Höchste Akzeptanz

Auch in den USA, wo so genannte kalte Verfahren erlaubt sind, wird fast ausschließlich destilliert. Der Hauptgrund für den Einsatz der verschiedenen Destillationsverfahren ist sicherlich die hohe allgemeine Akzeptanz des Verfahrens aufgrund der hohen Herstellungstemperatur und der damit verbundenen hohen Qualität des Produktes im Hinblick auf mikrobiologische Verunreinigungen. Sehr oft wird das WFI auch heiß gelagert (über 80°C), obwohl im Europäischen Arzneibuch und auch in der USP (amerikanisches Arzneibuch) lediglich eine Mindesttemperatur von über 70°C vorgeschrieben ist. Auch diese Tatsache zeigt, dass die thermische Qualitätssicherung bei den Herstellverfahren und der Lagerung eine sehr hohe Akzeptanz hat. Ein weiterer Grund ist auch der geringere Aufwand bei der Validierung und dem Monitoring im Betrieb. Hohe Temperaturen versprechen mit geringem Aufwand eine hohe Sicherheit.

Die drei gebräuchlichsten Destillationsverfahren sind

• einstufiges Destillationsverfahren,
• Mehrstufendruckkolonnen-Verfahren und
• Thermokompressionsverfahren.

Die sehr unterschiedlichen Technologien liefern alle bei entsprechender technischer Ausgestaltung und Betriebsweise eine einwandfreie Produktqualität. Welches Verfahren zum Einsatz kommt, ist stark von den benötigten Mengen abhängig. Aber auch Faktoren wie die Temperatur des benötigten Destillats und die Verwendung des Kühlwassers sind wichtige Beurteilungskriterien für die Auswahl einer bestimmten Technologie. Generell gilt: Bei der Produktion kleiner Mengen (bis etwa 100l/h) ist die einstufige Destillation wirtschaftlich.

Für alle drei Verfahren gilt nach EG-GMP-Leitfaden der guten Herstellungspraxis 91/356/EWG für die Anforderungen an die Systeme: Wasseraufbereitungs- und Verteilungsanlagen sollten so ausgelegt, konstruiert und gewartet werden, dass Wasser von geeigneter Qualität zuverlässig erzeugt wird. Die Gefahr einer Kapazitätsüberschreitung ist bei den Destillationsverfahren nicht gegeben, da die Anlagen nicht ohne Probleme in der Energiezufuhr die Produktleistung steigern können. Die Systeme sollten ebenfalls validiert und nach Plan gewartet und regelmäßig auf chemische und biologische Verunreinigungen überprüft werden. Aufzeichnungen über die Ergebnisse dieser Kontrollen und die durchgeführten Maßnahmen sollten ebenso aufbewahrt werden.
Diese sehr allgemein gehaltenen Vorgaben verlangen aber dennoch die Einhaltung bestimmter konstruktiver Vorgaben:

• pharmagerechte Ausführung,
• Demister (für Tropfenabscheidung),
• Sterilbelüftung des Lagertanks sowie
• Leitwertüberwachung mit Verwurf.

Ein- und mehrstufigeDruckkolonnendestillation

Die Technologie der einstufigen Druckkolonnendestillation erinnert noch am ehesten an die gewohnte Flüssigkeitsdestillation. Das vorbehandelte, vollentsalzte Speisewasser – mit der Qualität „gereinigtes Wasser“ – wird mit bereits produziertem Wasserdampf angewärmt und gelangt unter Druck in den Verdampfer zur Destillation. Der erzeugte Dampf wird über eine entsprechend ausgelegte Dampfgeschwindigkeit und einen Demister tröpfchenfrei gemacht. Durch entsprechende Kühlung wird das Destillat hergestellt.

