¿Cuál es la diferencia entre la compresión de vapor y la destilación de efecto múltiple?
El agua para inyección (WFI) es vital para la administración parenteral de fármacos, ya que esta agua de pureza extremadamente alta permite diluir sustancias farmacéuticas para su inyección o aplicación intravenosa. La creación del agua más pura posible para este fin puede lograrse utilizando dos metodologías comunes: la compresión de vapor (CV) y la destilación de efectos múltiples (MED).
Antes de someterse a uno de estos procesos, el agua debe pasar por una serie de medidas iniciales de purificación que pueden incluir la dicloración, el ablandamiento, la desionización, la desinfección UV o la ósmosis inversa. Sólo entonces está lista para el tratamiento VC o MED que la llevará al nivel de pureza requerido para su uso como Agua para Inyección?
La comparación entre la compresión de vapor y la destilación de efecto múltiple requiere una comprensión de los dos procesos y de cómo difieren en sus enfoques.
¿Qué es el ciclo de destilación por compresión de vapor y cómo funciona?
Originalmente diseñado para la desalinización, el concepto de compresión de vapor (CV) es un proceso de destilación que consiste en un único evaporador donde el agua de alimentación hierve, convirtiéndose en vapor, que se condensa para formar Agua para inyección (WFI). El vapor se somete a un proceso de ciclo inicial de precalentamiento y descarbonización antes de entrar en un compresor, que elimina el CO2, el oxígeno y otros gases disueltos del agua de alimentación antes de entrar en el evaporador de vapor, ayudando a reducir la corrosión y a disminuir la conductividad en el producto final WFI. Este sistema eleva la presión del vapor a unos 3 ½ psi, dirigiéndolo hacia el exterior de los tubos del evaporador. La economía o eficiencia térmica del proceso VC resulta del reciclaje del calor latente, eliminando la necesidad de un condensador separado que utiliza agua de refrigeración.
Cuando el agua se convierte en vapor, se captura mediante tubos y se lleva a un desnebulizador para eliminar las gotas sólidas arrastradas. El vapor puro restante condensado se acumula en el exterior de los tubos del evaporador en forma de destilado. se acumula en el fondo de la lámina tubular y se extrae mediante una bomba de destilado, descargándolo a través de uno o más intercambiadores de calor de carcasa y tubos. En los sistemas VC, el agua de alimentación se precalienta a través de intercambiadores de calor y se introduce en el evaporador de vapor para que hierva a aproximadamente 1 psi.
Desde allí, una bomba de destilación lo pasa a través de un enfriador, tras lo cual se convierte en WFI. La destilación por compresión de vapor puede producir WFI tanto a temperatura ambiente como caliente sin necesidad de agua de refrigeración, añadiendo algunos enfriadores de destilado adicionales.
¿Qué es la destilación multiefecto?
Los múltiples efectos que dan nombre al proceso MED se deben a que el agua pasa por varios "efectos" o células diferentes para lograr el objetivo de la purificación, que suele oscilar entre 3 y 8. El vapor de la planta se alimenta al primer efecto para calentar el agua y crear vapor puro. Cada efecto es un recipiente a presión que se asemeja a un intercambiador de calor de carcasa y tubos, con un cabezal ampliado para el desacoplamiento del vapor. El proceso implica circulación natural, o diseño de película ascendente, en el que el agua de alimentación fluye hacia arriba por los tubos y el vapor de la planta se introduce por el lado de la carcasa.
El primer efecto funciona a presiones de 60-80 psi, con vapor condensándose en el exterior de los tubos, transfiriendo calor al agua del interior para producir más Vapor Puro. El vapor del último efecto se dirige a un condensador de agua de alimentación, utilizando agua de alimentación para condensarlo, enfriarlo y calentarlo. Los sistemas MED requieren condensadores separados que utilizan agua de refrigeración, donde se condensa el Vapor Puro del último efecto y el vapor sobrante se subenfría hasta la temperatura diseñada.
MED funciona a temperaturas y presiones más elevadas que los sistemas VC, lo que requiere una mejor calidad del agua de alimentación. Cada efecto contribuye a una parte de la producción total de WFI, garantizando que el agua cumpla los requisitos de calidad y minimizando al mismo tiempo la formación de incrustaciones mediante un proceso de purga. El vapor restante se expone a la temperatura más fría, lo que hace que se condense en el intercambiador de calor y se convierta en destilado. Este destilado, ahora WFI, se extrae mediante una bomba.
