Таблица 1: Методы получения воды для инъекций (WFI)
| Метод | Описание технологии | Преимущества | Недостатки | Регуляторный статус |
|---|---|---|---|---|
| Дистилляция (множественного эффекта) | Многоступенчатое испарение и конденсация воды при температуре выше 100°C | Полная микробиологическая безопасность, надежность, самосанитизация процессом | Высокие энергозатраты, большие габариты оборудования, требуется пар | Одобрен USP, EP, JP (традиционный метод) |
| Паровая компрессия (VC) | Дистилляция с использованием механического компрессора для рециркуляции пара | Меньшее энергопотребление чем MED, компактность, использование электричества | Наличие подвижных частей, требует технического обслуживания | Одобрен USP, EP, JP |
| Обратный осмос + ЭДИ + УФ (RO+EDI+UF) | Многоступенчатая мембранная очистка при комнатной температуре | Низкие энергозатраты, компактность, не требуется пар, экологичность | Требует тщательной санитизации, риск микробиологического загрязнения, необходим контроль целостности мембран | Одобрен USP с 1987 г., EP с 2017 г. Китай: пока только дистилляция (возможны изменения) |
| Комбинированная система (RO предочистка + дистилляция) | Использование RO для подготовки питательной воды перед дистиллятором | Оптимальная защита дистиллятора, высокое качество конечного продукта | Повышенные капитальные затраты, сложность системы | Одобрен всеми фармакопеями |
Таблица 2: Требования качества WFI по международным стандартам
| Параметр | USP (США) | EP (Европа) | Метод контроля | Частота тестирования |
|---|---|---|---|---|
| Электропроводность | ≤1.3 µS/cm при 25°C | ≤1.1 µS/cm при 20°C | Онлайн-мониторинг проводимости | Непрерывно |
| Общий органический углерод (TOC) | ≤500 ppb (µg/L) | ≤500 ppb (µg/L) | Онлайн TOC-анализатор | Непрерывно или ежедневно |
| Эндотоксины (пирогены) | ≤0.25 EU/mL | ≤0.25 EU/mL | LAL-тест (Limulus Amebocyte Lysate) | Еженедельно минимум |
| Биобурден (микробная нагрузка) | ≤10 CFU/100 mL (уровень действия) | ≤10 CFU/100 mL | Мембранная фильтрация с культивированием | Еженедельно минимум |
| pH | 5.0 - 7.0 | 5.0 - 7.0 | pH-метр | По требованию |
| Тяжелые металлы | Не требуется (с 1996 г.) | Не требуется в монографии WFI | ICP-MS (при необходимости) | Валидация системы |
| Нитраты | Не требуется | Не требуется в монографии WFI | - | - |
Таблица 3: Режимы хранения и циркуляции WFI
| Режим системы | Температура хранения | Температура циркуляции | Минимальная скорость потока | Методы контроля микробиологии |
|---|---|---|---|---|
| Горячая система (Hot WFI) | 80-85°C | 75-90°C | ≥1.2 м/с в обратной линии | Температурный контроль, периодическая стерилизация паром ≥121°C |
| Холодная система с озонированием | 15-25°C | 15-25°C | ≥1.2 м/с (турбулентный поток) | Озон + УФ-обработка, периодическая термическая санитизация |
| Комбинированная система | 80-85°C | Горячая основная петля, холодные ответвления с теплообменниками | ≥1.2 м/с | Температурный контроль основной петли, санитизация ответвлений |
Пример расчета скорости потока
Исходные данные:
Диаметр трубопровода: 50 мм (0.05 м)
Требуемая минимальная скорость: 1.2 м/с
Расчет:
Площадь сечения трубы = π × (D/2)² = 3.14 × (0.05/2)² = 0.00196 м²
Минимальный объемный расход = Скорость × Площадь = 1.2 м/с × 0.00196 м² = 0.00235 м³/с
Минимальный объемный расход = 0.00235 × 3600 = 8.47 м³/час
Вывод: Для трубопровода диаметром 50 мм требуется насос с производительностью не менее 8.5 м³/час для обеспечения турбулентного потока.
