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Apuntes sobre
Filtración de fluidos
en la industria farmacéutica
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica •
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Hace años el autor de este libro escribió una obra de consulta y guía básica
que aún hoy en día tiene vigencia: “La contaminación ambiental y el filtrado del
aire” y con ello comenzó o continuó una serie de artículos en revistas farmacéuticas, cursos, disertaciones en congresos profesionales alimentando sus ansias
de profundizar con renovados capítulos el tema que lo identifica.
Los continuos avances tecnológicos que se producen en la industria farmacéutica hacen necesario que los técnicos que trabajan en el sector tengan que
actualizar de manera continua sus conocimientos, por lo que es imprescindible
que se publiquen documentos técnicos a los que dichos profesionales puedan
acudir para su consulta y estudio.
Este libro es una completa y rigurosa recopilación de conocimientos que, llevada a cabo por Mino Covo, arranca desde las etapas más domésticas del laboratorio hasta llegar a la aplicación industrial.
PROLOGO
Esto hace que sea un documento de elevado interés e imprescindible para
todo aquel profesional farmacéutico interesado en ampliar sus conocimientos
teóricos y prácticos sobre filtración de fluidos.
No está claro si Minos es un nombre o si era la palabra cretense para ‘rey’,
pero hablar de filtración en el ámbito farmacéutico es sinónimo de un apellido:
Covo, o más fraternalmente Mino, quien iniciándose en una empresa que fué líder en filtros de aire como fué Cambridge en su tiempo y prosiguiendo con “Pall“
lider en la actualidad, fue capitalizando ese aprendizaje, que cristalizó en otros
emprendimientos, los cuales en forma intermitente traían aire fresco además de
“bien filtrado” para la especialización del farmacéutico como gestor de la calidad
del medicamento.
Nos conocimos instalando equipos de filtración de aire para fermentación industrial, lo seguimos con las campanas de flujo laminar y la construcción de
áreas estériles, y ahora tengo el honor y el placer de escribir estas líneas que
sirven de prólogo a este compendio de conceptos actualizados sobre Filtración
de Fluidos en La Industria Farmacéutica.
Por todo ello agradezco a Mino el haberme concedido el honor de prologar
este libro que sin duda será motivo de consulta para todos los profesionales
farmacéuticos jóvenes con ganas de especializarse y para los veteranos que
continuamente nos seguimos asombrando ante la magnitud del progreso de la
tecnología.
Acad. Héctor I. Giuliani
Director Ejecutivo de la Farmacopea Argentina
NOTA DEL AUTOR
Estos apuntes son la actualización ampliada de un librito que publiqué hace
más de 20 años bajo, el nombre de “Apuntes sobre Filtración de Fluidos”.
Me honró entonces con su prólogo el Dr. Zenón Lugones, primer decano de
la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la UBA, experto en Esterilización, con
quien colaboré en sus cursos en el tema filtración, y en esta oportunidad el Dr.
Héctor Giuliani, con quien tuve el placer de compartir el trabajo de la primera
instalación de filtros Pall en Argentina en la planta de fermentación de Laboratorios Bagó.
El contenido de esta publicación se basa en los cursos y seminarios que Pall
Corporation prepara para el entrenamiento de su personal, y su edición tiene
como finalidad difundir conocimientos básicos sobre la filtración de fluidos por
cartuchos y sobre la esterilización por filtración. También he agregado un capítulo de introducción a los filtros de placas.
Son muchos los procesos industriales en donde contar con fluidos libres de
contaminantes es una necesidad frecuentemente indispensable en industrias
como la farmacéutica, biológica, veterinaria, así como en la microelectrónica,
alimenticia y de bebidas.
La eliminación de micropartículas, bacterias y virus, se logra por elementos
filtrantes y es necesario para el usuario saber cómo utilizarlos y verificar su
integridad.
Han colaborado en esta publicación Jerold Martin, director y vicepresidente
para asuntos científicos de Pall Corporation, quien escribió el capítulo sobre
reutilización de los cartuchos esterilizantes, y Marcelo Nor, especialista de Pall
Technologies que escribió sobre instrumentos automáticos para los controles de
integridad de cartuchos.
Fue inestimable la colaboración de Mónica Cardona del laboratorio científico
SLS de Pall Corporation, que revisó el contenido de los artículos publicados por
el autor en Pharmaceutical Technology que forman parte de esta publicación,
así como de Julio Juarbe, gerente de Pall para Latinoamérica y Patricio Baró de
Pall Technologies Argentina.
Quiero dejar constancia de mi especial agradecimiento a la corporación Pall,
a cuya vocación por el desarrollo de productos de excelencia agrega su dedicación a la enseñanza de la tecnología de la cual es pionera.
Si con estos apuntes ayudamos a la selección y aplicación adecuada de los
filtros en los procesos de producción habremos cumplido con nuestro propósito.
Mino Covo
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica •
5
1
Principios de filtración
pag 13
2
Filtros esterilizantes y sus prefiltros
pag 19
3
Filtración esterilizante de fluidos. Placas y membranas
pag 25
4
Los filtros de aire en los procesos farmacéuticos
pag 31
5
Ensayos de los cartuchos de membrana
y la carga de bacterias
pag 37
6
Mecanismos de retención de bacterias.
Mitos y verdades sobre las membranas esterilizantes
pag 43
7
Esterilización por vapor de sistemas de
filtración que utilizan cartuchos recambiables
pag 49
8
Consideraciones sobre la re-utilización
de filtros de grado esterilizante
pag 59
9
Algunas normas para la esterilización,
llenado y filtrado de productos medicinales estériles
pag 65
10
Filtros de profundidad y filtros prensa
INDICE
pag 06
6
CAPITULO 1
7
Principios
de filtración
8
• Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 1
“En este capítulo veremos los
elementos fundamentales para
seleccionar los filtros aplicados
en purificación de fluidos. Nos
dedicaremos en especial a los
filtros en forma de cartuchos”.
Los filtros ocupan un importante
papel en la sociedad industrial. La filtración es la separación de partículas
de un fluido (líquido o gas) por el pasaje del mismo a través de un medio
permeable. Este medio es un material
poroso o fibroso que contiene perforaciones o poros interconectados entre
sí, de manera tal de permitir el paso
del fluido.
Cuando las partículas presentes
representan un porcentaje significativo en la masa del fluido, el proceso
se describe como separación gruesa.
Cuando la cantidad de partículas en
el fluido representa una parte muy
pequeña del total (menos que el 0,01
% ó 100 ppm) el proceso de filtración
trata fluidos clarificados.
Mecanismos
de la filtración
Los sólidos en suspensión son retenidos por tres mecanismos básicos:
impacto por inercia, intercepción por
difusión, e intercepción directa. La importancia relativa y el rol de cada uno
de ellos varían en función del tipo de
filtro y del fluido.
Impacto por inercia: Las partículas de un fluido en movimiento tienen
masa y velocidad, y por lo tanto una
cantidad de movimiento asociada a
ellas. A medida que el líquido y las
partículas pasan a través del medio
filtrante, la vena fluida seguirá la trayectoria de menor resistencia y se
desviará alrededor de la fibra. Las
partículas, debido a su cantidad de
movimiento, tenderán a desplazarse
en una línea recta y como resultado
aquellas partículas localizadas en, o
cercanas, al centro de la vena fluida
impactarán sobre la fibra y allí queda-
Principios
de filtración
rán retenidas. La Figura 1 ilustra este
mecanismo. La vena fluida mostrada
en líneas llenas, fluye alrededor de las
fibras del filtro, mientras que las partículas siguen sus propias trayectorias
(dibujadas como líneas punteadas) e
impactarán las fibras. Las partículas
de mayor masa se desviarán más rápidamente de las venas fluidas que
las partículas pequeñas. Sin embargo,
cuando las diferencias de densidad
entre partículas y fluidos son muy pequeñas la desviación de las líneas de
flujo es mucho menor y en ese caso el
efecto de inercia es poco importante.
Intercepción por difusión: Para
partículas muy pequeñas (de muy
poca masa) la separación puede ser
originada por difusión. En este proceso, típico de las partículas submicrónicas, las partículas se encuentran en
choque permanente con las moléculas del fluido.
Estos choques hacen que las partículas suspendidas se muevan desordenadamente alrededor de las líneas
de la vena. Estos movimientos, que
pueden ser observados al microscopio, se llaman brownianos.
La difusión browniana es la causa
de que las partículas más pequeñas
se desvíen de las líneas de flujo, aumentando la probabilidad de que impacten la superficie de las fibras siendo allí retenidas.
La Figura 2 muestra los movimientos característicos de la difusión browniana. La intercepción por difusión es
menor en la filtración de los líquidos
pero es de la mayor importancia en
gases. Es el mecanismo típico de los
filtros HEPA utilizados en la filtración
esterilizante de aire, y el efecto es
mayor cuanto menor el tamaño de la
partícula y menor la velocidad de paso
del gas a través del medio filtrante.
Intercepción directa: Mientras que
la retención por inercia y la difusión
browniana no son tan efectivas en la
filtración de los líquidos como en la
de los gases, la intercepción directa
o efecto tamiz es efectiva en ambos
casos. En un medio filtrante existen
fibras que definen ranuras a través de
las cuales pasa el fluido. Si las partículas en el fluido son mayores que los
poros o aberturas en el medio filtrante,
ellas serán retenidas como resultado
de la intercepción directa. La Figura 3
muestra claramente este mecanismo
de filtración.
La intercepción directa es comprendida como un tamiz pero, en la profundidad del medio algunas partículas
pueden ser atrapadas por efectos de
atracción superficial o por aglomeración de las mismas entre sí.
En la práctica, la mayoría de las
partículas en suspensión son irregulares en su forma, y de aquí que pueden hacer un efecto de puente sobre
la abertura. Un efecto de puente ocurre también si dos o más partículas
menores coinciden simultáneamente
sobre un poro.
Clasificación
de los filtros
Hasta hace poco tiempo era muy
común clasificar a los filtros y a los
medios filtrantes como de profundidad o de superficie. Esta clasificación
esquemática idealiza a los medios filtrantes como de retención en la masa
o matriz del medio filtrante, o como si
fueran capaces de retener la totalidad
de las partículas en la superficie, donde todos los poros son inferiores al
tamaño de las mismas.
Impacto por incercia
Veremos después que no hay filtros
de superficie, aunque sí podremos
hablar de filtros en los que la mayoría
de las partículas quedan retenidas en
ella, aunque algunas son retenidas en
su profundidad. Los filtros llamados
de profundidad también retienen una
parte menor de las partículas en su
superficie, aunque la mayoría son retenidas en su espesor.
Las ventajas mayores de los filtros
de profundidad, como por ejemplo los
de fibras de vidrio son: su menor costo, mayores rendimientos, mayores
caudales, y alta capacidad de sustentación de partículas. Sus aplicaciones son variadas dependiendo de
los productos a filtrar y en la industria
farmacéutica son normalmente usados como prefiltros de los filtros de
membrana.
Sus mayores desventajas podrían
ser: desprendimiento de fibras, rango
de filtración nominal (no absoluto) y
desprendimiento de partículas con el
aumento de la presión diferencial.
Los filtros de membrana son considerados de superficie porque retienen sobre ella la mayor parte de los
contaminantes. Los contaminantes de
menor tamaño los penetra hasta cierta distancia de la superficie. Los filtros
de membrana típicamente son usados
para aplicaciones críticas como esterilización por filtración.
Sus ventajas consisten en tener rangos de retención absoluta también en
partículas submicrónicas, pudiendo
retener bacterias, teniendo generalmente un bajo nivel de extractables,
y pudiendo ser ensayados en su integridad. Sus desventajas consisten en
tener caudales menores que los filtros
de profundidad, siendo de mayores
costos con respecto a los mismos.
FIGURA 2
FIGURA 1
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica •
9
Intercepción por difusión
Un filtro combinado consiste en un
gradiente de membranas de diferentes tamaños que combina medio filtrante de profundidad con un medio
de membrana en una sola unidad. A
veces son una alternativa económica
al uso de prefiltros individuales con filtros finales.
Una clasificación más adecuada sería clasificar a los medios filtrantes en:
los que tienen poros deformables y los
que tienen medios filtrantes de poros
fijos indeformables.
Medio filtrante
de poros deformables
Los medios de esta clase dependen
principalmente de los mecanismos
de separación por inercia o difusión
browniana, dado que el efecto de intercepción directa o tamiz depende de
condiciones de poro variable. Ejemplo
de este tipo de medio son los fieltros,
ovillos de hilos, placas de amianto, celulosa, y fibras de vidrio no ligadas por
resinas. Dichos filtros están construidos con medios filtrantes no fijos de
espesor suficiente como para retener
partículas de un determinado tamaño
dentro de su espesor. Como se hizo
notar anteriormente el desprendimiento de partículas es posible que ocurra,
si la estructura del medio es tal que
las dimensiones del poro, o mejor dicho la separación entre fibras, pueda
aumentar con el incremento de la caída de presión.
Esto es siempre un problema con
medios filtrantes de poros no fijos,
los cuales contienen muchos pasajes
tortuosos. Los pasajes más estrechos
son los primeros en taparse y como
consecuencia cada vez más caudal
pasará por los de mayor tamaño.
Dado que la estructura del medio
no es integral, el aumento de la presión interior en los pasajes de mayor
tamaño puede originar la separación
del medio ensanchando los pasajes,
produciéndose canalizaciones.
Cuando estos filtros han estado en
operación y han recolectado una gran
cantidad de partículas, un aumento
brusco de caudal con la consiguiente caída de presión puede superar
las fuerzas retentivas y causar el
desprendimiento de partículas. Esta
descarga es frecuente después que
el filtro ha estado en uso largo tiempo
y puede dar la falsa impresión de que
tiene una larga vida útil. Puede darse
por el mismo fenómeno el desprendimiento de alguna de las fibras que lo
constituyen.
Medios filtrantes de
poros fijos indeformables
Los filtros de poro fijo pueden ser
construidos con varias capas superpuestas de medio filtrante o una sola
capa de mayor espesor del mismo
medio. Esto depende básicamente
de que el mecanismo de intercepción
directa o efecto tamiz cumpla con su
función y, en consecuencia, se fabrican de tal manera que la estructura
del medio no pueda distorsionarse y
en que la trayectoria del flujo a través
del medio sea tortuosa. Si bien dichos
filtros pueden retener partículas menores por adsorción como resultado
de impacto inercial o por difusión, también es cierto que contiene en su seno
poros de mayor tamaño que su rango
de retención absoluta. Sin embargo
el tamaño de poro puede controlarse
durante su fabricación de manera tal
que la retención cuantitativa de partí-
FIGURA 3
10 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Intercepción directa
culas mayores de un tamaño dado pueda asegurarse. Más
aún, en función de producir un medio de suficiente espesor,
puede evitarse la penetración de partículas retenidas menores que el tamaño del rango de eficiencia absoluta, aún
bajo condiciones de impulso.
Resumen de los tipos de filtros
Después de la revisión anterior resulta que clasificar filtros como de profundidad o de superficie pierde sentido,
pues prácticamente todos los filtros exhiben retención por
profundidad, salvo las mallas metálicas.
Sugerimos entonces la siguiente clasificación:
Filtros de poros cuyas dimensiones aumentan con la diferencial de presión (típicamente los ovillados, fieltros de
baja densidad, placas de celulosa, etc.)
Filtros de poros fijos indeformables, es decir que el tamaño
de las aberturas no aumenta con la diferencia de presión.
Rangos de retención
El rango de retención es la medida del tamaño del poro
del filtro determinada por el diámetro de la partícula que
puede ser retenida con un alto grado de eficiencia bajo
condiciones definidas. Los rangos de tamaño de poro están normalmente dados en micrones (milésima de milímetro). Estos rangos pueden ser nominales o absolutos.
Eficiencia nominal: Los rangos de eficiencia nominal
son valores arbitrarios que indican un tamaño de partículas
en las cuales el fabricante de filtros indica una cierta retención porcentual.
Los rangos nominales varían de fabricante en fabricante
y no pueden ser utilizados para comparar filtros de las diferentes marcas por no estar normalizados. Las condiciones
del proceso, tal como la presión y concentracion de con-
taminantes, tienen un efecto significativo en la eficiencia
de retención de los filtros, definidos con su valor nominal.
En la práctica, un contaminante es introducido en el fluido
antes del elemento filtrante y a continuación el fluido aguas
abajo del filtro es analizado en microscopio.
Para algunos, retención nominal significa que el 98%
de un contaminante mayor que el tamaño especificado ha
sido retenido. Debe notarse que éste es un ensayo gravimétrico, o por peso, más que un ensayo de recuento de
partículas. Si las partículas con las cuales se hace el ensayo son en su mayoría de un tamaño determinado, basta
que haya dispersas unas pocas de tamaños mayores para
que la retención por peso que da la eficiencia nominal dé
valores mucho mayores que la eficiencia de retención real
(por ejemplo; una dispersión de miles de partículas de 1
micrón con unas pocas de 5 ó 10 micrones resulta en valores totalmente fuera de la realidad para definir un rango de
eficiencia nominal). En la Figura 4 se compara un cartucho
ovillado de 1 micrón nominal que tiene penetración de partículas de unos 40 micrones, con un cartucho de retención
absoluta de 30 micrones.
Rango de retención absoluta: Se define como retención absoluta al “diámetro de la partícula rígida esférica
de mayor tamaño que pueda penetrar un filtro bajo condiciones de ensayo especificadas. Es una indicación de la
abertura de mayor tamaño en el medio filtrante”; tal rango
puede ser asignado solamente a medios de poros indeformables. Cuando se trata de filtros de membrana se define
retención completa por medios de métodos experimentales
coherentes con el uso del filtro.
Bajo estas condiciones debe ser especificado el microorganismo en ensayo o el tamaño de partículas con el cual
se hace el desafío, así como la presión, concentración y
método de detección usado para identificar al contaminante (ver Tabla 1).
Valor beta: Mientras los rangos absolutos son claramente más útiles que los nominales, un sistema de ensayo más
lógico es el de expresar los rangos de filtración según la
relación beta.
Las relaciones beta son determinadas usando el metodo
“OSU F-2 FILTER PERFORMANCE TEST” de la Universidad del estado de Oklahoma, USA. Este ensayo originalmente desarrollado para la evaluación de filtros de aceite
hidráulico y lubricantes, ha sido adoptado para ensayos
rápidos semiautomáticos de filtros usados con soluciones
acuosas, aceites y otros fluidos.
El sistema de la relación beta es simple en concepto y
puede ser usado para medir y predecir el comportamiento
de una amplia variedad de cartuchos filtrantes bajo condiciones de ensayo determinadas.
La relación beta es la relación entre el número de partículas de un determinado tamaño y mayores en el influente con el número de partículas de un tamaño determinado
y mayores en el efluente. Esta relación se hace para un
variado número de partículas con lo que se puede ver el
comportamiento del filtro por tamaños.
Si el recuento total de partículas se mide para varias
partículas de diferentes tamaños por medio de contadores
fotométricos con multicanales, simultáneamente en el líquido influente como en el efluente, podrá definirse un perfil
de eficiencia de retención por tamaño de partículas por
Cartucho filtrante
tipo ovillado
1µm nominal
Cartucho filtrante
de retención absoluta
30µm
Tamaño de partícula (µm)
filtro. La Figura 5 muestra esquemáticamente el sistema para realizar el
ensayo de relación beta.
b=
Número de partículas de
un tamaño determinado
y mayores en el influente
Número de partículas de
un determinado tamaño
y mayores en el efluente
La eficiencia de retención porcentual por tamaño de partículas puede
ser obtenido directamente del valor
Beta como sigue:
Eficiencia de b - 1
=
x 100
retención %
b
La relación entre el valor beta y la
eficiencia de retención porcentual se
ilustra en el siguiente cuadro:
b
1
2
10
100
1000
10000
100000
Retención porcentual
0%
50%
90%
99%
99,9%
99,99%
99,999%
Normalmente un beta =10000 puede
ser usado como definición operacional
de retención absoluta (ef.=99.99%),
en aplicaciones industriales. No aplicable en filtración de bacterias. Los
valores beta permiten la comparación
de las eficiencias de retención para
diferentes tamaños de partículas para
cada cartucho en una manera coherente. La Figura 6 ilustra los valores
beta típicos para 3 cartuchos.
Compatibilidad química
La compatibilidad química se define
como la habilidad de los materiales
constructivos de un filtro para tratar
productos de manera tal que la función del mismo no sea afectada adversamente y que el material filtrante
no desprenda partículas o fibras, o
agregue extractables a la muestra que
está siendo filtrada.
Es importante recordar que la compatibilidad es específica para un
producto químico particular o una
combinación de productos a una temperatura definida. Al seleccionar el
filtro apropiado se debe determinar
la compatibilidad de los componentes
del filtro con el fluido. La temperatura, concentración, presión aplicada y
tiempo de exposición, afecta la compatibilidad.
Los materiales usados en la producción de los filtros son seleccionados cuidadosamente para resistir un
amplio rango de soluciones químicas.
Aún así, conocer la compatibilidad
entre el fluido a filtrar y los elementos
del filtro bajo condiciones reales, es
esencial.
Hidrofílico versus
hidrofóbico
Los filtros hidrofílicos se mojan fácilmente con agua. Estos filtros pueden
ser mojados prácticamente con cualquier fluido y son los preferidos para
soluciones acuosas, como apropiados
por compatibilidad. Una vez mojados
los filtros hidrofílicos no permiten el
pasaje libre de gases hasta que la
presión aplicada exceda el punto de
burbuja y el líquido sea expulsado de
los poros de la membrana.
Los filtros hidrofóbicos no se mojan
en agua pero sí en líquidos de baja
tensión superficial, por ej. solventes
orgánicos como alcoholes. Una vez
que el filtro hidrófobico ha sido mojado, soluciones acuosas pueden pasar
a través del mismo.
Los filtros hidrofóbicos son especialmente aptos para filtración de gases
solventes de baja tensión superficial y
TABLA 1
Comparación
Nº de partículas efluentes
FIGURA 4
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 11
Relación entre el valor
beta y la eficiencia de
retención porcentual
Tamaño
de poro
0.1µm
0.2µm
0.45 µm
0.8 µm
1 µm
Organismo
de ensayo
Acholeplasma laidlawii
Brevundimonas diminuta
Serratia marcescens
Lactobacillus species
Candida albicans
aplicables en venteos. En ciertas aplicaciones los filtros hidrofóbicos son
usados para filtrar soluciones acuosas
por problemas de compatibilidad (por
ejemplo: teflón, membranas de PTFE).
Deberán ser mojados previamente con
alcoholes.
Extractables
Los extractables son substancias
que pueden disolverse o de otra manera pueden extraerse de un sistema
de filtros contaminando al fluido filtrado. Estos contaminantes pueden
incluir agentes tensoactivos en el medio filtrante, residuos de producción,
residuos químicos de esterilización,
adhesivos o componentes de los materiales del filtro. El tipo y cantidad de
los extractables varía con el tipo de
líquido a filtrar.
Los extractables pueden disminuirse
lavando al filtro con agua o con un solvente compatible con el proceso, antes
de ser usado. Algunos filtros se venden
prelavados. Procedimientos cuidadosos en su manufactura pueden eliminar la necesidad del lavado previo.
Estabilidad térmica
Es la habilidad del medio filtrante y
sus componentes de mantener la integridad y funcionalidad a temperaturas
elevadas. La estabilidad térmica es
importante cuando los filtros son sujetos a esterilización por vapor fluente
o autoclave.
