En omkostningsgennemgang af fire systemdesign til vand til injektion (WFI)
Et kig på omkostningerne ved alternative systemer til produktion af vand til injektion (WFI), herunder membranbaseret WFI-produktion uden destillation
I 2016 reviderede European Pharmacopeia (Ph. Eur.) sin monografi for at tillade "destillation eller en rensningsproces, der svarer til eller er bedre end destillation med hensyn til fjernelse af kemikalier og mikroorganismer." Denne nye standard giver mulighed for WFI-produktion via membran eller omgivende processer, såsom omvendt osmose og andre passende teknologier.
Tag et dybt dyk ned i MEKAs analyse af fire forskellige systemdesigns, og se, hvordan omkostningerne ved membranbaserede systemer sammenlignes med termiske teknologier i artiklen nedenfor.
Har du ikke lyst til at scrolle? Få din downloadbare kopi ved at udfylde formularen nedenfor.
Download en omkostningsoversigt over WFI-systemer
Omkostningsgennemgang af WFI-systemer
Vand er en vigtig ingrediens i lægemiddelfremstillingsprocessen. Det betragtes som et kritisk hjælpemiddel og produceres i flere bulk-klassifikationer. Renset vand (PW) og vand til injektion (WFI) er to af disse klassifikationer, der er beskrevet i detaljer i forskellige farmakopéer, herunder den amerikanske, europæiske, japanske og kinesiske farmakopé.
Forskellige metoder til vandrensning er tilgængelige for interessenter i lægemiddelfremstillingsprocessen. Hver metode har sine egne egenskaber relateret til kvalitet, de samlede driftsomkostninger, pålidelighed, risiko og bæredygtighed. Den amerikanske Pharmacopeia tillader produktion af WFI ved destillation eller metoder, der svarer til eller er bedre end destillation. Indtil for nylig krævede den europæiske farmakopé (Ph. Eur.) brug af destillation. Historisk set har destillation været brugt til produktion af WFI. I 2016 reviderede Ph. Eur. sin monografi for at tillade en "rensningsproces svarende til destillation såsom omvendt osmose, kombineret med
passende teknikker."
Der var megen diskussion og debat forud for Ph. Eur.s beslutning om at revidere sin monografi. Revisionen giver harmonisering mellem den europæiske og den amerikanske farmakopé, da ingen af dem nu dikterer en bestemt produktionsmetode. Ideelt set vil der være større mulighed for innovation i udviklingen af alternative teknikker til produktion af WFI. Den opfattede risiko i forbindelse med eliminering af destillation var et af de punkter, som Det Europæiske Lægemiddelagentur fremførte. 1 Ud over harmonisering omfatter motiverne også bæredygtighed og en reduktion af de samlede omkostninger. 2 Efter at EMA havde rejst spørgsmålene i marts 2008, blev der offentliggjort et svar i begyndelsen af 2009. 3 Svaret var blandt andet kritisk over for destillation og dens evne til at håndtere visse fødevandstyper, høje varmeinput og metalliske forbindelser i produktvandet. Efter revisionen af monografien i den europæiske farmakopé offentliggjorde EMA spørgsmål og svar om produktion af vand til injektion ved ikke-destillationsmetoder - omvendt osmose og strategier til kontrol af biofilm. Igen delte EMA den største bekymring i forbindelse med den mikrobiologiske kvalitet af det producerede vand og de kontrolmekanismer, der er på plads for at minimere risikoen. 4
Påstanden om, at der kan opnås omkostningsbesparelser ved at producere WFI via en membranproces, er ikke blevet underbygget. Det kan virke intuitivt, at et destillationsbaseret system koster mere at drive end et system, der er afhængigt af membraner uden destillation, især hvis destillationssystemet normalt indledes med et membranbaseret forbehandlingssystem. Men det er ikke nødvendigvis tilfældet. Der er to forskellige destillationsmetoder, der almindeligvis bruges i WFI-produktion, multipel effekt og dampkompression. Der findes en række forskellige membranbaserede tilgange til WFI-produktion. Hver af disse metoder har forskellige ejeromkostninger.
