Получение Воды для Инъекций (WFI) методом дистилляции и мониторинг эндотоксинов
Источник: LinkedIn, Tim Sandle Переведено Барчевой Ангелиной
Предисловие от переводчика: Исходная статья касается систем подготовки воды фармацевтического качества методом дистилляции – более редкой, но все еще встречающийся в индустрии технологии. Интересно в статье другое, что подходы к контролю и анализу причин загрязнений водных систем эндотоксинами по сути едины, и не зависят от технологии приготовления воды, и касаются больше систем накопления и распределения фармацевтической воды – а значит указанные риски и подходы актуальны для всей индустрии.
Дистилляция воды — процесс термокомпрессии — остаётся одной из наиболее важных технологий получения воды фармацевтического качества, в частности Воды для Инъекций (WFI). Этот процесс высокоэффективен для удаления микроорганизмов, эндотоксинов, растворённых твёрдых веществ и нелетучих загрязнений. Однако опубликованная литература и промышленный опыт демонстрируют, что микробиологические риски не устраняются лишь потому, что вода была дистиллирована. Напротив, контроль контаминации зависит от совокупной эффективности систем генерации, хранения, распределения, мониторинга и технического обслуживания.
Принцип дистилляции и микробиологический контроль
Дистилляция работает по принципу превращения жидкой воды в пар, а затем конденсации пара в «очищенную воду» (которая может соответствовать стандартам Воды для Инъекций). Микроорганизмы, частицы, соли и большинство эндотоксинов являются нелетучими веществами и, следовательно, остаются в камере кипения, а не переходят в дистиллят. В фармацевтических системах дистилляция исторически считалась золотым стандартом получения WFI благодаря её высокой способности разделять молекулы воды от биологических и химических загрязнений. Однако обратный осмос остаётся альтернативой, принятой фармакопеями.
Дистилляция обеспечивает существенное снижение уровня эндотоксинов. Правильно спроектированные дистилляторы обеспечивают снижение уровня эндотоксинов и других нелетучих загрязнений приблизительно на 3–4 логарифмических порядка.
Электропроводность (критический показатель качества)
Хотя электропроводность не является прямым микробиологическим параметром, она является ключевым индикатором эффективности разделения. Повышенная электропроводность может указывать на:
• Перенос примесей
• Механическую неисправность
• Попадание водопроводной воды
• Повреждение вследствие образования накипи
Электропроводность регулярно включается в программы квалификации и рутинного мониторинга фармацевтических водных систем.
Общий органический углерод (TOC).
TOC демонстрирует удаление органических загрязнений. Это необходимо, поскольку высокий уровень TOC может указывать на:
• Ухудшение качества питающей воды
• Продукты распада биофильма
• Унос органических веществ
• Загрязнение моющими химическими веществами
Повышение уровня TOC часто предшествует другим проблемам качества.
Могут ли микроорганизмы выжить при дистилляции?
При нормальных условиях эксплуатации вегетативные бактерии не переживают процесс кипения и фазового перехода, происходящий при дистилляции. Достигаемые температуры губительны для микроорганизмов, а механизм дистилляции физически отделяет водяной пар от клеток и спор. Таким образом, основная проблема заключается не в выживании микроорганизмов при прохождении через исправно работающий дистиллятор, а в контаминации, происходящей до или после дистилляции.
Литература выделяет три механизма, по которым могут возникать проблемы:
1. Механический перенос капель или пены в дистиллят.
2. Неисправность оборудования, приводящая к снижению эффективности разделения.
3. Контаминация после дистилляции в резервуарах хранения и распределительных контурах.
Третий механизм является безусловно наиболее значимым на фармацевтических производствах. Дистиллированная вода, выходящая из дистиллятора, может полностью соответствовать микробиологическим спецификациям и требованиям по эндотоксинам, однако контаминация может впоследствии возникнуть в системах хранения и распределения.
Хотя дистилляция производит практически стерильную воду, контаминация после дистилляции остаётся возможной в емкостях хранения.
Важнейшая тема, проходящая через всю литературу, заключается в том, что жизнеспособность микроорганизмов и наличие эндотоксина — это не одно и то же. Эндотоксин образуется преимущественно грамотрицательными бактериями и может сохраняться в течение длительного времени даже после гибели самих микроорганизмов. Следовательно, водная система может соответствовать микробиологическим критериями приемлимости, но при этом содержать неприемлемый уровень эндотоксина.
