Qual é a diferença entre Compressão de Vapor e Destilação de Efeito Múltiplo?
A água para injeção (WFI) é vital para a administração de medicamentos parentéricos, uma vez que esta água de pureza extremamente elevada permite a diluição de substâncias farmacêuticas para injeção ou aplicação intravenosa. A criação da água mais pura possível para este fim pode ser conseguida utilizando duas metodologias comuns - compressão de vapor (VC) e destilação de efeito múltiplo (MED).
Antes de a água ser submetida a um destes processos, tem de passar por uma série de medidas de purificação inicial, incluindo potencialmente a diclorinação, o amaciamento, a desionização, a desinfeção por UV ou a osmose inversa. Só então está pronta para o processamento VC ou MED para atingir o nível de pureza necessário para ser utilizada como Água para Injeção?
A comparação entre a Compressão de Vapor e a Destilação de Múltiplos Efeitos requer uma compreensão dos dois processos e da forma como diferem nas suas abordagens.
O que é o ciclo de destilação por compressão de vapor e como ele funciona
Originalmente concebido para fins de dessalinização, o conceito de Compressão de Vapor (VC) é um processo de destilação que consiste num único evaporador onde a água de alimentação entra em ebulição, convertendo-se em vapor, que é depois condensado para formar água para injeção (WFI). O vapor é submetido a um processo de ciclo de aquecimento inicial de pré-aquecimento e descarbonização antes de entrar num compressor, que remove CO2, oxigénio e outros gases dissolvidos da água de alimentação antes de entrar no evaporador de vapor, ajudando a reduzir a corrosão e a condutividade do produto final WFI. Este sistema aumenta a pressão do vapor para cerca de 3 ½ psi, direcionando-o para o exterior dos tubos do evaporador. A economia ou eficiência térmica do processo VC resulta da reciclagem do calor latente, eliminando a necessidade de um condensador separado que utiliza água de arrefecimento.
Quando a água se transforma em vapor, é captada por tubos e levada para um desembaciador para remover as gotículas sólidas arrastadas. O vapor puro restante condensado acumula-se no exterior dos tubos do evaporador como destilado, depois O restante condensado de vapor puro acumula-se no exterior dos tubos do evaporador como destilado, depois é recolhido no fundo do espelho de tubos e é retirado por uma bomba de destilado, descarregando-o através de um ou mais permutadores de calor de casco e tubo. Nos sistemas VC, a água de alimentação é pré-aquecida através de permutadores de calor e introduzida no evaporador de vapor para ferver a aproximadamente 1 psi.
De lá, uma bomba de destilação passa por um resfriador, após o qual ele se torna WFI. A destilação por compressão de vapor pode produzir WFI em temperaturas quentes e ambientes sem precisar de água de resfriamento, adicionando alguns resfriadores de destilado extras.
O que é a destilação de múltiplos efeitos?
Os efeitos múltiplos que dão o nome ao processo MED resultam do facto de a água passar por vários "efeitos" ou células diferentes para atingir o objetivo de purificação, normalmente variando de 3 a 8. O vapor da fábrica é alimentado ao primeiro efeito para aquecer a água e criar vapor puro. Cada efeito é um vaso de pressão que se assemelha a um permutador de calor de casco e tubo, com uma cabeça estendida para o desacoplamento do vapor. O processo envolve circulação natural, ou conceção de filme ascendente, em que a água de alimentação flui para cima através dos tubos e o vapor da instalação é introduzido no lado do casco.
O primeiro efeito funciona a pressões de 60-80 psi, com o vapor a condensar no exterior dos tubos, transferindo calor para a água no interior para produzir mais Vapor Puro. O vapor do último efeito é direcionado para um condensador de água de alimentação, utilizando a água de alimentação para condensar, arrefecer e aquecer. Os sistemas MED requerem condensadores separados que utilizam água de arrefecimento, onde o Vapor Puro do último efeito é condensado e qualquer vapor remanescente é sub-arrefecido à temperatura projectada.
O MED funciona a temperaturas e pressões mais elevadas do que os sistemas VC, necessitando de uma melhor qualidade da água de alimentação. Cada efeito contribui para uma parte da produção total de WFI, assegurando que a água cumpre os requisitos de qualidade e minimizando a formação de incrustações através de um processo de purga. O vapor restante é exposto à temperatura mais fria até à data, fazendo com que se condense no permutador de calor e se transforme em destilado. Este destilado, agora WFI, é então extraído através de uma bomba.