Ciertos filtros no pueden ser autoclavados por ser de estabilidad térmica
insuficiente. Debe tenerse en cuenta
que hay una relación entre compatibilidad química y estabilidad térmica.
Muchos medios filtrantes pueden ser
compatibles con un producto químico
a temperatura ambiente pero no a altas temperatura. Estabilidad térmica
puede ser caracterizada determinando la máxima temperatura de operación bajo condiciones específicas.
Adsorción
Se entiende por adsorción la retención de gas, líquido, sólido o una
substancia disuelta sobre una superficie, debida a una interacción positiva (atracción) entre la superficie y las
moléculas del material adsorbido. Las
fuerzas interactivas pueden ser electrostáticas.
FIGURA 5
12 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Contaminante
en suspensión
agitado
Bomba de
cauldal constante
9,5 lpm
0,5 lpm
Autoclavado
Contadores automáticos
de partículas,
multicanales en línea
Aguas
arriba
Bomba
dosificadora
Aguas
abajo
P2
P1
0,5 lpm
10 lpm
Filtro de
ensayo
Filtro de
limpieza
9,5 lpm
Depósito
Curva de valores beta típico para 3 cartuchos
La autoclave es una cámara para esterilizar filtro o equipamiento con vapor saturado a una temperatura y presión constantes 121ºC, 1 Kg/cm2. Muchos materiales que
requieren esterilización, tales como medios para cultivos
de tejidos y algunas drogas inyectables, son degradados
por el calor de una autoclave y deben ser esterilizados por
otros medios, tales como la filtración.
Endotoxinas
Las endotoxinas son moléculas complejas (lipopolisacáridos) que forman una parte integral de las paredes de una
célula bacteriana Gram negativa y es liberada cuando la
integridad de la pared es afectada, por ej.: división celular,
crecimiento y/o muerte.
Limulus Test
Es un ensayo prescripto por la Farmacopea Norteamericana USP para detectar y determinar el nivel de endotoxinas bacterianas en una substancia.
Relación de filtración b
FIGURA 6
La adsorción sobre una membrana puede ocurrir de una
manera específica por afinidad.
Sistema para realizar el ensayo de relación beta
Pirogenicidad
Tamaño de partícula (µm)
Es la tendencia de una substancia a elevar la temperatura del cuerpo cuando es inyectada en la corriente sanguínea. Los materiales de los filtros que entran en contacto
con líquidos inyectables, deben cumplir con normas de pirogenicidad y ser clasificados como no pirogénicos.
CAPITULO 2
13
Filtros
esterilizantes
y sus prefiltros
14 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 2
Filtros
esterilizantes
y sus prefiltros
FIGURA 1
“En la selección de un sistema de filtros adecuado deben
considerarse varios factores
para la eliminación de partículas del fluido a ser filtrado,
como así también la compatibilidad de los medios filtrantes
con el fluido, la temperatura
del mismo, su viscosidad, y el
grado de filtración requerido”.
En la selección de un sistema de
filtros adecuado deben considerarse
varios factores para la eliminación
de partículas del fluido a ser filtrado,
como ser: la cantidad de dichas partículas, la naturaleza y el volumen del
fluido a ser filtrado, el caudal (sea este
constante o variable), y la presión en
el sistema (sea esta fija o variable).
Debe ser considerada también la
compatibilidad de los medios filtrantes
con el fluido, la temperatura del mismo, su viscosidad y el grado de filtración requerido.
Caída de presión
Para que un fluido circule debe existir una diferencia de presión que lo impulse hacia la zona de menor presión.
Las tuberías, cañerías, acoples, carcasas de filtros y codos, contribuyen
a la caída de presión o resistencia al
paso del fluido.
La resistencia al paso del fluido a
través de un filtro limpio será causado
por su carcasa, los componentes del
cartucho y el medio filtrante. La caída
de presión depende del diámetro de
los poros en el medio, el número de
poros por unidad de área (porosidad
o volumen abierto), el espesor del
medio y el área efectiva de filtración
del cartucho. Para un fluido de una
viscosidad determinada y filtros de la
misma porosidad y espesor, a menores tamaños de poros, mayor caída
de presión. Sin embargo filtros con la
máxima porosidad y menor espesor
del medio pueden dar mayores caudales pese a los menores tamaños de
poro. La porosidad puede considerarse la relación de área abierta con respecto al área total del medio filtrante,
puede llamárselo también volumen
abierto y se mide en %. Para medios
filtrantes de alta porosidad en un cartucho de gran superficie, la caída de
presión en el medio filtrante puede ser
tan baja, que el diámetro y la longitud
del núcleo del cartucho serán mayores
factores de la caída de presión. Nótese que en este caso el mayor factor de
caída de presión será una constante
si se mantiene el caudal.
La caída de presión del filtro es la
diferencia entre la presión de entrada
y la presión a su salida. La medida de
la diferencia de presiones se llama
caída de presión, presión diferencial,
o Delta P. (ver Figura 1).
A mayor resistencia al paso del fluido, mayor será la presión diferencial a
caudal constante. Dado que el caudal
circula siempre en dirección a las menores presiones, la presión diferencial
será la causante del flujo del fluido.
Por lo tanto la presión diferencial es la
que mueve el fluido a través del filtro y
supera su resistencia al flujo.
Caudal
El caudal es el volumen que circula
en la unidad de tiempo y se mide ya
sea en ml/min, l/h o g/min dependiendo de la presión y de la resistencia al
flujo.
El caudal tiene una relación directa
con la presión e inversa con la resistencia. Es decir que a una caída de
presión constante, a mayor presión,
2 bar
3 bar
DP
mayor caudal. Para una presión constante, a menor resistencia, mayor caudal.
La presión se expresa con varias
unidades como: kilo Pascal o bar (atmósferas), kg x cm2, psi, etc.
La viscosidad es la resistencia de
un fluido al movimiento de sus moléculas entre ellas. El agua, el alcohol
y el éter tienen bajas viscosidades;
el aceite pesado, glicerinas y jarabes
tienen alta viscosidades. La caída de
presión o la resistencia al paso del
fluido es directamente proporcional a
la viscosidad. En otros palabras, si la
viscosidad fuera el doble, doble será
la caída de presión. La viscosidad se
mide en centipoise, que es la comparación de la viscosidad de un fluido
con la del agua, que se considera de
un centipoise a 21ºC.
Capacidad de
sustentación
de contaminante
A medida que un filtro actúa las partículas serán frenadas y parcialmente
taparán los poros en el medio filtrante,
aumentando en consecuencia la resistencia al flujo y su Delta P.
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 15
Capacidad típica
de ensuciamiento
Polvo fino de ensayo AC (gramos)
FIGURA 3
es el límite después del cual el filtro
puede fallar estructuralmente. El fabricante debe especificar este límite.
Al seleccionar una fuente de presión uno debe tomar en consideración
la caída de presión del filtro (carcasa,
núcleo y jaula del cartucho, y medio
filtrante) y los componentes de caída
de presión variables (torta superficial
y partículas que ocluyen los poros del
medio). A caudal constante, habrá un
aumento en la caída de presión, que
es la suma de las caídas constantes
con las componentes variables. Finalmente, el continuo aumento del componente variable se hace tan grande
que tapa el filtro, disminuyendo el
caudal, o llega a dañar al filtro en su
estructura.
Si una columna de agua existe
aguas abajo, como por ejemplo, un
tanque elevado, ésta debe ser superada sin limitar la caída de presión
disponible para el filtro. En tales casos, una válvula de retención debe ser
instalada aguas abajo del filtro para
evitar que la presión inversa dañe al
cartucho (Figura 3).
Como se hizo notar, aumentar el
tamaño del filtro reduce la caída de
presión a través del mismo. Esto es
una aproximación económica para un
proceso continuo dado que el aumento en el rendimiento (volumen filtrado)
es a menudo más que lineal con respecto al costo de la mayor cantidad de
cartuchos en una carcasa de mayor
tamaño.
FIGURA 4
DP del elemento solo
FIGURA 2
Al seleccionar un filtro se debe
instalar una fuente de presión no solamente para superar el delta P del
filtro, sino también para permitir que
el caudal continué a un ritmo aceptable mientras el medio se va tapando,
hasta que se llegue a la capacidad de
sustentación de contaminante, simultánea con la caída de presión libre. Si
la relación de caída de presión inicial a
través del filtro es desproporcionadamente alta con la presión de la fuente, tendremos rápidamente un caudal
inaceptablemente bajo antes de llegar
a la capacidad del medio para captar
contaminantes. Cuando esto ocurre
la solución adecuada es aumentar la
capacidad de la bomba o altura de
presión o como alternativa reducir la
caída de presión inicial aumentando el
tamaño del filtro.
Debo hacer notar que la mayoría
de los filtros obtenibles en el mercado
pueden resistir presiones diferenciales
de hasta 5 Kg/cm2 en sentido directo,
es decir de la superficie exterior, hacia
el nucleo del caratucho. La solución
de aumentar su área para disminuir la
caída de presión por no tener presión
suficiente, resulta en costos operativos mucho más caras que instalar una
bomba con presión adecuada.
Los cartuchos exhiben una caída
de presión exponencial, comparando
el paulatino aumento de caída de presión respecto a la curva de sustentación de contaminante, como se muestra en la Figura 2.
Normalmente la capacidad del filtro es consumida antes del aumento brusco en la caída de presión. En
consecuencia la presión disponible de
la fuente debería, como mínimo, ser
suficiente para superar la caída de
presión (delta P) del codo de la curva
de manera tal de usar al máximo la
capacidad del medio. La caída de presión máxima admisible en un cartucho
Protección contra flujo inverso
Debe tenerse en cuenta que la resistencia a la rotura del cartucho,
cuando es debida a la presión en
sentido inverso (circulación del núcleo hacia afuera), es muy inferior a
su resistencia en sentido directo (de la
superficie hacia el núcleo). A grandes
rasgos mientras en sentido directo los
cartuchos admiten hasta 5 Kg por cm2
de delta P., en sentido inverso la caída
de presión límite puede ser solamente
de 1 Kg por cm2.
Volumen abierto
El volumen abierto indica la suma
de las superficies abiertas de un medio filtrante y es de fundamental importancia para la filtración.
Si se mantuvieran todos los factores
constantes el medio del mayor volumen abierto es el más deseable, dado
que por tener menor caída de presión
diferencial por unidad de superficie,
dará como resultado una mayor vida
útil. La Figura 4 muestra la relación
entre volumen abierto y diámetro de
las fibras. A medida que el diámetro
de la fibra disminuye, aumenta el volumen abierto, a igualdad de tamaño
de poro. Como es representado en
la Figura 4 a igualdad de tamaño de
poro vemos 3 ejemplos donde la cantidad de poros en superficies idénticas
varían de 1 a 16. Otros factores tales
como la resistencia mecánica, la deformación del medio con el aumento
de caída de presión que reduce el volumen abierto, el costo del medio, la
compatibilidad del medio con el fluido
etc., deben considerarse para fabricar
un filtro para una aplicación particular.
Grado de filtración
El filtro elegido para una aplicación
determinada debe, como característica principal, retener la contaminación
de la corriente fluida al grado de requerimiento del proceso en que se
usa. Una vez determinado el tamaño
de los contaminantes que deben ser
eliminados, es posible elegir un filtro
con las características de retención
de partículas necesarias para cumplir
con su función. Elegir un filtro con un
tamaño de poro menor que lo necesitado, puede ser un error caro, puesto
que, normalmente, cuanto menor sea
el tamaño de poro, mayor será la caída de presión inicial, y más rápida la
saturación y alto el costo.
16 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Q (caudal)
= Velocidad
A (área)
V1 =
Q
y
A1
Dp1 = 5Kg/cm2 = K
V2 =
Dp2 = K
Q
y
A2
Q KQ
=
= KJ2
A2 5A1
V2
Dp2 = Dp1 .
= Dp1 .
Q
= KJ1
A1
1
V1
=
= 1 Kg/cm2
5
donde J1 y J2 son respectivamente los
caudales por unidad de superficie que
llamamos densidades de flujo y que
son iguales a las velocidades frontales V1 y V2 si el flujo es uniforme.
En consecuencia recién se llegará
a un delta P de 5 Kg/cm2 en el filtro
2 cuando la torta sea 5 veces mayor,
es decir cuando pase 5 x 120 horas =
600 horas.
La vida útil de un filtro de 5 metros
cuadrados es entonces 25 veces mayor que el de 1 m2 si uno calcula el
cuadrado de áreas útiles.
5 m2
1 m2
2
= 25
La ventaja de seleccionar un conjunto con una gran área de medio filtrante puede ser expresada como sigue si T = volumen filtrado por un filtro
de área A
T2 = T1
J1
J2
n
=
A2
n
A1
donde n puede variar entre un mínimo
de 1 y un máximo de 2, según sean
las partículas en el fluido totalmente
T2 = T1
J1
n
J2
se expresa gráficamente en la Figura
5. La curva muestra que a medida que
la densidad del flujo decrece el rendimiento en volumen de fluido filtrado
aumenta. Si se supone un caudal
constante, entonces la relación de las
densidades de flujo se simplifica a la
inversa de la relación de las superficies que, elevadas a la potencia n da
la relación previamente discutida en
cuanto a la vida útil.
El factor n se aproximará a 2 y la
relación será cuadrática siempre que
la torta superficial no sea compresible,
es decir que las partículas que la forman sean rígidas e indeformables. Si
en cambio las partículas recolectadas
fueran deformables, n tenderá a 1 y
en consecuencia la relación vida útil
vs. superficie filtrante será lineal.
Si la torta superficial no se convierte en un filtro más fino que el medio,
n tenderá a 2. Si en cambio la torta
superficial fuera formada por partículas tan finas como para constituir un
medio de porosidad más fina que la
superficie filtrante de soporte, el valor
n tendera a 1.
Mientras los sólidos recolectados
en la superficie son de partículas de
diámetro similar y rígidas el valor n
tenderá a 2.
Del ejemplo anterior de los 2 filtros
de 1 y 5 m2 podemos hacer un simple
cálculo de costo: Supongamos que
cada filtro cuesta a razón de 100 dls/
m2. El primer filtro se agota a las 24
horas mientras el segundo filtro se
agotará a las 600 horas con el mismo caudal constante del fluido. El
costo del segundo filtro es de 500 dls
por ser de 5 m2, la relación de costos
Galones
De lo visto anteriormente debe quedar claro que la vida útil de un filtro
en relación a su capacidad de sustentación de partículas se define como
“el peso de un contaminante artificial
específico, que debe agregarse al fluido influente, de manera de producir
una determinada presión diferencial
a través de un filtro, bajo condiciones especificadas”. La capacidad de
sustentación de partículas puede ser
medida como cualquier contaminante
mayor como A.C. Fine Test Dust (básicamente polvo de Arizona), que muy
a menudo es empleado para este propósito.
La vida útil de la mayoría de los
filtros de membrana y de tamaño fijo
de poro, aumenta ampliamente en la
medida que las áreas de sus medios
filtrantes son aumentadas; de hecho
esta relación puede llegar hasta el
cuadrado de relación de áreas, o dicho de otra manera, duplicar las superficies significa cuadruplicar la vida
útil. Para entender el por qué de esto,
supongamos tener dos filtros de idénticos medios filtrantes, sujetos a la
misma caída de presión límite, a través de los cuales pasa el mismo fluido
con el mismo caudal. Supongamos
también que el primer filtro tiene una
superficie útil de 1m2 y el segundo una
de 5m2 y que el primer filtro se satura
a la 24 horas, cuando sobre sus medios filtrantes se ha formado una torta
superficial de 200 micrones, y su caí-
V=
compresibles o totalmente rígidas indeformables respectivamente.
La relación
Rendimiento (T)
Área de filtración
da de presión ha llegado a 3 Kg/cm2.
Si sobre el primer filtro se ha formado
una torta de espesor de 200 micrones en 24 horas sobre el segundo se
tardará 5 veces más en formarse una
torta superficial de idéntico espesor, es
decir se llegará a esto a las 120 hs.
Sin embargo la vida útil del segundo
filtro no se habrá agotado a las 120
horas puesto que la caída de presión
en idénticas condiciones de medio
filtrante y torta superficial es directamente proporcional en régimen laminar a la velocidad lineal de paso, es
decir en régimen uniforme.
FIGURA 5
Debemos recordar también que el
filtro seleccionado debe tener la habilidad de mantener en su seno las partículas retenidas. Los filtros considerados de profundidad cuya estructura
porosa puede variar cuando crece la
caída de presión pueden descargar
partículas inicialmente retenidas.
Sin embargo con filtros superficiales
o filtros de profundidad de tamaño de
poro fijo o indeformable, podremos
seleccionar medios filtrantes que no
cambien su estructura bajo tensiones
producidas en el sistema. Por ejemplo
cuando la caída de presión en un sistema aumenta a medida que la torta
superficial se forma, las fibras no deben separarse produciendo mayores
poros. Tampoco debería haber rotura
de la malla ante posibles aumentos en
la caída de presión.
T2 = T1
J1
n
J2
1<n<2
Densidad de flujo (J)
Galones por minuto
por pie cuadrado
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 17
Temperatura
Prefiltración
El sistema de filtración óptima es
una que normalmente requiere el uso
de más de un filtro. Como mínimo se
utiliza un prefiltro de menor costo que
el filtro final, y que es capaz de retener contaminantes de mayor tamaño
y en un porcentaje relativamente alto
a las bacterias de menor tamaño, aumentando varias veces la vida útil del
filtro final.
El propósito del prefiltro es reducir el
costo operativo de la filtración que se
mide como incidencia del costo de los
filtros por unidad de volumen de fluido
filtrado. Si bien veremos a continuación cómo seleccionar el prefiltro ideal
que es normalmente de costos muy
inferiores al filtro final que protege, no
debemos olvidar que el aumento del
área del filtro final también da como
resultado una reducción del costo del
producto filtrado.
Es fundamental en la selección del
prefiltro que haya coherencia en su
eficiencia de retención y su capacidad
de sustentación de partículas. Asimismo se deberá jugar con las relaciones
FIGURA 7
FIGURA 6
La temperatura del fluido puede
afectar tanto la viscosidad del mismo
como el grado de corrosión del filtro
o carcasa, y la compatibilidad química
del medio filtrante y sus extraíbles. Los
fluidos viscosos generalmente disminuyen su viscosidad a mayor temperatura. Cuando un fluido es muy viscoso es aconsejable su calentamiento
y el empleo de carcasas encamisadas
con calentamiento eléctrico.
Las temperaturas altas también
tienden a acelerar la corrosión y a debilitar burletes y sellos de las carcasas de los filtros. A menudo cartuchos
descartables no admiten altas temperaturas particularmente para periodos
prolongados de uso.
Siendo estos cartuchos construidos
con componentes plásticos, a mayores temperaturas pueden deformarse,
especialmente con presiones diferenciales altas.
DP limitante
de superficie de manera tal que los
rendimientos aseguren una óptima filtración en serie.
Aunque no se puede generalizar,
los mejores resultados son obtenidos cuando todos los filtros en serie
se saturen al mismo tiempo, como
por ejemplo se ilustra en la Figura 6
donde la curva Delta P vs. Volumen
filtrado muestra que se acerca al punto de saturación al terminarse la filtración del lote. En esta curva la caída
de presión representa la suma de las
caídas de presiones del prefiltro con
el filtro final. Se considera que se llega
al límite de sustentación de capacidad
de partículas cuando la resistencia al
flujo se acerca a la caída de presión
límite para el sistema, alcanzada la
cual el caudal es insuficiente.
Consideremos el caso de filtro de
0,2 micrones con un prefiltro relativamente grosero. Si examinamos las
curvas de la Figura 7 vemos que el
filtro final se satura prematuramente
con el aumento de la caída de presión.
Del mismo modo vemos baja la caída
de presión en el prefiltro, por lo que
no se puede completar la filtración del
lote puesto que se llega a una caída
de presión total igual a la presión límite antes de finalizar la filtración del
mismo por saturar el filtro final. Si por
otro lado, el filtro final de 0, 2 micrones
FIGURA 8
vs. volumen filtrado da en el primer
caso 100 dls/24 hs y el segundo caso
500dls/600 hs. Es decir que el costo
de producción baja al 20 % del costo
inicial suponiendo que las partículas
son rígidas e indeformables. Si se incluyeran además los costos de mano
de obra y de interrupción de producción durante el recambio de los filtros,
llegaríamos a demostraciones más
ilustrativas de la conveniencia del sobredimensionamiento.
DP limitante
DP limitante
Sistema combinado
Filtro final
Prefiltro
DP limitante
DP
DP
Sistema combinado
Filtro final
Prefiltro
Volumen
Volumen del lote
Volumen
Volumen del lote
Volumen del lote
DP limitante
Sistema combinado
Filtro final
Prefiltro
DP
DP limitante
Volumen
FIGURA 11
Volumen del lote
FIGURA 10
Volumen
FIGURA 9
DP
DP
DP
Sistema combinado
Filtro final
Prefiltro
Volumen
Volumen del lote
Volumen
Volumen del lotelote
18 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
fuera protegido por un prefiltro excesivamente fino éste se saturará prematuramente manteniendo sin embargo
lejos del punto de saturación al filtro
final como se muestra en la Figura 8.
Tanto en la Figura 7 como en la Figura
8 se interrumpirá la filtración del lote
por llegar antes de tiempo la suma de
las caídas de presión en los filtros a la
presión límite.
Cuando un filtro de membrana de
0,2 micrones está protegido por un
prefiltro seleccionado adecuadamente, la caída de presión combinada se
acercará a la caída de presión límite
del sistema cerca de la finalización de
la filtración del lote como se muestra
en la Figura 9. En este caso ambos filtros habrán agotado sus capacidades
de ensuciamiento.
Si en cambio por ej. el filtro final esterilizante no tuviera la protección de
un prefiltro, su vida útil se agotaría velozmente como se ve en la Figura 10.
La selección de las áreas de los
prefiltros, de manera de llegar a completar el lote sin exceder la caída de
presión límite, como se muestra en la
Figura 11, nos llevaría a un resultado
económico ajustado al límite.
Un aumento en el área del prefiltro
nos permitiría completar la filtración
del lote dejando algún margen antes
de llegar a la caída de presión límite
como se muestra en la Figura 11. Una
comparación de costos de las alternativas nos ayudará a determinar la
elección. Por supuesto, también es
posible lograr la finalización de la filtración del lote aumentando la superficie de filtro final en relación al área
del prefiltro.
En algunas situaciones la combinación óptima puede consistir de varios
prefiltros, cada uno de ellos cumpliendo
una función específica. Aquí también
es importante hallar una combinación
de áreas que permita la filtración del
lote con el menor costo.
En los análisis anteriores no se han
considerado las relaciones de costos
de los prefiltros con el filtro final, ni
tampoco la posibilidad de reesterilización de los mismos.
Es importante considerar que actualmente se puede disponer de cartucho de membrana reesterilizables
muchas veces, por lo cual no necesariamente se deberá dimensionar el
sistema para que los filtros se acerquen al punto de saturación al finalizar
la filtración de un lote, sino de varios.
En todos los casos la combinación
óptima de prefiltros es la que resulta
en menores costos de filtros por unidad de fluido filtrado.
En casos en que se disponga de
poca presión es contraproducente
agregar prefiltros, por la caída de presión adicional que producen, limitando en consecuencia el caudal. Es el
caso en que la presión se debe a la
columna de agua de un tanque a poca
altura. Sería conveniente agregar una
bomba centrífuga al sistema para una
presión adecuada.
CAPITULO 3
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 19
Filtración
esterilizante
de fluidos.