Вода представляет собой естественную среду обитания многих грамотрицательных бактерий. Эти микроорганизмы способны выживать в условиях очень низкого содержания питательных веществ и легко адаптируются к олиготрофным (бедным питательными веществами) средам. Когда в фармацевтической водной системе развиваются бактериальные популяции, эндотоксин может накапливаться в результате роста бактерий, их гибели и формирования биопленки.
Для WFI фармакопейные требования, как правило, устанавливают:
• Микробная контаминация ≤10 КОЕ/100 мл
• Эндотоксин ≤0,25 ЕЭ/мл
Эти показатели не находятся в прямой корреляции друг с другом (не в последнюю очередь потому, что уровень эндотоксина не коррелирует с жизнеспособностью микроорганизмов), что подчёркивает, почему независимый мониторинг эндотоксинов остаётся необходимым.
Температура хранения и распределения
Возможно, это самый важный эксплуатационный параметр после самой дистилляции. Здесь температуры хранения и рециркуляции имеют решающее значение для подавления образования биопленок и грамотрицательных бактерий, продуцирующих эндотоксины. Горячие системы WFI, как правило, поддерживаются в диапазоне приблизительно 65–80°C, обычно выше 75°C; для холодных систем, как упоминалось ранее, требуется регулярная химическая обработка.
Скорость потока и рециркуляция
Непрерывное движение и быстрый поток являются критически важными мерами контроля, поскольку микроорганизмы хуже прикрепляются к поверхностям в условиях аэродинамических нагрузок. Типичные значения зависят от конкретного объекта и устанавливаются в ходе квалификации.
Что может пойти не так в системах WFI?
Образование биопленок
Наибольшую микробиологическую угрозу для фармацевтических водных систем представляет развитие биопленок. Как только микроорганизмы прикрепляются к поверхностям, они могут вырабатывать внеклеточные полимерные вещества, способствующие устойчивому закреплению и последующей колонизации.
Биопленки защищают от воздействия тепла, дезинфектантов и механического воздействия потока воды. Они также служат постоянными резервуарами для выделения микроорганизмов и высвобождения эндотоксинов. После формирования биопленки трудно уничтожить, и они могут непрерывно повторно заражать систему.
«Мёртвые» и застойные зоны
Участки с плохой скоростью потока способствуют прикреплению и размножению микроорганизмов. «Мёртвые зоны», отводные линии, неиспользуемые выходы и плохо дренируемые трубопроводы создают зоны, где вода остаётся застойной.
Опубликованные обзоры неизменно указывают на застойные условия как на основной фактор, способствующий образованию биопленок и накоплению эндотоксинов.
Отказы теплообменников
Кейсы с фармацевтических производств демонстрируют, как неисправности оборудования могут привести к контаминации систем WFI. В одном зарегистрированном случае неисправное уплотнение теплообменника позволило водопроводной воде попасть в контур WFI. Впоследствии по всей системе были зафиксированы превышения уровня эндотоксинов, пока дефект не был обнаружен и устранён.
Теплообменники заслуживают особого внимания, поскольку они представляют собой границу между высокочистой водой и технологическими (утилитарными) системами. Они также могут стать местами роста биопленки, если не обслуживаются должным образом.
Неправильные действия при техническом обслуживании
В другом опубликованном кейсе описан случай, когда подконтур WFI был непреднамеренно оставлен изолированным от системы обогрева после проведения технического обслуживания. Возникшее вследствие этого снижение температуры воды позволило размножиться микроорганизмам и привело к повышению уровня эндотоксинов. После восстановления температуры циркуляции и проведения санитарной обработки системы концентрации эндотоксинов вернулись к нормальным значениям.
Изменчивость качества исходной воды
Качество питающей воды варьируется в зависимости от сезона и географии. Повышение микробной нагрузки исходной воды может создавать нагрузку на системы очистки и увеличивать вероятность последующей контаминации. Современные исследования методом секвенирования также показывают, что исходная вода содержит гораздо более разнообразный микробиом, чем предполагают традиционные методы культивирования на питательных средах.
Меры контроля, встроенные в фармацевтические водные системы
Гигиенический дизайн
Основой микробиологического контроля является гигиеническое проектирование:
• Гладкие внутренние поверхности
• Высококачественные сварные швы
• Устранение «мёртвых зон»
• Полностью дренируемые системы
• Кольцевые магистрали с уклоном
• Гигиенические клапаны
• Фильтрованные вентиляционные отверстия резервуаров
Эти меры снижают прикрепление бактерий и минимизируют образование биопленок.
Непрерывная циркуляция
Быстрое движение воды и турбулентность создают силы сдвига, препятствующие прикреплению микроорганизмов. Таким образом, непрерывная рециркуляция является важнейшей конструктивной особенностью фармацевтических систем WFI.