Ventajas de la compresión de vapores y de la destilación de efecto múltiple
Aunque ambos son eficaces sistemas de depuración utilizaren principios similares, MED y VC tienen numerosas ventajas distintas. Aunque la destilación por efectos múltiples ha sido durante mucho tiempo el método más utilizado para la purificación del agua, la compresión de vapor ha ganado terreno como alternativa debido a algunas de sus atractivas ventajas.
Ambos sistemas producen agua purificada y agua para inyección (WFI), regulada de forma más estricta. (WFI), que garantiza la eliminación del 100% de los microbios al funcionar a temperaturas de autodesinfección. Cada uno de ellos puede cumplir las monografías farmacopeicas con el pretratamiento adecuado. El VC es el único capaz de producir WFI ambiental sin agua de refrigeración, mientras que el MED puede proporcionar vapor puro para los cabezales. La mejor opción para una aplicación determinada dependerá del volumen de agua necesario y de la naturaleza de la operación.
Ventajas de la compresión de vapor
Cualquier proceso de destilación requerirá alguna medida de pretratamiento del agua de alimentación. Sin embargo, sistemas de compresión de vapor funcionan a una temperatura más baja que los sistemas de Efecto Múltiple, lo que les confiere una mayor tolerancia a la presencia de cloruro y sílice, componentes que pueden causar acumulación y corrosión cuando se exponen a un calor extremo. Por tanto, pueden aceptar agua de alimentación después de un tratamiento de ablandamiento, mientras que los equipos MED requieren que se someta antes a ósmosis inversa y decloración.
Las ventajas de la compresión de vapor (CV) son, entre otras, unas menores necesidades de vapor y agua de refrigeración de la planta debido a su eficiencia térmica, ya que el proceso recicla el calor latente, reduciendo la necesidad de un condensador independiente. Los sistemas de VC pueden producir WFI tanto caliente como a temperatura ambiente sin necesidad de agua de refrigeración, permitiendo la producción a aproximadamente 25 grados por encima de la temperatura del agua de alimentación entrante añadiendo unos cuantos enfriadores de destilado adicionales. Esta flexibilidad permite a los alambiques VC satisfacer las distintas necesidades de temperatura en la producción de WFI.
De los dos, los sistemas de compresión de vapor son más eficientes en general. Reutilizan continuamente el calor que generan, y las gotas arrastradas purificadas que se eliminan antes de la destilación simplemente vuelven al agua de alimentación para ser procesadas de nuevo. Esto conlleva unos costes de explotación generalmente reducidos debido a su eficiencia térmica y a los mínimos requisitos de pretratamiento. La posibilidad de utilizar directamente agua ablandada y declorada, sin necesidad de un pretratamiento exhaustivo, pone aún más de relieve la rentabilidad de los sistemas de CV. La compresión de vapor también ofrece la ventaja de producir WFI tanto caliente como a temperatura ambiente gracias a sus métodos de procesamiento.
Además, los sistemas de CV suelen ocupar menos espacio que los sistemas de destilación de efecto múltiple, lo que puede suponer un ahorro considerable de espacio y de los costes inmobiliarios asociados en una instalación.
Compresor GII de MECO
El compresor que MECO ha diseñado y fabrica internamente para nuestro VC todavía se llama GII Centurbo™ Compressor. Es un compresor de transmisión directa con el impulsor unido directamente al eje del motor eliminando la necesidad de acoplamientos flexibles, poleas y cajas de engranajes. El GII Centurbo™ Compressor está montado directamente en el evaporador de vapor, lo que elimina el trabajo de mantenimiento de los conductos.
Son varias las ventajas de nuestro sistema patentado GII Centurbo™ Compresor. El diseño compacto significa que puede ser instalado dentro de 1-2 horas y es más fácil de acceder para el mantenimiento. El impulsor y la campana de succión se funden de Inconel y acero inoxidable 316, y luego se mecanizan para obtener un acabado superficial liso y homogéneo inferior a 25Ra.El GII Centurbo™ tiene menos del 10% de las piezas de otros compresores industriales para alambiques VC.
Para un compresor GII típico, la reducción de la velocidad del compresor en un 25% reducirá el consumo eléctrico en un 50%. Además, reducir la velocidad del compresor en un 50% reducirá el consumo eléctrico en un 80%. Tenga en cuenta que la velocidad del compresor está vinculada directa y proporcionalmente a la producción de destilado. Así, un CV MECO puede producir la mitad del caudal nombrado y una quinta parte del consumo eléctrico. Esto se debe a que utilizamos un variador de frecuencia (VFD, a veces conocido como variador de velocidad (VSD)) para aprovechar la ley de potencia y hacer funcionar el compresor de forma eficiente.