Placas y
membranas
20 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 3
FIGURA 1
“En el presente capítulo se
hará una síntesis histórica del
desarrollo de la filtración esterilizante”.
Filtración esterilizante
de fluidos.
Placas y membranas
A comienzos del siglo XX cuando
las primeras soluciones parenterales
se comienzan a producir en escala industrial llega la necesidad de un método para esterilizar productos sensibles
al calor que no se puedan esterilizar
en autoclave. Comienza entonces la
filtración industrial.
En los primeros intentos se utilizaron cilindros de porcelana porosa
(Chamberlain 1884, método ensayado por Luis Pasteur), pero dificultades
en su limpieza, el peligro de la contaminación cruzada y su fragilidad llevaron a su reemplazo. A continuación en
1915 Schmitthenner utilizó placas de
amianto y celulosa anticipando el uso
de los filtros prensa. Zsigmondy entre
1914 y 1918 comenzó con ensayos de
membranas que tuvieron desarrollo a
partir de 1929 en Gottingen, Alemania,
patentando su método que desarrolló
asociado con Sartorius-Werke con la
producción de los mismos en escala
industrial.
El uso de las placas de amianto, celulosa en filtros prensa siguió en aplicación hasta 1975, año en que se las
prohibió, tanto en bebidas como en
soluciones inyectables, al eliminarse
el uso del amianto por ser considerado
cancerígeno. Cabe destacar que las
placas de amianto tienen la ventaja
de ser prácticamente esterilizantes
por ser constituidas por fibras muy
finas con alta carga electrostática
positiva. Siendo filtros puramente
de profundidad, retienen en su interior partículas de carga negativa tales como los microorganismos y los
pirógenos con altísima eficiencia.
Si bien eran insustituibles antes que
se produjeran los cartuchos de membrana, presentaban algunas desventajas, tales como la poca resistencia
a las presiones diferenciales elevadas
y la imposibilidad de hacerles un ensayo de integridad. Fueron fabricadas
y comercializadas por Seitz-Werke,
siendo el modelo Seitz Eks Filter, símbolo de placa esterilizante.
Filtros de profundidad
y filtros de superficie
Veremos a continuación las diferencias fundamentales entre los filtros
puramente de profundidad con los filtros llamados de superficie, aunque
notaremos que hasta las membranas
de grado esterilizante tiene efectos filtrantes en su espesor. Podríamos decir entonces que el único ejemplo de
filtro de superficie es el tamiz, pues su
espesor es despreciable comparado
con la separación entre mallas. Llamaremos entonces filtros de profundidad a los filtros donde la retención de
partículas se hace mayormente en su
interior.
Por muchos años se clasificaron las
membranas como filtros de superficie.
El uso del nombre de “superficie” para
las mismas puede llevar a confusiones pues aunque gran parte de la filtración se realiza en su superficie, hay
también retención de contaminantes
en su interior, sea por estrechamiento
del tamaño del poro o por fenómenos
de atracción superficial.
Queda entonces como ejemplo de
filtro de superficie la malla metálica
Ejemplo de filtros
de malla metálica
Dutch Twill Weave - Top View (Enlarged)
Dutch Twill Weave - Selectional View (Enlarged)
Square Weave (Enlarged)
ilustrada en la Figura 1, pues las partículas quedan retenidas en su superficie por efecto tamiz no habiendo espesor como para retener las de menor
tamaño por otros efectos.
Los filtros de profundidad consisten
de fibras depositadas entre sí al azar,
que se mantienen unidas permanentemente por medio de adhesivos, fusión,
entrecruzamiento, etc. Los intersticios
entre fibras constituyen sus poros. La
deposición al azar de sucesivas fibras
sobre el manto inicial da como resultado una amplia dispersión de poro. Estos filtros tienen el potencial peligro de
desprender fibras cuando aumentan
las presiones diferenciales.
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 21
Membranas de
microfiltración
FIGURA 2
Un material muy usado en la filtración fina, ultrafina y fundamentalmente
en los procesos donde se deben retener microorganismos, es la membrana
plástica, cuya producción industrial se
ha desarrollado revolucionariamente
desde 1957 hasta ahora, aunque los
antecedentes experimentales de este
material se remontan al siglo pasado.
La palabra membrana no se limita a la
definición que da el diccionario como
“Hoja o capa fina, blanda y plegable
Modelo de filtro fibroso mediante un sistema de línas
dibujadas al azar (n=25)
de origen animal o vegetal”, ya que en
la actualidad se producen muchas estructuras finas microporosas sintéticas
compuestas por distintos polímeros.
Si bien el desarrollo moderno de
las membranas plásticas comenzó
alrededor de 1910, algunos investigadores en el siglo pasado y más
precisamente en 1840, comenzaron
a usar vejigas de cerdos, pericardios
vacunos y pieles de cebollas para experimentos osmóticos, diálisis y otros
ensayos.
Matteucci y Cima en 1845 fueron los
primeros en informar sobre diferencias
de permeabilidad relacionadas con la
simetría de los poros en membranas
animales.
El colodión es el término comúnmente usado por polímeros de la celulosa y consiste en una solución de
nitrocelulosa en una mezcla de éter
y alcohol o en una mezcla de ácido
acético y acetona. Todos los primeros
intentos de fabricar membranas de
colodión se basaban en la disolución
de nitrocelulosa en un solvente, siendo luego vertida en forma de película
delgada y plana, formándose un gel
con la evaporación de los solventes
volátiles. La estructura de los poros
se controlaba por el tiempo durante el
cual se evaporan los solventes, operación que se interrumpía al lavar esa
película con agua.
En 1872 Baranetzky fabricó finas
películas de colodión soportadas por
papel, vertiendo el colodión sobre
planchas de vidrio.
Bechhold mejoró el método de Baranetzky haciendo hojas planas de filtros
de membranas, impregnando papeles
de filtro con colodión disuelto en ácido
acético. Halló que la permeabilidad es
inversamente proporcional a la concentración de colodión e intentó definir una manera de estimar tamaños
de poros y permeabilidad, midiendo la
presión necesaria para impulsar aire
a través de membranas cuyos poros
FIGURA 3
Las irregularidades en el manto de
fibras reflejan su dispersión hecha al
azar. Sin embargo su comportamiento
mejora al superponer una manta sobre
la otra en forma sucesiva (ver Figuras
2 y 3). Las tecnologías más recientes
de dispersión de fibras sintéticas por
medio de toberas de inyección producen filtros de profundidad por extrusión de polipropileno fundido. Estas
toberas extruyen el polímero cuyos
hilos son rodeados por aire caliente,
soplados, y recolectados sobre un cilindro rotativo. En función del tiempo,
de la velocidad, del cilindro y de la
velocidad de desplazamiento de las
toberas pueden obtenerse filtros con
densidad progresiva de medio filtrante
y con fibras más o menos finas.
En el cartucho de la Figura 4 se
ve un filtro de polipropileno de forma
cilíndrica donde las capas sucesivas
tienen poros que se suceden de mayor a menor. Las capas externas actúan como prefiltros de las capas internas. Pese a ser de profundidad, la
matriz del medio filtrante se mantiene
indeformable.
Filtro prensa
se hallaban totalmente inundados por
agua. Así fue el precursor del ensayo
del punto de burbuja que veremos
más adelante.
En 1918 Zsigmondy y Bachmann
desarrollaron el proceso de verter finas capas de colodión, éter y alcohol
sobre vidrios planos, regulando la formación del tamaño de poro al controlar el tiempo de evaporación del solvente durante la etapa de secado.
Zsigmondy, siendo Director del Instituyo de Química Coloidal de la Universidad de Gottingen, usó celulosa
y ésteres de celulosa con los mismos
ingredientes básicos que los precursores habían usado para producir
membranas de colodión. Mezcló la
dilución de derivados de celulosa en
un solvente al cual agregó agua insoluble en la solución, regulando la evaporación de los solventes mediante un
lento pasaje de aire en cantidades conocidas y en condiciones de humedad
y temperatura controladas.
La empresa Sartorius Werke en
Gottingen, Alemania, desarrolló en
forma más completa el proceso de
Zsigmondy, y en 1917 comenzó la
producción de filtros de membrana en
pequeña escala siendo hasta hoy en
día Sartorius Werke, una división de
la empresa iniciadora, fabricante de
filtros.
Durante la Segunda Guerra Mundial los alemanes desarrollaron estas
membranas para detección de bacterias coliformes y la consecuente
entero-contaminación de agua potable. Después de la guerra la tecnología fue trasladada por el ejército de
los Estados Unidos a Fort DietrickMaryland, y perfeccionada. Su explotación comercial en EE.UU. se debió a
la transferencia de dicha tecnología a
una compañía privada.
En el proceso de producción se extrae de la solución del polímero ciertos
materiales volátiles cuando una capa
fina de solución se desplaza a través
de una cámara de ambiente controlado.
El resultado es una hoja de material
de unos 150 micrones que tiene una
bien definida estructura microporosa
como se ve en la Figura 5 (membrana
de éster de celulosa). Es de destacar
la estructura tridimensional y, muy importante, su gran porcentaje de área
abierta (aproximadamente un 80 % de
la misma). No se ven poros cilíndricos,
FIGURA 4
Filtro de polipropileno de forma cilíndrica donde las capas
sucesivas tienen poros que se suceden de mayor a menor
FIGURA 5
22 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Membrana de ester de celulosa
1µm
10 µm
pero pese a esas irregularidades el medio funciona como
un filtro absoluto, que es uno que depende especialmente
del efecto tamiz o de intercepción directa como mecanismo
de retención y tiene una excelente integridad. En función
de qué polímero se use, un amplio rango de compatibilidad
química y térmica puede ser obtenido. El éster de celulosa
sin embargo, fué uno de los polímeros más usados para
filtración esterilizante. En la actualidad, se siguen fabricando membranas de variedades de ésteres de celulosa y de
polímeros sintéticos.
El problema que se encuentra con los ésteres de celulosa es su baja resistencia mecánica al plisado profundo,
necesario para la producción de cartuchos corrugados,
usados actualmente para lograr grandes caudales.
Una membrana utilizada especialmente para la fabricación de cartuchos fué la de microfilamentos inorgánicos,
cuya fabricación consistió en la dispersión controlada de
microfilamentos soldados entre sí en sus puntos de contacto, llegándose a una estructura indeformable de material
cristalino como se ve en la Figura 6. Fué desarrollada al
principio de la década del 60, para la fabricación de cartuchos corrugados y su apariencia era la de un filtro de pro-
fundidad. Fué discontinuada después de algunos años de
uso exitoso, pues sobre su materia prima, titanato de potasio, hubo un principio de cuestionamiento de la FDA.
Una variedad de otros polímeros tales como el teflón y el
nylon 66, el PVDF, y la polieter sulfona, son usados de manera tal de formar un medio filtrante similar en su estructura
al éster de celulosa. Todos ellos admiten ser corrugados
profundamente por su alta resistencia mecánica, admitiendo asimismo la esterilización por vapor fluente, ventaja sumamente importante sobre las membranas de ésteres de
celulosa que no resisten el reiterado uso de vapor vivo.
Tanto las membranas de éster de celulosa como las de
titanato de potasio, nylon y teflon tienen superficies irregulares donde se pueden notar poros mucho mayores al valor
nominal de 0,2 micrones.
Puede notarse en las Figuras 5 y 9, que illustran las
superficies de las membranas de éster de celulosa y de
nylon, puntos de un micrón marcados en amarillo. Pueden
verse además poros de tamaño aún mayor. Sin embargo
son membranas esterilizantes porque los capilares a lo largo de su espesor tienen estrechamientos que impiden el
paso de las bacterias. Además, sobre las superficies de los
capilares hay efectos de adsorción y atracción electrostática como veremos en los siguientes capítulos, donde nos
referiremos a los mecanismos de la filtración.
Para ejemplificar la importancia de la corrugación de
membranas con las que se construyen filtros industriales,
debemos mencionar que un elemento de cartucho de 25
cm de longitud y unos 60 mm de diámetro puede tener un
área de membrana de hasta 0,9 m2 de superficie, por la
que pueden circular caudales de soluciones acuosas de
15 l/min.
Comparando esta estructura a las membranas de polímeros plásticos se nota una gran similitud en la regularidad
de los volúmenes abiertos, en ambos casos aproximadamente 80 a 85% del volumen total y una similitud en la
tortuosidad del recorrido que deberá hacer el fluido, no habiendo perforaciones directas o poros.
Otra membrana de desarrollo muy interesante es la
membrana nuclear.
Esta es una de las más interesantes de las estructuras
filtrantes porosas, y es la única que tiene capilares cilíndricos perfectos como contrapartida de las membranas vistas previamente. En su proceso de manufactura la película
de policarbonato es sometida a un bombardeo de núcleos
atómicos en un reactor nuclear. Las partículas que atraviesan la película dejan huellas residentes que pueden ser
atacadas por agentes químicos, en función del tiempo de
exposición de la membrana al hidróxido de sodio. El resultado son los capilares cuyo diámetro es función directa del
tiempo de exposición al ataque químico, siendo su número
función del tiempo de residencia de la película de policarbonato en el reactor (Figura 7). Dado que el bombardeo de
partículas nucleares es sin ninguna duda desordenado por
naturaleza, uno podría suponer una probabilidad razonable
de coincidencia de impactos en zonas contiguas, con lo
que la posibilidad de poros sobredimensionados aumenta
y, en consecuencia, la posibilidad de pérdida de eficiencia
de retención, aunque este efecto puede ser mitigado debido a los diferentes ángulos de incidencia de las partículas
nucleares.
Membrana de microfilamentos inorgánicos
FIGURA 9
FIGURA 6
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 23
Membrana de Nylon 66
1µm
FIGURA 8
Membrana Nuclepore
Leptospiras sobre membrana
La membrana resultante es extremadamente fina y resistente. Su
apariencia es translúcida y tiene una
superficie lisa que la hace especialmente apta para trabajos de estudio
al microscopio. Para disminuir la posibilidad de coincidencias de impacto
puede bajarse el tiempo de exposición
de la película al bombardeo nuclear, lo
que implica menor caudal por unidad
de superficie que las otras membranas, al disminuirse el volumen abierto.
En el caso de la membrana nuclear el
volumen abierto es por la razón antedicha del 20% del volumen total, lo
que relega su uso al de membranas
analíticas, por ser sumamente claras
y lisas, aunque los caudales son relativamente bajos (Figura 8).
A partir de 1980 los filtros de mem-
FIGURA 10
FIGURA 7
10 µm
Membrana de Teflón
branas de Polihexametilenoadepamida (comúnmente llamado nylon 66) se
utilizan en forma cada vez más intensa debido a su amplia compatibilidad
química y resistencia mecánica y térmica (Figura 9).
Para algunas aplicaciones esta
membrana lleva un soporte de material no tejido como substrato, de manera tal de tener resistencia a la tracción así como una mayor resistencia
cuando se la pliega en la fabricación
de cartuchos.
En 1981 se desarrollan las membranas de Difluoruro de Polivinilideno que
tienen un alto rango de compatibilidad
química y admiten el plisado profundo
por lo que se pueden construir cartuchos de gran superficie con ellas.
Las membranas de PES (polieter
sulfona) tienen grandes ventajas por
tener alta compatibilidad química y física y presentar poca adsorción de los
materiales a filtrar.
Queremos destacar que la membrana de teflón, cuya fotografía se ilustra
en la Figura 10, se fabrica por el método de estiramiento que consiste en
tensionar una película plástica densa
de teflón que es estirada en todas las
direcciones bajo condiciones controladas, de tracción. Como resultado del
estiramiento se forman poros en la
película plástica cuyo tamaño se controla acotando las tensiones y tiempos
con los que este proceso se efectúa.
La membrana de teflón, siendo naturalmente hidrofóbica, es usada principalmente en la filtración de aire en
venteos, aire comprimido y gases, o
en la de fluidos muy agresivos.
Debemos enfatizar aquí la importancia que ha adquirido en la industria moderna la necesidad de contar
con elementos de este tipo, pues en
innumerables aplicaciones de la industria farmacéutica, microelectrónica, de
fermentación y alimenticia es necesario contar con la provisión de fluidos
estériles en caudales importantes. Tenemos en nuestro país casos típicos
de filtración de fluidos, en rangos submicrónicos de retención absoluta, con
caudales de hasta 30 m3/hr. La única
forma simple en que se puede efectuar el filtrado de dichos caudales es
por medio de carcasas con múltiples
cartuchos dispuestos en paralelo.
24
CAPITULO 4
25
Los filtros de aire
en los procesos
farmacéuticos
26 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 4
“Una aplicación de suma importancia es la instalación
de filtros de membrana esterilizante para filtrar el aire
que entra en contacto con
los productos estériles para
compensar el vacío producido
por la extracción del fluido por
medio de una bomba, o por
lo condensación del vapor de
esterilización en el interior del
tanque”.
Son muchas y variadas las aplicaciones de los filtros de aire en los procesos farmacéuticos, entre las cuales
consideraremos las siguientes:
• Filtrado de aire comprimido o
nitrógeno para transferencia de
productos a tanques intermediarios
o a máquinas llenadoras.
• Filtrado de aire comprimido
para procesos de fermentación.
• Liofilizado.
• Venteo de tanques de productos
estériles.
• Filtración de oxígeno.
• Filtración de nitrógeno.
Para estas aplicaciones se cuenta
con diferentes tipos de filtros:
a) HEPA de 99,99 de eficiencia
en 0,3 micrones
b) Conjuntos con cartuchos
de membrana hidrofóbica.
Tratándose de gases en contacto
con fluidos estériles deberá asegurarse la integridad de los filtros de aire por
medio de ensayos que deben cumplir
con el mantenimiento de la esterilidad
del producto.
Filtros HEPA
La aplicación de los filtros HEPA en
la ventilación de tanques es limitada a
los que no se esterilizan por inyección
de vapor, pues los HEPA no admiten
ser expuestos al mismo por varias razones.
El filtro HEPA es eficiente con el medio filtrante seco, pues su mecanismo
de retención se debe al efecto de difusión browniana con cargas electrostáticas sobre sus fibras. No es efectivo
Los filtros de aire
en los procesos
farmacéuticos
si se moja con la consiguiente pérdida
de eficiencia.
Debe considerarse al HEPA como
un filtro eficiente en la reducción de la
carga biológica de hasta un 105 para
un 99,999 % de eficiencia en MPPS
de aproximadamente 0,16 micrones.
Su principal ventaja es la baja caída
de presión. Por ejemplo un HEPA de
8” x 8” x 3” admite un caudal de 50 cfm
(1400 litros/min) con una caída de presión de 12 mm de columna de agua.
Venteo de tanques
El desplazamiento de líquidos, al
entrar y salir de los tanques obviamente, implica un flujo de aire o nitrógeno. El aire o el nitrógeno deben ser
desplazados y expulsados del tanque
de almacenamiento para permitir la
entrada del líquido y, a la inversa, deben entrar al tanque para permitir su
drenaje. Por esta razón los tanques
están equipados con aberturas para
venteos que permiten la entrada del
aire para llenar el vacío. Cuando el líquido almacenado es sujeto a control
microbiológico, por ejemplo cuando se
trata de agua estéril para producción,
el venteo es el límite a un ambiente
no estéril. De no haber una protección
adecuada el desplazamiento del aire
hacia el tanque permitiría el ingreso
de microorganismos y partículas.
La necesidad de esta protección
está oficialmente reconocida en las
Prácticas de Buena Manufactura GMP
para inyectables de uso humano.
Con referencia a venteos de aire establecen lo siguiente:
Todos los ventiladores y tanques
que contienen líquidos que requieran
control microbiano deben tener venteos con filtros esterilizables capaces
de evitar la contaminación microbiana
del contenido. Tales filtros deben ser
diseñados e instalados de modo tal
que no se mojen.
Los tanques que requieren venteos
de aire con filtros estériles incluyen
los que contienen agua para producción o enjuague final, agua para enfriamiento del producto después de la
esterilización, componentes líquidos y
soluciones en proceso.
La industria farmacéutica en general, y algunas alimenticias, han usado
desde hace muchos años filtros esterilizantes de diferentes características,
como venteos de tanques de almacenamiento de productos estériles, o
productos en los que la contaminación
debe estar bajo control.
Actualmente la industria farmacéutica usa filtros de cartuchos de membrana hidrofóbica de 0,2 micrones que
son ensayados regularmente en su integridad. Estos filtros varían en tamaño desde conjuntos descartables de
un pie cuadrado de membrana (900
cm2) para botellones y pequeños tanques hasta cartuchos de 30” de longitud con una superficie de membrana
de 2,5 m2 (Figuras 1 y 2).
En la selección de estos filtros varias consideraciones deben ser tenidas en cuenta:
• Deben ser esterilizantes y admitir
ser esterilizados.
• Cuando se aplican en tanques que
serán esterilizados por vapor fluente
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 27
FIGURA 3
FIGURA 4
• Reparación del tanque
o reemplazo
• Pérdida del producto
• Heridas al personal
FIGURA 2
Venteo de tanques durante
el vaciado
Mal dimesionamiento
del venteo
El tanque
colapsa,
o implota,
al no resistir
una fuerte
presión
negativa
Filtro descartable de membrana
Vista y sección de
venteo descartable
Sin embargo el buen dimensionamiento para evacuar líquidos no basta.
Si el tanque es esterilizado por vapor,
así como el filtro, ocurren simultáneamente dos situaciones:
1) El vapor de esterilización condensa al finalizar el ciclo y con la velocidad de variación de la temperatura
se genera un vacío que se compensa
por la entrada de aire por el venteo. Si
el tanque estuviera a la intemperie y
su aislamiento térmico fuera pobre o
no existiera el caudal de aire de entrada, función de dicha velocidad, podría
ser muy alto si el ambiente exterior
estuviera a baja temperatura. Debemos tener en cuenta que un metro
cúbico de vapor condensa en un litro
de agua, considerando que el vapor
de esterilización es saturado seco y
tiene una temperatura de 121ºC a un
bar (Figura 8).
2) Otro punto crítico es el condensado sobre el cartucho que, pese a ser
FIGURA 5
de un determinado valor compatible
con la resistencia del mismo a la presión negativa (Figuras 4, 5 y 6).
Deben tenerse en cuenta varios
factores al dimensionar un venteo,
como ser: el tamaño del tanque y sus
dimensiones, la resistencia del mismo
a la presión negativa, si su exterior tiene aislamiento térmico, y su ubicación
(ambiente exterior a la intemperie o en
ambientes cubiertos). La temperatura
del ambiente exterior es fundamental
para considerar la velocidad de condensación del vapor.
En el esquema de la Figura 7 se
muestra un tanque del cual se bombea 180 GPM es decir unos 684 lts/
minuto, lo que ocasiona una entrada
idéntica de aire de 24 cfm = 684 lts/
minuto. En este ejemplo la caída de
presión en el filtro de membrana es
de 0,4 psi, es decir 0,028 kg por cm2.
Resulta obvio entonces que con un
cartucho de membrana de medida estándar de 10 pulgadas de longitud la
caída de presión en el tanque es admisible si ha sido bien dimensionado.
Venteo de tanques durante
el llenado
Vaciado de tanque
El aire comienza a ser succionado
a través del filtro de venteo.
El aire ingresa en igual cantidad que
el líquido desalojado.
FIGURA 6
FIGURA 1
deben soportar la inyección de vapor
en el punto de uso. En otras palabras,
el vapor pasará a través de ellos simultáneamente con la esterilización
del tanque. Una condición necesaria
es que deben ser hidrofóbicos, permitiendo el drenaje rápido del agua en el
caso de que se moje su superficie por
condensación de vapor.
