Корзина (0)
В корзине пусто!
Рауш эффект – удаление красных отложений в фармацевтических системах водоподготовки

Рауш эффект – удаление красных отложений в фармацевтических системах водоподготовки

412
0
7 Января, 2020

Рауш эффект в фармацевтике

Рауш эффект, который описывает наличие поверхностного слоя оксида железа, – явление, которое часто затрагивает фармацевтические и больничные системы водоснабжения, изготовленные из нержавеющих компонентов. Данные отложения представляют особый риск для систем высокой степени очистки воды, таких как вода для инъекций или очищенная вода (получаемых дистилляцией или обратным осмосом). Аналогичный эффект может возникнуть в системах чистого пара. Опыт показывает, что образование красного осадка чаще всего встречается в системах впрыска воды, работающих при температуре 60°C и выше. Такая вода должна иметь низкую проводимость (менее 1,25 мкСм/см), чтобы снизить уровень ионов. Несмотря на то что это означает, что коррозионные свойства воды этой категории намного ниже, чем у воды любого другого типа, по-прежнему имеет место образование оксидов железа на поверхности.

Рауш эффект – химическое развитие оксида железа, а "осадок" используется для описания накопления отложений красного цвета на внутренней поверхности трубопровода или внутри резервуаров. Хотя сам осадок является результатом оксида железа, участки этого слоя также могут содержать хром, никель и молибден в окисленных формах. Эти оксиды различаются по составу, степени окисления, цвету, текстуре и адгезии.

Несмотря на то что оценка этого эффекта в настоящее время не является параметром для оценки в рамках любой из основных фармакопей, она остается важной темой для фармацевтических организаций. Риск, который возникает из-за его проявления, состоит в том, что может произойти загрязнение продукта из-за присутствия твердых частиц. Также можно добавить к этому, что есть влияние на качество воды, поскольку эти отложения могут быть источником загрязнений, которые приводят к химическому ухудшению качества воды. Кроме того, накопление побочных продуктов отложений может привести к эксплуатационным проблемам, включая блокировки фильтров. Если происходит более серьезная локальная коррозия (точечная коррозия), это может привести к более серьезным эксплуатационным проблемам. Кроме того, ямки и поврежденные поверхности могут способствовать прикреплению бактерий, и такие условия могут способствовать образованию биопленки.

Зачастую просто невозможно избежать подобных отложений. Формирование красного осадка на поверхности стали – это устойчивый химический процесс, который происходит во всех металлических системах трубопроводов, контактирующих с водой, и все нержавеющие стали со временем подвергаются коррозии, поскольку незначительные защитные частицы теряются в процессе эксплуатации и электрохимические потенциалы возрастают. Что меняется, так это скорость реакции. Процесс усугубляется высокой температурой и определенными составами металлов.

В этой статье обсуждается химическая природа образования подобного явления и обсуждаются некоторые шаги, которые можно выполнить для их удаления, а также ключевые моменты при проектировании системы, которые могут предотвратить (или, скорее, замедлить) их развитие.

Образование ржавчины (Рауш эффект)

Появление отложений может происходить в системах горячей воды высокой чистоты, в которых трубопровод или резервуар изготовлены из нержавеющей стали. Этот эффект может распространяться на дистилляционные установки, резервуары, системы распределения (трубопроводы, клапаны, корпуса насосов, фитинги и т. д.) и технологические емкости. Рауш эффект выглядит как тонкий красный, или иногда черный, порошкообразный осадок. Иногда порошкообразная композиция выглядит как слизистая. Это не следует путать с биопленкой.

Под понятием "биопленка" описывается явление, когда необратимая бактериальная адгезия происходит через взаимодействия между внеклеточными микробными структурами, выделениями и поверхностью. Бактериальные клетки выделяют полисахарид, известный как гликокаликс (гидратированные полимерные слизистые матрицы), который впоследствии позволяет бактерии инкапсулировать себя на поверхности, а последующие взаимодействия приводят к образованию биопленки, отдельного микробного сообщества.

Данный эффект скорее физико-химический, чем биологический. Состоит он из оксидов железа и продуктов гидроксидной коррозии с различными степенями окисления. Появление оттенков от красного до черного относится к различным комбинациям и состояниям продуктов коррозии иона (Fe3+) и оксида железа (III).

