DISTILLAZIONE: PREMESSE

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Flavia Roberto
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1 DISTILLAZIONE: PREMESSE PROCESSO DI ELEZIONE NELLA PREPARAZIONE DI ACQUA PER PREPARAZIONI INIETTABILI PROCESSO GENERALMENTE APPLICATO COME STADIO FINALE DI PURIFICAZIONE AD UN ACQUA GIA TRATTATA IL TIPO DI ACQUA DI ALIMENTAZIONE DETERMINA LA QUALITA FINALE DELL ACQUA DISTILLATA: PARTENDO DA ACQUA DEMINERALIZZATA SI OTTIENE UN ACQUA DISTILLATA CON UNA CONDUCIBILITA ELETTRICA INFERIORE (0.2 µs) RISPETTO A QUANDO SI USA L OSMOSI INVERSA (1.4 µs) I MIGLIORI RISULTATI SI OTTENGONO SOLO SE IMPIEGA IL COSIDDETTO APPROCCIO GLOBALE, CHE TIENE CONTO NON SOLO DELLE CARATTERISTICHE DEL DISTILLATORE, MA ANCHE DEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE, STOCCAGGIO, LE TUBAZIONI (MATERIALI, SALDATURE), LE VALVOLE, LE PENDENZE, ETC.

CONDUCIBILITA ELETTRICA INFERIORE (0.2 µs) RISPETTO A QUANDO SI USA L OSMOSI INVERSA (1.

2 DISTILLAZIONE: PRINCIPI GENERALI IL PROCESSO DI DISTILLAZIONE CONSISTE NELLA VAPORIZZAZIONE DELL ACQUA, SEGUITA DALLA CONDENSAZIONE DEL VAPORE OTTENUTO, PER ELIMINARE LE IMPUREZZE PIU VOLATILI O NON VOLATILI ALLA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE DELL ACQUA. LA DISTILLAZIONE RICHIEDE UNA CERTA QUANTITA DI CALORE PER PRODURRE L EVAPORAZIONE DELL ACQUA, E QUESTO COSTITUISCE UNO SVANTAGGIO DA UN PUNTO DI VISTA ECONOMICO. NELLA PRODUZIONE DI ACQUA PER USI FARMACEUTICI, LA DISTILLAZIONE SI PONE COME STADIO FINALE DI PURIFICAZIONE, CIOE VIENE APPLICATA AD ACQUA PRETRATTATA, CHE HA GIA SUBITO UN PROCESSO DI PURIFICAZIONE (ES., DEMINERALIZZAZIONE, OSMOSI INVERSA). NELLA DISTILLAZIONE, L ACQUA SOTTOPOSTA AL PROCESSO VIENE EVAPORATA QUASI TUTTA, TRANNE UN PICCOLO RESIDUO NEL QUALE SI CONCENTRANO LE IMPUREZZE NON VOLATILI.

LA DISTILLAZIONE RICHIEDE UNA CERTA QUANTITA DI CALORE PER PRODURRE L EVAPORAZIONE DELL ACQUA, E QUESTO COSTITUISCE UNO SVANTAGGIO DA UN PUNTO DI VISTA ECONOMICO.

3 DISTILLAZIONE: PRINCIPALI METODI GLI IMPIANTI DI DISTILLAZIONE ATTUALMENTE UTILIZZATI NELL INDUSTRIA FARMACEUTICA APPARTENGONO ESSENZIALMENTE A 2 TIPOLOGIE, CHE SI DIFFERENZIANO PER LE MODALITA DI EROGAZIONE DELL ENERGIA NECESSARIA ALLA VAPORIZZAZIONE DELL ACQUA: IMPIANTI DI DISTILLAZIONE A TERMOCOMPRESSIONE IMPIANTI A SEMPLICE O A MULTIPLO EFFETTO