Таблица 4: Методы санитизации систем WFI
| Метод санитизации | Параметры процесса | Продолжительность | Эффективность | Применимость |
|---|---|---|---|---|
| Чистый пар (Pure Steam) | ≥121°C при давлении 1-2 бар | 30-60 минут выдержки | Полная стерилизация, уничтожение спор | Емкости и трубопроводы из SS 316L, требует дренажа воды |
| Перегретая вода (Superheated Water) | ≥121°C под давлением 2-3 бар | 30-60 минут выдержки | Полная стерилизация, равномерный прогрев | Вся система, не требует дренажа, предпочтительный метод |
| Горячая вода (Hot Water) | 80-90°C | 1-4 часа циркуляции | Санитизация (не стерилизация), контроль биопленки | Регулярная санитизация, мембранные системы |
| Озонирование | 0.5-5 ppm озона в воде, контакт 10-30 минут | Циклы по 30-60 минут | Эффективное окисление биопленки, бактерицидное действие | Холодные системы, требует УФ-деструкции остаточного озона |
| Химическая санитизация (перекись водорода) | 3-6% H₂O₂, циркуляция при комнатной температуре | 1-2 часа, затем тщательная промывка | Хорошая против биопленки, требует полного удаления | Превентивная санитизация, петли раздачи |
| Надуксусная кислота | 0.1-0.5% раствор | 1-2 часа, промывка | Эффективна против широкого спектра микроорганизмов | Холодные системы, требует тщательной промывки |
Таблица 5: Материалы и компоненты систем WFI
| Компонент системы | Материал | Требования к качеству поверхности | Стандарты |
|---|---|---|---|
| Трубопроводы (контакт с продуктом) | Нержавеющая сталь AISI 316L | Электрополировка Ra ≤0.4 µm (предпочтительно ≤0.3 µm) | ASME BPE, ISO 1127 |
| Емкости хранения | Нержавеющая сталь AISI 316L | Внутренняя поверхность электрополированная Ra ≤0.4 µm | ASME BPE |
| Соединения трубопроводов | AISI 316L | Орбитальная сварка в среде аргона 99.99% | ASME BPE, проверка боровидеоскопом |
| Насосы (контакт с продуктом) | AISI 316L | Санитарное исполнение, полная дренируемость | 3-A Sanitary Standards |
| Запорная арматура | AISI 316L (корпус), PTFE/EPDM (уплотнения) | Диафрагменные клапаны, мертвые зоны ≤1.5D | ASME BPE |
| Теплообменники | AISI 316L | Двойная трубная решетка (DTS), дренируемые | ASME BPE |
| Фильтры (предфинальные) | Корпус 316L, мембраны PVDF/PES | 0.2 µm абсолютная фильтрация, тест целостности | USP <1223> |
| Датчики и КИПиА | Контакт с продуктом: 316L | Санитарное исполнение, автоклавируемые | FDA 21 CFR Part 11 |
Пример проектирования уклона трубопровода
Задача: Обеспечить 100% дренируемость петли WFI длиной 50 метров.
Требование: Минимальный уклон 1:100 (1% или 0.57°)
Расчет:
Перепад высоты = Длина × Уклон = 50 м × 0.01 = 0.5 м (500 мм)
Решение: При прокладке 50-метрового участка трубопровода разница высоты между верхней и нижней точками должна составлять не менее 500 мм. Все трубопроводы должны иметь уклон в сторону точек дренажа для обеспечения полного слива при санитизации паром.
Оглавление статьи
- 1. Введение в системы Water For Injection (WFI)
- 2. Методы получения воды для инъекций
- 3. Требования международных стандартов к качеству WFI
- 4. Системы хранения и распределения WFI
- 5. Материалы и конструкция систем WFI
- 6. Контроль качества и мониторинг параметров WFI
- 7. Санитизация и валидация систем WFI
- Часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Введение в системы Water For Injection (WFI)
Вода для инъекций (Water For Injection, WFI) представляет собой высокоочищенную воду, используемую в фармацевтической и биотехнологической промышленности для производства парентеральных лекарственных препаратов, растворов для инъекций, а также для финальной промывки оборудования и контейнеров. WFI является критически важным сырьем в производстве стерильных препаратов, и к ее качеству предъявляются наиболее строгие требования среди всех типов фармацевтической воды.
Системы получения, хранения и распределения WFI должны соответствовать требованиям международных фармакопей, включая Фармакопею США (United States Pharmacopeia, USP), Европейскую Фармакопею (European Pharmacopoeia, EP) и Японскую Фармакопею (Japanese Pharmacopoeia, JP). В 2025 году USP продолжает обновление общей главы 1231 "Вода для фармацевтических целей", уточняя требования к онлайн-мониторингу, удалению озона и управлению добавленными веществами. Основное отличие WFI от других типов очищенной воды заключается в жестких ограничениях по содержанию эндотоксинов и микробной контаминации. Эндотоксины - это липополисахариды клеточных стенок грамотрицательных бактерий, которые даже в микроскопических количествах могут вызывать пирогенные реакции у пациентов.
Исторически в Европе единственным допустимым методом получения WFI была дистилляция, что обеспечивало полную микробиологическую безопасность за счет фазового перехода вода-пар. Однако в 2017 году Европейская Фармакопея пересмотрела монографию WFI 0169, разрешив использование мембранных технологий при условии, что качество получаемой воды эквивалентно или превосходит качество дистиллированной воды. Это изменение привело к расширению возможностей для фармацевтических производителей и открыло путь к более энергоэффективным решениям.
Современные системы WFI представляют собой сложные инженерные комплексы, включающие этапы предварительной подготовки воды, непосредственного получения WFI, хранения в специализированных емкостях и распределения по петлевому контуру к точкам потребления. Критически важными аспектами являются поддержание микробиологической чистоты системы, предотвращение образования биопленки, контроль химических параметров и регулярная санитизация всех компонентов системы.