Химически процесс включает превращение ионов Fe2+. Эти ионы легко растворимы, однако, когда они окисляются и превращаются в ионы Fe3+, эти ионы нерастворимы и приводят к образованию оксидов (Fe2O3 и Fe3O4) и гидроксидов, таких как оксид железа (Fe2O3.H2O) (что иногда называют гематитом). Это эквивалентная реакция на процесс коррозии углеродистых сталей (ржавчина – оксид железа, образующийся в результате окислительно-восстановительной реакции железа и кислорода в присутствии воды или влаги воздуха). С точки зрения физических эффектов – шероховатость поверхности и толщина слоя оксида железа увеличиваются с увеличением серьезности отложений.

В отличие от полномасштабной ржавчины, отложения могут быть вытерты тканью, однако это изменится, если не будут предприняты действия в отношении конкретной области трубопроводов, которая подвержена нарушению. Толстые слои имеют толщину от 0,1 до 10 мкм, при этом только более тонкие пленки должны рассматриваться как загрязнение. Более крупные и стабильные пленки классифицируются как ржавчина.

Механизм, который приводит к нарушению правил, не полностью понят. Большинство исследований показывают, что это связано с дестабилизацией пассивного слоя на нержавеющей стали. Прежде чем смотреть на дестабилизацию, необходимо рассмотреть вопрос подготовки нержавеющей стали.

Нержавеющая сталь считается "нержавеющей", потому что сплав образует тонкую, защитную, прозрачную пленку оксида хрома, которая защищает металл от разрушительных коррозийных частиц в водных растворах. Формирование защитного слоя называется пассивацией, и это защищает металл от окрашивания и коррозии. Здесь пассивация определяется как образование пленки оксида хрома. Эта пленка блокирует поверхностную коррозию, предотвращая диффузию кислорода к стальной поверхности. Кроме того, он предотвращает распространение коррозии во внутреннюю структуру металла. Чтобы произошла пассивация, содержание хрома должно быть достаточно высоким, и должен присутствовать кислород.

Чтобы классифицироваться как "нержавеющая" сталь, она должна содержать не менее 10,5% хрома по массе. Нержавеющая сталь не полностью защищена от пятен в средах с низким содержанием кислорода, солености или плохой циркуляцией воздуха.

При временной потере пассивации ионы в проходящей воде взаимодействуют с ионами во внешнем покрытии трубопровода или резервуара-накопителя. Эти конструкции из нержавеющей стали обычно покрыты хромом. Ионное притяжение воды иногда может быть достаточно сильным, чтобы отделить защитный оксид хрома от стальной поверхности. Это взаимодействие иногда вызывает нарушения в покрытии, что приводит к коррозии подстилающей нержавеющей стали, до того как пассивный слой будет "герметичен". Основными элементами, составляющими нержавеющую сталь, являются железо, хром и никель. Это железо, которое реагирует с водой, и именно эта последующая химическая реакция вызывает появление осадка. Тем не менее, процесс удаления пассивации / повторной пассивации должен происходить много раз, чтобы можно было наблюдать видимые изменения.

Альтернативная причина этого процесса была выдвинута Францем. В ходе эксперимента исследовательская группа в течение 6 недель выставляла большие площади частично погруженных образцов из нержавеющей стали в кипящую воду. Благодаря этому процессу в лаборатории было воспроизведено красноватое покрытие. Исследователи пришли к выводу, что на степень подготовленности влияли атмосфера применяемого газа и качество поверхности образцов (отделка). Важно отметить, что ни на одном из исследуемых образцов не было видимых признаков локальной коррозии, что свидетельствует о том, что образование осадка является результатом пассивного растворения пленки и повторного осаждения богатых железом отложений.

В итоге выявлено, что на процесс образования отложений влияют:

  • Содержание кислорода в воде и рН.

    На относительную растворимость в воде ионов железа Fe2+ и железа Fe3+ влияет рН, и это также учитывает диапазон образующихся цветов отложений (в условиях, когда рН < 7).

  • Наличие каких-либо железных загрязнений в системах.

  • Тип отделки поверхности (степень шероховатости поверхности).

  • Неметаллические уровни включения в стали.

  • Сварочные дефекты, мусор, термический оттенок (сварочные окислы) или неправильно очищенные участки.

  • Горячая технологическая вода (> 60°C).

