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Neue Wege in der TOC-Messung

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21.03.2014 Qualität ist das A und O, und ganz besonders inder Hygieneprozessindustrie. In der pharmazeutischen Industrie sind die Qualitätsvorgaben für das in der Produktion eingesetzte Wasser besonders hoch.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Drei Bereiche standen bei der Weiterentwicklung des TOC-Analysators im Fokus: Die Stabilisierung der thermischen Bedingungen, die Erhöhung der Strahlungsdichte bei der Oxidation und die Optimierung des Medienflusses im System.
  • Die technischen Lösungen haben die Präzision und die Genauigkeit der direkten UV-Oxidation nachweislich verbessert. Zudem wurden die spezifischen Bedürfnisse der Pharmaindustrie betreffend den Vorgaben zu Kalibration und Verifizierung bei der Entwicklung mit berücksichtigt.

Um die Qualität des verwendeten Reinstwassers jederzeit zu gewährleisten, setzen immer mehr Arzneimittelhersteller auf eine automatisierte und kontinuierliche Überprüfung der Aufbereitungsanlagen und der Reinstwasserkreisläufe.

Als Maß für die organische Verunreinigung im Wasser dient dabei der Summenparameter TOC (Total Organic Carbon). Es existieren verschiedene Verfahren, um den organisch vorliegenden Kohlenstoff zu oxidieren und das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid zu messen. Eine der wichtigsten Methoden ist die der direkten UV-Oxidation.

In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten und Grenzen der direkten UV-Oxidation beschrieben und aufgezeigt, welche technischen Veränderungen am Messgerät AMI Line-TOC vorgenommen wurden, um die Leistung des UV-Reaktors und damit auch die Präzision des Messgerätes zu verbessern.

Derzeit sind auf dem Markt hauptsächlich folgende Methoden zur TOC-Bestimmung zu finden:

  • thermische Zersetzung mit NDIR Detektion;
  • UV-Persulfat Aufschluss mit NDIR Detektion;
  • UV-Persulfat Aufschluss mit Leitfähigkeitsdetektion;
  • direkte UV-Oxidation mit Leitfähigkeitsdetektion.

Jedes dieser Verfahren beruht auf der Oxidation des im Wasser vorhandenen organischen Kohlenstoffs und der anschließenden Messung des durch die Oxidation entstandenen Kohlenstoffdioxids. Dabei weist jede Methode spezifische Vor- und Nachteile auf, abhängig davon, wie die Oxidation und Messung technisch umgesetzt wird.

Systembedingte Nachteile eliminiert
Im Reinstwasserbereich der Pharmaindustrie kann die direkte UV-Oxidation eingesetzt werden, da die möglichen organischen Verunreinigungen nur in kleinsten Konzentrationen auftreten. Voraussetzung für eine vollständige Oxidation des vorhandenen organischen Kohlenstoffs durch die UV-Strahlung sind aber ein optimierter UV-Reaktor und die Gewährleistung der benötigten Messumgebung.

Nach der ersten Leitfähigkeitsmessung (Total Inorganic Carbon; TIC) gelangt die Probe in den UV-Reaktor. Darin wird der im Wasser vorhandene organische Kohlenstoff oxidiert und zur zweiten Leitfähigkeitsmessung (Total Carbon; TC) geleitet. Aus der Differenz zwischen den beiden Sensoren wird der TOC-Gehalt nach der folgenden Formel berechnet: TOC = TC – TIC.

Wie jede andere Methode hat auch die direkte UV-Oxidation systembedingte Nachteile:

  • eingeschränkter Messbereich (< 2µ S/cm bei 20 °C /
  • < 1 ppm TOC);
  • thermische Effekte beeinflussen die Messung ;
  • ungenügende Reproduzierbarkeit der UV-Oxidation.

Um diese systembedingten Nachteile zu vermeiden oder zu minimieren, standen bei der Weiterentwicklung des Messgerätes folgende Ziele im Vordergrund:

  • Stabilisierung der thermischen Bedingungen im Gerät;
  • Erhöhung der Strahlungsdichte bei der Oxidation;
  • Optimierung des Medienflusses im System.

Stabilisierung der thermischen Bedingungen
Bei der direkten UV-Oxidation hat die Temperatur einen sehr großen Einfluss auf das Messergebnis. Bedingt durch die Energieabgabe der UV-Lampe wird die Temperatur des Probenwassers – je nach Konstruktion – um mehr als 10 °C aufgeheizt. Diese Differenz zwischen den beiden Leitfähigkeitssensoren muss unbedingt kompensiert werden. Jede Kompensation stellt jedoch nur eine Näherung dar. Um die Abweichung möglichst klein zu halten, ist dem Reaktor deshalb ein Wärmeübertrager vorgeschaltet.