Det følgende er en kort omkostningsanalyse af fire forskellige, men almindelige systemdesign til produktion af WFI. Selvom risiko, pålidelighed og bæredygtighed er vigtige faktorer i evalueringen af et systems omkostninger, er de for enkelthedens og kortfattethedens skyld ikke taget i betragtning i det følgende. Analysen af de samlede omkostninger omfatter de første kapitalomkostninger, driftsforsyningerne, herunder damp, elektricitet, fødevand, kølevand og spildevand. Udskiftningsdele, forbrugsvarer og arbejdskraft er også inkluderet.
Se vores farmaceutiske løsninger
Dampkompressionsbaseret WFI-produktion har samlede ejeromkostninger, der er mindre end eller svarer til dem for et membranbaseret system og betydeligt mindre end for et typisk system med flere effekter. De følgende eksempler illustrerer systemdesign, der er relativt basale, men typisk tilstrækkelige. De afbildede designs giver en besparelse på 15-28% i kapitalomkostninger for et membranbaseret system i forhold til et destillationssystem. Driftsomkostningerne er dog 35% højere end for et VC-baseret system.
De fire systemdesigns, der gennemgås, bruges almindeligvis til produktion af WFI. De har hver en kapacitet på 1.500 liter i timen. Det første system (System 1) bruger destillation med flere effekter med omvendt osmose som forbehandling. Det andet (System 2) er et membranbaseret system
med omvendt osmose efterfulgt af elektrodeionisering og ultrafiltrering. Det tredje system (System 3) er et dampkompressionsdestillationssystem. Det fjerde system (System 4) er et dampkompressionsdestillationssystem med ultrafiltrering som forbehandling. Alle systemerne bruger blødgøring og kulfiltrering som middel til at kontrollere kalkaflejringer og deklorering af fødevandskilden. Hvert systems design og driftsparametre tager højde for den samme fødevandskvalitet.
Fødevandet i alle eksempler har en hårdhed på 10 korn som CaCO3. Fødevandets hårdhed sammenholdt med blødgøringsanlæggets størrelse dikterer hyppigheden af blødgøringsanlæggets regenerering med saltvand og de tilhørende returskylnings- og skyllecyklusser. Driftsprofilen for hvert system er 16 timer om dagen, syv dage om ugen og 50 uger om året. I hvert eksempel antages en kloreret kommunal vandforsyning, der opfylder drikkevandsstandarderne. Hvert system under evaluering begynder behandlingen med blødgøring, selvom det anerkendes, at der i mange tilfælde kan være behov for yderligere partikelfiltrering. Under alle omstændigheder vil en specifik analyse af fødevandet påvirke det endelige systemdesign. Genvindingsgraden for produktvand kan justeres for en lang række faktorer. Tilstedeværelsen af kloraminer, silica eller andre bestanddele i fødevandet kan diktere andre konfigurationer end dem, der er præsenteret her.
Kapital-, drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne forbundet med de ovennævnte systemer og driftsprofiler er beskrevet i sammenligningstabel 9 for alle systemer på side 17.
Her følger en detaljeret beskrivelse af hvert system med tilhørende kapital- og driftsomkostninger:
System 1 - Blødgøring af vand / kulfiltrering / omvendt osmose (kan ikke desinficeres med varmt vand) og ME-destillation (Multiple Effect)
Beskrivelse af systemet
Destillation med flere effekter er den mest almindeligt anvendte metode til produktion af WFI i hele verden. Effektiviteten af en given destillator er defineret af dens økonomi (E) og dikteret af antallet af effekter (kolonner), der bruges i designet. Da den absolutte værdi af energiomkostningerne i et ME-system kan være betydelig, vil systemer med større kapacitet typisk have et større antal effekter for at reducere energitilførslen til systemet. Omvendt har systemer med lille kapacitet måske kun tre til fem effekter, hvilket resulterer i lavere kapitalomkostninger. Det system, der evalueres her, har en kapacitet på 1.500 l/time og fire effekter med et dampforbrug på 561 kg/time.