2. Методы получения воды для инъекций
Дистилляционные методы
Дистилляция остается наиболее распространенным и надежным методом получения WFI во всем мире. Процесс основан на испарении воды с последующей конденсацией пара, при этом практически все примеси, включая ионы, органические вещества, микроорганизмы и эндотоксины, остаются в жидкой фазе. Существуют два основных типа дистилляторов для производства WFI.
Дистилляторы множественного эффекта (Multiple Effect Distillation, MED) используют серию последовательно соединенных испарительных колонн. Пар, образующийся в первой колонне, используется для нагрева воды в последующих колоннах, что обеспечивает энергетическую эффективность процесса. Современные MED-системы могут иметь от 4 до 8 эффектов, обеспечивая производительность от 100 литров до нескольких кубометров в час. Главным преимуществом MED является отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность и минимальные требования к техническому обслуживанию. Однако данные системы требуют значительных площадей для установки и потребляют существенное количество технического пара.
Дистилляторы с паровой компрессией (Vapor Compression Distillation, VCD) используют механический компрессор для сжатия пара, что повышает его температуру и позволяет использовать его для испарения новых порций воды. VCD-системы более компактны по сравнению с MED и могут работать на электроэнергии без необходимости подачи технического пара, что делает их привлекательными для предприятий без собственной котельной. Однако наличие компрессора с вращающимися элементами требует регулярного технического обслуживания и создает потенциальный источник отказов.
Мембранные технологии
Мембранные методы получения WFI обычно включают комбинацию нескольких технологий очистки. Типичная схема включает двухступенчатый обратный осмос (Reverse Osmosis, RO), электродеионизацию (Electrodeionization, EDI) и ультрафильтрацию (Ultrafiltration, UF). Каждая из этих технологий выполняет специфическую функцию в процессе очистки. Важно отметить, что на момент 2025 года в Китае разрешена только дистилляция для производства WFI, хотя ведутся обсуждения о возможном изменении регуляторных требований в будущем.
Обратный осмос удаляет до 98-99% растворенных солей, органических веществ и микроорганизмов. Использование двух последовательных ступеней RO обеспечивает дополнительную защиту и компенсацию возможных дефектов мембран первой ступени. Электродеионизация обеспечивает глубокое обессоливание воды без использования химических реагентов, что исключает риск химической контаминации. EDI-модули работают при высоких значениях pH внутри системы, что также способствует снижению микробной нагрузки.
Ультрафильтрация с размером пор 0.01-0.02 микрона обеспечивает финальное удаление эндотоксинов, вирусов и бактерий. Молекулярная масса отсечки UF-мембран обычно составляет 5000-10000 Дальтон, что гарантирует задержание эндотоксинов (молекулярная масса 10000-1000000 Дальтон). Критически важным является регулярное проведение тестов целостности UF-мембран для подтверждения отсутствия дефектов.
Главным преимуществом мембранных систем является низкое энергопотребление, отсутствие необходимости в техническом паре и компактность оборудования. Однако мембранные системы требуют более тщательного контроля микробиологических параметров, так как процесс протекает при комнатной температуре, создавая благоприятные условия для роста микроорганизмов. Современные мембранные системы для WFI обязательно должны быть термосанитизируемыми, то есть способными выдерживать периодическую обработку горячей водой при температуре 80-85°C.
3. Требования международных стандартов к качеству WFI
Требования к качеству воды для инъекций определяются монографиями международных фармакопей. Основные параметры контроля включают электропроводность, общий органический углерод (TOC), эндотоксины и микробную нагрузку. Фармакопея США (USP) в общей главе 1231 "Вода для фармацевтических целей" и Европейская Фармакопея в монографии 0169 "Вода для инъекций" устанавливают практически идентичные требования к качеству WFI.
Электропроводность является ключевым показателем чистоты воды от ионных примесей. USP устанавливает поэтапную систему контроля проводимости. На первом этапе измеряется проводимость при фактической температуре образца - при 25°C она не должна превышать 1.3 µS/cm, при 0°C - 0.6 µS/cm, при 100°C - 4.7 µS/cm. Если образец не соответствует требованиям первого этапа, проводится второй этап с приведением температуры к 25°C, при этом допустимый предел составляет 2.1 µS/cm. Европейская Фармакопея устанавливает требование проводимости не более 1.1 µS/cm при 20°C, что эквивалентно требованию USP.
Общий органический углерод (Total Organic Carbon, TOC) отражает суммарное содержание органических веществ в воде. Предел TOC установлен на уровне 500 ppb (500 микрограмм на литр) как в USP, так и в EP. Это значение является очень жестким требованием и гарантирует практически полное отсутствие органической контаминации. Современные онлайн TOC-анализаторы позволяют проводить непрерывный мониторинг данного параметра, что критически важно для раннего выявления отклонений в работе системы.