DIFFERENZIANO PER LE MODALITA DI EROGAZIONE DELL ENERGIA NECESSARIA ALLA VAPORIZZAZIONE

4 DISTILLAZIONE PER TERMOCOMPRESSIONE: GENERALITA LA DISTILLAZIONE PER TERMOCOMPRESSIONE E CARATTERIZZATA DA UN RISPARMIO ENERGETICO CHE SI TRADUCE IN UN ABBATTIMENTO DEI COSTI DI PRODUZIONE DI ACQUA DISTILLATA. QUESTO SISTEMA SFRUTTA IL CALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE CHE SI LIBERA QUANDO IL VAPORE CONDENSA. QUESTO CALORE VIENE SFRUTTATO PER FARE EVAPORARE ALTRA ACQUA.

5 SCHEMA DI DISTILLATORE PER TERMOCOMPRESSIONE A = CALDAIA B = ECONOMIZZATORE C = COMPRESSORE D = DISPOSITIVO CONTROLLO LIVELLO E = SEPARATORE DI GOCCE F = RECIPIENTE DI RACCOLTA R = MEZZO DI RISCALDAMENTO 1 = ACQUA DI ALIMENTAZIONE 2 = USCITA DISTILLATO 3 = SPURGO LIQUIDO CONCENTRATO Tratto da: L acqua nell industria farmaceutica, Manuale tecnico AFI, OEMF, Milano, 1991

MEZZO DI RISCALDAMENTO 1 = ACQUA DI ALIMENTAZIONE 2 = USCITA DISTILLATO 3 = SPURGO LIQUIDO

6 CICLO DI TERMOCOMPRESSIONE SCHEMATICAMENTE, L ACQUA CONTENUTA NELLA CALDAIA (A) VIENE PORTATA ALL EBOLLIZIONE DAL DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO (R), SOLITAMENTE UNA RESISTENZA ELETTRICA. IL VAPORE VIENE ASPIRATO DAL COMPRESSORE C (CHE QUINDI CREA UN CERTO GRADO DI DEPRESSIONE NELLA CALDAIA, CON ABBASSAMENTO DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DELL ACQUA, 96 C), QUINDI VIENE COMPRESSO, CON AUMENTO DELLA TEMPERATURA ( 105 C). DATA LA DIFFERENZA DI TEMPERATURA TRA VAPORE COMPRESSO ED ACQUA NELLA CALDAIA, IL VAPORE CONDENSA CEDENDO ALL ACQUA IL SUO CALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE, CHE FA EVAPORARE L ACQUA NELLA CALDAIA. SCENDENDO NELL ECONOMIZZATORE, LA CONDENSA CALDA CEDE ANCORA UNA PARTE DEL SUO CALORE ALL ACQUA.

IL VAPORE VIENE ASPIRATO DAL COMPRESSORE C (CHE QUINDI CREA UN CERTO GRADO DI DEPRESSIONE NELLA CALDAIA, CON ABBASSAMENTO DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DELL ACQUA, 96 C), QUINDI

7 IMPIANTI DI DISTILLAZIONE A TERMOCOMPRESSIONE

8 VANTAGGI E SVANTAGGI DELLA TERMOCOMPRESSIONE VANTAGGI ECONOMICITA DI GESTIONE (RECUPERO QUASI TOTALE DELL ENERGIA TERMICA DI CONDENSAZIONE) NON E RICHIESTA ACQUA DI RAFFREDDAMENTO FUNZIONAMENTO ININTERROTTO SVANTAGGI INFILTRAZIONI DI ARIA ESTERNA NELLE ZONE CHE OPERANO IN DEPRESSIONE (ATTUALMENTE SI LAVORA CON LA CALDAIA IN PRESSIONE POSITIVA, COSI CHE LE TEMPERATURE DI ESERCIZIO SONO RISPETTIVAMENTE CIRCA 105 C e CIRCA 120 C) PARTI MECCANICHE IN MOVIMENTO (COMPRESSORE), CON RUMORE ED USURA METALLI DIVERSI DALL ACCIAIO INOX A CONTATTO COL VAPORE IMPIANTI INGOMBRANTI