Bei den Mehrstufendruckkolonnenanlagen wird durch Wiederholung der Technologie mehrfach destilliert. Bei einer sechsstufigen Anlage werden dann zum Beispiel sechs Kolonnen hintereinander geschaltet. Auch hier wird vollentsalztes Wasser als Speisewasser eingesetzt und im Gegenstrom gearbeitet. In der ersten Kolonne wird immer das Speisewasser vollständig verdampft. In den folgenden Kolonnen destilliert der Dampf wieder das Wasser. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Kolonnen durchlaufen sind. Es erfolgt so eine Vielzahl von Wärmeübergängen, die technisch eine optimale Ausnutzung der zugeführten Wärme ermöglichen. Je mehr Kolonnen hintereinander geschaltet werden, umso günstiger können Dampf und Kühlwasser ausgenutzt werden. Auf Grund der erheblichen technischen Ausstattung derartiger Anlagen ist dieses Mehrstufendruckkolonnenverfahren erst bei großen Mengen – >200 l/h – wirtschaftlich.
Die erste Kolonne wird mit Heizdampf betrieben. Der Druck in der ersten Kolonne ist am höchsten. Daraus resultiert eine hohe Siedetemperatur. Ein Teil des Speisewassers verdampft. Der entstandene Wasserdampf ist nun entsalzt und gereinigt und verlässt die erste Kolonne als Reindampf. Dieser dient als Heizdampf für die zweite Kolonne. Das nicht verdampfte Wasser der ersten Kolonne bildet das Speisewasser der zweiten Kolonne. Das Heizdampfkondensat der ersten Kolonne wird verworfen oder der Heizdampferzeugung wieder zugeführt. Bevor das Speisewasser in die folgende Kolonne gelangt, wird es im Druck gemindert, so dass sich auch die Siedetemperatur reduziert. In der zweiten Kolonne heizt der in der ersten Kolonne erzeugte Reindampf das Speisewasser und kondensiert dabei auch wieder teilweise. Das Reindampfdestillat der zweiten Kolonne wird gedrosselt, verdampft dadurch und dient als Heizmedium für die dritte Kolonne. Der in dieser Kolonne erzeugte Dampf wird in der Kolonne gereinigt und dient der nächsten Kolonne wieder als Heizdampf. Dieser Vorgang wird in den übrigen Kolonnen wiederholt. In der letzten Kolonne herrscht annähernd Normaldruck.
Das Destillat der letzten Kolonne und der in der letzten Kolonne erzeugte Reindampf werden einem Wärmeübertrager zugeführt und auf die gewünschte Temperatur gekühlt. Als Kühlmedium wird das Speisewasser der ersten Kolonne eingesetzt. Im nicht verdampften Wasser der letzten Kolonne befinden sich die angereicherten Rückstände des Speisewassers. Dieses Wasser wird daher verworfen. Das im Destillatkühler vorgewärmte Speisewasser wird im Gegenstrom durch den Kopfraum der Destillationsstufen zur ersten Kolonne geführt, dabei stufenweise vorgewärmt und erreicht schließlich die erste Kolonne mit annähernder Betriebstemperatur.
Die Energieausbeute kann optimiert werden, indem zwischen jeder Kolonne ein Wärmeübertrager angebracht wird, so dass das Speisewasser nicht in der Destillatkolonne, sondern durch den Rücklauf des Reindampfdestillates in Stufen vorgewärmt wird. In mehrstufigen Destillationsanlagen wird also die im Dampf enthaltene Energie mehrmals ausgenutzt, indem sie als Heizdampf der nächsten Destillationsstufe dient. Deshalb ist die benötigte Heizdampfmenge zum Verdampfen von 1kg Wasser bei mehrstufigen Destillationsanlagen wesentlich geringer als bei einstufigen Anlagen. So beträgt beispielsweise die benötigte Heizdampfmenge einer dreistufigen Destillationsanlage nur etwa 1/3 der Heizdampfmenge einer einfachen Destillationsanlage. Mit zunehmender Anzahl der Destillationskolonnen wird weiter Heizdampf und Kühlwasser eingespart. Ab der siebten Kolonne sind kaum noch Einsparungen möglich. Aus diesem Grund sind Anlagen mit mehr als acht Stufen nicht am Markt.

Thermokompressionsverfahren:geringer Energiebedarf

Das dritte Verfahren unterscheidet sich deutlich von den zuvor beschriebenen Technologien. Beim Thermokompressionsverfahren wird ein Kompressor eingesetzt, d.h. diese Anlagen arbeiten nach dem Prinzip der Wärmepumpe. Das Speisewasser wird im unteren Teil der Kolonne durch Zuführen externer Energie erhitzt und verdampft. Im oberen Teil der Kolonne wird der Wasserdampf kondensiert. Das dafür notwendige Medium hat einen geringeren Druck als der Wasserdampf. Dem Wasserdampf wird durch das Kühlmedium Wärmeenergie entzogen, so dass der Dampf kondensiert und die Kondensationswärme ebenfalls auf das Kühlmedium übertragen wird. Da der Druck im Kühlmedium geringer ist als im Reinmedium, verdampft dieses dabei. Dieser Kühlmediumsdampf wird wieder verdichtet und kondensiert dabei. Aus diesem Grund hat das Kühlmedium eine hohe Temperatur und kann als Wärmemittel erneut zur Verdampfung eingesetzt werden. Nach dem Übertragen der Wärme wird das Wärmemittel wieder gedrosselt und dannals Kühlmittel für die Kondensation des Wasserdampfes eingesetzt. Das abfließende Reindampfdestillat kann zum Vorwärmen des Speisewassers genutzt werden. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Wärmeübertragers kann die Destillattemperatur eingestellt werden.

Der Vorteil dieser Anlagen ist der relativ geringe Energiebedarf und die gute Steuerung der Temperatur des erzeugten Destillates. Dieses Verfahren arbeitet wirtschaftlich im Leistungsbereich von etwa 100 bis 1000 l/h Destillat. Wird das Destillat kalt benötigt, so spricht alles für ein Thermokompressionsverfahren. Auch bei der Forderung nach kaltem und heißem Destillat besitzt diese Technologie Vorteile, da wahlweise kaltes und heißes Destillat produziert werden kann.

Tröpfchen müssen abgeschieden werden

Der Wasserdampf sollte bei allen Verfahren möglichst frei von mitgerissenen Tröpfchen sein. Es gibt folgende Möglichkeiten zur Tröpfchenabscheidung:

• Das Wasser wird durch hohen Energieeintrag schnell verdampft. Der entstehende Dampf erhält eine hohe Geschwindigkeit. Er wird durch eine in der Kolonne eingebaute Spirale geleitet. Beim Strömen des Dampfes durch die Spirale werden durch die hohen Dampfgeschwindigkeiten starke Zentrifugalkräfte erreicht. Diese werden entsprechend dem Gewicht an die Wandungen geschleudert ebenso wie eventuelle Partikel, sammeln sich dort und bilden einen Wasserfilm, der nach unten abfließen kann. Dieses Wasser sammelt sich somit wieder im Kolonnensumpf an. Der Kolonnenkopf enthält das reine, tröpfchenfreie Produkt, den Reindampf.
• Die Kolonne ist so konstruiert, dass das Wasser mit niedriger Geschwindigkeit verdampft. Dadurch werden viel weniger Partikel und Tröpfchen mitgerissen. Der Wasserdampf strömt in den Kolonnenkopf, wo mehrere Siebe unterschiedlicher Porenweite angebracht sind. Entsprechend der Porengröße werden die eventuell noch vorhandenen Partikel und Tröpfchen abgeschieden. Am Kolonnenkopf kann ebenfalls wieder der Reindampf entnommen werden.