    Причина того, что горячая вода имеет больший эффект, чем холодная вода, заключается в том, что местной пассивации способствует значительно уменьшенное количество растворенного кислорода в горячей воде, а также сильно увеличенная способность к растворению ионов из-за чистоты воды фармацевтической чистоты. Кроме того, повышенные температуры заставляют атомы железа все больше диффузировать к поверхности и реагировать с кислородом, присутствующим на поверхности, с образованием оксидов и гидроксидов.

Каждый из них соответствует взаимодействию между водой и открытой нержавеющей сталью.

Борьба с оксидными отложениями (Рауш эффектом)

На ранних стадиях трудно обнаружить появление отложений. Визуальный осмотр с использованием ручного фонарика может быть использован для оценки таких отложений, хотя это качественное выражение. Нелегко количественно оценить их степень на этих ранних стадиях проявления. Приборы могут использоваться для интервальной выборки или в режиме онлайн для обнаружения появления на разных этапах. Некоторые датчики функционируют, измеряя коэффициент отражения или блеск поверхности нержавеющей стали с помощью источника света.

Как только отложения были обнаружены, может быть предпринято их удаление. Это требует простоя производства. Процессы механической очистки, предназначенные для удаления видимых частиц, свободно прилипших к поверхности, обычно ограничиваются легко доступными участками.

Помимо ручной очистки, двумя наиболее часто используемыми средствами для удаления отложений являются:

  • Неорганические кислоты.

    Среди кислот чаще всего используется азотная кислота. Другие кислоты, используемые для повторной пассивации, включают растворы фосфорной, лимонной или других окисляющих кислот. Использование этих кислот может при правильном использовании восстановить коррозионную стойкость систем из нержавеющей стали путем удаления или полного повторного окисления поврежденного слоя нержавеющей стали. При использовании кислот необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить поверхность. Органических кислот, как правило, избегают, поскольку такие кислоты не обладают той же растворимостью, что и высококонцентрированные минеральные кислоты.

  • Хелатирующие агенты.

    Хелаты, химические соединения, состоящие из иона металла и хелатирующего агента, известны своей способностью удалять определенные катионы, такие как железо. Примером является этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА). Основная проблема с хелатами заключается в том, что реакция, которая удаляет окисленный металл, не является самозавершающейся. Хелат будет продолжать растворять поверхностный металл даже после удаления корродированного оксидного покрытия. Это означает, что его необходимо удалить после истечения определенного периода времени.

Альтернативой кислотам и хелатам являются нейтральные моющие растворы, содержащие дитионит и/или дисульфит. Все химические вещества, используемые для удаления отложений, представляют экологическую проблему.

После обработки можно предпринять различные шаги, чтобы снизить риск повторного возникновения этих отложений. Это включает:

Несмотря на реализованные методы защиты поверхности, существует риск возникновения отложений с течением более длительного периода времени, и следует периодически проверять систему.

Ограничение скорости образования отложений

Водные системы могут быть спроектированы так, чтобы снизить вероятность появления отложений.

К подобным мерам относятся:

  • Тип используемой нержавеющей стали

    Выбор подходящего сорта нержавеющей стали важен. Низколегированные марки нержавеющей стали не подходят для фармацевтических производств из-за их склонности к коррозии. Минимальная допустимая марка стали для системы горячего водоснабжения высокой чистоты – нержавеющая сталь типа SAE (Общество инженеров-автомобилестроителей) 304. Лучше использовать марку 316L, что обеспечит более высокую защиту (и очень редко более высокий указанный вариант C-276 из сплава с высоким содержанием Ni-Cr-Mo). Это связано с тем, что дополнительный никель обеспечивает большую стабильность пассивного слоя. Кроме того, дополнительный молибден улучшает устойчивость к микропиттингу, а также укрепляет материал от воздействия хлора. Оба эти фактора были связаны с защитой от перенапряжения. При использовании нержавеющей стали углеродистая сталь никогда не должна соприкасаться с нержавеющей. Это может привести к образованию ржавчины. Нержавеющая сталь отличается от углеродистой количеством присутствующего хрома. Это различие очевидно, поскольку незащищенная углеродистая сталь легко ржавеет при воздействии воздуха и влаги.