På grund af den høje driftstemperatur forbehandles fødevandet ved multipel effektdestillation normalt med omvendt osmose (RO) for at fjerne opløste ioner, der ellers ville fremme aflejringer eller korrosion i destillatoren. RO-enheden fjerner effektivt opløste ioner, bakterier, vira og suspenderede stoffer. Det er vigtigt at bemærke, at selvom fødevandskvaliteten forbedres med RO, er forbedringen ikke nødvendig for at levere WFI-kvalitet af destillat fra ME, men kun for at beskytte destilleriet mod kalkdannelse og korrosion. Kalkdannelser vil akkumulere på fødevandssiden af varmeoverførselsoverfladen, og deres skadelige virkning er at reducere mængden af produceret destillat, ikke kvaliteten. Som sådan er destillatets kvalitet uafhængig af forbehandlingen. Destilleriets faseændring, separationssystem og temperatur adskiller effektivt urenheder og ødelægger mikroorganismer.
RO-enheden vil normalt have blødgøring, kulfiltrering og patronfiltrering som en minimumsforbehandling til fjernelse af henholdsvis hårdhed, klor og partikler. En single-pass RO-enhed, der kører på en gennemsnitlig kommunal vandforsyning, vil have et energiforbrug på 2,25 kilowatt og en genvinding af produktvand på 75%, hvor 25% kontinuerligt går til afløb. Forbehandlingssystemet kan ikke desinficeres med varmt vand, men har mulighed for rutinemæssig kemisk rengøring. I betragtning af driftstrykket for både RO og ME er det almindelig praksis at inkludere en mellemliggende lagertank med en fødevandspumpe. I dette eksempel vedligeholdes forbehandlingssystemet og mellemlagringssystemet ved hjælp af kemisk rengøring. Man kunne have brugt et system, der kan desinficeres med varmt vand, men det ville have øget kapital- og driftsomkostningerne. WFI-produktet fra ME produceres og opbevares varmt i en 4.000-liters tank, holdes varmt ved 80 grader C ved hjælp af en trimvarmer og distribueres ud til WFI-loopet.
Figur 1. Et typisk destillationssystem med flere effekter. Et typisk destillationssystem med flere effekter og forbehandling med omvendt osmose, der producerer og opbevarer varmt (80 grader C) WFI. (System 1)
Kapital-, drifts- og vedligeholdelsesomkostninger
Selvom specifikationerne varierer, kan kapitalomkostningerne for ME-systemet, der beskrives som producentens standard, budgetteres til 673.900 € som reference i forhold til alternative systemer, der overvejes. De nævnte kapitalomkostninger er ex works. Det er eksklusive forsendelse og installation, men inkluderer idriftsættelse, uddannelse og udførelse af IQ- og OQ-protokoller. De samlede drifts- og vedligeholdelsesomkostninger for systemet er anslået til 177.957 € om året. Af de fire systemer, der er taget i betragtning, repræsenterer dette de højeste samlede ejeromkostninger.
Produktionssystemet som helhed har følgende energi- og vandgenvindingsprofil:
1Tilførselshastighedener kun baseret på normal drift. Omfatter ikke periodiske returskylninger eller regenereringer.
2Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under et regenereringstrin, som finder sted, når en forudbestemt mængde vand har passeret gennem blødgøringsanlægget. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
3Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under en returskylning/skylning, som sker med et forudbestemt interval. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
Dette systemdesign er mere attraktivt, hvor de nødvendige mængder WFI er små eller periodiske, og kapitalomkostningerne kan minimeres ved at bruge en lille destillator med et minimum af effekter (tre-fem). I dette tilfælde er den absolutte værdi af driftsomkostningerne mindre betydningsfuld. Dette design anses ofte for at være en meget pålidelig tilgang, hvis man bruger et membranforbehandlingssystem før destillationen. Det kan til en vis grad være sandt, men som tidligere nævnt er vandkvaliteten fra ME'en relativt uafhængig af kvaliteten fra forbehandlingen. Membransystemets primære rolle er at beskytte ME-systemet mod tilkalkning af fødevandets overflader og dermed forhindre nedetid. Tilkalkning af destillationssystemets varmeoverførselsoverflade vil reducere kapaciteten, men ikke produktvandets kvalitet. En anden almindelig misforståelse er, at det samme vand destilleres mange gange, og at ME-destillation derfor i sagens natur er renere end andre metoder. Det er let at se misforståelsen, da der er flere kolonner, og enhederne omtales som "multipel effekt". Faktisk destillerer hver kolonne kun en del af fødevandet én gang, og dette destillat ledes derefter i flydende fase gennem de efterfølgende effekter uden yderligere destillation og videre til kondensatoren. Destillatet fra en ME-enhed er ikke mere destilleret eller rent end det fra en anden ME- eller VC-enhed.