• De ser usados filtros de membrana
hidrofílica, al mojarse (sea por contacto directo con agua sea por agua producida por condensación de vapor)
los poros se taparán obstruyendo el
paso del aire. Debemos recordar que
la presión de punto de burbuja (presión
a la que se empiezan a abrir los poros
de mayor tamaño de una membrana
mojada) varía entre 2,5 a 3,2 kg por
cm2, con lo que la consecuencia sería
la implosión del tanque en el caso de
condensación de vapor después de la
esterilización (Figura 3).
En el caso de líquido almacenado a
ser extraído por una bomba o gravedad sería imposible el drenaje.
Es de capital importancia el dimensionamiento correcto de los filtros de
venteo para permitir la entrada de aire
necesaria para compensar el líquido
extraído por la bomba o el vacío producido por la condensación de vapor
cuando se esteriliza el tanque, cuidando que el vacío en el tanque no pase
Venteo de tanques durante
el vaciado y llenado
Llenado del tanque
El aire es desplazado
a través del
filtro de venteo
Un filtro mal dimensionado lleva a
la reducción del flujo y un bombeo
insuficiente
Filtro de venteo para 5.000 gal
Carcasa
filtrante
Aire
auxiliar
a 7 psig
Valores para vaciado: 180 gpm
24 SCFM@.4 psig inicial
hidrofóbico, tendrá una interfase líquida mientras el agua escurre sobre su
superficie, ocasionando un aumento
en su caída de presión. Esta condición es más crítica si la carcasa del
filtro de venteo se encuentra en un
ambiente frío.
Para obviar este tema es conveniente ya sea aislar la carcasa del filtro o
mantenerla a 90ºC encamisándola y
calentándola con vapor o resistencias
eléctricas para evitar o limitar el condensado sobre el cartucho.
Una aplicación en la industria farmacéutica es mantener el agua destilada en tanque por hasta 8 horas con
temperaturas no inferiores a los 80ºC.
Esto significa un ambiente con vapor,
siendo importante mantener al venteo
calentado permanentemente para evitar la condensación en el mismo.
Precauciones
Aplicación del disco de ruptura y
de la válvula de alivio: Los tanques
en general son más resistentes a la
presión positiva que a la negativa.
Esta última lleva a una situación peligrosa que es la implosión o colapsado del tanque. Para prevenir que esto
ocurra es recomendable equipar a los
tanques con discos de ruptura o válvulas de alivio, cuya función es abrirse
en el caso que la presión negativa exceda los valores de diseño del tanque.
Estos discos están constituidos por
una fina lámina metálica que se corta
al llegar al valor de diseño.
Tanto la válvula de alivio como el
disco de ruptura al abrirse evitan la implosión del tanque con el consiguien-
te daño a su estructura y al personal,
pero su consecuencia es la contaminación del producto almacenado y su
pérdida (Figura 9).
Una alternativa interesante es disponer de una fuente de nitrógeno o
aire comprimido, de modo tal que se
lo introduce abriendo la válvula de
entrada para evitar el vacío a medida
que el vapor se condensa o durante el
vaciamiento del tanque. Es importante para ello que el aire comprimido o
nitrógeno sean secos.
En las instalaciones de aire comprimido es importante contar con sistema de secado o por lo menos con
compresores libres de aceite con post
enfriadores y filtros coalescentes.
Ensayos de integridad
de los venteos
de membrana
Los ensayos de integridad de los
cartuchos de membrana consisten en:
Punto de burbuja: Sólo apto para
cartuchos en superficies pequeñas.
Es un ensayo simple, poco riguroso,
no apto cuando se quiere mantener la
esterilidad en el producto.
Ensayo de flujo difusivo: Apto
para superficies mayores, más riguroso que el punto de burbuja, pero se
pierde la esterilidad en el tanque.
Ensayo de mantenimiento de presión: Es una variante del ensayo del
flujo difusivo. En él se mantiene la esterilidad, pues se mide la disminución
de la presión de aire comprimido en
la carcasa del filtro de venteo, medida
Después de esterilización por vapor.
que se correlaciona con el caudal del
flujo difusivo. Es un ensayo simple y no
se pierde la esterilidad del producto.
Nota importante: Siendo las membranas hidrofóbicas, los ensayos mencionados anteriormente, sólo se podrán
hacer mojándolas con un líquido como
alcohol o una solución de alcohol con
agua. Pero el peligro consiste en contaminar el producto con alcohol. Para
evitar este problema se desarrolló el
ensayo WIT (Water Intrusión Test) que
veremos a continuación.
Ensayo de intrusión
o penetración de agua
El principio en el que se basa el ensayo de penetración de agua (water
intrusión test) es que las membranas
hidrofóbicas, por su estructura, no
permiten el paso del agua a través
de ellas a presiones de ensayo bajas.
Cuando las presiones son menores
que la necesaria para permitir la circulación de agua a través de los poros, tiene lugar un pequeño caudal de
agua análogo al flujo difusivo de gas
en las membranas mojadas.
El caudal de intrusión de agua en los
poros o capilares es proporcional a la
superficie y porosidad de las membranas, así como a la presión de ensayo.
El ensayo consiste en llenar la carcasa donde se encuentra instalado el
cartucho hidrofóbico y a una presión
determinada medir el caudal del agua,
por la disminución de su volumen dentro de la carcasa.
Un ensayo manual con un visor
graduado es poco práctico debido a
que, siendo los caudales mínimos, es
muy difícil la medición del descenso
del nivel por la observación de un suFIGURA 9
Tanque depósito de agua destilada
de 5000 gal
FIGURA 8
FIGURA 7
28 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Factores a ser considerados:
• Vacío en el tanque
• Presión atmosférica
fuera del tanque
• La resistencia de las paredes
del tanque.
• Calibración de del disco de
ruptura o válvula de alivio
Venteos mal dimensionados
• By-pass de filtro
perdiendo esterilidad
• Pérdida de producto
• Reemplazo del disco de ruptura.
Acción
del disco
de ruptura
o válvula
de alivio
Ensayo de integridad automático
FIGURA 11
FIGURA 10
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 29
AquaWIT Instrumento para ensayo de integridad
• Calentador para cumplir con las GMP
y evitar la formación de condensado
en el filtro.
• AquaWIT para ensayo,
totalmente automático
• Buen diseño de sistema
y operación para un venteo seguro
“Recomendamos que los filtros usados como límites para
la provisión de gases estériles, que pueden afectar al
producto, sean verificados en
su integridad después de su
instalación y periódicamente
después del uso.
Sterile Drug Products Produced by
Aseptic Processing: Good Manufacturing Practice, FDA (2004)
pervisor. En consecuencia se usa un
instrumento automático similar al que
se muestra en la Figuras 10 y 11. Al
completar el ensayo se drena el agua
de la carcasa.
Mientras que con el ensayo manual
se debe medir el desplazamiento del
agua por su diferencia de nivel en la
carcasa, en el ensayo automático se
mide la cantidad de aire que desplaza
al agua a la presión de ensayo.
Siendo el agua un fluido incompresible 1 ml de agua desplazada equivale a 1 cc de gas a presión de ensayo.
Si el caudal de intrusión de agua
observado es menor o igual que el
máximo admitido para la presión de
ensayo, el filtro es considerado íntegro y puede usarse durante el proceso. Este ensayo de integridad tiene
claras ventajas sobre los demás, al
evitar la necesidad de introducir solventes potencialmente contaminantes
e inflamables. Además no requiere
manipulaciones aguas abajo del filtro,
por lo que no se pierde la esterilidad
del producto.
Bibliografía
• Jack Cole “Considerations in Application of Bacteria retenting air vent filters”.
Ph.Technology June 1977.
• PDA Technical Report 40 “Sterilizing Filtration of Gases.
Guía Europea GMP
“La integridad de los filtros críticos
de venteo de aire y gas debe ser
confirmada despues del uso”
• La interpretación sobre la frecuencia de los ensayos dependerá de
su aplicación.
Guia FDA para inspecciones de sistemas de agua de alta pureza 1996
El componente del tanque de almacenamiento que genera más discusiones es el venteo.
“Es de esperar que haya un programa
de ensayos de integridad que asegure que el filtro está intacto”
“Hay métodos pra ensayar la integridad del filtro en el punto de uso”
Guía de FDA para inspecciones de
liofilización de Parenterales 1993.
“Si el filtro esterilizante pasa el
ensayo de integridad, despues de
ser usado con varios lotes,entonces
puede considerarse que estuvo en
condiciones durante todos esos
lotes”. “Sin embargo,si solo fué
ensayado despues de procesar
varios lotes fallando el ensayo de
integridad, entonces puede cuestionarse la esterilidad de todos los
lotes procesados previamente”
Responsabilidad del usuario
para la validación del filtro
• Especificar la frecuencia del ensayo de integridad después de la
esterilización
• Establecer la vida útil en uso basada en la experiencia
• Calificación para admitir las máximas condiciones operativas
30 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 5
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 31
Ensayos de
los cartuchos
de membrana
32 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 5
La necesidad de contar con un método simple para el ensayo de integridad de las membranas de grado esterilizante llevó a utilizar una propiedad
de las mallas porosas, que se llamó
punto de burbuja, y que posibilita verificar tamaños de poro con pocos elementos de laboratorio.
Ensayo de punto
de burbuja
Si se moja una malla porosa, metal
poroso sinterizado, membrana, etc.,
de manera tal que todos sus poros se
encuentren inundados y se la somete a una gradual presión de gas (aire)
se llegará a un punto en el que el aire
desplazará el agua del poro de mayor
tamaño, y se podrá notar un burbujeo
continuo (Figura 1).
Este punto se llama punto de burbuja y permite relacionar el tamaño
de poro con la presión a la que aparece el primer burbujeo continuo. Esta
presión obedece a una fórmula donde
influyen no sólo la presión y el tamaño
del poro, sino la tensión superficial y el
ángulo de contacto del menisco líquido, que depende de la naturaleza del
material filtrante así como del líquido
(Figuras 2 y 3) de donde podemos,
conociendo la tensión superficial y el
ángulo de contacto del menisco líquido deducir el tamaño del poro ya que
P= cte/d, cuando ensayamos materiales de iguales composiciones con el
mismo líquido, por ejemplo: agua.
Las membranas típicamente validadas como esterilizantes de 0.22 y 0.2
micrones tienen puntos de burbuja
mojados con agua que fluctúan entre
40 y 50 psi (libras por pulgada2), es
decir cerca de los 2.8 kg/cm2 y 3.6 kg
cm2.
Es importante destacar que estas
membranas no tienen poros uniformes que actúan como tamices perfectos. Tienen en su superficie poros
de hasta 1 micrón y sin embargo retienen en un 100% bacterias como las
B.diminuta, que se consideran de 0,2
micrones por ser de tamaño entre 0.3
y 0.6 micrones. Es decir se los llama
esterilizantes de 0.2 ó 0.22 micrones
por su eficiencia de retención en dichos tamaños y no por su tamaño de
poro.
La existencia de poros de tamaño
de 0.80 a 1 micrón ha sido documentada por Jacobs (Filtration and Separation 1972) quien encontró que a
esos tamaños correspondían puntos
de burbuja de entre 40 y 50 psi. Si los
filtros fueran de poros de máximo taFIGURA 1
Filtro esterilizante (FDA) 1987:
“Un filtro que, desafiado con
una carga del microorganismo
Pseudomonas diminuta, con
una concentración mínima de
107/cm2 de superficie de filtro,
producirá un efluente estéril”.
Ensayos
de los cartuchos
de membrana
maño de 0.2 micrones les correspondería un punto de burbuja de 190 psi
(Figura 4).
Hay varias razones para que dichos
filtros se comporten como esterilizantes:
1) Los mecanismos de la filtración
no son sólo por efecto tamiz, sino influyen también los efectos de inercia
y difusión browniana (aunque esto último es fundamental para separación
de partículas en gases, no en líquidos).
2) El recorrido largo y tortuoso que
debe recorrer la partícula o bacteria
a través del espesor de la membrana
varía entre 150 y 200 micrones. Estas
longitudes de recorridos tortuosos son
superiores entre 1000 a 2000 veces el
tamaño de la bacteria (Figuras 5 y 6).
3) Además de los efectos de retención por inercia hay situaciones de
efecto puente. Dos partículas apoyadas una contra otra bloquean el poro
de mayor tamaño (Figura 7).
Ensayo de punto de burbuja
P
Aire o nitrógeno
La presión aumenta hasta
observar un burbujeo continuo
P
Aguas
arriba
N2 dará valores levemente
diferentes al aire
FIGURA 3
Cuando la presión alcanza la presión
de punto de burbuja, el agua es expulsada del poro de mayor tamaño
Ensayo de punto de burbuja
basado en tres parámetros físicos
Tensión superficial
agua @ 20ºC : 72.75 dinas/cm
Angulo de mojado
0º para membranas hidrófilas
(cos Ө = 1)
FIGURA 4
Efectos de atracción electrostática o fuerzas de Van der
Waals adhieren a partículas o bacterias a la superficie del capilar disminuyendo además la sección de pasaje (Figura 8).
4) Por último la cantidad de poros de tamaños mayores,
que no tienen estrechamiento en sus canales internos es
mínima, y se puede disminuir aún más con el aumento del
espesor de la membrana.
El punto de burbuja manual presenta algunos problemas
de interpretación por cuanto depende de la agudeza de la
vista del operador, además de otros factores, como la superficie de la membrana en el filtro en ensayo. Debe tenerse en cuenta que cuando previo al ensayo la membrana
se sumerge en el fluido se llena con líquido un mínimo del
70% de su volumen. La membrana soporta efectivamente
una película líquida. Cuando se aplica aire a presión aún a
presiones bajas, el aire en pequeños caudales se difunde
a través de los capilares en cantidades imperceptibles al
ojo humano cuando se ensaya un filtro de poca superficie
(discos de 142 mm ó 293 mm).
Filtro de grado esterilizante del rango
retención de partículas de 0,2 µm
Presión de punto de burbuja
0.2 µm capilar
13 bar
0.8 µm capilar
4 bar
Los poros de los filtros son
irregulares en forma y tamaño,
algunos pueden ser de hasta
0.8 micrones
En 1975 el Dr. David Pall presentó un trabajo a la PDA
donde demostraba que podía usarse un método basado en
el flujo difusivo, para certificar la integridad de los cartuchos
de membrana, correlacionando los valores de éste con los
ensayos destructivos con bacterias. Este método llamado
por su autor de “Forward Flow”, o flujo anticipado al punto
de burbuja, provino de observar con microscopio la superficie de cartuchos sumergidos, a los que se daba presión de
aire por su núcleo (Figura 9).
Con ayuda óptica se detectaron burbujitas a presiones
muy inferiores al punto de burbuja.
El fenómeno, llamado de flujo difusivo, consiste en la
corriente de aire disuelto en el líquido que se desplaza o
difunde a través del mismo.
Cuando se usan cartuchos de 30” (760 mm) cuya superficie es de 25 pies cuadrados (2.2 m2) el caudal de flujo
difusivo llega a valores de 36 cc/min. Esto hace que el caudal de aire sea muy alto aún a presiones de 10 psi confundiéndose con el punto de burbuja. De ahí la importancia del
desarrollo ideado por el Dr Pall. Si el ensayo fuera manual
lo más previsible sería que el operador, en la suposición
que el cartucho esté dañado, lo descarte.
Deberá descartarse el ensayo de punto de burbuja
como único ensayo cuando se trate de certificar filtros
de alta superficie de membrana.
Pero hay que considerar que para definir la eficiencia de
los mismos debemos estudiar las peores condiciones posibles.
Para ello se consiMembrana de nylon 66 de 0.2 µm
deró ensayarlos con
concentraciones de B.
diminuta con efluente
cero (Figura 10).
Ya en 1977 Reti de
Millipore había relacionado el punto de
burbuja de diferentes membranas con
Cara de entrada: izquierda arriba
el porcentaje de reCara de salida: derecha arriba
10 µm
Corte 200 µm de longitud: abajo
tención bacteriana,
viendo que a mayor
punto de burbuja medido en psi, mayor la
Corte y cara superior de memreducción de concenbrana de nylon 66 de 0.2 µm con
tración de bacterias.
desafío de 5 x 108 cfu/cm2
El fabricante de la
membrana ha definido mediante ensayos
adecuados cuál es
el punto de burbuja
maximo por arriba del
cual sus membranas
no tienen penetración
de bacterias.
Definen por este
método los valores
de punto de burbuja
que corresponden a
Las flechas indican bacterias que
penetraron la membrana a 6 y 30 µm
0.1, 0.2, 0.45 microde la superficie
nes para cada tipo de
membrana y para los
FIGURA 5
Punto de burbuja
FIGURA 6
FIGURA 2
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 33
FIGURA 9
FIGURA 7
34 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Dos partículas apoyadas una
contra otra bloquean el poro
de mayor tamaño
Método de Forward Flow o flujo anticipado
Equipo de ensayos de punto de burbuja
Manómetro
Mecanismo
de rotación
FIGURA 8
Cartucho
Válvula
de aire
Efectos de atracción
electrostática o Fuerzas
de Van der Waals
Tanque de inmersión de Solox
Ensayo de flujo difusivo.
Su metodología práctica
En el trabajo de desarrollo del método, se midió el caudal de aire que pasaba por difusión a través de los elementos, y posteriormente se efectuó
el ensayo destructivo con bacterias,
determinándose la esterilidad o no del
FIGURA 12
FIGURA 10
diferentes fluidos de ensayo: agua, alcohol isopropílico, etc.
En el caso del flujo difusivo se define el flujo máximo, por debajo del cual
no se registra penetración de bacterias, con ensayos destructivos.
Esquema de ensayo bacteriano
Venteo
Filtro
Válvula para regular la presión
Tanque
de
presión
Válvula de control
de caudalímetro
efluente. Se hacen las tablas o gráficos
correspondientes viéndose el caudal de
flujo difusivo por debajo del cual no hay
penetración de bacterias. Se aplica un
coeficiente de seguridad y se define el
caudal máximo admisible por arriba del
cual debe descartarse el elemento filtrante (disco o cartucho de membrana).
La ventaja fundamental de este méto-
Caudal de flujo difusivo
Aire o
nitrógeno
Presión
aguas arriba
(80% BP)
Venteo
Se mide la variación
del volumen del gas
por unidad de tiempo
Presión
aguas abajo
Membrana analítica
FIGURA 13
Flujo divusivo y punto de burbuja
versus presión de aire
Filtro
Flujo difusivo
FIGURA 11
Suspensión bacteriana
Mantenimiento de presión
Aire o
nitrógeno
PresiónP up
aguas arriba
(80% BP)
8 0 %
Membrana analítica
La presión aguas arriba
se mide con precisión.
A medida que el gas
difunde a través del cartucho, la presión decaerá
proporcionalmente
Presión
P
aguasdown
abajo
Abierto a la atmósfera
Flujo difusivo
medido a 5 psig
DP
Flujo difusivo
Punto de
medido a 80%
burbuja
del punto de burbuja
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 35
Principios de operación
Para realizar el punto de burbuja,
todos los instrumentos operan bajo el
mismo principio. Poseen un regulador
de presión y un transductor de presión
(aparato electrónico que mide presión) y operan del mismo modo que
haciendo la prueba manualmente: van
incrementando la presión de a “pasos”
y miden la caída de presión en un breve período de tiempo. A través de un
algoritmo matemático sobre esta caída de presión el instrumento toma la
decisión sobre si ese punto de presión
es el punto de burbuja.
La Figura 14 tiene el propósito de
clarificar conceptos:
Según el incremento de presión que
se le de a estos “pasos” y el algoritmo
matemático usado para medir la caída
de presión, tendremos mayor o menor
precisión en la medida, y también requerirá de más o menos tiempo para
realizarla.
Para efectuar la medida de flujo
difusivo, en cambio, los instrumentos
tienen diferencias de principios, que
permiten clasificarlos en:
a) instrumentos que sólo
miden presión
b) instrumentos que miden
Caudal/masa.
a) Los instrumentos que sólo miden
presión realizan una medida indirecta
del caudal. Alcanzan la presión dada
por el fabricante del filtro para la prueba, cierran el sistema por medio de
una válvula y miden la caída de presión en el tiempo. Con este dato y basados en la ley general de los gases,
a la caída de presión la transforman
en volumen. Con este dato de volumen y con el tiempo medido calculan
el caudal y lo comparan con el valor
dado por el fabricante del filtro.
b) Los instrumentos que miden
Caudal/masa, realizan una medida
directa del caudal. Poseen al menos
un transductor de presión para medir
la presión en el lado sucio del filtro, de
manera de mantenerla constante en el
tiempo, incrementando o disminuyendo el caudal del gas en el sistema.
Estos instrumentos que miden caudal/masa frecuentemente requieren
de menor tiempo para realizar la medición en virtud de un algoritmo matemático que hace que corte las mediciones dando un resultado de “Pasa la
prueba” o “No pasa la prueba” (Figura
15).
Aspectos a tener en cuenta:
En estos tiempos, fines del año
2010, cuando se escribe sobre instrumental específico para realizar pruebas de integridad, debe tocarse los
siguientes aspectos:
1) Consideraciones para áreas
limpias: La generación de partículas
debe ser minimizada por estos instrumentos para ser usados en áreas
limpias.
Debido a que los artefactos electrónicos para operar correctamente
deben trabajar en un rango de temperaturas, los instrumentos para medir
integridad de filtros deben “refrigerar”
de algún modo su sistema y en estos
casos es mejor que se usen disipadores en lugar de ventiladores, pues
estos últimos pueden influir en la medición de partículas en el área.
De tener que imprimirse un resultado, es conveniente que tengan impresoras de papel térmico (no producen
impacto sobre el papel) en lugar de
matriz de puntos u otras que pudiesen
generar “pelusas” de papel por el impacto ocasionado.
La protección contra la contaminación no es un tema menor en esta
FIGURA 14
Instrumentos
automáticos para
realizar pruebas
de integridad
Reducción de concentración
FIGURA 15
do con respecto al punto de burbuja es
que en éste los valores son medibles
con instrumentos adecuados.
Debe hacerse notar que este método es aplicable a membranas con
tamaños de poro pequeños, en las
que la dispersión por tamaños es bien
conocida reproduciéndose sus características.
Los valores de caudal de aire, en
función de la presión se toman normalmente a presiones de entre un
80% al 90% del punto de burbuja (Figura 11). En la figura se ve como el
caudal de flujo difusivo, varía linealmente con la presión, hasta llegar al
punto de burbuja, donde al abrirse los
poros de mayor tamaño el flujo difusivo aumenta bruscamente.
Para evitar equívocos es importante
atenerse a los valores dados por cada
proveedor para cada elemento, no
siendo extrapolables los valores entre
membranas de diferentes fabricantes. En cuanto al ensayo en sí, puede
efectuarse de dos formas diferentes:
por medición del caudal de aire o por
la velocidad de variación de la presión
del aire contenido dentro de la carcasa una vez llevado a determinado valor y cerrada la válvula de entrada.
En el primer método se inyecta aire
a una determinada presión, a la carcasa con el filtro ya mojado instalado,
y el aire que lo atraviesa se mide en
la bureta graduada como se puede
ver en el dibujo de la Figura 12, por
el desplazamiento del agua que contiene. Dividiendo el volumen de aire
por el tiempo transcurrido se obtiene
el caudal difusivo.
