق دارای تاریخچه و سابقه بسیاری است و اگرچه چند سال پیش استفاده از RO در تولید آب قابل تزریق با شکست مواجه شد، اما تکنولوژی امروزه RO می توان آب قابل تزریق را تولید نماید.
تکنولوژی UF نیز اکنون توانایی انجام این کار را دارد و اکنون می توان به آب با کیفیت بالاتر از آب قابل تزریق نیز با تکنولوژی ممبران دست یافت.
اخیراً با تولید آب قابل تزریق در یک شرکت بیوفارما در west coast بوسیله ممبران با مرحله بندی RO و سپس SDI که حاصل آن آب با خلوص بالا می گردید و سپس ورود این آب به سیستم RO دوم، تولید آب قابل تزریق انجام گرفت. طراحی سیستم به نحوی بود که کل آب ضایع شده مجدداً به قسمت آبسازی اولیه برگشت داده می شد. نتایج حاصل نشان می داد که کیفیت آب از مشخصه های آب قابل تزریق بهتر بود، در این طرح 98% صرفه جویی در مصرف بخار نسبت به سیستم تقطیر ایجاد گردید و در حالی که بهای مرحله دوم RO نصف قیمت دستگاه های تقطیر می گردید و در نهایت از مصرف 3/1 میلیون گالن آب و تولید فاضلاب مربوطه در یک سال جلوگیری گردید.
اکنون رشد تکنولوژی، شرایط زیست محیطی و افزایش دمای زمین و کاهش منابع آب و بهای انرژی و کم بودن منابع، گزینه بهتری بجای استفاده از سیستم ممبران را باقی نگذاشته است.

Image result for double pass ro wfi
در گذشته ممبران های RO که بتوانند بخوبی در محل خود قرار گیرند در دسترس نبودند و نمی توانستند در عملیات شستشوی داغ مقاومت نمایند.
اشکالات اولیه در استفاده از ممبران ها موجب کنار گذارده شدن آنها گردید و زمانی که کنترل اندوتوکسین ها مشکلی نبود، کنترل میکروبی بعنوان یک مشکل به شمار می رفت و وقتی که تکنولوژی اولترافیلتراسیون آماده گردید، این سیستم هنوز تائیدیه فارماکوپیای اروپایی یا آمریکایی را به همراه نداشت.
اکنون تکنولوژی ممبران ها تاریخچه و سابقه بسیار با ارزشی را در تولید WFI یا همان آب قابل تزریق در آمریکا و ژاپن دارد اما توسعه بکارگیری و نصب این سیستم در محل هایی است که در آن فارماکوپیای اروپا به عنوان یک فاکتور مطرح نمی باشد.
هزینه های تکنولوژی ممبران
در محاسبه هزینه، هزینه سیستم مهم تر از هزینه پروسه است و هزینه نیروی انسانی بعضاً چندان تاثیرگذار نمی باشد در بررسی هزینه ها وقتی که هزینه های سیستم ممبران برای تولید آب قابل ترزیق مورد ملاحظه قرار می گیرد، مهم ترین پارامتر برای محاسبه، هزینه سیستم، هزینه سالانه و تناوب زمانی تعویض ممبران ها می باشد هزینه این سیستم با توجه به ملاحظات بسیار چون مصرف بخار و آب بسیار کم می باشد و قیمت آن بسیار پائین تر از سیستم های آبسازی است که در آنها از روش تقطیر استفاده می گردد.
انتها
مسئول مونوگراف های USP طی نامه ای درخصوص علت عدم رشد و بکارگیری سیستم ساده و آسان و کم هزینه تولید آب قابل تزریق در بسیاری از شرکت ها، آنرا عاملی ذهنی و مقاومت در مقابل تغییر و سابقه زیاد تقطیر دانسته و بر این امر تاکید دارد که در ایالات متحده شرکت های بسیاری از این سیستم استفاده می کنند و بازرسان FDA می توانند مهر تائید خود را بر محصولات دارویی زنند که آب قابل تزریق آنها بوسیله پروسه های اسمز معکوس تهیه شده است.


منابع:


Magazine Green Tech-
National Geography-
United State Pharmacopia-
Guide to Inspections of High-Purity Water Systems FDA-
Ultra pure water magazine-
Siemens/Biotech-

@