Vedligeholdelsesplanen og udskiftningskomponenterne er angivet i tabel 1 og 2 og vedrører udskiftning af patronfilter og membran på forbehandlingssystemet med omvendt osmose samt udskiftning af pakninger i hele systemet og rengøring i forbindelse med afmontering og genmontering. Hyppigheden af udskiftning af patronfilter og membran vil i høj grad være en funktion af fødevandets kvalitet og vil være specifik for hver enkelt installation.
Tabel 1. Grundlæggende vedligeholdelsesplan for RO/ME-system. (System 1)
System 2 - Varmtvandsrensbar omvendt osmose / elektrodeionisering / ultrafiltrering / ultraviolet lys / ozonering
Beskrivelse af systemet
Destillation er ikke den eneste måde, hvorpå man kan opnå WFI-vandkvalitet. Der er blevet brugt adskillige systemdesigns, der anvender omvendt osmose med passende forbehandling, deionisering og ultrafiltrering. Varianter af kernen i RO/EDI/UF-designet kan omfatte brug af ozon, ultraviolet lys, double pass RO, en varmtvandssløjfe og andre komponenter.
Tabel 2. Udskiftninger til RO/ME-system. (System 1)
Det system, der evalueres her, anvender blødgøring, kulfiltrering og patronfiltrering som forbehandling forud for single-pass omvendt osmose, efterfulgt af elektrodeionisering og ultrafiltrering. I lighed med det tidligere beskrevne system tjener blødgøringsanlægget til at fjerne hårdhed, og kulfilteret er til klor, mens RO fjerner opløste ioner, organiske stoffer og partikler. Da RO-membranerne ikke fjerner 100% af de opløste ioner, ledes RO-produktvandet til et elektrodeioniseringssystem for at polere de resterende ioner. Ultrafiltrering bruges som et sidste poleringstrin til at fjerne eventuelle organiske stoffer, der måtte være tilbage i systemet. Systemet kan desinficeres med varmt vand for at ødelægge bakterier, og det er udstyret med mulighed for kemisk rengøring. Det evaluerede system er normeret til 1.500 l/time og bruger 9 kW ved normal drift, eksklusive varmtvandsrensning, som bruger 90 kW. Genvindingsgraden for produktvand er 67,5 %, når der tages højde for returskylning og skylning af blødgøringsanlægget og kulbeholderen samt rejekt fra RO og EDI. I dette design bruges ozon til opbevaring af produktvandet, mens ultraviolet lys bruges til ozondestruktion. Der er mange variationer og muligheder, der kan anvendes i designet af et membranbaseret system, herunder kemisk injektion, membranafgasning, double pass RO og keramiske UF-membraner samt opbevaring og distribution af varmt vand. Disse muligheder øger typisk systemets kapitalomkostninger uden at reducere de løbende driftsomkostninger.
Som sådan repræsenterer det tidligere beskrevne basissystem en aggressiv omkostningstilgang til sammenligningsformål. Det skal også bemærkes, at på små systemer som det, der diskuteres, kan tilføjelsen af instrumenter og ventiler til trendanalyse, biomonitorering, mellemliggende prøvetagning og andre driftsbehov øge systemets omkostninger betydeligt. I et konservativt forsøg på at evaluere differentierede kapitalomkostninger er mange af disse muligheder udelukket her. Det erkendes også, at brugen af ozon måske ikke er ønskelig, og i så fald vil opbevarings- og distributionssløjfen anvende varmevekslere til opvarmning og køling, med de dertilhørende kapital- og energiomkostninger.