Контроль эндотоксинов является ключевым отличием WFI от других типов фармацевтической воды. Предел эндотоксинов установлен на уровне 0.25 EU/mL (единиц эндотоксинов на миллилитр), что в 100 раз ниже порога пирогенной реакции для большинства пациентов. Тест на эндотоксины проводится методом LAL (Limulus Amebocyte Lysate) с использованием лизата амебоцитов мечехвоста. Частота тестирования должна быть не реже одного раза в неделю, а при наличии критических процессов - ежедневно.
Микробная нагрузка (биобурден) контролируется методом мембранной фильтрации с последующим культивированием на питательных средах. Уровень действия (Action Level) установлен на уровне 10 CFU/100 mL (колониеобразующих единиц на 100 миллилитров). Это означает, что при превышении данного значения должно быть проведено внеплановое расследование и определены корректирующие действия. На практике многие предприятия устанавливают более строгие внутренние уровни предупреждения (Alert Level) на уровне 1-5 CFU/100 mL для своевременного выявления тенденций к ухудшению микробиологического качества.
4. Системы хранения и распределения WFI
После получения вода для инъекций поступает в систему хранения и распределения, которая представляет собой замкнутую петлевую схему с непрерывной циркуляцией. Основная задача системы - доставка WFI требуемого качества к точкам потребления при одновременном предотвращении микробной контаминации и образования биопленки. Существуют два основных подхода к организации систем хранения и распределения WFI: горячие системы и холодные системы с дополнительными средствами контроля микробиологии.
Горячие системы WFI
Горячие системы являются наиболее распространенным решением в мировой фармацевтической практике. Вода хранится в изолированной емкости при температуре 80-85°C и циркулирует по петле при температуре 75-90°C. Поддержание высокой температуры обеспечивает постоянную санитизацию системы, так как большинство вегетативных форм микроорганизмов погибают при температуре выше 70°C в течение нескольких минут. Термофильные бактерии, способные выживать при таких температурах, характеризуются медленным ростом и обычно не представляют проблемы при регулярном мониторинге.
Критически важным параметром горячих систем является обеспечение минимальной скорости потока в обратной линии циркуляционной петли. Рекомендуемое значение составляет не менее 1.2 м/с, что соответствует режиму турбулентного течения при числе Рейнольдса выше 4000. Турбулентный поток предотвращает застойные зоны и обеспечивает постоянное обновление пристеночных слоев жидкости, что препятствует адгезии микроорганизмов к поверхности трубопроводов.
В точках потребления устанавливаются теплообменники двойной трубной решетки (Double Tube Sheet, DTS), которые охлаждают WFI до требуемой процессом температуры. Конструкция DTS исключает возможность перекрестной контаминации между охлаждающей средой и продуктовой водой даже при повреждении теплообменных трубок. После охлаждения вода возвращается в горячую петлю, где снова нагревается до температуры циркуляции.
Холодные системы с озонированием
Холодные системы WFI работают при температуре 15-25°C и используют озон для контроля микробиологии. Озон является мощным окислителем, который эффективно уничтожает микроорганизмы, разрушает биопленку и снижает содержание органического углерода. Концентрация озона в воде обычно поддерживается на уровне 0.2-0.5 ppm при непрерывной генерации или повышается до 2-5 ppm при периодической санитизации.
Озон генерируется непосредственно на месте использования методом коронного разряда или электролиза и подается в возвратную линию циркуляционной петли перед емкостью хранения. Перед точками потребления устанавливаются УФ-деструкторы, которые разлагают остаточный озон до кислорода, так как присутствие озона в финальной воде недопустимо по требованиям фармакопей (вода не должна содержать добавленных веществ). Согласно обновленной USP 1231 (2025), озон должен быть снижен до уровня ниже предела обнаружения перед использованием воды в фармацевтических процессах. Эффективность деструкции озона должна обеспечивать его снижение до уровня ниже предела обнаружения (обычно менее 0.01 ppm).
Холодные системы требуют более интенсивного мониторинга микробиологических параметров и обязательной периодической термической санитизации. Рекомендуемая частота горячей санитизации для холодных систем составляет не реже одного раза в неделю, при этом вся система нагревается до 80-85°C и выдерживается при данной температуре не менее 2-4 часов. Это позволяет уничтожать возможные озоноустойчивые микроорганизмы и предотвращать накопление биопленки в труднодоступных зонах.
5. Материалы и конструкция систем WFI
Выбор материалов для систем WFI является критически важным фактором, определяющим надежность и качество получаемой воды. Основным материалом для всех компонентов, контактирующих с продуктом, является аустенитная нержавеющая сталь марки AISI 316L. Буква L в маркировке означает низкое содержание углерода (Low Carbon, менее 0.03%), что минимизирует риск межкристаллитной коррозии при сварке и эксплуатации при высоких температурах.