DEPRESSIONE (ATTUALMENTE SI LAVORA CON LA CALDAIA IN PRESSIONE POSITIVA, COSI CHE LE TEMPERATURE DI ESERCIZIO SONO RISPETTIVAMENTE CIRCA 105 C

9 DISTILLAZIONE A SEMPLICE E MULTIPLO EFFETTO IN QUESTI TIPI DI DISTILLAZIONE L ACQUA VIENE TRASFORMATA IN VAPORE PER RISCALDAMENTO, ED IL VAPORE E SUCCESSIVAMENTE CONDENSATO PER RAFFREDDAMENTO IN UN SISTEMA IN CUI CIRCOLA ACQUA. NELLA DISTILLAZIONE A SEMPLICE EFFETTO SI UTILIZZA UN DISTILLATORE COSTITUITO DA DUE PARTI: LA CALDAIA,, DOVE AVVIENE L EVAPORAZIONE, ED IL CONDENSATORE,, DOVE IL VAPORE CONDENSA. I DISTILLATORI A SEMPLICE EFFETTO SONO I PIU SEMPLICI E QUELLI PIU ANTICHI (ALAMBICCHI). NELLA DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO, SONO PRESENTI PIU EFFETTI O STADI IN CIASCUNO DEI QUALI AVVIENE CONTEMPORANEAMENTE L EVAPORAZIONE E LA CONDENSAZIONE

NELLA DISTILLAZIONE A SEMPLICE EFFETTO SI UTILIZZA UN DISTILLATORE COSTITUITO DA DUE PARTI: LA CALDAIA,, DOVE AVVIENE L EVAPORAZIONE, ED IL CONDENSATORE,, DOVE IL

10 DISTILLAZIONE A SEMPLICE EFFETTO LA DISTILLAZIONE A SEMPLICE EFFETTO E NORMALMENTE CONDOTTA A PRESSIONE ATMOSFERICA, E DISPENDIOSA (SIA IN TERMINI DI ENERGIA CHE DI ACQUA DI RAFFREDDAMENTO) E NON DA BUONE GARANZIE DI STERILITA E APIROGENICITA. 1 = ACQUA ALIMENTAZIONE Tratto da: L acqua nell industria farmaceutica, Manuale tecnico AFI, OEMF, Milano, 1991 A = EVAPORATORE; B = SEPARATORE DI GOCCE; C = CONDENSATORE; D = RACCOLTA DISTILLATO R = MEZZO RISCALDANTE 2 = USCITA DISTILLATO 3 = ENTRATA ACQUA RAFFREDDAMENTO 4 = USCITA ACQUA RAFFREDDAMENTO 5 = SPURGO LIQUIDO CONCENTRATO 6 = SPURGO GAS INCONDENSABILI

1 = ACQUA ALIMENTAZIONE Tratto da: L acqua nell industria farmaceutica, Manuale tecnico AFI, OEMF, Milano, 1991 A = EVAPORATORE; B = SEPARATORE DI

11 DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO NELLA DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO IL PROCESSO VIENE SUDDIVISO IN PIU STADI: L ACQUA VIENE FATTA EVAPORARE IN EVAPORATORI (DETTI APPUNTO STADI O EFFETTI ) DISPOSTI IN SERIE, A PRESSIONI E QUINDI A TEMPERATURE DECRESCENTI. IL PRIMO STADIO UTILIZZA PER L EVAPORAZIONE DELL ACQUA UNA FONTE ENERGETICA ESTERNA, MENTRE CIASCUNO DI QUELLI SUCCESSIVI UTILIZZA COME FONTE DI CALORE IL VAPORE CHE SI E FORMATO NELL EFFETTO PRECEDENTE, ED E QUINDI ENERGETICAMENTE AUTOSUFFICIENTE. COMUNEMENTE IL NUMERO DEGLI EFFETTI E COMPRESO TRA TRE E SEI. UN MAGGIOR NUMERO DI EFFETTI COMPORTA UN MAGGIOR COSTO DI INVESTIMENTO, MA ANCHE UN ABBASSAMENTO DEI COSTI OPERATIVI, PERCHE DIVENTA MAGGIORE LA PERCENTUALE DI ENERGIA RECUPERATA RISPETTO A QUELLA FORNITA NEL PRIMO STADIO.