As Vantagens da Compressão de Vapor e da Destilação de Efeito Múltiplo
Embora ambos sejam eficazes sistemas de purificação utilizandoutilizando princípios semelhantes, o MED e o VC têm numerosas vantagens distintas. Embora a destilação de múltiplos efeitos tenha sido durante muito tempo o método mais comum utilizado para a purificação da água, a compressão de vapor ganhou força como alternativa devido a alguns dos seus atractivos benefícios.
Ambos os sistemas produzem Água Purificada e a Água para Injeção (WFI), mais rigorosamente regulamentada (WFI), assegurando 100% de eliminação microbiana através do funcionamento a temperaturas auto-sanitizantes. Cada um deles pode cumprir as monografias farmacopeicas com um pré-tratamento adequado. O VC tem a capacidade única de produzir WFI ambiente sem água de arrefecimento, enquanto o MED pode fornecer vapor puro para os cabeçalhos. A melhor opção para uma determinada aplicação dependerá do volume de água necessário e da natureza da operação.
As vantagens da compressão de vapor
Qualquer processo de destilação requer uma certa medida de pré-tratamento da água de alimentação. No entanto, sistemas de Compressão de Vapor funcionam a uma temperatura mais baixa do que os sistemas de múltiplos efeitos, o que lhes confere uma maior tolerância à presença de cloreto e sílica, componentes que podem causar acumulação e corrosão quando expostos a calor extremo. Por conseguinte, podem aceitar água de alimentação após um tratamento de amaciamento, enquanto o equipamento MED exige que esta seja submetida primeiro a osmose inversa e a decloração.
As vantagens da Compressão de Vapor (VC) incluem menores necessidades de vapor e água de arrefecimento da fábrica devido à sua eficiência térmica, uma vez que o processo recicla o calor latente, reduzindo a necessidade de um condensador separado. Os sistemas de VC podem produzir WFI quente e ambiente sem a necessidade de água de arrefecimento, permitindo a produção a cerca de 25 graus acima da temperatura da água de alimentação de entrada, adicionando alguns arrefecedores de destilado extra. Esta flexibilidade permite que os alambiques VC satisfaçam vários requisitos de temperatura na produção de WFI.
Dos dois, os sistemas de compressão de vapor são mais eficientes em geral. Reutilizam continuamente o calor que geram e as gotículas arrastadas purificadas, removidas antes da destilação, regressam simplesmente à água de alimentação para serem novamente processadas. Isto conduz a custos de funcionamento geralmente reduzidos devido à sua eficiência térmica e a requisitos mínimos de pré-tratamento. A capacidade de utilizar diretamente água amolecida e desclorada, sem pré-tratamento extensivo, realça ainda mais a relação custo-eficácia dos sistemas de VC. A compressão de vapor também oferece a vantagem de produzir WFI quente e ambiente devido aos seus métodos de processamento.
Além disso, os sistemas VC tendem a ocupar menos espaço do que os sistemas de destilação de efeitos múltiplos, o que permite poupar espaço substancial e custos imobiliários associados numa instalação.
Compressor GII da MECO
O compressor que a MECO concebeu e fabrica internamente para o nosso VC ainda se chama GII Centurbo™ Compressor. É um compressor de acionamento direto com o impulsor conectado diretamente ao eixo do motor, eliminando a necessidade de acoplamentos flexíveis, polias e caixas de engrenagens. O GII Centurbo™ Compressor é montado diretamente no evaporador de vapor, o que elimina o trabalho de manutenção das condutas.
São várias as vantagens do nosso sistema patenteado GII Centurbo™ patenteado. O design compacto significa que pode ser instalado dentro de 1-2 horas e é mais fácil de aceder para manutenção. O impulsor e a campânula de sucção são fundidos em Inconel e aço inoxidável 316, e depois maquinados para obter um acabamento de superfície liso e homogéneo inferior a 25Ra. O GII Centurbo™ tem menos de 10% das peças de outros compressores industriais para alambiques VC.
Para um compressor GII típico, reduzir a velocidade do compressor em 25% reduzirá o consumo elétrico em 50%. Além disso, reduzir a velocidade do compressor em 50%, reduzirá o consumo elétrico em 80%. Note-se que a velocidade do compressor está ligada direta e proporcionalmente à produção de destilado. Assim, um MECO VC pode produzir metade do caudal designado e um quinto do consumo elétrico. Isto deve-se ao facto de estarmos a utilizar um VFD (Variable Frequency Drive, por vezes conhecido como Variable Speed Drive (VSD), para utilizar a lei da potência e fazer funcionar o compressor de forma eficiente.