Качество обработки внутренней поверхности трубопроводов и оборудования определяется параметром шероховатости Ra (среднее арифметическое отклонение профиля). Стандарт ASME BPE (Bio-Processing Equipment) устанавливает максимально допустимое значение Ra не более 0.8 µm для трубопроводов фармацевтической воды, однако для систем WFI рекомендуется более жесткое требование Ra не более 0.4 µm, достигаемое электрохимической полировкой. Некоторые производители применяют еще более высокие стандарты с Ra менее 0.3 µm для минимизации адгезии микроорганизмов.
Соединение элементов трубопроводов должно осуществляться методом орбитальной TIG-сварки (Tungsten Inert Gas) в среде высокочистого аргона (чистота 99.99%). Орбитальная сварка обеспечивает равномерное проплавление по всему периметру трубы без образования внутреннего наплыва металла. Качество сварных швов верифицируется визуальным осмотром с использованием боровидеоскопа, а для критических соединений может применяться радиографический контроль. Недопустимо использование резьбовых соединений в продуктовой зоне, так как они создают мертвые зоны и не обеспечивают полную дренируемость.
Запорная арматура для систем WFI должна быть исполнена в виде диафрагменных клапанов санитарного исполнения. Диафрагменный клапан обеспечивает полное отделение управляющего механизма от продуктовой зоны, что исключает риск контаминации смазочными материалами. Длина мертвой зоны от основного потока до диафрагмы не должна превышать 1.5 диаметра трубопровода (1.5D) для обеспечения эффективной санитизации. Для точек отбора часто применяются блочные клапаны с нулевой мертвой зоной и встроенным портом для отбора проб.
Емкости для хранения WFI изготавливаются из стали 316L с электрополированной внутренней поверхностью. Емкости могут быть атмосферными или находиться под избыточным давлением азота для предотвращения контаминации из окружающей среды. Все врезки в емкость должны быть расположены на боковой поверхности или крышке для обеспечения полной дренируемости. Нижний штуцер емкости должен иметь конусную форму с углом не менее 15° для полного слива содержимого. Вентиляция емкости осуществляется через гидрофобные стерилизующие фильтры с размером пор 0.2 µm для предотвращения микробной контаминации.
Все трубопроводы системы должны быть установлены с постоянным уклоном не менее 1:100 (1% или 0.57°) в сторону точек дренажа. Это критически важно для обеспечения 100% дренируемости системы при санитизации паром или для полного слива при проведении технического обслуживания. Низшие точки петли оборудуются автоматическими дренажными клапанами с функцией продувки азотом для удаления остатков влаги после дренажа.
6. Контроль качества и мониторинг параметров WFI
Система контроля качества WFI включает непрерывный онлайн-мониторинг критических параметров и периодическое лабораторное тестирование. Современные системы WFI оснащаются автоматизированными системами управления, интегрированными с датчиками и анализаторами, что позволяет в режиме реального времени отслеживать качество воды и немедленно реагировать на отклонения.
Онлайн-мониторинг
Электропроводность контролируется непрерывно с помощью кондуктометрических датчиков, установленных в ключевых точках системы: на выходе из генератора WFI, в емкости хранения и в обратной линии петли. Датчики должны иметь температурную компенсацию и автоматическую калибровку. Превышение установленного предела проводимости приводит к автоматическому переключению потока воды в дренаж или возврат на повторную очистку.
TOC-анализаторы работают по принципу окисления органических веществ до углекислого газа с последующим измерением концентрации CO2. Существуют различные методы окисления: УФ-облучение при 185 нм, нагрев до высокой температуры, химическое окисление персульфатом. Современные онлайн TOC-анализаторы обеспечивают время анализа от 3 до 15 минут с пределом обнаружения 1-5 ppb, что значительно ниже фармакопейного предела 500 ppb. USP 1231 (ревизия 2025) рекомендует использование онлайн-мониторинга TOC и проводимости как предпочтительного подхода по сравнению с офлайн-тестированием, так как это обеспечивает непрерывный контроль качества. Установка TOC-анализаторов в нескольких точках системы позволяет отслеживать накопление органической контаминации и оценивать эффективность санитизации.
Температура контролируется во всех точках горячей системы для подтверждения поддержания требуемого режима санитизации. Критически важным является контроль температуры в наиболее удаленных и высоко расположенных точках петли, где возможно образование холодных зон. Современные системы используют сеть термометров сопротивления (RTD) с точностью ±0.5°C, подключенных к системе управления для автоматической регистрации температурных трендов.
Лабораторное тестирование
Эндотоксины определяются методом LAL, который основан на способности эндотоксинов вызывать коагуляцию лизата амебоцитов мечехвоста. Существуют три основных метода LAL-теста: гель-клот (качественный), турбидиметрический и колориметрический (количественные). Для рутинного мониторинга WFI обычно применяется гель-клот метод с чувствительностью 0.03-0.06 EU/mL, что обеспечивает надежное выявление превышения фармакопейного предела 0.25 EU/mL. Количественные методы используются при расследовании отклонений и валидации процессов.