Горячее хранение и распределение
Распространённой стратегией является хранение и рециркуляция WFI при повышенной температуре. Источники описывают типичные диапазоны приблизительно 65–80°C, при этом многие системы работают при температуре выше 75°C для подавления роста микроорганизмов и формирования биопленок.
Регулярная санитарная обработка
Там, где горячие системы не поддерживаются непрерывно, требуется периодическая санитарная обработка. Подходы включают:
• Термическую санитарную обработку
• Озонирование
• Химическую санитарную обработку
Регулярная санитарная обработка нарушает микробные популяции до того, как сформируются зрелые биопленки. Предпочтительным вариантом являются системы с горячей циркулирующей водой.
Профилактическое техническое обслуживание
Опубликованный кейс с теплообменником демонстрирует важность планового профилактического технического обслуживания. График замены компонентов, испытание на утечки, калибровка и проверочные мероприятия являются неотъемлемой частью снижения микробиологического риска.
Как оценивается эффективность?
Оценка эффективности водной системы объединяет квалификационные исследования, рутинный мониторинг и анализ трендов. Мониторинг общего количества жизнеспособных микроорганизмов (при условии использования традиционных методов) и эндотоксинов должен быть сосредоточен на отборе проб точках отбора пользователями. Частота мониторинга зависит от конструкции системы и оценки риска; однако подача и возврат системы, как минимум, обычно отбираются на анализ ежедневно.
Анализ тенденций
Регуляторы ожидают подтверждения того, что данные водной системы регулярно анализируются и отслеживаются в динамике во времени. Увеличение количества микроорганизмов, повторяющиеся изоляты или постепенное повышение уровня эндотоксинов могут указывать на развивающиеся проблемы с биопленками задолго до превышения установленных спецификаций.
Температура
Температура является основным индикатором того, что процесс дистилляции работает в пределах валидированного диапазона.
Точки контроля
Ключевые контрольные точки:
• Вход питающей воды.
• Обеспечение соответствия условий подачи заданным параметрам.
• Температура испарителя/котла.
• Подтверждение эффективного кипения воды.
• Температуры стадий (многоступенчатые дистилляторы).
• Демонстрация ожидаемого температурного каскада.
• Температура конденсатора.
• Проверка эффективности конденсации.
• Температура на выходе дистиллята.
Хотя процесс кипения легко разрушает микроорганизмы, основная проблема заключается не в их выживании при прохождении через дистиллятор, а в недостаточном разделении загрязнений вследствие аномальных условий работы.
Давление
Давление тесно связано с точкой кипения и генерацией пара.
Валидированный процесс дистилляции зависит от определённых соотношений давления и температуры.
Например:
Слишком низкое- Снижение скорости испарения
Слишком высокое- Повышенный риск уноса капель
Нестабильное давление-Изменчивое качество пара
В многоступенчатых системах каждая ступень должна работать при постепенно понижающемся давлении.
Качество пара / чистота пара
Одним из наиболее важных, но иногда упускаемых из виду параметров является качество образующегося пара. Пар должен быть:
• Свободен от капель жидкой воды
• Свободен от загрязнений
• Свободен от аэрозолей, содержащих эндотоксины
Процесс основан на отделении пара от загрязнений, поскольку молекулы эндотоксина остаются в камере кипения, в то время как водяной пар переходит в конденсатор.
Скорость потока питающей воды
Мониторинг потока воды обеспечивает:
• Правильную гидравлическую нагрузку
• Стабильное время выдержки
• Достаточное концентрирование
Риск избыточного потока воды:
• Снижение эффективности испарения
• Увеличение примесей
Тогда как риски низкого потока воды:
• Образование накипи
• Перегрев
• Плохая теплопередача
Скорость производства дистиллята
Скорость производства часто отслеживается непрерывно. Это делается потому, что изменения могут указывать на:
• Загрязнение оборудования
• Снижение теплопередачи
• Образование накипи
• Проблемы с распределением пара
• Погрешность показаний приборов
Дистилляция высокоэффективна для получения воды фармацевтического качества и остаётся одной из самых надёжных технологий получения WFI. Основной микробиологический риск заключается не в выживании микроорганизмов при прохождении через сам процесс дистилляции, а в контаминации систем хранения и распределения после генерации воды.
Таким образом, эффективный контроль контаминации зависит от комплексной стратегии, включающей гигиенический дизайн, непрерывную циркуляцию, эксплуатацию при повышенной температуре, регулярную санитарную обработку, профилактическое техническое обслуживание и всесторонний мониторинг как количества микроорганизмов, так и уровня эндотоксинов