IL PRIMO STADIO UTILIZZA PER L EVAPORAZIONE DELL ACQUA UNA FONTE ENERGETICA ESTERNA, MENTRE CIASCUNO DI QUELLI SUCCESSIVI UTILIZZA COME FONTE DI CALORE IL VAPORE CHE SI E FORMATO NELL EFFETTO

12 RESE DI DISTILLATORI A MULTIPLO EFFETTO PRODUZIONE DI ACQUA DISTILLATA DA. DISTILLATORE A SINGOLO EFFETTO DISTILLATORE A DOPPIO EFFETTO DISTILLATORE A TRIPLO EFFETTO Tratto da: Pharmaceutical Engineering, 24, 1-7, 2004.

13 SCHEMA DI DISTILLATORE A MULTIPLO EFFETTO

14 ESEMPI DI DISTILLATORI INDUSTRIALI A MULTIPLO EFFETTO-1 DISTILLATORE A MULTIPLO EFFETTO MULTITRON (DITTA CHRIST, SVIZZERA) DISTILLATORE A DOPPIO EFFETTO OLSA, RISCALDATO ELETTRICAMENTE, PRODUZIONE 50 LITRI/ORA

(DITTA CHRIST, SVIZZERA) DISTILLATORE A DOPPIO

15 ESEMPI DI DISTILLATORI INDUSTRIALI A MULTIPLO EFFETTO-2 DISTILLATORE A CINQUE EFFETTI OLSA, PRODUZIONE 3000 LITRI/ORA DISTILLATORE A DUE EFFETTI OLSA, PRODUZIONE 200 LITRI/ORA, COLLEGATO CON UN TANK DI STOCCAGGIO PER WFI

PRODUZIONE 3000 LITRI/ORA DISTILLATORE A DUE EFFETTI

16 MATERIALI IMPIEGATI NEI DISTILLATORI RELATIVAMENTE AL TIPO DI MATERIALE IMPIEGATO PER TUTTE LE PARTI A DIRETTO CONTATTO CON L ACQUA ED IL VAPORE, I DISTILLATORI A SEMPLICE EFFETTO POSSONO ESSERE COSTRUITI IN VETRO BOROSILICATO O QUARZO, QUANDO LE LORO DIMENSIONI NON SONO TROPPO GRANDI (PRODUZIONE MAX.FINO A LITRI/ORA). IL MATERIALE GENERALMENTE PIU USATO E L ACCIAIO INOSSIDABILE, PARTICOLARMENTE I TIPI AISI 316 E AISI 316L, CHE OFFRONO LA MIGLIORE RESISTENZA ALLA CORROSIONE; IL TIPO 316L (LOW CARBON) E USATO NORMALMENTE PER TUTTI I COMPONENTI SOGGETTI A SALDATURA. TUTTE LE PARTI INTERNE DEVONO ESSERE LUCIDATE A SPECCHIO, MEDIANTE LUCIDATURA MECCANICA O ELETTROLUCIDATURA (RUGOSITA µm Ra)

IL MATERIALE GENERALMENTE PIU USATO E L ACCIAIO INOSSIDABILE, PARTICOLARMENTE I TIPI AISI 316 E AISI 316L, CHE OFFRONO LA MIGLIORE RESISTENZA ALLA CORROSIONE; IL TIPO 316L (LOW