Микробиологический контроль проводится методом мембранной фильтрации. Для WFI фильтруется не менее 100 мL образца через мембранный фильтр с размером пор 0.45 µm, который затем помещается на питательную среду и инкубируется при температуре 30-35°C в течение 5 дней. Для выявления дрожжей и плесневых грибов дополнительно проводится инкубация при 20-25°C в течение 7 дней. Точки отбора проб должны включать выход генератора WFI, емкость хранения, начало петли, наиболее удаленную точку и точки потребления.
При обнаружении роста микроорганизмов проводится их идентификация до рода или вида для оценки источника контаминации и потенциального риска. Особое внимание уделяется выявлению Pseudomonas aeruginosa и Burkholderia cepacia - оппортунистических патогенов, способных образовывать биопленку в системах водоподготовки. Обнаружение данных микроорганизмов требует немедленного расследования и проведения внеплановой санитизации системы.
7. Санитизация и валидация систем WFI
Санитизация систем WFI является критически важной процедурой для поддержания микробиологической чистоты и предотвращения образования биопленки. Выбор метода санитизации зависит от конфигурации системы, режима эксплуатации и требований производственного процесса. Все методы санитизации должны быть валидированы для подтверждения их эффективности в конкретных условиях применения.
Термическая санитизация
Стерилизация чистым паром является наиболее эффективным методом, обеспечивающим уничтожение всех форм микроорганизмов, включая бактериальные споры. Процесс включает полный дренаж воды из системы, продувку азотом для удаления остатков влаги и подачу чистого пара с температурой не менее 121°C при давлении 1-2 бар. Система выдерживается в данном режиме не менее 30-60 минут для обеспечения равномерного прогрева всех элементов, включая мертвые зоны и отводы.
Критически важным является контроль температуры во всех точках системы, особенно в наиболее удаленных и высоко расположенных участках, где возможна конденсация пара с образованием холодных зон. Для этого используется сеть термометров, подключенных к системе регистрации данных. Цикл стерилизации паром считается успешным только при достижении требуемой температуры во всех контрольных точках и поддержании ее в течение заданного времени выдержки.
Санитизация перегретой водой является предпочтительным методом для большинства систем WFI, так как не требует предварительного дренажа и обеспечивает более равномерный прогрев. Вода нагревается до температуры 121-134°C под давлением 2-3 бар и циркулирует по системе в течение 30-60 минут. Преимуществом метода является исключение риска холодных зон, характерных для паровой стерилизации, и возможность автоматизации процесса без необходимости ручного вмешательства.
Химическая санитизация
Перекись водорода является наиболее распространенным химическим агентом для санитизации систем WFI. Раствор концентрацией 3-6% циркулирует по системе при температуре 40-60°C в течение 1-2 часов. Перекись водорода эффективна против широкого спектра микроорганизмов и обладает способностью разрушать биопленку за счет окислительного действия. После санитизации проводится тщательная промывка системы WFI до полного удаления остатков перекиси, что подтверждается химическим тестом на остаточную концентрацию H2O2.
Озон применяется как для постоянной санитизации холодных систем, так и для периодической интенсивной обработки. При санитизационных циклах концентрация озона в воде повышается до 2-5 ppm, время контакта составляет 20-60 минут. Озон обладает мощным окислительным действием, уничтожает микроорганизмы, разрушает биопленку и снижает содержание органического углерода. Преимуществом озона является отсутствие необходимости в промывке после обработки, так как озон быстро разлагается до кислорода. Однако озон токсичен и требует специальных мер безопасности при работе с ним.
Валидация систем WFI
Валидация системы WFI включает проектную квалификацию (DQ), квалификацию установки (IQ), квалификацию функционирования (OQ) и квалификацию эксплуатации (PQ). Проектная квалификация подтверждает соответствие проекта системы требованиям GMP, фармакопей и внутренним спецификациям. Квалификация установки верифицирует правильность монтажа всех компонентов, материалов и контрольно-измерительных приборов.
Квалификация функционирования включает тестирование всех систем и подсистем в рабочих режимах: проверку производительности генератора WFI, поддержания температуры в петле, эффективности теплообменников, работы системы управления и регистрации данных. Особое внимание уделяется верификации дренируемости системы, отсутствию мертвых зон и достижения требуемой скорости потока во всех участках петли.
Квалификация эксплуатации представляет собой расширенное тестирование качества WFI в течение не менее 30 дней непрерывной работы системы. В этот период проводится ежедневный отбор проб из множественных точек с полным анализом всех фармакопейных параметров: проводимости, TOC, эндотоксинов и биобремени. Успешная квалификация эксплуатации подтверждается стабильным соответствием всех результатов установленным спецификациям и отсутствием негативных трендов.