Figur 1. Et grundlæggende membranbaseret WFI-produktionssystem med omvendt osmose, elektrodeionisering og ultrafiltrering, med ozonering og UV-destruktion ved omgivelsestemperatur. (System 2)
I modsætning til et systemdesign, der inkorporerer destillation, genereres WFI-vandkvaliteten i et membranbaseret system som dette ikke i ét trin ved hjælp af en faseændring. I et membranbaseret system tjener RO-membranerne, EDI-enheden og UF-systemet hver især til at fjerne et specifikt sæt bestanddele fra vandet, og effektiviteten af hver enkelt er direkte afhængig af den fødevandskvalitet, der genereres af den opstrøms komponent. Det er blevet sagt, at "det er opretholdelsen af fødevandets essentielle kvalitet, der er nøglen til, at RO- eller destillationsoperationen fungerer korrekt. Hverken destillation eller RO er det komplette show." Selvom det måske er sandt til en vis grad, er den destillerede vandkvalitet relativt uafhængig af fødevandets kvalitet, mens det membranbaserede systems vandkvalitet er direkte afhængig af og påvirket af kvaliteten af fødevandet til hver enhedsoperation. I et membranbaseret WFI-produktionssystem er hver af de tre hovedproceskomponenter (RO/EDI/UF) afgørende for at opnå den endelige vandkvalitet. En fejl i en hvilken som helst af komponenterne vil have en negativ indvirkning på vandkvaliteten nedstrøms. Den normale operatørintervention og vedligeholdelse forbundet med et membranbaseret system vil være højere end for et destillationsbaseret system. Partikler og biologisk tilsmudsning af patronfiltre og omvendt osmosemembraner kræver desinficering med varmt vand, kemisk rensning og udskiftning af elementer. Brugen af ultraviolet lys til ozondestruktion eller i selve produktionssystemet vil kræve udskiftning af kvartsmuffer og UV-lamper. Hyppigheden af udskiftninger og desinficering af systemet vil påvirke arbejdskraften og omkostningerne til udskiftning af komponenter. 5
Da omvendt osmose, elektrodeionisering, ultrafiltrering, ozonering og UV-destruktion er indbyrdes afhængige af den endelige vandkvalitet, vil kravene til prøveudtagning og kalibrering være højere for en membranbaseret tilgang.
Se vores farmaceutiske løsninger
Kapital-, drifts- og vedligeholdelsesomkostninger
Kapitalomkostningerne for membransystemet, der er beskrevet som producentens standard, kan sættes til 513.480 € som reference sammenlignet med de alternative systemer, der er overvejet. Kapitalomkostningerne er ab fabrik og eksklusive forsendelse og installation, men inkluderer idriftsættelse og validering. Mens priserne fra forskellige producenter kan variere, er omkostningerne for alle systemerne her fra den samme producent i et forsøg på at give relative omkostningsforskelle, der er forholdsvis nøjagtige. Desuden repræsenterer det membranbaserede system, der er beskrevet i System 2, et ret grundlæggende og standardiseret design. Det anerkendes, at der er mange afvigelser fra det grundlæggende design, som kunne opnå den samme vandkvalitet. Men disse varianter ville øge kapitalomkostningerne og kompleksiteten med de tilhørende konsekvenser for driften.
De samlede drifts- og vedligeholdelsesomkostninger for systemet er anslået til 101.200 € om året. Af de fire systemer, der er taget i betragtning, repræsenterer det membranbaserede system, der er skitseret her, de laveste kapitalomkostninger, men de næsthøjeste drifts- og vedligeholdelsesomkostninger.
Det membranbaserede system som beskrevet har følgende energi- og vandgenvindingsprofil:
1Tilførselshastighedener kun baseret på normal drift. Omfatter ikke periodiske returskylninger eller regenereringer.
2Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under et regenereringstrin, som finder sted, når en forudbestemt mængde vand har passeret gennem blødgøringsanlægget. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
3Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under en returskylning/skylning, som sker med et forudbestemt interval. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
Vedligeholdelsesplanen og udskiftningselementerne er angivet i tabel 3 og 4 og kan i høj grad tilskrives udskiftning af patronfilter, membran og EDI-celle samt udskiftning af pakninger i hele systemet og rengøring i forbindelse med afmontering og genmontering.
Tabel 3. Grundlæggende vedligeholdelsesplan for RO/EDI/UF-system. (System 2)
Tabel 4. Udskiftninger til RO/EDI/UF-system. (System 2)
System 3 - Dampkompressionsdestillation med blødgøring af vand og kulfiltrering som forbehandling
Beskrivelse af systemet
Dampkompression (VC) er den mest energieffektive måde at destillere vand på. Ved produktion af varmt WFI (82 grader C) vil en destiller med flere effekter kræve otte-10 effekter for at kunne konkurrere med energiforbruget i et VC-anlæg. 6 En væsentlig fordel ved VC-cyklussen, som ikke er tilgængelig ved ME-destillation, er varmegenvindingen i forbindelse med produktionen af destillat ved omgivelsestemperatur. I dette tilfælde forbedres VC-cyklussens effektivitet yderligere til over 2,5 gange effektiviteten ved produktion af varmt WFI. Som sådan kan destilleret vand produceres ved omgivelsestemperatur med en meget højere effektivitet. Destillatoren kan skifte mellem omgivelsestilstand og varm produktion ved at aktivere en ventil omkring genvindingsvarmeveksleren. Fordelen ved denne drift er muligheden for periodisk at desinficere lager- og distributionssystemet med varmt vand fra
destilleriet. En anden fordel ved VC-cyklussen er, at den typisk kan fungere på et forenklet forbehandlingssystem uden behov for omvendt osmose. VC-anlæg arbejder ved lavere temperaturer end ME-enheder og er derfor mindre modtagelige over for tilkalkning og korrosion. Derfor bruger mange VC-anlæg, der bruges til produktion af WFI, kun blødgøring og kulfiltrering som forbehandling.
I ME-systemet vil en forstyrrelse i blødgøringssystemet for fødevandet resultere i aflejringer på varmeoverførselsoverfladen for fødevandet og et tab af kapacitet, men det er ikke skadeligt for vandkvaliteten. Klor vil forårsage spændingskorrosion af rustfrit stål ved høje temperaturer, hvilket får destilleriet til at lække først ved områder med spænding, såsom svejsninger eller rør til rør-pladesamlinger. Ammoniakoverførsel vil vise sig som høj ledningsevne og er let at opdage. En fordel ved VC-destillation er, at det destillerede vand behandles ved et højere tryk end fødevandet.
Figur 3. Et typisk dampkompressionssystem Et typisk dampkompressionssystem, der producerer destilleret vand ved omgivelsestemperatur med periodisk varm desinfektion af sløjfen. (System 3)
Under normal drift går en eventuel lækage derfor fra siden med destilleret vand på varmeoverførselsfladen til siden med fødevand i stedet for den anden vej rundt. En lækage i en af vekslerne vil vise sig som en høj ledningsevne ved opstart. I det tidligere beskrevne membranbaserede system er fødevandet altid ved et højere tryk end produktvandet, og et tab af integritet i et hvilket som helst af membransystemerne eller EDI'en vil påvirke produktvandets kvalitet negativt. Dampkompressionssystemer er historisk set blevet kritiseret på grund af kompressoren, som er en mekanisk komponent, der er nødvendig for korrekt drift. Moderne sanitære centrifugalenheder med direkte drev og indbygget diagnostik har gjort disse kompressorer meget pålidelige. Vedligeholdelse af pakninger og lejer kan ofte klares ved at udskifte hele enheden i løbet af nogle få timer. 7
Kapital-, drifts- og vedligeholdelsesomkostninger
Kapitalomkostningerne for det VC-system, der er beskrevet som producentens standard, kan sættes til 608.700 € som reference i forhold til de alternative systemer, der er overvejet. Kapitalomkostningerne er ab fabrik og eksklusive forsendelse og installation, men inkluderer idriftsættelse og validering. De samlede drifts- og vedligeholdelsesomkostninger for systemet er anslået til 75.100 € om året. Af de fire undersøgte systemer har VC med blødgøring og kulfiltrering de laveste ejeromkostninger og de næstlaveste kapitalomkostninger (lige efter det membranbaserede system). Det VC-baserede WFI-produktionssystem har følgende energi- og vandgenvindingsprofil:
1Tilførselshastighedener kun baseret på normal drift. Omfatter ikke periodiske returskylninger eller regenereringer.
2Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under et regenereringstrin, som finder sted, når en forudbestemt mængde vand har passeret gennem blødgøringsanlægget. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
3Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under en returskylning/skylning, som sker med et forudbestemt interval. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
Vedligeholdelsesplanen og udskiftningselementerne er angivet i tabel 5 og 6. Systemet drager fordel af elimineringen af RO og den tilhørende vedligeholdelse, filter- og membranudskiftning samt en forbedret vandgenvindingsrate.
Tabel 5. Grundlæggende vedligeholdelsesplan for CF/WS/VC-system. (System 3)
Tabel 6. Udskiftninger til CF/WS/VC-system. (System 3)
Figur 4. Ultrafiltreringsmembraner forud for dampkompressionsdestillation fjerner suspenderede stoffer og bakterier fra fødevandforsyningen uden nogle af de byrder, der er forbundet med forbehandling med omvendt osmose. (System 4)
System 4 - Dampkompressionsdestillation med blødgøring af vand, kulfiltrering og ultrafiltrering som forbehandling
Beskrivelse af systemet
Destillation er blevet kritiseret for kun at give log-reduktioner på 3,0-4,0, og derfor er fødevand med mere end 300 eu/ml modtageligt for endotoksinoverførsel. Retningslinjerne siger, at destillation skal give en log-reduktion på mindst 3. 8 Derfor skal en EPA-drikkevandsforsyning til et destilleri være ude af kontrol i sin forbehandling for at generere en sådan endotoksinbelastning. Bioburden-belastningen i de beskrevne destillationssystemer kontrolleres via dampdesinfektion af forbehandlingsbeholderne. På trods af ovenstående vil en membranbarriere i forbehandlingssystemet reducere biobyrden i downstream-processerne. I dette tilfælde er ultrafiltrering en god anvendelse forud for dampkompression med flere fordele, samtidig med at de mindre ønskværdige aspekter ved RO-membraner udelukkes. UF-membranerne fjerner suspenderet materiale, bakterier og vira, mens de passerer gennem opløste faste stoffer. Opløste faste stoffer har ingen indflydelse på VC-destillationen, forudsat at de kalkdannende bestanddele fjernes i blødgøringsanlægget opstrøms. Undtagelsen er, når der er høje niveauer af silica i fødevandet, som ikke kan håndteres ved at øge nedblæsningen, hvilket vil kræve et trin til fjernelse af silica.
Udtrykket ultrafiltrering er ret generisk og henviser til en evne til at fjerne partikelstørrelse. For ikke at blive forvekslet med patronbaserede eller spiralformede ultrafiltre, kan de, der bruges i avancerede vandforbehandlingssystemer, som diskuteres her, karakteriseres som konstrueret med polymermateriale i en hul fiberkonfiguration. Desuden har de UF-membraner, der diskuteres, følgende egenskaber.
1. UF-membraner er klortolerante, mens RO-membraner ikke er det.
2. UF-membraner bagvaskes og skylles, mens RO-membraner ikke gør.
3. UF-membraner er mere robuste og har en betydeligt længere levetid end RO-membraner.
4. Et typisk UF-system, der kører på byvand, vil genvinde mere end 90% af fødevandet.
Kapital-, drifts- og vedligeholdelsesomkostninger
Kapitalomkostningerne for UF/VC-systemet, der er beskrevet som producentens standard, kan sættes til 720.000 € som reference i forhold til de alternative systemer, der er overvejet. Kapitalomkostningerne er ab fabrik og eksklusive forsendelse og installation, men inkluderer idriftsættelse, uddannelse og validering.