17 CONFRONTO TRA DISTILLAZIONE PER TERMOCOMPRESSIONE E DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO-1 QUANDO SI CONFRONTANO TRA LORO I VARI TIPI DI DISTILLATORI, DI SOLITO VENGONO PRESI IN CONSIDERAZIONE I SEGUENTI PARAMETRI: QUALITA DELL ACQUA PRODOTTA COSTI DI GESTIONE COSTI DI INVESTIMENTO INGOMBRO DELL IMPIANTO SUCCESSIVAMENTE SI PRENDONO IN CONSIDERAZIONE ALTRI FATTORI: POTENZIALITA DELL IMPIANTO TEMPO DI MESSA A REGIME TEMPERATURA DI PROCESSO e TEMPERATURA E PRESSIONE DI USCITA QUALITA DELL ACQUA DI ALIMENTAZIONE

GESTIONE COSTI DI INVESTIMENTO INGOMBRO DELL IMPIANTO SUCCESSIVAMENTE SI PRENDONO IN CONSIDERAZIONE ALTRI FATTORI: POTENZIALITA

18 CONFRONTO TRA DISTILLAZIONE PER TERMOCOMPRESSIONE E DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO-2 CONSUMO DI ENERGIA COSTI IL TIPO DI DISTILLATORE PIU CONVENIENTE DAL PUNTO DI VISTA DEI COSTI E QUELLO A TERMOCOMPRESSIONE, TERMOCOMPRESSIONE CHE PUO RISULTARE FINO A 20 VOLTE PIU ECONOMICO DEL DISTILLATORE A SINGOLO EFFETTO E DA 3 A 8 VOLTE DI QUELLO A EFFETTI MULTIPLI (A SECONDA DEL NUMERO DI STADI). A QUESTO RISULTATO CONTRIBUISCONO SIA I MINORI CONSUMI ENERGETICI CHE IL FATTO CHE NELA TERMOCOMPRESSIONE NON E RICHIESTA ACQUA DI RAFFREDDAMENTO. RAFFREDDAMENTO

ECONOMICO DEL DISTILLATORE A SINGOLO EFFETTO E DA 3 A 8 VOLTE DI QUELLO A EFFETTI MULTIPLI (A SECONDA DEL NUMERO DI STADI).

19 CONFRONTO TRA DISTILLAZIONE PER TERMOCOMPRESSIONE E DISTILLAZIONE A MULTIPLO EFFETTO-3 DAL PUNTO DI VISTA DEI COSTI DI INVESTIMENTO E DELLO SPAZIO OCCUPATO I DISTILLATORI A MULTIPLO EFFETTO RISULTANO PIU CONVENIENTI. TUTTI I DISTILLATORI ESAMINATI SONO IN GRADO DI FORNIRE ACQUA RISPONDENTE AI REQUISITI DI FARMACOPEA, ANCHE SE FORSE QUELLI A MULTIPLO EFFETTO DANNO MAGGIORI GARANZIE RELATIVAMENTE AI REQUISITI MICROBIOLOGICI. LA SCELTA DI UN IMPIANTO DIPENDE POI DALLE ESIGENZE SPECIFICHE: QUANTA ACQUA SERVE OGNI GIORNO E QUANTE ORE AL GIORNO DEVE FUNZIONARE L IMPIANTO (ES., 8 h/giorno x 5 giorni, oppure 24/7) ESIGENZA DI UN IMPIANTO CHE PRODUCA ANCHE VAPORE PURO QUALITA DELL ACQUA DI ALIMENTAZIONE TEMPERATURA DI PROCESSO; TEMPERATURA E PRESSIONE IN USCITA IL PRINCIPIO GENERALE E CHE COL CRESCERE DELLE POTENZIALITA LA SCELTA SI SPOSTA DAGLI IMPIANTI A TERMOCOMPRESSIONE A QUELLI A MULTIPLO EFFETTO.

TUTTI I DISTILLATORI ESAMINATI SONO IN GRADO DI FORNIRE ACQUA RISPONDENTE AI REQUISITI DI FARMACOPEA, ANCHE SE FORSE QUELLI A MULTIPLO EFFETTO DANNO MAGGIORI GARANZIE RELATIVAMENTE AI REQUISITI

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