En la Figura 13 puede verse el dispositivo usado para la determinación
de la integridad de un filtro por la
variación de la presión dentro de la
carcasa. Una vez colocado el cartucho a ensayar totalmente mojado se
inyecta aire a una presión determinada mediante el regulador y el manómetro. Luego se corta la entrada de
aire mediante la llave intermedia y se
lee la presión en el manómetro de la
derecha, después de un cierto tiempo.
La diferencia entre ambas presiones,
en el tiempo estipulado, está relacionada con el caudal de flujo difusivo,
no pudiendo exceder el valor tabulado
para el filtro y carcasa utilizados. Es
evidente que cuanto mayor la velocidad de disminución de presión, mayor
el flujo difusivo que la ocasiona.
Instrumentos
36 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
clase de instrumentos. Algunos instrumentos poseen válvulas de venteo
externas para este fin, otros poseen
sistema “limpiables”, otros trampas de
agua y sólo algunos combinan estos
sistema de protección.
2) Código de barras: La nueva
generación de filtros poseen códigos
de barras para evitar errores, con lo
cual es necesario que los instrumentos sean capaces de leerlos. El instrumento una vez leído el código debiera
seleccionar un programa predefinido
de prueba de integridad, disminuyendo riesgos del operador en carga de
datos o selección de programas.
3) Protección contra salpicaduras: Las distintas clases de protección
fijan, en qué medida se puede exponer un aparato eléctrico en condiciones ambientales adversas, sin ser
dañado o sin representar un riesgo de
seguridad o para la salud.
Los grados IP (Ingress protection /
Protección contra ingreso) respecto a
los agentes ambientales y humanos,
externos a los dispositivos eléctricos
se denominan mediante la codificación IP XX (XX son dos números).
Si un instrumento tiene grado IP54
está protegido contra polvo e inyecciones de agua proyectadas desde
todas direcciones.
En esencia no queremos que el instrumento ante una simple salpicadura
o al “limpiarlo” adecuadamente deje
de funcionar.
4) 21 CFR part 11: Esta regla tiene
por objetivo establecer requisitos para
la grabación de datos electrónicos y
el uso de firmas electrónicas. En esta
norma se establece que el riesgo de
la falsificación, interpretación equivocada o cambios sin dejar evidencias
son más altos con los registros electrónicos y firmas electrónicas que
cuando se hacía en papel y firmas
autógrafas.
Por lo tanto, para minimizar estos
riesgos se requieren controles específicos como son: • Seguridad de
acceso: los sistemas deben limitar el
acceso al personal calificado y autorizado • Firmas electrónicas: los resultados de las pruebas son firmadas
electrónicamente por el operador (PIN
y password). Los sistemas deben establecer medidas que aseguren que el
uso de estas firmas esté limitado a los
dueños genuinos.
Puntos destacados que deberían
incluirse en los instrumentos para ser
conformes con esta norma: • Expiración de password: la expiración
de un password dado en un tiempo
determinado • Mínima longitud del
password: setear a un mínimo de 4,
6 u 8 caracteres • Blockeo del sistema: Cuando las combinaciones de
usuario/password sean falsas debe
bloquearse el sistema y ser reabierto
sólo por el administrador.
CAPITULO 6
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 37
Mecanismos
de retención
de bacterias
Mitos y verdades
sobre las membranas
esterilizantes
38 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 6
“El presente trabajo discute el
concepto de que las membranas no son absolutas ni son
solamente de superficie, sino
que se evalúan por su capacidad de disminuir las cargas
bacterianas, hasta el punto de
definirlas como esterilizantes”.
Bajo mitos sobre los filtros esterilizantes hemos resumido los siguientes
puntos que, como veremos a continuación, no son ciertos como se creía:
“Todo producto filtrado por un
filtro esterilizantes será necesariamente estéril”.
Existiendo microorganismos inferiores en tamaño a la Bs Ds. los filtros esterilizantes validados con las mismas
pueden ser penetrados por bacterias
menores, como las Pseudomonas Cepacia y las Leptospiras.
“El filtro esterilizante es eficiente independientemente de la carga
bacteriana”.
Si la carga bacteriana superara las
107 x cm2 no se puede garantizar la
esterilidad del efluente.
“El filtro esterilizante tiene todos
los poros de 0,2 micrones”.
El punto de burbuja de los filtros
de 0,2 micrones varía entre 3 y 4 bar
que corresponde a poros de 0,8 a 1
micrón. El punto de burbuja del capilar de 0,2 micrones es de 13 bar, por
lo tanto existen los poros de hasta 1
micrón.
“Todo filtro de 0,2 micrones es
esterilizante”.
Absolutamente no!!! Un filtro esterilizante debe ser identificado por documentos que comprueben que fué calificado por el fabricante con un desafío
bacteriológico según la norma ASTM
F838-05 y recomendaciones de la
FDA. La definición de filtro esterilizante por FDA no menciona micrones !!!.
“Cualquier filtro esterilizante disponible en el mercado es aceptable”.
Mecanismos de
retención de bacterias
Mitos y verdades
sobre las membranas
esterilizantes
No necesariamente, el filtro esterilizante debe ser seleccionado en base
a las características del producto y
bajo las condiciones del proceso
Por mucho tiempo se divulgó el concepto de que las membranas esterilizantes de diferentes polímeros eran
tamices perfectos con tamaños de
0,2 ó 0,22 micrones de poro. Sin embargo, ninguna de estas membranas
tiene poros o capilares perfectos de
ese tamaño, aunque tiene muchos de
tamaños inferiores o similares. Más
aún, todas las membranas utilizadas
en la industria como esterilizantes tienen poros y capilares distintos, algunos de los cuales superan el tamaño
del micrón y sin embargo son esterilizantes, o mejor dicho en la práctica
dan efluente estéril. Esta capacidad
de esterilizar por filtración está sin embargo limitada por la concentración de
bacterias por unidad de volumen de
fluido a filtrar, y por el espesor de las
membranas.
Hace más de 20 años, Jacobs presentó un trabajo publicado en la revista Filtration and Separation donde demostraba que la presión de punto de
burbuja de 45 psi con la que se efectuaba el ensayo de integridad de las
membranas de 0,2 micrones correspondía a un capilar de 0,8 micrones.
El presente trabajo discute el concepto de que las membranas no son
absolutas, ni son solamente de superficie, sino que se evalúan por su capacidad de disminuir las cargas bacterianas, hasta el punto de definirlas como
esterilizantes.
El principal mecanismo por el cual
las partículas son retenidas en las
membranas es el efecto tamiz o de
intercepción directa, que es el más
importante y otros efectos hacen que
partículas se desprendan del medio
fluido para depositarse sobre la superficie de la fibra o capilar donde quedan
retenidas por adsorción.
La adsorción de partículas por la
membrana depende de varios factores, como la presión diferencial, la
velocidad de pasaje, pH, etc.
La mejor manera de verificar si un
filtro de membrana puede producir un
efluente estéril es desafiarlo con un
gran número de microorganismos y
medir su retención. Este método es
un ensayo destructivo que deja el filtro contaminado con microorganismos
y cercano al punto de saturación.
Ensayos de eficiencia
bacteriológica
Ensayo con soluciones acuosas:
Un ensayo destructivo, usado típicamente en la evaluación de la eficiencia de filtros de membrana, es el de la
suspensión de bacterias. Las membranas de 0,2 ó 0,22 micrones de tamaño
de poro se ensayan con la bacteria
de menor tamaño comercialmente
disponible que es la Brevundimona
diminuta, de un tamaño aproximado a
0,3 micrones x 1 micrón en una suspensión en agua con concentraciones
de 2 x 105 a 5 x 105 microorganismos
por litro, mientras que las membranas
de 0,45 micrones de poro, se ensayan
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 39
FIGURA 1
con suspensiones de Serratia marcescens. En la Figura 1 vemos la representación esquemática del circuito de
ensayo de cartuchos de membranas
de 0,2 micrones de poro.
Una solución con una concentración
de 5 x 105 Bs.Ds/ml se inyecta a razón
de 1 ml/min a un caudal de agua corriente limpia, desprovista de partículas
contaminantes y de cloro que se bombea a razón de 1 lt/min hacia el filtro
a ensayar. Esta agua se obtiene eliminando primero el cloro por medio de
carbón activado y luego eliminando las
partículas y bacterias por medio de un
prefiltro de 0,2 micrones con lo que se
inyecta al filtro a ensayar una solución
de Brevundimonas en agua con una
concentración de 5 x 105 Bs. Ds/litro.
Agua con la concentración arriba
escrita se inyecta en forma continua
al filtro por un período de 2 a 4 semanas hasta el punto de saturación,
cuando el caudal de 1 lt/min no puede
ser mantenido, y la caída de presión
llega a 60 PSI (aproximadamente 4
kg/cm2).
Se toman muestras del agua efluente a la salida del filtro, muestras que
son cultivadas en medios de cultivo.
El efluente debe ser continuamente
estéril hasta el punto de saturación
inclusive.
Téngase en cuenta que al nivel de
saturación la membrana de 0,2 micrones tiene sobre su superficie entre
1011 y 1012 Brevundimonas / pie2, es
decir aproximadamente entre 108 a
109 Bs/cm2 (Ver Figura 1 ensayo destructivo). Sin embargo, es posible ensayar la habilidad de un filtro para ser
esterilizante por medio de ensayos no
destructivos, correlacionados con los
de retención microbiana.
Probabilidad de
retención con desafíos
de cargas bacterianas
En los casos en que no todos los
poros tengan tamaños o estrechamientos que funcionan como tamices,
el resultado depende de la probabilidad, pues la captura de la partícula
o microorganismo depende de los
efectos de inercia, puente, adsorción
y velocidad de paso o tiempo de permanencia del microorganismo en el
seno de la membrana.
Cuanto mayor sea la carga de bacterias por unidad de superficie del
filtro, mayor la probabilidad de penetración. Y la inversa, cuanto menor la
cantidad de microorganismos menor
la probabilidad.
Los efectos de la presión diferencial
deben ser tenidos en cuenta. Cuanto
mayor el tiempo de permanencia del
microorganismo dentro del espesor
de la membrana, mayor la probabilidad de ser retenida por adsorción.
A la inversa a mayores presiones
diferenciales la velocidad de paso
será mayor y menor el tiempo de permanencia, con lo que disminuirá la
probabilidad de ser retenido por adsorción. Por lo tanto la retención por
adsorción es probabilística, existiendo
una relación inversa entre probabilidad de retención por adsorción con la
presión diferencial.
Representación esquemática del sistema de ensayo de cartuchos, por bacterias
Muestra de línea aguas arriba con campana llena
Ensayo destructivo con bacterias en agua
Manómetro
Drenaje
Venteo
Venteo
Venteo
Muestra de línea aguas abajo
con campana llena
Filtro
de ensayo
0.2 µm
Prefiltro
0.2 µm
Prefiltro de carbón activado
(opcional)
Flotámetro
0 - 2 GPM
Drenaje o
ensayo de
esterilidad
Entrada de
agua
1 l/min
Bomba dosificadora
- 1ml/min
Solución envasada en baño congelado
5 x 105/ml P.diminuta
40 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Ensayo de reducción
de concentración
de bacterias
FIGURA 2
Llamaremos en el futuro la reducción de concentración como la relación entre la cantidad de bacterias
aguas arriba y aguas abajo del filtro
como Tr, y su expresión simplificada
como LRV que significa el logaritmo
en base 10 de Tr.
Para una reducción Tr = 107 LRV
= 7 que en B. diminuta define el filtro
esterilizante (Figura 2). Podrá observarse en la fotografía de la Figura 3
que las bacterias que penetran los
filtros en su espesor son capturadas
a distrancias entre 6 y 30 micrones
de la superficie de entrada. En esta
fotografía tomada con microscopio
electrónico de barrido muestra la suReducción de título y
valor de reducción Log
Tr = Organismos en influente
Organismos en efluente
Lo anterior nos demuestra una membrana de espesor insuficiente para ser
esterilizante. Si fuera del doble de espesor Tr = Trl6 (103)6. La probabilidad
de penetración sería entonces:
1011
1
= 10-7
=
1018
107
luego LRV = 7 reducción considerada
más que suficiente para ser esterilizante.
Usando la ecuación anterior en un
ensayo de reducción de bacterias en
una membrana de un espesor determinado, podremos calcular su Trl para
predecir el comportamiento de varias
membranas del mismo material pero
de distinto espesor.
Por ejemplo, una membrana de 100
micrones es decir de 4 capas elementales de 25 micrones que exhiban una
reducción de concentración de Tr=106
Trl = (106) 1/4 = 31,6
Si consideramos una membrana de
8 capas, Tr = Trl8 = 1012
Este ejemplo lo damos con el mero
propósito de mostrar cómo se hace el
cálculo de reducción de concentración
total.
También llegaríamos al mismo resultado en forma más simple, de la
siguiente manera: Considerando que
106 es una reducción de concentración insuficiente para una membrana
esterilizante por permitir una penetración inaceptable, consideramos la colocación de 2 capas del mismo medio
en serie.
Tr = (106)2 = 1012
FIGURA 4
La carga de microorganismos por
unidad de superficie de filtro afecta la
posibilidad de penetración. Por esta
razón la carga bacteriana debe ser
mantenida tan baja como sea posible.
Los filtros tienen eficiencia máxima
cuando la carga es mínima. Esta carga deberá ser monitoreada regularmente.
Un factor muy importante es la existencia de poros de tamaños mayores
que los microorganismos, que no tienen estrechamiento menores durante
la extensión de su capilar.
Veremos que mediante el aumento
del espesor de la membrana podemos
hacer que la cantidad porcentual de
dichos poros sea mínima, y tan pequeña como se quiera la probabilidad
de penetración.
perficie y sección de una membrana
de PVDG de 0,2 µ desafiada con una
carga de 5 x 108 Brevundimonas dimintua por cm2, y 2 puntos en su sección con bacterias. En junio de 1978
los Dres. Pall y Kirnbauer presentaron
un trabajo fundamental. Demostraron
que no habiendo membrana perfecta
se podía lograr que la probabilidad
de penetración de una sola bacteria
puede hacerse tan pequeña como se
quiera. Para ello consideraron que las
membranas estaban contituidas por
capas elementales de 25 micrones de
espesor; esto debido a que la mayoría
de las membranas tienen espesores
múltiplos de 25 (125-200 micrones).
Con un desafío de 1011 bacterias
por pie cuadrado de superficie de cartucho aprox. 108/cm2 puede ser detectado hasta un microorganismo en el
efluente.
Se selecciona B. diminuta por ser el
microorganismo de menor tamaño y
aceptado generalmente por la industria. Se considera que en membranas
como la tomada en este ejemplo que
es de nylon 66 de 0,2µ la relación Tr
se mantiene constante independientemente de la concetración de bacterias en el influente. Podremos decir
entonces para simplificar la deducción
que la membrana está compuesta por
un número de capas de 25 micrones
superpuestas tal que si llamamos Trl
la reducción de concentración de una
capa elemental tendremos para 2 capas: Tr = Trl2.
Para 3: Tr = Trl3
Y para n capas: Tr = Trl n
En la Figura 4 se ve una carga de
Bs. Ds de 1011 y 3 capas elementales
cada una de ellas con una reducción
Trl = 103, que reducen la carga de bacterias sucesivamente a 108, 105 y 102.
FIGURA 3
Factor de la carga
de microorganismos
Reducción de concentración pasando
por 3 capas de Tr1 = 103
Tr = (Tr1) 3 = (10 3) 3 = 10 9
Tr =
10 11
10 2
= 10 9
Membrana de PVDF (superficie y sección) con cargas de 5 x 108 Bs. Ds.
10 11 Ps
LRV = Log10 Org en influente
Org en efluente
10 8 Ps
Filtro
10 5 Ps
10 2 Ps
107
organismos/cm2
???
organismos/cm2
El procedimiento de ensayos con
desafío bacteriano es uno con el cual
se evalúan los filtros de 0,2 micrones
y varía con cada proveedor de filtros.
Algunos argumentan que ensayar los
filtros con más de 5 x 107 CFU/cm2 de
B.diminuta cubriría la superficie de la
membrana formando una capa.
Los Dres. Osumi, Yamada y Toya
en 1992 demostraron con fotografías
con microscopio electrónico que aún
con una carga 50 veces mayor que la
norma, la superficie no estará completamente cubierta. En la Figura 6 se ve
FIGURA 6
la carga de 5 x 108 Bs.diminuta sobre
2 membranas de 0,2 y 0,22 micrones
y en la Figura 7 vemos una carga de
5 x 108 Bs.diminuta sobre membrana
de nylon 66.
Clasificar los filtros de membrana
por un rango de eficiencia, no significa
tamaño de poro sino rango de eliminación de contaminantes específicos.
Por ejemplo:
0.45 micrones Serratia Marcescens
0.2 micrones B.diminuta
0.1 micrón Acholeplasma Laidlawii
Para determinar si los filtros cumplen los requerimientos mínimos de
la FDA, deberán ser usados desafíos
Carga de 5 x 108 Bs.diminuta sobre
dos membranas de 0,2 y 0,22
micrones
1
FIGURA 8
Para una membrana de 8 capas
elementales de 25 µm:
TR = (103)8 = 1024
mayores. Repetimos una vez más que
la eficiencia de retención bacteriana
de una membrana está basada en la
probabilidad.
El índice que muestra la eficiencia
de retención en bacterias Tr se expresa como la relación de concentración de bacterias en el influente con
la concentración en el efluente. Este
valor refiere a la probabilidad de que
una sola célula microbiana penetre
la membrana, representando la eficiencia de retención del filtro. También
puede representarse como:
Tr-1
Eficiencia =
Tr
Por ejemplo, si tuviéramos un desafío de bacterias de 109 CFU y una
concentración de 10 CFU aguas abajo
la relación Tr = 109 = 108
10
lo que significa que la probabilidad de
que una sola bacteria penetre es de
0,00000001 % y la eficiencia de retención es del 99,99999999 %.
Fotografía tomada con microscopio
electrónico de barrido
2
Pseudomonas diminuta (5 x 108 cfu/cm2)
(1) 0,2µm Nylon 66, (2) 0.22µm PVDF
Pseudomonas diminuta (5 x 108 cfu/cm2)
on 0,2µm Nylon 66 membrane
Top and Cross Section (3Kx)
Carga de 5 x 108 Bs.diminuta
sobre membrana de nylon 66
FIGURA 9
Número de bacterias
para el ensayo
Reducción de concentración
La probabilidad de penetración
con un desafío 1011 será:
LTR = Log (1011/1024) = -13
FIGURA 7
que es aceptable en soluciones parenterales.
El ejemplo anterior está dado con el
mero propósito de mostrar que se hace
el cálculo de la reducción Tr Bs.dim
dado en Trl, pero debo alertar que los
valores mostrados son muy inferiores
a los reales. Trl = 31,6 es muy inferior
a los valores reales para membranas
esterilizantes de 0,2 micrones.
Hay un límite máximo práctico en
cuanto al número de microorganismos
con los cuales se puede ensayar un
filtro. Cuando alrededor de 5 x 109cm2,
5 x 1012/pie2 de B. diminuta son retenidas sobre la superficie del filtro, la
permeabilidad de éste ha bajado a un
número mínimo. Por ejemplo, si en un
cartucho de nylon de 5 pies cuadrados se mantuviera desde el inicio de
la filtración a 60 psi (menor o igual 4
kg/cm2) tendría inicialmente un caudal a filtro limpio de 200 l/min, pero el
caudal bajará a menos de 50 cc/min
cuando 5 x 109 /cm2 de B. diminuta se
hayan recolectado.
Para cualquier membrana de nylon
66 de 0,2 micrones sabiendo que su
reducción es Trl = 7,7 x 103 para un
espesor de 150µ = 6 mil tendremos:
Tr = Trl6 = (7,7 x 103)6 = 2 x 1023
Si consideramos su saturación a 2 x
1013 Brevudimonas diminutas por cartucho de 5 pies cuadrados, la probabilidad de penetración de una sola B.
diminuta a filtro saturado será:
2 x 1013 = 1
= 10-10
2 x 1023
1010
luego LRV = -10
En la Figura 5 vemos un ejemplo de
membrana de 200 micrones de espesor, 8 capas y su reducción de concentración para Trl=103.
FIGURA 5
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 41
Pseudomonas diminuta (5 x 108 cfu/cm2)
on 0,2µm Nylon 66 membrane
Top and Cross Section (500x)
Fotografía tomada con microscopio
electrónico de barrido
Pseudomonas diminuta (5 x 108 cfu/cm2)
on 0,2µm Nylon 66 membrane
Top and Cross Section (18x)
42 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Conclusión del trabajo
del Dr. Osumi
Aún cuando una membrana de 0,2
micrones sea desafiada a niveles bien
superiores a 107 cfu/cm2, la superficie
de la membrana no se cubre totalmente con una capa de células microbianas 5 x 108/cm2.
La totalidad de las bacterias no fué
retenida en la superficie, pero las bacterias no penetraron la membrana a
más de 30 micrones de distancia de la
superficie de la misma.
El mecanismo de retención microbiana de los filtros esterilizantes de
membrana es una consecuencia del
efecto tamiz de múltiples capas superpuestas más que un simple efecto
superficial.
Conclusión
Este estudio ilustra la eficacia del
microscopio electrónico de barrido
para analizar la retención microbiana
de los filtros esterilizantes. En la Figura 8 se ve la superficie y la sección de
una membrana de nylon 66 con una
carga de 5 x 108 bacterias, mientras
que en la Figura 6 se ve en la sección
de una membrana de PVDF la penetración de bacterias hasta 6 y 30 micrones de la superficie.
La Figura 9, la foto más clara hecha
también por el Dr. Osumi y colaboradores con microscopio electrónico
de barrido, muestra la superficie y la
sección más cercana a la superficie
de una membrana de 0,2 micrones
de nylon 66 con una carga de 5 x 108
(cm2) de Brevundimonas diminuta.
Puede observarse que ya está más
cubierta sin estar saturada.
Si se tiene en cuenta que por definición de la GMP, de FDA, filtro esterilizante es el que con una carga de 5
x 107 BsDs/cm2 da un efluente estéril,
los experimentos del Dr. Osumi muestran que las membranas ensayadas la
cumplen ampliamente.
El concepto de la membrana actuando únicamente como tamiz superficial es incorrecto. La eficiencia
del filtro de membrana depende tanto
de los tamaños de los poros como del
espesor, expresado por la ecuación
exponencial que relaciona el mismo,
con la eficiencia de la lámina de espesor elemental.
Es entonces posible desarrollar
membranas en la que la probabilidad
de penetración sea tan baja, como se
quiera.
Bibliografía
• “Bacterial Removal Prediction on Membrane Filters“ D.P. Pall and E.A. Kirnbauer, 52nd Colloid & Surface Science Symposium of Tennessee, June 12
(1978) Pall Corp. Publ. STR #PUF13
• “Bacterial Retention mechanisms of
Membrane Filters”, PDA Journal of
Pharmaceutical Science and Technology, Masako Osumi, Naoko Yamada and
Mida Toya.
CAPITULO 7
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 43
Esterilización por
vapor de sistemas
de filtración que
utilizan cartuchos
recambiables
44 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 7
“El presente capítulo describe
los importantes aspectos de
los procedimientos a adoptar al esterilizar por vapor los
sistemas de filtración. No se
pueden tener en cuenta las
características particulares de
sistemas individuales.
Obsérvese que los filtros no
se suministran en forma estéril
y la validación de los procedimientos de esterilización son
responsabilidad exclusiva del
usuario”.