De samlede drifts- og vedligeholdelsesomkostninger for systemet er anslået til 89.700 €. Af de fire undersøgte systemer repræsenterer UF/VC-systemet den næstdyreste kapitaludgift efter RO/ME-systemet, men giver betydelige driftsfordele i forhold til det membranbaserede system og ME-systemet. Det UF/VC-baserede WFI-produktionssystem har følgende energi- og vandgenvindingsprofil:
1Tilførselshastighedener kun baseret på normal drift. Omfatter ikke periodiske returskylninger eller regenereringer.
2Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under et regenereringstrin, som finder sted, når en forudbestemt mængde vand har passeret gennem blødgøringsanlægget. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
3Dennestrømningshastighed er kun nødvendig under en returskylning/skylning, som sker med et forudbestemt interval. Den er ikke inkluderet i den normale tilførselshastighed til systemet.
Vedligeholdelsesplanen og udskiftningselementerne er angivet i tabel 7 og 8. Systemet drager fordel af "livrem og seler"-tilgangen i et membranbaseret forbehandlingssystem uden det vedligeholdelsesniveau, der kræves for RO.
Tabel 7. Grundlæggende vedligeholdelsesplan for VC/UF-systemet. (System 4)
Tabel 8. Udskiftninger til VC/UF-systemet. (System 4)
Sammenfatning
Selvom der har været påstande om, at et membranbaseret system giver lavere omkostninger ved WFI-produktion, er det ikke nødvendigvis tilfældet. Den foregående analyse viser, at mens et membranbaseret system giver fordele med hensyn til kapital- og driftsomkostninger i forhold til et system baseret på flere effekter, er det samme ikke nødvendigvis tilfældet for et VC-baseret system. De VC-baserede systemer har lavere driftsomkostninger end både det membranbaserede system og det multi-effekt-baserede system.
I sin enkleste form tilbyder et membranbaseret WFI-system fordelene ved en lav kapitalomkostning og et lavt energiforbrug. Som tidligere nævnt er det simpleste design ikke altid det, der kræves. Double pass RO, varmtvandsopbevaring, afgasning, biomonitorering og andre funktioner kan specificeres på et membranbaseret system, og i dette tilfælde kan kapitalomkostningsfordelen blive ubetydelig eller helt elimineret i forhold til et VC-baseret system (system 3 & 4). Over tid har det membranbaserede system en højere samlet omkostning end et VC-baseret system (System 3) på grund af de højere omkostninger til udskiftninger og arbejdskraft. Det bemærkes også, at det membranbaserede system har de højeste samlede budgetterede nedetidstimer (714) til vedligeholdelse, sanering og udskiftning. Der er ikke tilskrevet nogen omkostninger til nedetid på grund af en systemudnyttelse på kun 5.600 timer/år.
De laveste samlede ejeromkostninger er det VC-baserede system, der er forbehandlet med blødgøring og kulfiltreret vand. Det VC-baserede system har en betydelig energifordel i forhold til ME, der producerer WFI ved omgivelsestemperatur gennem varmegenvinding, som ikke er tilgængelig i et ME-baseret system. Det VC-baserede system drager også fordel af et forenklet forbehandlingssystem, der ikke kræver omvendt osmose. Eliminering af omvendt osmose i forbehandlingen bidrager også til færre nedetidstimer og dermed mere online tilgængelighed. Den samlede vandgenvinding er højest i de VC-baserede systemer. Mens kapitalomkostningerne for de VC-baserede systemer er lidt højere end for et membranbaseret system, er driftsomkostningerne op til 25 % lavere. Selvom VC-systemet producerer WFI ved omgivelsestemperatur gennem en varmegenvindingsvarmeveksler, har det den fordel, at det destilleres kontinuerligt med periodisk varmerensning af lager- og distributionssystemet.
Det VC-baserede system, der bruger ultrafiltrering til forbehandling, giver fordelen ved en membranbarriere til ekstra mikrobiel kontrol i systemet uden den udskiftning, vedligeholdelse og nedetid, der er forbundet med RO-membraner.
Tabel 9. Sammenligning af WFI-produktionssystemer