Talvez o mais importante seja o impacto do compressor GII no consumo de energia do vapor. A tecnologia GII permite uma saída variável do seu destilador dentro de uma determinada capacidade máxima. Em vez de iniciar e parar para produzir uma saída fixa, os destiladores de água por compressão vaper MECO GII têm uma saída variável para atender às necessidades diminuídas ou crescentes de produção. Como você pode ver no gráfico, uma redução de 25% na capacidade de produção se traduz em uma redução de 40% na potência do compressor.
O funcionamento em turndown pode não só poupar dinheiro, como também, se o local tiver a capacidade do tanque de WFI e um consumo de produção flexível, o funcionamento a caudais mais baixos mantém os sistemas a funcionar e quentes durante mais tempo, o que tem benefícios mecânicos (reduz os arranques e paragens, o que reduz o desgaste) e reduz o risco para a qualidade do produto, uma vez que o sistema é mantido em condições altamente sanitárias durante mais tempo.
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As vantagens da destilação de múltiplos efeitos
A Destilação de Efeitos Múltiplos (MED) é particularmente adequada para sistemas WFI mais pequenos, uma vez que permite a produção simultânea de WFI e Vapor Puro utilizando o vapor da fábrica. Esta capacidade dupla pode ser benéfica para instalações que necessitem tanto de Vapor Puro como de WFI num determinado momento.
Embora possa não ser tão eficiente como um sistema VC em alguns aspectos, o equipamento MED tem as suas próprias vantagens. Continua a ter uma série de peças móveis, mas o MED utiliza menos energia eléctrica por não ter um compressor. Além disso, a natureza algo modular da conceção de múltiplos efeitos permite que as instalações escolham o tamanho do sistema com base nos seus requisitos, com unidades mais pequenas, como os sistemas de três efeitos, a representarem um investimento inicial significativamente mais baixo.
Uma vantagem única da destilação de múltiplos efeitos é a possibilidade de aproveitar o primeiro efeito para obter vapor purificado. Alguns modelos projectos MED da MECO capitalizam esta capacidade e permitem ao utilizador produzir WFI e vapor puro simultaneamente. Alguns permitem mesmo a libertação de vapor purificado a partir de múltiplos efeitos. Os sistemas MED garantem uma qualidade de água robusta, enquanto os seus múltiplos efeitos de evaporador aumentam a eficiência, reduzindo o consumo de utilidades à medida que mais efeitos são adicionados.
Embora os sistemas MED necessitem de condensadores separados com água de arrefecimento para uma condensação e sub-arrefecimento eficazes, exigem menos energia eléctrica e têm menores necessidades de manutenção devido ao menor número de peças móveis. Embora o seu sistema de alimentação por gravidade possa exigir mais espaço livreestas caraterísticas fazem do MED uma escolha eficaz para instalações com requisitos específicos de produção de vapor e garantia de qualidade.
Comparação entre VC e MED para necessidades operacionais
Ao comparar a Compressão de Vapor e a Destilação de Efeitos Múltiplos para necessidades operacionais, vários factores entram em jogo, incluindo a qualidade da água de alimentação, requisitos de capacidade, custos de serviços públicos e infra-estruturas. Em geral, os sistemas de VC custam mais no início, mas oferecem custos operacionais mais baixos, especialmente quando usados para produzir WFI a frio. No entanto, a disparidade diminui significativamente quando se comparam unidades MED com um maior número de efeitos e maiores exigências de produção.
Para uma instalação que necessite de pouca produção de água purificada e dê prioridade ao espaço no chão, o aumento do custo por galão de WFI pode valer a pena para um sistema MED que se adapte melhor aos seus requisitos operacionais.
Outro ponto importante na ponderação entre VC e MED é a qualidade e a composição da água de alimentação disponível, uma vez que isso terá um impacto significativo nas exigências de pré-tratamento de cada sistema. Os sistemas VC, que são mais económicos para operações de média a grande capacidade, requerem menos pré-tratamento e ocupam menos espaço, poupando espaço e custos. Em contrapartida, os sistemas MED são ideais para necessidades menores de WFI, oferecendo produção simultânea de WFI e vapor puro. A escolha entre VC e MED deve considerar factores como a qualidade da água de alimentação, a capacidade do sistema, os custos dos serviços públicos e a disponibilidade de infra-estruturas.