Mit dieser Maßnahme kann der Temperaturunterschied zwischen den beiden Messungen bei kleiner als 0,2 °C gehalten werden. Besonders bei Proben mit tiefen TOC-Werten wirkt sich diese Maßnahme als sehr positiv aus.

Erhöhung der Strahlungsdichte bei der Oxidation
Die heute verwendeten UV-Lampen (Hg-Niederdruck-Quarzlampen) haben einen engen Temperaturbereich, bei dem sie die volle Leistung erbringen. Dieser liegt meistens zwischen 40 bis 50 °C. Eine Änderung der Betriebstemperatur um 10 °C kann einen Leistungsverlust von bis zu 20 % nach sich ziehen.

Es ist daher von großer Bedeutung, die Lampentemperatur im optimalen Bereich zu halten. Zusätzliche Heizpatronen oder Kühlaggregate – je nach Anwendung – ermöglichen es, eine Zieltemperatur von 42 °C sehr genau einzuhalten. So wird eine maximale Strahlungsleistung und damit eine optimale und gleichmäßige Oxidation erreicht.

Optimierung des Medienflusses im System
In der klassischen Anordnung von UV-Lampe und Medienfluss wird die Probe um eine Lichtquelle herumgeführt. Streuverluste und Reflexionen lassen sich kaum vermeiden. Zudem kann im Langzeitbetrieb die Bildung von Ablagerungen und damit eine Reduktion der Strahlungsdichte an der direkt bestrahlten Seite nicht ausgeschlossen werden.

Erst durch das direkte Zusammenbringen von UV-Lampe und Probe können diese Nebeneffekte vermieden werden. Im neu entwickelten UV-Reaktor wird die Probe direkt an der Lampe entlanggeführt. Der maximale Abstand zur Lampenmitte beträgt 8 mm, die Schichtdicke beträgt nur 0.5 mm. Durch die geschlossene Konstruktion werden Streuverluste und die Produktion von Ozon verhindert.

Geräte, die in Pharma-Applikationen eingesetzt werden, müssen einen Eignungstest (System Suitability Test; SST) gemäß den maßgebenden Pharmakopöen bestehen (USP 643/EP 2.2.24). Bei Geräten mit direkter UV-Oxidation haben die aktuell verwendeten UV-Lampen eine Einsatzdauer von sechs Monaten. Jeder Lampenwechsel erfordert zwingend einen SST, somit werden also mindestens zwei Tests pro Jahr benötigt.

Der Funktionstest als Helfer
Zusätzlich zum aufwendigen SST besteht aber Bedarf nach regelmäßigen Überprüfungen des Messgeräts. Deshalb verfügt der AMI-Line TOC über einen automatischen Funktionstest.

Dieser ist im Ablauf dem bekannten SST angeglichen und ermöglicht das Validieren des Messgeräts in frei bestimmbaren Intervallen. Es werden hochkonzentrierte Lösungen – Saccharose und Benzochinon – verwendet, die bis zu drei Monate haltbar sind. Die Lösungen werden erst zum Zeitpunkt des Tests mit Probenwasser über die eingebaute Peristaltik-Pumpe verdünnt. Die grundsätzliche Funktion des Instruments kann damit, ohne Eingriff oder Veränderung von außen sehr einfach überprüft werden.

Eine zusätzliche Erleichterung ist die Möglichkeit, auch Handproben durch das Messgerät überprüfen zu lassen. Beim AMI-Line-TOC wird die Probe von einer Peristaltik-Pumpe durch das Gerät gesogen. Handproben können dadurch sehr einfach angeschlossen und sogleich per Knopfdruck vermessen werden.

 

Weiterführende
Literatur

Die Richtlinien im Einzelnen
USP<643>, „Total Organic Carbon“, United States Pharmacopoeia 36-NF 31, U.S. Pharmacopeial Convention Inc., Rockville, Md. (2013).
USP<645>, „Water Conductivity“, United States Pharmacopoeia 36-NF 31, U.S. Pharmacopeial Convention Inc., Rockville, Md. (2013).
USP<1231>, „Water for Pharmaceutical Purposes“, United States Pharmacopoeia 36-NF 31, U.S. Pharmacopeial Convention Inc., Rockville, Md. (2013).
EP 2.2.38, „Conductivity“, European Pharmacopoeia, vol. 7.0, Council of Europe, Strasbourg, France (2013).
EP 2.2.44, „Total Organic Carbon in Water for Pharmaceutical Use“, European Pharmacopoeia, vol. 7.0, Council of Europe, Strasbourg, France (2013).

 

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Heftausgabe: März 2014
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Über den Autor

Roger Schmid, Application Manager UPW & Pharma SwanAnalytische Instrumente
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