Quizás lo más importante es el impacto del compresor GII en el consumo de energía del vapor. La tecnología GII permite una salida variable de su destilador dentro de una capacidad máxima determinada. En lugar de arrancar y detenerse para producir una salida fija, los destiladores de agua por compresión MECO GII tienen una salida variable para satisfacer las necesidades de producción reducidas o crecientes. Como puede ver en el gráfico, una reducción del 25 % en la capacidad de producción se traduce en una reducción del 40 % en la potencia del compresor.
El funcionamiento con reducción de caudal no sólo puede ahorrar dinero, sino que, si la planta dispone de capacidad para depósitos WFI y un consumo de producción flexible, el funcionamiento con caudales más bajos mantiene los sistemas en funcionamiento y calientes durante más tiempo, lo que tiene ventajas mecánicas (reduce los arranques y paradas, lo que disminuye el desgaste) y reduce el riesgo para la calidad del producto, ya que el sistema se mantiene en condiciones altamente higiénicas durante más tiempo.
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Las ventajas de la destilación de efecto múltiple
La Destilación de Efectos Múltiples (MED) es especialmente adecuada para los sistemas WFI más pequeños, ya que permite la producción simultánea de WFI y Vapor Puro utilizando el vapor de la planta. Esta doble capacidad puede ser beneficiosa para instalaciones que requieren tanto Vapor Puro como WFI en un momento dado.
Aunque puede no ser tan eficiente como un sistema VC en algunos aspectos, el equipo MED tiene sus propias ventajas. Sigue teniendo varias piezas móviles, pero el MED consume menos energía eléctrica al no tener accionamiento por compresor. Además, la naturaleza en cierto modo modular del diseño de efectos múltiples permite a las plantas elegir el tamaño del sistema en función de sus necesidades, y las unidades más pequeñas, como los sistemas de tres efectos, representan una inversión inicial significativamente menor.
Una ventaja exclusiva de la destilación de efecto múltiple es la posibilidad de aprovechar el primer efecto para obtener vapor purificado. Algunos diseños diseños MED de MECO capitalizan esta capacidad y permitirán al usuario producir WFI y Vapor Puro simultáneamente. Algunos incluso permiten la liberación de vapor purificado a partir de múltiples efectos. Los sistemas MED garantizan una sólida calidad del agua, mientras que sus múltiples efectos de evaporación mejoran la eficiencia al reducir el consumo de servicios públicos a medida que se añaden más efectos.
Aunque los sistemas MED requieren condensadores separados con agua de refrigeración para una condensación y subenfriamiento eficaces, demandan menos energía eléctrica y tienen menores necesidades de mantenimiento debido a que hay menos piezas móviles. Aunque su sistema de alimentación por gravedad puede exigir más espacio libreestas características convierten a los sistemas MED en una opción eficaz para instalaciones con requisitos específicos de generación de vapor y garantía de calidad.
Comparación entre VC y MED para necesidades operativas
Al comparar la compresión de vapor y la destilación de efecto múltiple en función de las necesidades operativas, entran en juego varios factores, como la calidad del agua de alimentación, los requisitos de capacidad, los costes de los servicios públicos y la infraestructura. En general, los sistemas de CV tienen un coste inicial más elevado, pero sus costes de explotación son inferiores, sobre todo cuando se utilizan para producir WFI frío. Sin embargo, la disparidad disminuye significativamente cuando se comparan unidades MED con un mayor número de efectos y mayores demandas de producción.
Para una instalación que necesita poca producción de Agua Purificada y prioriza el espacio de suelo, el aumento del coste por galón de WFI puede merecer la pena para un sistema MED que se adapte mejor a sus requisitos operativos.
Otro punto importante a la hora de sopesar el VC frente al MED es la calidad y composición del agua de alimentación disponible, ya que tendrá un impacto significativo en las demandas de pretratamiento de cada sistema. Los sistemas VC, más económicos para operaciones de capacidad media a grande, requieren menos pretratamiento y ocupan menos espacio, con el consiguiente ahorro de espacio y costes. Por el contrario, los sistemas MED son ideales para necesidades de WFI más pequeñas, ya que ofrecen producción simultánea de WFI y vapor puro. La elección entre VC y MED debe tener en cuenta factores como la calidad del agua de alimentación, la capacidad del sistema, los costes de los servicios públicos y la disponibilidad de infraestructuras.