El propósito de la esterilización de
los filtros de membrana es llegar a la
eliminación de todos los microorganismos que se encuentren en ellos,
especialmente porque la superficie
de salida debe ser estéril antes de su
uso. En la superficie de entrada el filtro puede ser estéril, pero esto no es
imprescindible cuando el cartucho es
de membrana esterilizante. Los métodos más comunes para la esterilización del cartucho son los siguientes:
1) autoclave por vapor
2) vapor fluente (SIP)
3) irradiación gama
El mismo filtro puede tener diferente resistencia a estos métodos por lo
que se deben considerar sus componentes: membrana, soporte, núcleo y
condiciones operativas.
Esterilización por vapor
y su por qué
Agua hirviendo por 10 minutos mata
todas las bacterias vegetativas así
como las levaduras y los hongos, pero
no los esporos de bacterias. La temperatura de ebullición no es lo suficientemente alta como para coagular las
proteínas y los esporos de bacterias.
La condensación de vapor saturado
efectivamente transfiere el calor a las
células bacterianas causando la desnaturalización de las proteínas y la
hidrólisis.
Tipo de vapor requerido
Vapor saturado: El vapor de agua
debe estar en equilibrio con el agua
en estado líquido, la presión para ello
Esterilización
por vapor de
sistemas de filtración
que utilizan cartuchos
recambiables
será de 15 psig = 1,1 Kg/cm2. A esta
presión el vapor saturado seco tendrá
una temperatura de 121ºC que deberá ser aplicado por un mínimo de 15
minutos.
Nota importante: Deberá evitarse
el vapor seco sobrecalentado y también el vapor húmedo sobresaturado
por producir éste una condensación
excesiva.
La FDA bajo el título “Productos
estériles producidos en procesamientos asépticos” de septiembre de 2004
dice lo siguiente: “Estudios del calor
de penetración deben ser realizados
usando las cargas establecidas para
el esterilizador. La validación del proceso de esterilización con una cámara
cargada demuestra los efectos de la
carga en el efecto térmico sobre los
elementos a ser esterilizados, y puede
identificar dificultades para calentar o
penetrar estos elementos y por consiguiente la letalidad puede ser insuficiente para obtener la esterilidad.
La disposición de indicadores biológicos en la carga, incluyendo los lugares más difíciles de ser esterilizados,
es un método directo para confirmar la
eficiencia de cualquier procedimiento
de esterilización.
Cuando se determinan qué artículos son difíciles de esterilizar, debe
aplicarse particular atención a la esterilización de los filtros, bombas y
acoples de llenado (manifold). Hay
algunos otros ejemplos, incluyendo la
ubicación de material envuelto densamente empacado, tuberías, el conjunto del filtro esterilizante, los filtros
hidrofóbicos y los tapones”.
Lo anterior se refiere en particular
a los autoclaves de vapor cuya mayor
ventaja reside en que es un método
flexible, porque puede aplicarse tanto
a conjuntos de filtros con carcasas de
inoxidable como a cartuchos desechables; además, los filtros pueden ser
pre-esterilizados independientemente
de otros equipos. Son fáciles de cambiar y agregar a nuevos conjuntos con
acoples.
Sin embargo presentan limitaciones
en cuanto a la necesidad de ejecutar
conexiones asépticas y el tiempo de
armado en el caso de conjuntos de
acero inoxidable de gran tamaño.
Esterilización por vapor
fluente (SIP)
Sus mayores ventajas son que los
componentes del sistema están armados, no habiendo manipulación después de la esterilización por vapor.
Sus mayores limitaciones consisten
en que los materiales y el sistema deben ser compatibles con el vapor in
situ bajo presión.
Refiriéndose al vapor in situ la
FDA en septiembre de 2004 escribe
lo siguiente: “Ubicaciones difíciles
de alcanzar deben ser evaluadas.
La instalación de filtros en cañerías
puede causar una importante caída
de presión a través de los mismos,
resultando en una caída de temperatura significativa aguas abajo del filtro.
Recomendamos la colocación de indicadores biológicos aguas debajo de
los filtros”.
Instalación: El sistema de filtración
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 45
te la válvula D para drenar el condensado.
•6. Dejar fluir el vapor por el sistema
durante el tiempo de esterilización
requerido, asegurándose de que no
se desarrolla una presión diferencial
superior a 0,3 Kg/cm2 (P1 menos P2)
en el filtro.
• 7. Cuando ha terminado el tiempo de
esterilización, cerrar las válvulas de
drenaje D, J e I y la válvula de venteo
G.
• 8. Fijar la presión (P3) de aire regulado o de nitrógeno en 0,2 Kg/cm2 por
encima e la presión del vapor de esterilización. Cerrar la válvula de vapor B
y abrir inmediatamente la válvula de
aire o de nitrógeno F.
• 9. Se puede eliminar el vapor del
sistema, para ayudar el enfriamiento,
abriendo cuidadosamente la válvula
de venteo G. Cerrar la válvula G después del venteo.
• 10. Dejar enfriar el conjunto a temperatura ambiente o a la temperatura del
fluido de proceso.
• 11. Cerrar la válvula de aire o de nitrógeno F.
• 12. Eliminar la presión del gas en el
sistema de filtración, por la válvula de
venteo G. El sistema de filtración ya
está preparado para su uso.
Procedimientos
de esterilización
por vapor in-situ
Procedimiento A
Esterilización por vapor in-situ
del sistema de filtración: La Figura
1 presenta una instalación de filtración
típica. Los manómetros de presión,
que se pueden leer con precisión en
la gama de 0 a 3 Kg/cm2, se deben
instalar para controlar la presión del
vapor y la presión diferencial en el sistema de filtración durante el ciclo de
esterilización. Para garantizar una esterilización efectiva, se deben mantener en el conjunto la presión del vapor
y la temperatura (medida en posición
T) en un mínimo de 1.1 Kg/cm2 y de
121ºC, durante un tiempo mínimo de
30 minutos, o el tiempo que requiera
la experiencia del trabajo.
•1. Asegurarse de que todas las válvulas estén cerradas.
•2. Abrir totalmente la válvula C.
•3. Abrir totalmente la válvula de drenaje de condensado I, la válvula de
drenaje de la carcasa J y la válvula de
venteo de la carcasa G.
• 4. Fijar la presión del vapor (P4) a
0,3 kg/cm2 por encima de la presión
de vapor requerida en el conjunto de
filtración. Luego abrir lentamente la
válvula de vapor B. Después de expulsar el condesado de I y J, cerrar
parcialmente ambas válvulas.
•5. Cerrar parcialmente la válvula de
venteo G cuando el flujo de vapor sea
evidente. Cuando la presión de P2 se
encuentre a una diferencia de 0,3 Kg/
cm2 de la presión P1 abrir parcialmenFIGURA 1
debe instalarse de forma tal que el
condensado del suministro de vapor
no pueda acumularse en la carcasa y
que el extremo abierto del cartucho de
filtración esté orientado hacia abajo.
Es preferible que para todas las operaciones de llenado estéril la tubería
aguas abajo del sistema de filtración
se mantenga lo más corta posible. Los
diagramas de procedimiento muestran
longitudes de tubería críticas.
Pruebas de integridad: Los filtros
de grado esterilizante deben ser sometidos a prueba de integridad después
de la esterilización por vapor, antes
de que el producto pase al filtro. Otra
prueba, después de la filtración, es
también recomendable.
El método recomendado para verificar la integridad de los filtros es
el procedimiento de Flujo Difusivo o
Forward Flow Test.
Vapor para esterilización: El vapor
utilizado para la esterilización debe
ser seco y saturado. No se debe utilizar un vapor sobrecalentado. La temperatura de esterilización por vapor
máxima permitida para un tipo de filtro
dado está indicada en las publicaciones apropiadas. Además, los tiempos
máximos acumulados de esterilización
por vapor son también especificados y
no se deben variar.
El vapor no debe tener partículas
como óxido ni escamas de tuberías,
que serían eliminadas por el filtro a
esterilizar, acortando su vida. Los filtros de acero inoxidable poroso PSS
son adecuados para la filtración del
vapor y se deben seleccionar los sistemas apropiados.
Lavado del sistema de proceso:
Se recomienda de manera especial
lavar el sistema de filtración de proceso y el equipo auxiliar aguas abajo,
después de la esterilización por vapor, para eliminar todos los residuos
originados por el vapor y las trazas de
extractables del filtro que queden después de la esterilización.
Aire para la presurización del
sistema: Hay que evitar condiciones
que conduzcan al colapso del tanque,
como un enfriamiento rápido. La aplicación de aire comprimido o de nitrógeno puede ayudar a superar este
riesgo. Si se presuriza después de la
esterilización el sistema de filtración y
el sistema anexo, el aire o el nitrógeno
deben estar libres de partículas, agua
y aceite.
Procedimiento B
Procedimiento alternativo para
esterilización por vapor in-situ del
sistema de filtración: El procedimiento se aplica únicamente a los
filtros hidrofóbicos cuando se dan las
siguientes condiciones: • Dificultades
para obtener flujo de vapor a través
de un filtro humedecido con agua •
Instalación de filtración típica para esterilización por vapor in-situ
de un conjunto de filtración según el procedimiento A.
Entrada de Aire o nitrógeno
filtrado y
vapor por
regulado
esterilización
P1
Venteo G
Alternativa:
recorrido del flujo
dentro de la
carcasa
P3
F
PP44
Flujo de
proceso
A
T
B
Purga J
Purga I
P11 G
de
proceso
P
P22
C
P22
TT P
E
Purga
D
P = manómetro
T = termocupla
Mínima longitud de cañería
FIGURA 2
46 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Instalación de filtración típica para esterilización por vapor in-situ
de un conjunto de filtración según el procedimiento B.
Aire o nitrógeno
filtrado y
regulado
P5
Entrada
de vapor por
esterilización
K
P44 Venteo
P
P33
M
Venteo
P
P11
E
Filtro
Emflon
A
Purga
R
Purga
C
Filtro de
proceso
T
J
Purga
B
Purga
D
Dificultades para obtener presión de
gas positiva aguas abajo del sistema
de filtración esterilizado, en caso de
necesidad.
La Figura 2 presenta una instalación
típica de filtración. Hay que instalar un
filtro hidrofóbico de membrana, para
mantener la esterilidad de la sección
aguas abajo si la presurización después de la esterilización con aire es
necesaria. El sistema de filtración indicado dentro del cuadro punteado no
es aplicable si no se requiere presurizar después de la esterilización.
Hay que instalar manómetros de
presión que se puedan leer con precisión dentro de la gama de 0 a 3 Kg/
cm2, para controlar la presión del vapor y la presión diferencial dentro del
sistema de filtración durante el ciclo
de esterilización. Para garantizar una
esterilización efectiva, la presión del
vapor y la temperatura (medida en
posición T) se deben mantener dentro
del conjunto a un mínimo de 1,1 Kg/
cm2 y 121ºC durante un mínimo de 30
minutos o el tiempo requerido por la
experiencia de trabajo.
• 1. Asegurarse de que todas las válvulas estén cerradas.
• 2. Fijar la presión del vapor (P5) a
0,3 Kg/cm2 por encima de la presión
de vapor requerida en el sistema de
filtración. Abrir parcialmente la válvula
de drenaje R para eliminar el condensado. Abrir lentamente la válvula de
vapor A.
• 3. Abrir la válvula de drenaje C, la
válvula de la carcasa N y la válvula
de venteo M. Cuando el condensado
ha sido expulsado, cerrar parcialmente las válvulas C y N. Cuando el flujo
de vapor sea evidente, cerrar parcial-
P
P22
P11
J G
B
de
proceso
A filtro
Emflon
E
Purga
N
G
Flujo de
proceso
A K
H
Alternativa:
recorrido del flujo
dentro de la
carcasa
L
Purga F
D
P = manómetro
T = termocupla
Mínima longitud de cañería
mente la válvula de venteo M.
• 4. Abrir lentamente la válvula G, luego la válvula H para suministrar vapor
a ambos lados del filtro de proceso.
• 5. Abrir las válvulas de drenaje B y
F, la válvula de drenaje de la carcasa
D y la válvula de venteo E. Cuando el
condensado ha sido expulsado, cerrar
parcialmente las válvulas de drenaje
B, D y F.
• 6. Purgar el vapor mediante la válvula de venteo E. Esto deja fluir abundantemente el vapor por la cara del
filtro de proceso para evaporar agua
dentro de la membrana de filtración.
El flujo de vapor dentro del filtro se
puede confirmar cerrando la válvula H
y observando el flujo de vapor continuo por F y la presión de P2.
Pasar vapor por el filtro de proceso
hasta conseguir la temperatura de esterilización en la salida de la carcasa
de filtración (T). Asegurarse de que P1
menos P2 y P4 menos P2 no pasen de
0,3 Kg/cm2.
Si después de cerrar la válvula H el
flujo de vapor por la válvula F no se
mantiene, volver a abrir la válvula H
y volver a pasar un caudal abundante
de vapor por el filtro de proceso mediante la válvula de venteo E.
• 7. Cuando el flujo de vapor por el filtro se confirma, abrir totalmente la válvula H, cerrar parcialmente la válvula
de venteo E y dejar pasar vapor por el
sistema durante el tiempo de esterilización requerido.
• 8. Cuando ha terminado el tiempo de
esterilización, cerrar las válvulas F, D,
B, R, (N y C). Cerrar las válvulas de
venteo E (y M).
• 9. Fijar la presión (P3) del aire regulado o del nitrógeno a 0,2 Kg/cm2 por
encima de la presión del vapor del esterilización.
• 10. Cerrar la válvula de vapor A y
abrir inmediatamente la válvula de
aire o nitrógeno K.
• 11. El vapor debe eliminarse del
sistema para ayudar al enfriamiento,
abriendo cuidadosamente las válvulas
de venteo E (y M). Cerrar las válvulas
E (y M) después del paso. Dejar enfriar todo el conjunto a presión hasta
la temperatura ambiente o de proceso.
• 12. Cerrar la válvula de aire o nitrógeno K y las válvulas G y H.
• 13. Liberar la presión del gas mediante las válvulas E (y M). El sistema
de filtración ya está preparado para su
uso.
• 14. Cuando se requiere en todo
momento una presión de gas positiva aguas abajo del filtro de proceso
seguir los procedimientos 1 a 12 inclusive. Introducir fluido de proceso
a presión superior a P2, y ventear el
sistema mediante la válvula E. Liberar
la presión del gas en el filtro Emflon
mediante la válvula de venteo M.
Procedimiento C
Esterilización por vapor in-situ
del sistema de filtración y del equipo aguas abajo: Se puede realizar
la esterilización por vapor simultánea
del conjunto de filtración y de los componentes aguas abajo, usando el siguiente procedimiento general.
Este método de esterilización requiere un control muy cuidadoso y
una validación, ya que es influido por
la configuración, la capacidad de calor
y el volumen del sistema aguas abajo.
Además, requiere también pasar vapor por el filtro de venteo en dirección
contraria, lo cual requiere un control
cuidadoso. Siempre es preferible esterilizar el filtro y los componentes
aguas abajo separadamente.
La Figura 3 muestra una instalación esquemática. Conviene instalar
manómetros que se puedan leer con
precisión dentro de la gama de 0 a 3
Kg/cm2, para controlar la presión del
vapor y la presión diferencial dentro
de los sistemas de filtración, durante
el proceso de esterilización.
• 1. Asegurarse de que todas las válvulas están cerradas.
• 2. Abrir las válvulas de drenaje K y N
y las válvulas de venteo H y D.
FIGURA 3
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 47
Procedimiento D
Instalación de filtración típica para esterilización por vapor in-situ
simultánea del sistema de filtración y del equipo aguas abajo
según el procedimiento C.
Aire o nitrógeno
filtrado y
regulado
Entrada
de vapor por
esterilización
P
P11
H
P
P44
D
P66
P
J
Aire o nitrógeno
filtrado y regulado
P66
P
PP55
G
P
P22
A
Entrada
de flujo
B
K
• 3. Abrir la válvula C y abrir parcialmente la válvula F.
• 4. Fijar presión del vapor (P5) a 0,3
Kg/cm2 por encima de la presión de
vapor requerida en el sistema de filtración. Abrir el drenaje del condensado
de vapor J hasta que se descargue el
condensado, luego abrir lentamente
la válvula de vapor B. Dejar J parcialmente abierto.
• 5. Dejar el condensado descargarse
de la carcasa del filtro de proceso, luego cerrar parcialmente la válvula de
drenaje K. Cerrar parcialmente la válvula de venteo H. Asegurarse de que
P1 menos P2 no pase de 0,3 Kg/cm2.
• 6. Abrir lentamente la válvula L. Asegurarse de que P1 menos P2 y P3 menos P4 no supera 0,3 Kg/cm2.
• 7. Dejar el condensado descargarse de la carcasa del filtro de venteo
aguas abajo, luego cerrar parcialmente la válvula de drenaje N.
• 8. Abrir parcialmente la válvula de
venteo D. Asegurarse de que la presión diferencial en el filtro de venteo
no supere los 0,3 Kg/cm2 durante el
período de esterilización.
• 9. Fijar la presión (P6) del suministro
regulado de aire o nitrógeno a 0,2 Kg/
cm2 por encima de la presión del vapor de esterilización.
• 10. Cuando ha terminado el tiempo
de esterilización, cerrar las válvulas
de drenaje N, F, K y J. Cerrar las válvulas de venteo D y H.
• 11. Cerrar la válvula de vapor B y
abrir inmediatamente las válvulas de
aire o de nitrógeno G y E para presurizar el filtro estéril y el sistema aguas
abajo.
Advertencia: Cuando las carcasas
P33
P
L
Dispositivo
de seguridad
para alivio
de vacío
J
T
N
C
T
F
P = manómetro
T = termocupla
Mínima
longitud de cañería
en los sistemas aguas abajo no puedan soportar la presión negativa sin
colapsarse, hay que instalar dispositivos de seguridad apropiados.
• 12. Controlar los manómetros de
presión durante el enfriamiento para
confirmar que el sistema aguas abajo
permanece totalmente presurizado.
Cuando todo el sistema se ha enfriado hasta la temperatura ambiente, cerrar las válvulas de aire o nitrógeno G
y E.
• 13. Abrir lentamente las válvulas de
venteo D y H para liberar la presión
del sistema. El sistema de filtración y
los componentes aguas abajo ya están preparados para su uso.
Procedimientos
de esterilización
en autoclave
A continuación se dan unas recomendaciones para la esterilización en
autoclave de los cartuchos de filtración recambiables:
• 1. Cuando un recipiente aguas abajo
está conectado a la salida del filtro durante el ciclo de autoclave, el volumen
del recipiente no debe superar 25 litros, y la tubería de conexión no pueden
tener más de 1,5 metros. El recipiente
se debe acoplar con un filtro de venteo
hidrofóbico. Hay que dejar las válvulas
abiertas y las salidas cubiertas, como
se indica a continuación. Para recipientes mayores o para tubería que superan 1,5 metros, autoclavar el filtro y los
demás componentes separadamente
y conectar asépticamente.
• 2. Es importante utilizar un ciclo de
salida lento.
Esterilización en autoclave sin
vacío, del sistema de filtración: La
esterilización en autoclave de los cartuchos y sistemas se puede llevar a
cabo siguiendo este procedimiento:
• 1. Con un cartucho instalado en la cabeza de la carcasa, cubrir la conexión
de salida (adaptador de campana o de
manguera) con una cubierta porosa al
vapor adecuada. La cubierta no debe
estar bien sellada o tapada. Esto es
importante para permitir la penetración adecuada del vapor.
• 2. Es recomendable que el cabezal y
el cuerpo estén separados durante el
autoclavado para facilitar la purga de
aire. Si el sistema está cerrado, pueden producirse tiempos de ciclo más
largos. El cartucho de filtración no
debe soportar el cabezal bajo ningún
concepto, y tampoco puede el cuerpo
descansar contra el cartucho de filtración.
Importante: El ciclo de autoclave
debe garantizar que el sistema de
filtración y los artículos auxiliares están esterilizados y debe ser validado
en consecuencia. Temperaturas de
121ºC ó 130ºC, para un mínimo de
1 hora o 45 minutos respectivamente
son normalmente suficientes para llevar a cabo la esterilización del sistema
de filtración.
• 3. Terminar el montaje del filtro e instalarlo en el sistema usando técnicas
asépticas.
Procedimiento E
Esterilización en autoclave de
vacío del sistema de filtración: La
presión absoluta interna dentro del
autoclave debe reducirse al menos
a 0,07 Kg/cm2 absolutos. Se sugiere
una purga del sistema a 2 ciclos de
vacío para eliminar los gases no condensables que pueden interferir en la
esterilización.
La esterilización por autoclave al
vacío de cartuchos y sistemas se puede realizar usando una de las relaciones temperatura / tiempo indicadas a
continuación.
Con un cartucho instalado en el
cabezal del filtro, cubrir la conexión
de salida (adaptador de campana o
manguera) con una cubierta porosa al
vapor adecuada. La cubierta no debe
estar bien sellada ni tapada. Las válvulas de venteo o drenaje deben estar
48 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
totalmente abiertas. Esto es importante para permitir una penetración adecuada del vapor.
Importante: El ciclo de autoclave
debe garantizar que el conjunto de
filtración de los artículos auxiliares están esterilizados y debe ser validado
en consecuencia.
Las relaciones temperatura / tiempo
enumeradas a continuación son normalmente suficientes para realizar la
esterilización del sistema de filtración.
• a) Temperatura de 121ºC durante un
mínimo de 30 minutos a esa temperatura.
• b) Temperatura de 126ºC durante un
mínimo de 20 minutos a esa temperatura.
• c) Temperatura de 134ºC durante un
mínimo de 15 minutos a esa temperatura.
CAPITULO 8
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 49
Consideraciones
sobre la
re-utilización
de filtros de grado
esterilizante
50 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 8
“En este capítulo se discuten
los métodos sobre reutilización
y limpieza de los cartuchos de
membrana y su validación, se
incluyen además las guías normativas sobre la reutilización de
los filtros esterilizantes”.
Consideraciones
sobre la re-utilización
de filtros de grado
esterilizante
Autor: Jerold Martin.
Actualmente Vicepresiedente científico de
Pall Corp y copartícipe en los Comités de
normas de la PDA.
En la medida en que las condiciones del mercado conducen a los
elaboradores de fármacos a buscar
formas de reducir los costos, puede
considerarse la reutilización de filtros
de grado esterilizante. El autor examina la re-utilización de filtros de grado
esterilizante de membrana hidrofílica
o hidrofóbica en aplicaciones de esterilización de líquidos. El autor también
revisa las diferentes metodologías
para la re-utilización y los factores a
considerar cuando se decide si reutilizar filtros de grado esterilizante y
proporciona el estudio de un caso que
pone de relieve los riesgos potenciales, y consideraciones para la validación de procesos en la re-utilización
de filtros.
Los filtros de membrana diseñados para esterilizar líquidos y gases
han sido empleados con éxito en
una amplia gama de aplicaciones de
proceso. La re-utilización de filtros
de grado esterilizante puede ser tenida en cuenta en la medida en que
las condiciones económicas y del
mercado llevan a los elaboradores
farmacéuticos, de biotecnología y vacunas, a buscar formas de mejorar la
rentabilidad mediante la reducción de
costos de proceso. Aunque los filtros
de grado esterilizante para líquidos
son generalmente desarrollados y recomendados para uso en un solo lote
o campaña, hay muchas aplicaciones
donde pueden ser sometidos a múltiples usos (es decir re-utilizarse).