Повторная валидация проводится периодически (обычно ежегодно) или после любых значимых изменений в системе: замены оборудования, модификации трубопроводов, изменения режимов санитизации. Объем повторной валидации определяется на основе оценки рисков с учетом характера и масштаба внесенных изменений. Постоянный мониторинг параметров качества и трендовый анализ данных позволяют поддерживать систему в состоянии валидации и своевременно выявлять отклонения, требующие корректирующих действий.
Часто задаваемые вопросы
Основное отличие воды для инъекций от очищенной воды заключается в жестких требованиях к содержанию эндотоксинов и микробной нагрузке. WFI должна содержать не более 0.25 EU/mL эндотоксинов и не более 10 CFU/100 mL микроорганизмов, в то время как для очищенной воды контроль эндотоксинов не требуется, а допустимая микробная нагрузка составляет 100 CFU/mL. Это связано с тем, что WFI используется для производства парентеральных препаратов, вводимых непосредственно в кровоток, минуя естественные барьеры организма.
Кроме того, методы получения WFI исторически были ограничены дистилляцией в Европе и дистилляцией или эквивалентными методами в США, в то время как очищенная вода может производиться более простыми технологиями, такими как одноступенчатый обратный осмос или ионный обмен. Требования к качеству поверхности оборудования и материалам для систем WFI также более строгие.
Поддержание температуры 80-85°C в системах WFI обеспечивает постоянную санитизацию и предотвращает рост микроорганизмов. При данной температуре большинство вегетативных форм бактерий погибают в течение нескольких минут, что исключает риск микробной контаминации. Горячее хранение особенно важно для предотвращения образования биопленки - организованных микробных сообществ, которые устойчивы к санитизирующим агентам и могут служить постоянным источником контаминации.
Однако поддержание высокой температуры требует значительных энергозатрат, поэтому с 2017 года Европейская Фармакопея разрешила использование холодных систем с альтернативными методами контроля микробиологии, такими как озонирование. Холодные системы более энергоэффективны, но требуют более интенсивного мониторинга и периодической термической санитизации не реже одного раза в неделю.
Да, мембранные технологии разрешены для производства WFI в США с 1987 года и в Европе с 2017 года. Типичная схема включает двухступенчатый обратный осмос, электродеионизацию и ультрафильтрацию. Эти системы обеспечивают качество воды, эквивалентное дистилляции, при значительно меньших энергозатратах и занимаемой площади. Однако в Китае на момент 2025 года по-прежнему разрешена только дистилляция, хотя ведутся обсуждения о возможном изменении нормативных требований. Компаниям, экспортирующим продукцию на китайский рынок, необходимо учитывать данное ограничение.
Ключевым требованием к мембранным системам является способность к термосанитизации - мембраны должны выдерживать периодическую обработку горячей водой при температуре 80-85°C. Также необходим более интенсивный микробиологический мониторинг по сравнению с дистилляционными системами, так как мембранные процессы протекают при комнатной температуре, создавая благоприятные условия для роста микроорганизмов. Регулярные тесты целостности мембран обязательны для подтверждения отсутствия дефектов.
Эндотоксины - это липополисахариды, входящие в состав наружной мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Они высвобождаются при гибели и разрушении бактериальных клеток и являются пирогенами - веществами, вызывающими лихорадку и тяжелые системные реакции при попадании в кровоток. Даже после гибели бактерий эндотоксины остаются активными и не разрушаются обычными методами стерилизации, включая автоклавирование.
Контроль эндотоксинов в WFI критически важен, так как даже микроскопические количества могут вызвать серьезные побочные реакции у пациентов, получающих инъекционные препараты. Фармакопейный предел установлен на уровне 0.25 EU/mL, что в 100 раз ниже порога пирогенной реакции. Единственный надежный способ контроля эндотоксинов - их удаление на стадии производства WFI и предотвращение микробного роста в системе хранения и распределения. Дистилляция гарантированно удаляет эндотоксины, так как они не могут существовать в паровой фазе. Мембранные системы используют ультрафильтрацию с размером пор менее 0.02 микрона для физического задержания молекул эндотоксинов.
Нержавеющая сталь AISI 316L выбирается для систем WFI благодаря оптимальному сочетанию коррозионной стойкости, механических свойств и биосовместимости. Добавка молибдена (2-3%) в состав стали 316L обеспечивает повышенную устойчивость к питтинговой и щелевой коррозии в хлорсодержащих средах. Низкое содержание углерода (менее 0.03%, обозначается буквой L - Low Carbon) предотвращает выпадение карбидов хрома при сварке и эксплуатации при высоких температурах, что исключает межкристаллитную коррозию в зонах термического влияния сварных швов.
После электрохимической полировки поверхность стали 316L приобретает пассивный оксидный слой, который предотвращает выщелачивание ионов металлов в воду и препятствует адгезии микроорганизмов. Сталь 316L сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от комнатной до 150°C, что позволяет проводить термическую санитизацию паром без риска повреждения материала. Альтернативные материалы, такие как пластики (PVDF, PP), могут использоваться только в ограниченных случаях и не допускаются для критических компонентов систем WFI.