Los costes de explotación, incluidos los gastos de capital, servicios y mantenimiento, también son factores cruciales a tener en cuenta. En última instancia, ambas tecnologías cumplen los requisitos de calidad de WFI, y la decisión debe basarse en un análisis del coste total de propiedad y las limitaciones específicas del emplazamiento.
Requisitos y consideraciones sobre el pretratamiento
Un pretratamiento eficaz es esencial tanto para los sistemas de compresión de vapor (CV) como para los de destilación de efecto múltiple (MED) para garantizar una producción de agua para inyección (WFI) de alta calidad. Los sistemas de CV se benefician de un proceso de pretratamiento más sencillo y rentable, ya que a menudo pueden utilizar agua ablandada y declorada sin necesidad de ósmosis inversa (OI), debido a la ausencia de límite de sólidos disueltos totales (TDS) en el agua de alimentación.
Por otro lado, los sistemas MED funcionan a temperaturas más altas y suelen requerir ósmosis inversa de una sola pasada para cumplir los límites de conductividad y gestionar eficazmente los niveles de dureza y sílice. El proceso de pretratamiento de ambos sistemas suele incluir filtros multimedia, ablandadores para eliminar la dureza y filtros de carbono para eliminar el cloro y las cloraminas.
Mantener una calidad adecuada del agua de alimentación es crucial para minimizar la formación de incrustaciones en los alambiques; las incrustaciones de dureza suelen eliminarse químicamente, mientras que las de sílice pueden requerir una eliminación mecánica. Establecer unas tasas de purga adecuadas en función de la calidad del pretratamiento es vital para un funcionamiento eficaz y para evitar la formación de incrustaciones. Para adaptarse a las variaciones estacionales y mantener un rendimiento óptimo, es muy recomendable realizar análisis periódicos de la calidad del agua de alimentación.
Análisis de costes y consideraciones económicas
A la hora de elegir entre los sistemas de compresión de vapor (CV) y los de destilación de efecto múltiple (MED), es esencial realizar un análisis exhaustivo de los costes, que abarque tanto los gastos de capital como los de explotación. Los sistemas de CV suelen ser más eficientes y rentables, sobre todo con agua de alimentación ablandada, debido a sus reducidas necesidades de vapor y agua de refrigeración de la planta, lo que se traduce en una reducción de los costes de explotación.
Por el contrario, aunque añadir efectos a un sistema MED puede reducir el consumo de servicios públicos, no aumenta la producción de WFI, por lo que es necesario un examen detallado de los costes de los servicios públicos y del coste total de propiedad. La decisión debe tener en cuenta factores específicos del emplazamiento, como los costes de los servicios públicos, la calidad del agua de alimentación y las necesidades de pretratamiento.
Para determinar el plazo de amortización y la viabilidad económica de cada tecnología, es fundamental comparar los costes en detalle, incluidos los gastos de capital y los gastos de explotación. En última instancia, la elección debe basarse en una evaluación exhaustiva de todos los costes asociados, garantizando la alineación con los objetivos operativos y financieros de la instalación.
Huella e infraestructura
El espacio y la infraestructura son factores críticos a la hora de elegir entre los sistemas de compresión de vapor (CV) y los de destilación de efecto múltiple (MED). Los sistemas VC suelen ocupar menos espacio que los sistemas MED, lo que supone un ahorro potencial en espacio y costes inmobiliarios. Por ejemplo, un sistema VC de 20 GPM suele ser más compacto que un sistema MED con hasta 5 ó 6 efectos.
Sin embargo, también es importante tener en cuenta la infraestructura de pretratamiento. Los sistemas MED suelen requerir grandes infraestructuras, como equipos de ósmosis inversa (OI) y electrodesionización (EDI), además de descalcificadores, filtros multimedia y filtros de carbono.
En cambio, los sistemas VC, que pueden funcionar con agua descalcificada, normalmente sólo necesitan filtros multimedia, descalcificadores y un filtro de carbono, lo que permite una instalación más racionalizada. La decisión debe tomarse teniendo en cuenta el espacio disponible, la capacidad de la infraestructura y las modificaciones necesarias para acomodar cualquiera de los dos sistemas, asegurándose de que satisfacen eficazmente las necesidades espaciales y operativas de la instalación.
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