Este artículo se enfoca sobre la
re-utilización de filtros de grado esterilizante de membrana hidrofílica o hi-
drofóbica empleados en aplicaciones
de esterilización de líquidos. El autor
revisa las diferentes metodologías
que pueden ser definidas como reutilización, debate sobre los factores
a considerar cuando se decide si reutilizar los filtros de grado esterilizante, y proporciona el estudio de un caso
que subraya los riesgos potenciales y
las consideraciones para la validación
de proceso en aplicaciones de re-utilización de filtros.
La adecuación de la re-utilización
de filtros de grado esterilizante en aplicaciones de esterilización de líquidos
depende en esencia de los requisitos
de la aplicación específica, de los estudios de validación básicos del filtro
producido realizados por el proveedor,
y la validación del proceso de filtración
por el usuario final. Esta evaluación
incluye la determinación del riesgo de
re-utilización y los efectos que pueden comprometer la capacidad del
filtro para retener completamente las
bacterias y, así, esterilizar el fluido de
proceso.
Se acepta generalmente que cuando una prueba de integridad física no
destructiva (por ejemplo, una prueba
del tipo de flujo difusivo o de punto de
burbuja) de un filtro de grado esterilizante se correlaciona con la retención
de bacterias, puede confiarse en los
filtros re-utilizados, para proporcionar
un efluente estéril, siempre y cuando
los mismos continúen demostrando su
integridad bajo pruebas repetidas. Los
métodos de ensayo de flujo difusivo y
punto de burbuja son altamente efectivos en detectar defectos de fabrica-
ción en los filtros, tales como orificios
en las membranas o bypass en los
sellos del cartucho de la membrana
debido a instalación inadecuada. Sin
embargo, a menudo se pasa por alto
que puede ocurrir la degradación de
la membrana bajo condiciones incompatibles de re-utilización que pueden
comprometer las propiedades de retención de bacterias del filtro. Dichos
casos de degradación de la membrana no son modelados por los estudios
de validación básicos realizados por
el fabricante y pueden no ser detectables mediante pruebas de integridad
de producción comunes correlacionadas con la retención bajo esas condiciones modelo. El estudio del caso
proporcionado en este artículo ilustra
este punto.
El uso y la re-utilización de filtros de
membranas de grado esterilizante, en
el rango de 0,2 µm y aún 0,1 µm, a
menudo se produce en aplicaciones
de servicio no esterilizantes de líquidos, tales como las llevadas a cabo
para la reducción o el control de carga
biológica o partículas. En estas aplicaciones, los filtros pueden o no ser
probados para integridad, debido a
que no se espera necesariamente que
eliminen el 100% de las bacterias incidentes con aseguramiento validado
(es decir, esterilizar) y no se pretende
que los filtrados sean estériles. Estos
pueden ser utilizados como prefiltros
o como filtros finales para el control
de una carga biológica que puede
ya ser muy baja en el líquido ingresante. Aunque dichos filtros han sido
validados por sus fabricantes para la
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 51
eliminación cuantitativa de bacterias
cuando están íntegros en condiciones
estándares, el riesgo de falla marginal,
o en algunos casos, grosera, conlleva mucho menos consecuencias que
un riesgo de falta de esterilidad en la
producción de un fármaco estéril o el
mantenimiento de un proceso estéril.
A pesar de la naturaleza menos crítica de estas aplicaciones, muchos de
los riesgos asociados al uso de filtros
de grado esterilizante en procesos de
esterilización pueden aplicarse y utilizarse en la evaluación del riesgo.
Los filtros de membrana hidrofóbica
de grado esterilizante para servicios de
aire, gas o ventilación, habitualmente
de membrana con poro en el rango de
0,2 µm fabricada de politetrafluoroetileno (PTFE), o fluoruro de polivinilideno (PVDF) también han sido tradicionalmente reutilizados en servicios de
múltiples lotes, con esterilización con
vapor de autoclave o vapor in situ (es
decir steam in place - SIP) entre lotes
o campañas. Debido a que este artículo se centra en la aplicaciones de
filtración esterilizante de líquidos, no
se abordará la re-utilización de filtros
de aire, gas y ventilación.
Definiciones
de re-utilización
en servicios de líquidos
En general, uno puede considerar la
re-utilización de filtros de grado esterilizante como aplicada a la filtración
de múltiples lotes de producto o de
otro fluido de proceso. Este enfoque
es compatible con las aplicaciones de
la re-utilización de filtros esterilizantes
de aire, gas y ventilación en campañas o lotes múltiples. Sin embargo, en
el caso de la filtración esterilizante de
líquidos, hay muchas interpretaciones
de re-utilización. Cada interpretación
tiene diferentes implicancias sobre el
rendimiento del filtro. Los filtros pueden considerarse como re-utilizados,
cuando son empleados para múltiples
lotes en las siguientes instancias: •
Sin eliminación, enjuague, limpieza,
sanitización o re-esterilización • Con
enjuague entre lotes solamente • Con
enjuague y re-esterilización entre lotes
• Con enjuague, limpieza y re-esterilización entre lotes • Uso intermitente
con secado entre lotes • Sin limpieza
o re-esterilización.
En el primer caso de re-utilización,
que se define como “sin eliminación,
enjuague, limpieza, sanitización, o
re-esterilización”, los filtros son inicialmente esterilizados y dejados en su
lugar sin interferencia a medida que
múltiples lotes de líquido pasan a través de ellos. Aunque la carga adicional
en el filtro por la re-utilización es mínima con esta metodología, un factor de
riesgo significativo es que las bacterias
del primer lote y lotes subsiguientes
pueden permanecer viables sobre la
membrana durante los ciclos de reutilización. Estas bacterias podrían
potencialmente producir células más
pequeñas mientras se dividen y migran
a través de los poros más grandes del
medio de filtración hasta contaminar el
filtrado y comprometer la esterilidad de
los lotes más tardíos. Esta penetración
bacteriana dependiente del tiempo, a
veces denominada “crecimiento a través”, se ha informado para filtros íntegros de grado esterilizante en el rango
de 0,2 µm, incluso para lotes individuales que son ejecutados durante períodos de tiempo prolongados (> 8 hs).
El resultado no sería diferente si un
lote único simplemente fuera subdividido en múltiples lotes de producto, cada uno procesado a través del
mismo filtro, instalado en períodos de
tiempo más cortos consecutivos. Este
riesgo se hace mayor, sin embargo,
cuando se permite que los filtros permanezcan sin uso por tiempo adicional, entre el procesamiento de lotes
consecutivos. El riesgo de penetración
bacteriana dependiente del tiempo no
puede ser evaluado por pruebas de
integridad del filtro, porque no hay carga adicional sobre el mismo.
Con enjuague entre lotes. Un segundo y similar proceso de re-utilización de filtros de grado esterilizante se
produce cuando los filtros son sometidos a enjuague con agua u otro solvente, entre cada uso, para minimizar
el arrastre de componentes del fluido de proceso desde un producto al
próximo, o un lote al próximo. Si bien
este tipo de re-utilización se beneficia
de la reducción de la contaminación
cruzada lote a lote y puede retardar la
capacidad de bacterias retenidas para
multiplicarse mediante la eliminación
de algunos nutrientes derivados del
líquido del proceso, el riesgo de la
penetración bacteriana en función del
tiempo persiste. Este riesgo se mantiene porque la carga biológica viable
retenida puede continuar dividiéndose
incluso bajo condiciones de falta de
nutrientes, formando biofilms compuestos de células y secreciones adhesivas derivadas de células que son
difíciles de eliminar por enjuague. Si la
cantidad de la carga biológica del lote
anterior es significativa, o se desarrolla un biofilm en la membrana del filtro,
hay riesgo adicional de contaminación
corriente abajo con derivados bacterianos tales como endotoxinas, en
caso que el líquido de enjuague pueda presionar las bacterias retenidas.
Con enjuague entre lotes y reesterilización. El tercer tipo de re-utilización (enjuague entre lotes y re-esterilización) puede limitar el riesgo de
penetración bacteriana en función del
tiempo extendida, más allá del tiempo
de procesamiento de un lote único y
controlar el posible desarrollo del biofilm. Sin embargo, si el filtro no es suficientemente enjuagado después de
cada ciclo de re-utilización antes de
la re-esterilización y la introducción
del siguiente lote, la re-esterilización
puede degradar bacterias retenidas
y dejar niveles elevados de endotoxinas bacterianas lixiviables y de otros
derivados celulares que pueden contaminar el lote procesado subsiguientemente. Este tipo de re-utilización
también impone estrés físico adicional
en el filtro durante la re-esterilización.
La mayoría de los filtros de grado
esterilizante están calificados por su
proveedor para soportar varios ciclos
de vapor de autoclave o de SIP, sin
compromiso para la integridad o la capacidad de retención de bacterias.
Cabe notar, sin embargo, que las
calificaciones del filtro del proveedor
se realizan generalmente en filtros
intactos humedecidos sólo con agua,
sometidos a múltiples ciclos de vapor
de laboratorio y, a continuación, probados. Estas pruebas, aunque indicativas de la robustez del filtro, no necesariamente modelan las presiones de
degradación química adicionales que
pueden ocurrir en el filtro, cuando los
residuos del producto o del agente de
limpieza no son enjuagados suficientemente, antes de someter el filtro al
vapor. Las pruebas tampoco toman
en cuenta que el ciclo de esterilización
de un usuario final en particular puede
ser más estresante para el filtro que
las esterilizaciones controladas de laboratorio realizadas por el fabricante
52 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
del filtro para apoyar las garantías del
producto.
Con enjuague entre lotes, limpieza y re-esterilización. El cuarto tipo
de re-utilización (que incorpora enjuague entre lotes, limpieza y re-esterilización) reduce aún más el riesgo de
contaminación cruzada o lixiviación
de derivados de las bacterias retenidas durante el enjuague y la limpieza.
A pesar de la reducción del riesgo de
contaminación, este tipo de re-utilización se hace más grave en términos
de estrés potencial para el filtro y riesgo de daños al mismo que pueden no
ser detectables mediante las pruebas
de integridad de rutina. Además de
enjuagar el líquido de proceso con un
solvente adecuado, este tipo de re-utilización somete al filtro a un líquido de
limpieza agresivo destinado a disolver
o degradar los contaminantes retenidos. Debe determinarse la compatibilidad de la membrana del filtro y otros
materiales componentes no sólo para
el líquido de proceso de lotes en esta
situación, sino que también deben
considerarse los fluidos y regímenes
de limpieza, el tiempo acumulado de
contacto, etc. Los productos o agentes de limpieza residuales retenidos
en el filtro debido a la falta de enjuague después de la limpieza y antes de
la exposición al vapor de re-esterilización, pueden ser más agresivos a la
elevada temperatura de las condiciones del proceso de re-esterilización.
Un ejemplo del impacto potencial de
estas condiciones se presenta en el
estudio del caso que se describe más
adelante en este artículo.
Uso intermitente. La quinta categoría de la re-utilización implica una
forma diferente de estrés ocasionada
por el secado de la membrana entre
lotes. Algunas membranas pueden
ser dañadas por los reiterados ciclos
de secado, en particular si son secadas en hornos de aire caliente. Los
contaminantes residuales, fluidos de
limpieza, o residuos pueden concentrarse en el filtro durante el secado,
ejerciendo aún más estrés químico
sobre la membrana y comprometiendo su funcionalidad sin ser detectados
por pruebas de integridad de rutina.
En cada uno de estos casos en que
un usuario final considera la reutilización para economizar en los costos
de filtración, corresponde que todas
las condiciones de proceso y reutiliza-
ción sean validadas apropiadamente
en cuanto al desempeño del filtro y los
lixiviables. Es de importancia crítica
que no se encuentren comprometidas
la capacidad del filtro para retener las
bacterias y la capacidad de las pruebas de integridad del filtro para predecir la integridad del mismo.
Aplicaciones
de reutilización
en servicios de líquidos
El riesgo de re-utilización, incluyendo la importancia crítica del proceso
de filtración, debe evaluarse para
cada aplicación, además de las condiciones del proceso. Algunos procesos
pueden ser considerados menos críticos que otros y pueden no requerir los
niveles más altos de aseguramiento
de la esterilización. Dichos procesos
utilizan filtros de grado esterilizante para control de partículas y/o de
carga biológica, pero no garantizan la
esterilidad de los efluentes. En estas
aplicaciones, un usuario puede considerar la reutilización de aquellos
filtros de forma más agresiva. Otros
procesos requieren un nivel razonable
de aseguramiento de la esterilización,
sugiriendo un mayor riesgo en la reutilización. Las aplicaciones más críticas
requieren los más altos niveles de
garantía de la esterilización alcanzables y se hacen a menudo mediante
la combinación de filtros de grado esterilizante, con el efluente de los filtros
de control de carga biológica y, en
algunos casos, el uso de la filtración
en serie con doble filtro de grado esterilizante de 0,2 µm, 0,2 µm a 0,1 µm,
o doble de 0,1 µm. Con tal redundancia, puede haber un equilibrio entre
la reutilización de filtros de corriente
aguas arriba y filtros finales de uso
único, o la re-asignación de los filtros
finales del lote previo como filtros corriente arriba para lotes subsiguientes.
En cada caso, cualquier percepción
de ventaja económica por la reutilización de los filtros debe sopesarse
contra el riesgo de falla, la que puede
ser causada por conexión prematura,
pérdida de la integridad, aumento de
la contaminación de lixiviables o penetración bacteriana.
Ejemplos de aplicaciones para filtros de grado esterilizante utilizados
tanto como filtros no esterilizantes de
control de carga biológica o de partí-
culas como esterilizantes o ambos,
incluyen la filtración de: • Medios de
cultivo para fermentadores o biorreactores de cultivos celulares • Aditivos
para fermentadores o biorreactores •
Suero para medios de cultivos celulares • Agua de proceso • Soluciones
buffers de cromatografía • Soluciones
buffers de diafiltración • Solventes •
Desinfectantes • Reserva de productos intermedios • Principios activos
farmacéuticos no estériles (Active
Pharmaceutical Ingredients - API) •
Granel final de APIs estériles • Medios
de cultivo estériles para validación de
llenado aséptico • Inyectables esterilizados en forma terminal • Inyectables
estériles llenados asépticamente • Soluciones tópicas y oftálmicas estériles
llenadas asépticamente.
Cada una de estas aplicaciones
tiene sus propios requerimientos y
factores de riesgo para el control de
carga biológica y/o filtración esterilizante. Además de las condiciones de
reutilización (enjuague, limpieza, reesterilización, secado), cada aplicación de re-utilización debe considerarse independientemente basándose en
su importancia crítica para el aseguramiento de la esterilización y cualquier
otra influencia en el efluente filtrado.
Guías normativas sobre
reutilización de los filtros
de grado esterilizante
Directrices de la FDA y la ICH. Una
revisión de las guías de la Administración de Alimentos y Medicamentos de
los EE.UU. (Food and Drug Administration - FDA) y la Agencia Europea
de Medicamentos (European Medicines Agency - EMEA), indica que no
se tratan específicamente el uso y
la reutilización de los filtros de grado
esterilizante para APIs no estériles o
productos farmacéuticos terminados
no estériles (1-2). Esta orientación
también se aplicaría a la utilización
de filtros de grado esterilizante en la
fabricación de AIs no estériles y APIs
de biotecnología, desde la fermentación hasta la purificación corriente
abajo, incluyendo los medios esterilizados por filtración, aditivos, buffers e
intermediarios de proceso. Aunque el
uso de filtros de grado esterilizante en
la elaboración de APIs no estériles y
fármacos no estériles (es decir, para
el control de carga biológica) puede
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 53
considerarse buena práctica de fabricación actual (cGMP), sólo se proporciona orientación específica para
el uso y la reutilización de los filtros
de grado esterilizante como guía para
fármacos estériles.
Hay un aspecto de la ICH Q7A:
Guía de Buenas Prácticas de Fabricación de Principios Activos Farmacéuticos que puede considerarse aplicable
para la reutilización de los filtros de
grado esterilizante incluso con APIs
no estériles. ICH Q7A establece: “El
equipo debe estar construido de manera que las superficies de contacto
con las materias primas, productos intermedios o APIs no alteren la calidad
de los APIs y los productos intermedios más allá de la especificaciones
oficiales u otras establecidas” (2). En
virtud de esta orientación, el impacto
potencial de los filtros de grado esterilizante en el API, incluidos los datos
de sustancias extraíbles que pueden
ser proporcionados por el fabricante
del filtro, en los casos en que los filtros
son reutilizados en la fabricación de la
API, el usuario final también debería
considerar el impacto potencial sobre
el producto de las bacterias retenidas,
y del producto o residuos de agente
de limpieza insuficientemente retirados de la superficie de filtro.
Con respecto a la fabricación de
fármacos estériles, puede encontrarse
en 21 CFR 211.65 (a) una declaración
correspondiente sobre cGMP para los
productos farmacéuticos terminados,
que afirma:“El equipo debe construirse de manera tal que las superficies
de contacto con los componentes,
materiales en proceso, o los fármacos
no sean reactivas, aditivas, o absortivas de modo que puedan alterar la
seguridad, identidad, fuerza, calidad
o pureza del fármaco más allá de los
requisitos oficiales u otros establecidos“ (3).
La misma consideración se aplicaría para el impacto potencial de las
superficies de los filtros re-utilizados.
La Guía para la Industria de Fármacos Estériles Producidos por Procesamiento Aséptico – GMP actuales de la
FDA presenta dos puntos de vista con
respecto al uso y re-utilización de los
filtros esterilizantes. Para los fármacos
estériles, la guía establece, “Los filtros
esterilizantes deben descartarse de
forma rutinaria después del procesamiento de un lote único” (4). Aunque
esta afirmación parece no apoyar la
reutilización de filtros, es seguida por
la premisa, “Sin embargo, en aquellas
instancias en las que el uso repetido
pueda ser justificado, la validación del
filtro estéril debe incorporar el número
máximo de lotes a ser procesados”.
Esta concesión indica que cuando los
filtros de grado esterilizante van a ser
reutilizados, la validación del proceso
de esterilización por filtración debe
evaluar el impacto de la limpieza y
la re-esterilización en el proceso del
usuario final. La guía continúa afirmando, “Es importante que la prueba
de integridad sea realizada después
de la filtración para detectar cualquier
tipo de fugas o perforaciones del filtro
que pudieran haber ocurrido durante la filtración”. Esta guía se aplica a
lotes individuales y campañas de lotes. Es de interés crítico que la guía
sugiere que las fugas o perforaciones
del filtro presumiblemente capaces
de comprometer el rendimiento de la
esterilización serán detectadas por la
prueba de integridad.
Guías europeas. La Comisión Europea en sus Guías para las Buenas
Prácticas de Fabricación de Productos Medicinales para Uso Humano y
Veterinario (Anexo I, sobre la Fabricación de Productos Medicinales Estériles), establece: “No debe utilizarse el
mismo filtro durante más de un día de
trabajo a menos que tal uso hubiera
sido validado“ (5). Si bien esta afirmación parece permitir un uso prolongado y la reutilización potencial de filtros,
la validación de proceso debe tomar
en consideración cualquier efecto
de la reutilización sobre el filtro. La
guía continúa afirmando, como en
las Guías API, que, “El filtro no debe
afectar el producto por eliminación de
componentes desde el mismo o por la
liberación de sustancias hacia él”. De
nuevo, aquí debe considerarse la lixiviación de contaminantes o residuos
de limpieza desde los filtros usados
antes de la re-utilización y debe validarse la ausencia de cualquiera de los
efectos mencionados.
Recomendaciones de la Asociación de Fármacos Parenterales (Parenteral Drugs Association - PDA).
Las recomendaciones para la industria sobre la re-utilización de filtros de
grado esterilizante hasta la fecha ha
sido limitada. La primera edición del
Informe Técnico 26 de la PDA, “Filtra-
ción de Líquidos de Grado Esterilizante” en 1988 se enfocó exclusivamente sobre la esterilización del fármaco
final y no abordó la re-utilización de
filtros de grado esterilizante (6). La
revisión de este documento de 2008
considera aplicaciones de los filtros de
grado esterilizante en biotecnología y
productos farmacéuticos elaborados
fuera de los EEUU, y establece, “Los
filtros esterilizantes deben descartarse en forma rutinaria después del procesamiento de un único lote”. Pero la
revisión también amplía la guía de la
FDA de procesamiento aséptico sobre
la re-utilización declarando, “Sin embargo, en aquellas instancias donde
el uso repetido pueda ser justificado,
la validación del filtro estéril, incluyendo las pruebas de integridad del filtro,
desafío bacteriano y limpieza, deben
incorporar el número máximo de lotes
a ser procesados” (6).
Como co-autor de ambos documentos de la PDA, este autor apoya las
recomendaciones de ésta de someter
a los filtros en la medida de sus ciclos
de re-utilización y de limpieza a un desafío bacteriano.
Observancia coercitiva de la FDA.
La FDA ha hecho cumplir activamente
sus directrices sobre la re-utilización
de filtros bajo GMP. Una Carta de
Advertencia de la FDA a un establecimiento de elaboración de productos
farmacéuticos ha declarado: “Falla
en validar el período extendido de
re-utilización de los filtros (editado)
utilizados para varias formulaciones
y lotes de diferentes productos inyectables. Los datos de la validación de
enjuague fueron inadecuados para
probar que los componentes residuales del lote previo fueron eliminados.
Su respuesta falla en asegurar que los
productos (editado) no contienen residuos inaceptables de lotes previos de
diferentes productos que utilizaron los
mismos filtros. La inspección encontró
datos inadecuados de validación de
enjuague para apoyar que el residuo
de fármaco de los lotes previos fue
eliminado. Estamos preocupados por
la posibilidad de contaminación cruzada” (7).
Otra Carta de Advertencia de la
FDA a un elaborador de productos oftálmicos estériles enuncia: “De acuerdo con el informe de la inspección del
establecimiento, Ud. reutiliza los filtros
esterilizantes en la medida en que
54 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
cumplen los estándares de integridad
del filtro del fabricante de (editado) o
por un máximo de su especificación
interna de 50 re-utilizaciones.
Estamos preocupados acerca de
la efectividad de sus filtros después
de haber sido utilizados y autoclavados 50 veces. Entendemos que Ud.
realiza una prueba de integridad del
filtro por el método (editado) antes y
después de cada lote. Sin embargo, a
fin de justificar 50 re-utilizaciones nos
gustaría ver estudios de validación de
retención de bacterias utilizando el
producto, tanto bajo el uso inicial del
filtro como después de la 50º re-utilización. Además, no está claro para
nosotros si Ud. ha realizado pruebas
de sustancias extraíbles y lixiviables
del filtro con producto. Si Ud. tiene estos datos, le pedimos que nos los proporcione. Si no, háganos saber cuando nos los podrá proporcionar” (8).
Un revisor de la FDA ha declarado
públicamente que la re-utilización de
filtros esterilizantes está “desaconsejada para fármacos estériles”, mientras que simultáneamente reconoce
que la re-utilización de filtros de grado
esterilizante es “común en la producción de API” (9). El revisor recomienda, “La validación de la retención microbiana debería incorporar procesos
múltiples de esterilización y filtración”
y “correlacionar la validación de la retención microbiana, la prueba de integridad del filtro siguiente a múltiples
ciclos de esterilización/re-utilización y
la esterilidad del API/producto” (9).
La FDA está actualmente solicitando que los registros de lote indiquen
cuando los filtros estériles hayan sido
previamente re-utilizados, tal como lo
declara en la observación 483 de Octubre de 2008 (10).