Os custos operacionais, incluindo despesas de capital, serviços públicos e manutenção, também são factores cruciais a considerar. Em última análise, ambas as tecnologias cumprem os requisitos de qualidade da WFI, e a decisão deve basear-se numa análise do custo total de propriedade e das restrições específicas do local.
Requisitos e considerações de pré-tratamento
Um pré-tratamento eficaz é essencial para os sistemas de Compressão de Vapor (VC) e Destilação de Efeitos Múltiplos (MED) para garantir uma produção de Água para Injeção (WFI) de alta qualidade. Os sistemas VC beneficiam de um processo de pré-tratamento mais simples e económico, uma vez que podem frequentemente utilizar água amolecida e desclorada sem necessidade de osmose inversa (RO), devido à inexistência de limite de sólidos dissolvidos totais (TDS) na água de alimentação.
Por outro lado, os sistemas MED funcionam a temperaturas mais elevadas e, normalmente, requerem uma OR de passagem única para cumprir os limites de condutividade e gerir eficazmente os níveis de dureza e sílica. O processo de pré-tratamento para ambos os sistemas inclui geralmente filtros multimédia, amaciadores para remoção da dureza e filtros de carbono para eliminação de cloro e cloraminas.
A manutenção de uma qualidade adequada da água de alimentação é crucial para minimizar a formação de incrustações nos alambiques; as incrustações de dureza são normalmente removidas quimicamente, enquanto as incrustações de sílica podem exigir uma remoção mecânica. A definição de taxas de descarga adequadas com base na qualidade do pré-tratamento é vital para um funcionamento eficiente e para a prevenção de incrustações. Para acomodar variações sazonais e manter um desempenho ótimo, recomenda-se vivamente a realização de análises regulares à qualidade da água de alimentação.
Análise de custos e considerações económicas
Ao escolher entre sistemas de Compressão de Vapor (VC) e Destilação de Efeitos Múltiplos (MED), é essencial efetuar uma análise exaustiva dos custos, incluindo as despesas de capital e de funcionamento. Os sistemas VC são geralmente mais eficientes e económicos, particularmente com água de alimentação amaciada, devido às suas baixas necessidades de vapor e água de arrefecimento, que se traduzem em custos operacionais reduzidos.
Em contrapartida, embora a adição de efeitos a um sistema MED possa reduzir o consumo de energia eléctrica, não aumenta a produção de água quente, o que exige uma análise detalhada dos custos de energia eléctrica e do custo total de propriedade. A decisão deve ter em conta factores específicos do local, tais como os custos dos serviços públicos, a qualidade da água de alimentação e as necessidades de pré-tratamento.
A realização de comparações de custos detalhadas, incluindo despesas de capital (CapEx) e despesas operacionais, é crucial para determinar o período de retorno do investimento e a viabilidade económica de cada tecnologia. Em última análise, a escolha deve basear-se numa avaliação abrangente de todos os custos associados, assegurando o alinhamento com os objectivos operacionais e financeiros da instalação.
Considerações sobre a área de implantação e as infra-estruturas
A área ocupada e a infraestrutura são factores críticos na escolha entre sistemas de Compressão de Vapor (VC) e Destilação de Efeitos Múltiplos (MED). Os sistemas VC são normalmente mais pequenos do que os sistemas MED, oferecendo potenciais poupanças em termos de espaço e custos imobiliários. Por exemplo, um sistema VC de 20 GPM é geralmente mais compacto do que um sistema MED com até 5 ou 6 efeitos.
No entanto, é importante considerar também a infraestrutura de pré-tratamento. Os sistemas MED requerem frequentemente uma infraestrutura extensa, incluindo os sistemas de osmose inversa (OR) e de electrodeionização (EDI), juntamente com amaciadores, filtros multimédia e filtros de carbono.
Em contraste, os sistemas VC, que podem funcionar com água amaciada, normalmente necessitam apenas de filtros multimédia, amaciadores e um filtro de carbono, o que leva a uma configuração mais simplificada. A decisão deve considerar cuidadosamente o espaço disponível, a capacidade da infraestrutura e quaisquer modificações necessárias para acomodar qualquer um dos sistemas, garantindo que satisfazem eficazmente as necessidades espaciais e operacionais da instalação.
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