Частота санитизации систем WFI определяется на основе результатов микробиологического мониторинга и устанавливается индивидуально для каждой системы в рамках программы контроля качества. Для горячих систем, работающих при температуре 80-85°C, полная стерилизация паром или перегретой водой при температуре не менее 121°C обычно проводится не реже одного раза в квартал или раз в полугодие. Более частая санитизация требуется после любого технического вмешательства в систему или при обнаружении превышения уровней предупреждения по микробиологическим параметрам.
Холодные системы с озонированием требуют более интенсивной санитизации - термическая обработка при 80-85°C рекомендуется проводить еженедельно в течение 2-4 часов для предотвращения накопления озоноустойчивых микроорганизмов и разрушения формирующейся биопленки. Генераторы озона и УФ-лампы требуют регулярного технического обслуживания и замены согласно рекомендациям производителей. Эффективность санитизации верифицируется микробиологическим тестированием после завершения цикла обработки и возобновления производства WFI.
TOC (Total Organic Carbon - общий органический углерод) представляет собой суммарное содержание органического углерода в воде, выраженное в микрограммах на литр или ppb. Контроль TOC является интегральным показателем органической чистоты воды, так как органические вещества могут быть источником питания для микроорганизмов, предшественниками дезинфекционных побочных продуктов или потенциальными контаминантами лекарственных препаратов. Фармакопейный предел установлен на уровне 500 ppb для обеспечения практически полного отсутствия органической контаминации.
Анализ TOC проводится методом окисления органических веществ до углекислого газа с последующим измерением концентрации CO2. Современные онлайн TOC-анализаторы обеспечивают непрерывный мониторинг с временем отклика 3-15 минут, что позволяет немедленно выявлять отклонения и предотвращать использование некондиционной воды. Повышение уровня TOC может указывать на рост микроорганизмов в системе, проникновение органических веществ из исходной воды, выщелачивание компонентов из уплотнительных материалов или недостаточную эффективность процесса очистки.
Стерилизация - это процесс, обеспечивающий уничтожение всех форм микроорганизмов, включая бактериальные споры, с достижением уровня стерильности SAL (Sterility Assurance Level) 10⁻⁶ или выше. Для систем WFI стерилизация достигается обработкой чистым паром или перегретой водой при температуре не менее 121°C в течение 30-60 минут. Этот процесс гарантирует полную элиминацию жизнеспособных микроорганизмов и является наиболее эффективным методом контроля микробиологии.
Санитизация - это процесс значительного снижения микробной нагрузки до приемлемого уровня, но не обязательно полного уничтожения всех форм микроорганизмов. Санитизация может включать обработку горячей водой при температуре 80-85°C, озонирование, химическую обработку перекисью водорода или другими дезинфицирующими агентами. Санитизация проводится более часто (еженедельно или ежедневно) для поддержания микробиологического контроля, в то время как стерилизация является более интенсивной процедурой, выполняемой периодически (ежеквартально или после значимых событий).
Наиболее распространенной проблемой является образование биопленки - организованного микробного сообщества, закрепленного на внутренней поверхности трубопроводов и оборудования. Биопленка устойчива к санитизирующим агентам и служит постоянным источником микробной контаминации и эндотоксинов. Предотвращение биопленки достигается поддержанием высокой температуры в горячих системах, регулярной санитизацией холодных систем, обеспечением турбулентного потока во всех участках петли и минимизацией мертвых зон.
Другие типичные проблемы включают образование ржавчины (rouging) на поверхности нержавеющей стали при эксплуатации горячих систем, что проявляется в виде красно-коричневого налета оксидов железа. Предотвращение rouging достигается качественной пассивацией поверхности после монтажа, контролем качества исходной воды и регулярным мониторингом. Холодные мертвые зоны в теплообменниках, негерметичность соединений, прорывы мембран в мембранных системах и неправильный уклон трубопроводов также могут вызывать проблемы. Регулярный тренд-анализ данных мониторинга позволяет выявлять негативные тенденции на ранних стадиях и принимать превентивные меры.
Валидация системы WFI является обязательным требованием правил GMP и необходима для документального подтверждения того, что система постоянно производит воду требуемого качества. Валидация включает четыре основных этапа: проектную квалификацию (DQ), квалификацию установки (IQ), квалификацию функционирования (OQ) и квалификацию эксплуатации (PQ). Проектная квалификация подтверждает соответствие проекта системы нормативным требованиям и спецификациям пользователя.
Квалификация установки верифицирует правильность монтажа, использование надлежащих материалов и компонентов. Квалификация функционирования тестирует работу всех систем в рабочих режимах. Квалификация эксплуатации - это расширенное тестирование качества WFI в течение не менее 30 дней с ежедневным анализом всех критических параметров. Повторная валидация проводится периодически (обычно ежегодно) или после любых значимых изменений в системе. Результаты валидации документируются в протоколах и отчетах, которые являются частью досье производственной площадки и могут запрашиваться регулирующими органами при инспекциях.