  • Отделка поверхности

    Гладкая поверхность необходима не только для предотвращения образования микробной биопленки; гладкие поверхности также помогают избежать образования отложений. Это происходит потому, что на их количество, которое появляется в системе, может влиять шероховатость металлических поверхностей. Гладкость создается путем электрополировки, что дополнительно повышает устойчивость пассивного слоя. Электрополировка удаляет эти микроскопические трещины и создает пассивный слой с более высоким отношением хрома к железу.

    Отделка поверхности может быть проверена путем изучения срезов нержавеющей стали различными методами, включая рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), энергодисперсионную спектроскопию (EDS) и сканирующую электронную микроскопию (SEM). Здесь SEM позволяет проводить подробный визуальный осмотр поверхности; EDS позволяет проводить точечный анализ поверхностных аномалий; и XPS позволяет послойно анализировать отложения и идентифицировать молекулярные виды.

  • Недостатки поверхности

    Поверхностные дефекты от неметаллических включений также могут быть участками, где пассивный слой может разрушаться и становиться участками зарождения коррозии. Учитывая, что неметаллические включения, такие как сульфиды и оксиды, являются неотъемлемым результатом производства сплавов, следует провести обзор, чтобы убедиться, что нержавеющая сталь, используемая для водной системы, имеет надлежащее качество.

    Другие важные производственные проблемы включают локализованную коррозию в уязвимых областях пассивной пленки; плохая сварка, в том числе теплоизоляция; различные поверхностные загрязнители, такие как частицы мягкой стали; и остатки шлифовальной пыли с наждачных кругов.

  • Загрязнение железом

    Загрязнение железом или перенос продукта коррозии с других частей системы из нержавеющей стали приведет к образованию отложений. Это происходит из-за коррозии железа (как ржавчины) в водной среде. Эта коррозия обеспечивает источник ионов (Fe3+), которые, как обсуждалось выше, могут образовывать продукты в виде отложений.

  • Работа системы

    Скорость образования отложений может возникать из-за работы системы, связанной с расходом и давлением воды, точками использования, колебаниями температуры воды и проблемами подачи или подпитки. Чрезмерные скорости и неэффективность насоса в системах горячего водоснабжения приводят к кавитации насоса, и это также может привести к образованию отложений.

  • Ограничение использования нержавеющей стали

    Вместо нержавеющей стали можно использовать термопластичные пластмассы, хотя они подходят не всем. Пластмассы не подвержены отложениям и не требуют пассивации. Подходящие материалы включают поливинилденфторид (PVDF) и полипропилен (PP). Пластмассы требуют тщательной оценки в отношении рабочей температуры и давления.

  • Рабочая атмосфера

    Отложения могут быть предотвращены с помощью контролируемой атмосферы, которая не содержит углекислого газа. Например, это может быть контролируемая атмосфера – смесь около 80% азота и около 20% кислорода. Такие атмосферы могут быть созданы для небольших и специальных применений.

  • Температура воды

    Снижение температуры контура распределения теоретически может снизить коррозию и образование отложений. Однако следует позаботиться о том, чтобы снижение температуры не приводило к потере микробного контроля.

Заключительные рекомендации

В этой статье обсуждалась проблема образования отложений и влияния их на фармацевтическую и медицинскую деятельность. Рауш эффект является важной темой, поскольку он может повлиять на качество продукта и привести к неэффективности всего технологического оборудования. По этим причинам руководители и квалифицированный персонал должны измерять и оценивать образование отложений через определенные промежутки времени и предпринимать действия в тех случаях, когда развивается образование отложений, посредством операций по их удалению и повторной химической пассивации технологических линий. На рынке есть устройства для оценки скорости образования отложений в микронах/месяц и накопления цвета в микронах (0,001 – 10 мкм).

Частота проведения подобных тестов на производстве варьируется. Как указывает Collentro, одна конкретная линия хранения и распределения WFI, поддерживающая температуру воды 80-85°C, может демонстрировать экстенсивное образование отложений и, следовательно, будет нуждаться в ежегодной очистке и повторной пассивации; в то время как аналогичная система на другом объекте может работать в течение двух-четырех лет, прежде чем будут отмечены первые признаки возникновения отложений. Важным моментом здесь является понимание системы водоснабжения и установка соответствующей частоты проверки.

412
0
7 Января, 2020
Ваш комментарий будет первым