Validación de la
re-utilización de filtros
Siguiendo las recomendaciones de
PDA y FDA, está indicado un programa de estudio multifase sobre la retención bacteriana para la validación
de la filtración esterilizante con filtros
re-utilizados. El Informe Técnico 26 de
PDA (7,8) y las guías de procesamiento aséptico de la FDA (4) actualmente
requieren estudios de carga biológica
preliminar de productos o fluidos de
proceso para determinar la adecuabilidad de conducir estudios de retención
bacteriana sobre discos de filtro de
membrana utilizando tanto la bacteria
de desafío estándar Brevundimonas
diminuta (ATCC19146) como un aislamiento de carga biológica bajo las
condiciones del caso más desfavorable. Estas pruebas de desafío deben
incluir lotes múltiples de membranas
de filtros (habitualmente tres) y “al menos uno de los tres lotes de membrana
utilizados para el estudio de validación
de retención bacteriana deben tener
un valor de pre-estudio o de prueba
de integridad pre-utilización cercano
a las especificaciones de prueba del
fabricante” (es decir, representando la
membrana menos retentiva) (6).
Un estudio de esta extensión debería ser suficiente para demostrar la
capacidad de la membrana del filtro
para esterilizar el fármaco o el fluido
de proceso en un solo uso. El estudio, sin embargo, no debería predecir
el desempeño del filtro después de
ciclos múltiples de lavado, re-esterilización y re-utilización. El desafío bacteriano debe realizarse sobre filtros
de producción sujetos a las condiciones actuales, o preferentemente las
más desfavorables que incorporen la
extensión completa de ciclos de limpieza, enjuague, o re-esterilización y
re-utilización.
Los procesos de reutilización que
vinculan lotes múltiples, tanto sin enjuague de filtro entre lotes como con
enjuague con solvente entre lotes,
pueden a menudo llevarse a escala
menor y modelarse en la mesada del
laboratorio. Sin embargo, procesos
de re-utilización más complejos, tales
como los que abarcan ciclos múltiples
de limpieza y re-esterilización, o secado entre campañas, son difíciles de
simular en el laboratorio con filtros de
disco, cápsula o aún de cartucho. En
tales casos es preferible suplementar
las pruebas de desafío de disco de
lote único con una serie de desafíos
bacterianos conducidos en filtros de
cartucho de producción que hayan
sido expuestos a la extensión completa del proceso actual de ciclos de
uso, limpieza, re-esterilización y reutilización.
Los cartuchos de producción habituales son apropiados para esta
segunda fase dado que la “membrana en el caso más desfavorable” es
evaluada en el estudio inicial de disco
y la prueba de los cartuchos de pro-
ducción usados sirve para confirmar
la compatibilidad del proceso tal como
se mide mediante el mantenimiento
de las propiedades de retención bacterianas. Tales pruebas pueden ser
el único medio para determinar si las
propiedades esterilizantes de un filtro permanecen sin afectarse por las
condiciones de los múltiples ciclos de
proceso de re-utilización. Las pruebas
de integridad pueden ser insuficientes
tal como lo demuestra el siguiente estudio de un caso.
Estudio de un caso:
Riesgo de re-utilización
El estudio del caso aquí descripto
pone de relieve un ejemplo del riesgo de la reutilización de los filtros de
esterilización sin la realización de una
validación completa de la re-utilización
a escala de proceso Los detalles de
los procesos específicos se excluyen
para mantener la confidencialidad.
En este caso, una empresa farmacéutica estaba utilizando un cartucho
filtrante de membrana de grado esterilizante de gran área, plegado, para
preparar un API estéril a granel de
antibióticos en un disolvente, para el
cual el filtro de membrana seleccionado tenía una compatibilidad algo limitada. La capacidad limitada se estimó
aceptable y no relacionada. Los filtros
se enjuagaron con agua después de
cada uso, seguido de limpieza con
una solución cáustica. El cáustico fue
enjuagado del filtro con agua (el grado
de eliminación no fue cuantificado o
validado). El filtro fue sometido luego
a un ciclo de SIP entre cada uno de
los lotes para los que fue re-utilizado.
La integridad del filtro fue probada antes y después de cada lote y cumplió
consistentemente el límite recomendado de la prueba de integridad para
el número máximo de ciclos de reutilización especificados. Las pruebas
de esterilidad de cada lote filtrado no
tuvieron nada fuera de lo común, y no
hubo informes sobre falta de esterilidad del producto.
Para suplementar el nivel de confianza proporcionado por pruebas de
integridad del filtro y las pruebas de
esterilidad de los lotes, el fabricante
del fármaco llevó a cabo un desafío bacteriano en un filtro que había
alcanzado su vida máxima de reutilización especificada. Siguiendo las
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 55
condiciones de desafío basadas en
el Método de Prueba Estándar ASTM
para la Determinación de la Retención
Bacteriana de Filtros de Membrana
Utilizados para la Filtración de Líquidos (11), se demostró la penetración
bacteriana en el filtro. Se determinó
que el filtro utilizado ya no cumplía la
definición de un filtro de grado esterilizante (es decir, el 100% de retención
bacteriana de B. diminuta a un nivel
de desafío de > 107 UFC / cm2 de área
efectiva de filtración) (4). La prueba de
retención bacteriana del filtro reutilizado falló a pesar del hecho de que el
filtro continuaba pasando las pruebas
de integridad correlacionadas al 100%
de retención bacteriana bajo condiciones de desafío, comparables, llevadas
a cabo previamente en filtros sin uso
por el fabricante del filtro.
Se hicieron varias observaciones
claves a partir de este estudio. En primer lugar, después de la reutilización,
el filtro aún mostraba una alta eficiencia de retención de bacterias, pero ya
no era capaz de cumplir la retención
pretendida del 100% de B. diminuta y
la definición normativa de filtro de grado esterilizante. En segundo lugar, la
baja carga biológica controlada en el
producto, junto con las propiedades
de retención del filtro reducidas, pero
todavía significativas, fueron suficientes para prevenir la penetración bacteriana detectable en el proceso, como
lo evidencia el éxito de las pruebas de
esterilidad y la ausencia de eventos
de no esterilidad en el producto. En
tercer lugar, el daño producido al filtro
por el proceso de reutilización no fué
detectable por una prueba estándar
de integridad del filtro.
Esta tercera observación puede parecer contradictoria a quienes creen
que la pruebas de integridad del filtro
pueden detectar cualquier caso de poros agrandados, fugas, o defectos que
pueden comprometer el rendimiento
del filtro esterilizante. La correlación
de dichas pruebas como flujo difusivo
o punto de burbuja se basan en desafíos bacterianos realizados en filtros
intactos y en membranas o cartuchos
con daños o defectos reales ocasionados durante la fabricación, manipulación y la instalación del filtro.
La población de filtros sometida a
validación de retención bacteriana, del
fabricante para el filtro, y los estudios
de correlación de pruebas de integri-
dad no incluye los filtros con daños
causados por incompatibilidades de
proceso por la reutilización realizada
por el usuario final. Estas incompatibilidades se pueden producir con limpieza, re-esterilización y re-utilización
no validadas.
Limitaciones de las
pruebas de integridad
Las membranas de los filtros a menudo son consideradas como capilares cilíndricos múltiples, en los cuales
la retención de bacterias se rige únicamente por el tamaño de exclusión
de las bacterias incidentes, que son
más grandes que los poros más grandes de la membrana.
En virtud de este modelo, los ensayos del tipo punto de burbuja pueden
indicar la presencia de poros excesivamente grandes o defectos (es decir,
agujeros, bypass de sello) en la membrana, y las pruebas de flujo difusivo
pueden proporcionar una medición
cuantitativa del flujo que demuestre
la ausencia de poros excesivamente
grandes o defectos.
La retención de bacterias a través
de membranas microporosas, sin embargo, no es únicamente una función
de la exclusión por tamaño por poros
cilíndricos más pequeños que la bacteria incidente. Otras propiedades de
las membranas pueden contribuir a
la retención, tales como la forma y la
tortuosidad de la estructura porosa,
el espesor de la membrana (es decir,
la longitud de la trayectoria del flujo a
través de los poros de la membrana
desde aguas arriba hacia aguas abajo), y las fuerzas de adsorción, que
pueden producirse entre las bacterias y las paredes de cualquier poro
lo suficientemente grande para la inserción de las bacterias. Los ensayos
de tipo de flujo difusivo y de punto de
burbuja no son completamente capaces de detectar cambios en estos
factores secundarios de retención. La
degradación de estas condiciones habitualmente no ocurre en un proceso
de fabricación validado de membrana
y la limitación de las pruebas de integridad para detectar las desviaciones
en estas variables de retención puede
ser despreciada.
El análisis de la fallas de los cartuchos filtrantes plegados re-utilizados
identificó finalmente la causa raíz de la
penetración del filtro. El daño incurrido
durante los múltiples ciclos de reutilización se manifestó mediante degradación química de la membrana, lo
que resultó en un adelgazamiento que
se localizó en la cresta de los pliegues
del cartucho filtrante, como se muestra en la Figura 1.
El daño químico localizado y el adelgazamiento de las crestas del pliegue,
es típicamente indicativo de secado
parcial del filtro por medio del cual los
componentes del fluido capaces de
atacar químicamente a la membrana
bajo condiciones de vapor caliente
están concentrados en las crestas de
los pliegues durante la evaporación
desde esos puntos. En este caso, la
degradación parcial del grosor de la
membrana fué atribuida a exposición
a cáusticos calientes durante la fase
de re-esterilización SIP del ciclo de reutilización. La presencia de cáusticos
residuales previa a la SIP fue atribuida a enjuague insuficiente del agente
cáustico de limpieza, por medio del
cual la subsiguiente evaporación del
agua desde el cartucho, antes de la
re-esterilización causó concentraciones aumentadas del cáustico en las
crestas del pliegue durante la fase de
re-esterilización SIP del ciclo de re-utilización. La elevada temperatura del
vapor sobre el cáustico residual concentrado en las crestas del pliegue,
causó luego la degradación química
acelerada de la cara de la superficie
en las ubicaciones antes mencionadas.
El compromiso en el espesor de la
membrana en estas regiones localizadas fue suficiente para permitir la
penetración bacteriana. Sin embargo,
dado que el daño no se extendió a
toda la membrana (no había agujeros
ni poros agrandados), y las áreas delgadas estaban limitadas a un área total muy pequeña en las crestas de los
pliegues, las medidas de las pruebas
del tipo punto de burbuja y la prueba
de flujo difusivo no excedieron sus límites de aprobación/falla.
Como se ilustra en la Figura 2, la
prueba de punto de burbuja sólo puede detectar defectos del tipo de un orificio en todo el espesor. Las pruebas
del tipo de flujo difusivo pueden proporcionar valores que se relacionan
en principio, al espesor de la membrana, pero fueron incapaces de detectar
las limitadas áreas adelgazadas aisla-
Diagrama de la sección de un filtro de membrana plegado
mostrando las ubicaciones de degradación parcial del espesor de la membrana sobre las crestas de los pliegues ocurrida durante la limpieza y re-esterilización inadecuadas.
FIGURA2
FIGURA 1
56 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
El daño de la membrana durante la re-utilización puede ser
detectable o no detectable mediante las pruebas de integridad de filtros del tipo de flujo difusivo (Forward-Flow,FF) o
punto de burbuja (Bubble Point, BP)
Membrana intacta confirmada por FF o BP
Estructura
externa
Capa
soporte
Flujo
Defecto por orificio / fisura / bypass detectable por FF o BP
Adelgazamiento grosero detectado por FF pero no BP
Áreas adelgazadas limitadas no detectables por FF ni BP
Medio de
filtración
Núcleo
das en algunas de las crestas de los
pliegues en este caso. Las áreas delgadas no fueron detectadas porque
no elevaron el flujo difusivo en forma
que excediera el límite de la prueba
de flujo.
Limpieza de
cartuchos filtrantes
La limpieza es un tema complejo
que va más allá de un simple enjuague
y re-utilización. La limpieza involucra
la remoción de todos los materiales
residuales del lote previo del sistema
completo, incluyendo todas la tubuladuras, tanques, válvulas y filtros. Un
flujo de agua para inyección (WFI) (o
flujo de solvente puro) siguiente al enjuague final debe mostrar que el sistema está limpio a un nivel pre-definido
de limpieza utilizando métodos analíticos validados. Si se utiliza cualquier
material de limpieza in situ (clean in
place - CIP), éste también debe ser
enjuagado por completo.
Debe tenerse en cuenta que la limpieza puede conducir a que el material
de los tanques y tubos aguas arriba
sea filtrado y permanezca sobre los
filtros. Esta retención puede dar como
resultado una lixiviación en el próximo
lote de producto. Es responsabilidad
de cada usuario desarrollar y validar
un método apropiado de limpieza.
Los usuarios deben consultar a los
fabricantes de filtros sobre la adecuabilidad de los protocolos de limpieza
previstos.
Con respecto a la CIP de un filtro
utilizado para procesamiento de líquidos, hay varios puntos adicionales a
considerar: • Algunos líquidos de proceso pueden promover el desarrollo
Capa de drenaje
bacteriano, lo cual puede provocar la
aparición de endotoxinas pirógenas
bacterianas en el filtro como un producto de degradación derivado de las
células bacterianas retenidas. Los niveles de endotoxina deben mantenerse bajos. Por consiguiente, el arrastre
de cualquier fluido que promueva el
crecimiento bacteriano de un ciclo de
producto al próximo es problemático.
• Toda vez que el filtro tiene cualquier
cantidad apreciable de obstrucción
(es decir, bajo caudal o elevada diferencial de presión), los poros tapados
no permiten el pasaje fácil de líquido y
debido a esto dificultan el acceso de
las soluciones de limpieza a los poros
obstruidos. • El líquido de limpieza
fluirá preferentemente a través de las
trayectorias limpias, dejando los recorridos “más sucios” virtualmente sin
afectar. • Algunos residuos de productos y componentes de soluciones de
limpieza siempre permanecen sobre
el filtro en alguna medida. Cualquier
proceso de limpieza necesita ser definido en términos de los límites aceptables de material residual lixiviable
detectado por una prueba definida
validada.
La limpieza y re-utilización de de un
filtro en aplicaciones farmacéuticas
puede ser más o menos dificultosa
dependiendo de la magnitud de los
siguientes factores: • Niveles de carga
biológica bacteriana en la alimentación
• Actividad de apoyo del crecimiento
del producto • Obstrucción del filtro •
Actividad biológica del producto, componentes del producto o derivados •
Resistencia del producto, componentes del producto o derivados a la solubilización • Adherencia del producto,
componentes del producto o deriva-
dos al material del filtro • Dificultad
para seleccionar un método aséptico
o inhibidor del crecimiento compatible
con el producto para la conservación
del filtro.
Estos riesgos proporcionan una
base racional para el uso único de filtros descartables. A menudo, cuando
se toman en consideración los riesgos,
el fármaco o el fluido de proceso es
significativamente más costoso que el
filtro, y el riesgo de la calidad del producto o la seguridad del paciente es
demasiado grande para hacer que la
re-utilización del filtro sea atractiva.
Conclusión
La re-utilización de cualquier equipo
descartable está sujeta a riesgos y peligros que deben ser controlados para
asegurar que el equipamiento permanece seguro y efectivo y continúa
cumpliendo las especificaciones del
fabricante y los requerimientos para
su uso. Las consideraciones siguientes pretenden solamente identificar
algunos de los riesgos asociados con
la re-utilización de filtros de grado esterilizante. Estos conceptos no deben
interpretarse como universalmente
aplicables en todas las circunstancias,
dado que no liberan al usuario de la
responsabilidad completa por la re-utilización múltiple de estos productos.
Los sistemas de reprocesamiento
para filtros de grado esterilizante pueden incluir equipamiento para lavar,
limpiar y re-esterilizar los filtros.
Cada pieza de equipamiento utilizada para el reprocesamiento debe ser
apropiadamente diseñada, construida y validada. Los grados del agua y
otros fluidos utilizados en el reprocesamiento deben especificarse en el
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 57
archivo maestro. Todos los productos
químicos utilizados en el reprocesamiento y todos los efluentes del filtro,
incluyendo residuos de fármaco, deben ser manipulados y desechados
en cumplimiento de los requerimientos locales, nacionales y regionales
para seguridad ambiental y del operador. La documentación debe registrar
con exactitud los procesos llevados a
cabo y los resultados de las pruebas
de desempeño y seguridad del filtro.
Deben realizarse pruebas de integridad, ausencia de pirógenos y eliminación de los residuos de fluidos o derivados previos para filtros validados
antes de la re-utilización.
La prueba de validación se ejecuta
para establecer el rendimiento y los
límites de tiempo para filtros esterilizantes re-utilizados en cada proceso
de elaboración. La validación debe
seguir las guías de la FDA para procesamiento aséptico en la cual factores
tales como el pH, viscosidad, caudal,
presión, temperatura, compatibilidad
química y efectos de shock hidráulico
deben considerarse cuando se establecen límites para la re-utilización
múltiple de filtros.
Además, deben instituirse los controles y mantener los documentos para
asegurar que los filtros que contengan
residuos de producto o de agentes de
limpieza que pudieran afectar adversamente la calidad, seguridad o eficacia del fármaco efluente no sean
utilizados en lotes subsiguientes. A
diferencia de los datos del fabricante
del filtro, los datos de las propiedades
de retención, pirogenicidad y residuos
lixiviables del filtro re-utilizado son específicos para cada usuario de proceso y condiciones de uso. A pesar de
estas precauciones y de los riesgos
involucrados, algunas compañías farmacéuticas practican actualmente la
re-utilización de filtros esterilizantes
porque han desarrollado protocolos
específicos de producto y proceso
para la re-utilización.
Las directrices regulatorias desalientan la re-utilización de filtros, particularmente para fármacos estériles.
Cuando se justifique, los filtros esterilizantes pueden ser re-utilizados en
algunos casos, pero su re-utilización
debe estar validada para no comprometer el rendimiento del filtro esterilizante o la calidad del filtrado. Además
de los estudios básicos de validación
de esterilización, como se recomienda
en el Informe Técnico 26 de la PDA
y las guías de procesamiento aséptico de la FDA, la validación de filtros
con re-utilización múltiple debe incluir
el estudio completo de los filtros expuestos al número máximo de ciclos
de limpieza, re-esterilización, secado
y re-utilización especificados. Tales
pruebas deben incluir desafíos bacterianos así como también pruebas
de integridad del filtro. Estas pruebas deben evaluar la compatibilidad
química del filtro con los fluidos del
proceso y las condiciones del ciclo de
re-utilización, la validez de los límites
de las pruebas de integridad bajo las
condiciones de re-utilización, e incluir
un análisis químico de los efluentes
de enjuague para calificar cualquier
lixiviado de residuos de bacterias, producto o agentes de limpieza.
No se puede confiar en las pruebas
de integridad solas para predecir el
comportamiento de esterilización de
los filtros re-utilizados sin una validación adecuada de desafío bacteriano
utilizando cartuchos filtrantes.
Finalmente, los usuarios deben considerar cuidadosamente el nivel de
riesgo y los costos de validación involucrados en la re-utilización satisfactoria de filtros esterilizantes versus la
economía aparente de la re-utilización
de los mismos cuando se diseñan y
califican procesos de esterilización
por filtración.
Referencias
1. FDA, Q7A: Guidance for Industry: Good
Manufacturing Practice Guidance for Active
Pharmaceutical Ingredients (Rockville, MD,
August 2001).
2. EMEA, Note for Guidance on Good Manufacturing Practice for Active Pharmaceutical
Ingredients (London, November 2000).
3. “Current Good Manufacturing Practice
for Finished Pharmaceuticals: Equipment
Construction” in Code of Federal Regulations, Title 21, Food and Drugs (Government Printing Office, Washington, DC),
Part 211, Subpart D, Section 211.65.
4. FDA, Guidance for Industry: Sterile Drug
Products Produced by Aseptic Processing:
Good Manufacturing Practice (Rockville,
MD, Sept. 2004).
5. Comisión Europea, EU Guidelines to
Good Manufacturing Practice—Medicinal
Products for Human and Veterinary Use,
Annex 1, Manufacture of Sterile Medicinal
Products (Rev., Brussels, Feb. 2008).
6. PDA, “Sterilizing Filtration of Liquids,” Technical Report No. 26 (1998), Revised, 2008,
in press.
7. FDA, CDER Warning Letter, Sept. 24,
1999, accessible en www.fda.gov/foi/warning_letters/archive/M3132n.pdf , accedido
Oct. 20, 2008.
8. FDA, CDER Warning Letter, Aug. 16, 2005,
accessible en www.fda.gov/foi/warning_letters/archive/g5463d.htm , accedido Oct.
20, 2008.
9. N. Sweeney, “Sterility Assurance: Optimization of Sterility Assurance Submissions,”
presentado en Generic Pharmaceutical Association (GPhA) Fall Technical Conference, Bethesda, MD, Oct. 11, 2007.
10. Comunicación personal.
11. ASTM, “F838-83 Standard Test Method for
Determining Bacterial Retention of Membrane Filters Utilized for Liquid Filtration”
(Reeditado como F838-05), ASTM Book of
Standards 11.02 (1983).
58 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 9
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 59
Algunas normas
para la esterilización,
llenado y filtrado
de productos
medicinales estériles
60 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 9
“En este capítulo se puntualizan aspectos destacables de
las normas europeas EMEN
CAMP, EC GMP y FDA GMP en
lo que respecta a la esterilización, llenado y filtrado de productos medicinales estériles.
Algunos de los aspectos que
se destacan son las consideraciones sobre los árboles de
decisión en cuanto a la esterilización de dichos productos y
a la consideración que tanto las
normas europeas como americanas dan al bioburden (carga
biológica)”.
Las recomendaciones que P. Hargraves, Gerente Técnico del MHRA
(Ministerio de Salud Público Británico) da sobre detección inmediata del
contaminante biológico, podrían ser
puestas en práctica en las nuevas revisiones de 2009 a 2010. En cuanto
a las normas sobre áreas limpias las
guías EUDRA LEX Volumen 4 EU
GMP Anexo 1 hacen la revisión de la
clasificación de las mismas y discuten
el monitoreo del bioburden (carga biológica) y cierre de viales de elementos
liofilizados.
Es de destacar que las consideraciones sobre monitoreo permanente
de la carga biológica en membranas,
se basa en la consideración que la
filtración de microorganismos es una
función probabilística que depende de
la carga biológica sobre las membranas esterilizantes. Finalmente las normas europeas compatibilizan su clasificación con las normas ISO en cuanto
a la clasificación de áreas limpias.
En todos los casos donde se aplique la filtración esterilizante por membranas será imprescindible su certificación de integridad después de la
filtración, que deberá ser hecha tan
cerca del punto de llenado como sea
posible.
EMEA Comité para
Productos Medicinales
Patentados (CPMP)
• Nota para Guía sobre Manufactura de Productos Terminados (CPMP/
QWP/ 486/95), Abril 1996.
• Arboles de Decisión para la Selec-
Algunas normas
para la esterilización,
llenado y filtrado
de productos
medicinales estériles
ción de los Métodos de Esterilización
(CPMP/QWP/054/98).
• Anexo a la Nota para Guía sobre
Desarrollo Farmacéuticos (CPMP/
QWP/ 155/96), Abril 2000.
Items especiales
Método de esterilización
La elección del método de esterilización debe ser justificado bajo Desarrollos Farmacéuticos, Parte II-A.
De acuerdo al texto de la Farmacopea Europea: “Métodos de preparación de productos estériles”, la
esterilización terminal en el envase
final es la preferida. La abstención de
la esterilización terminal en el envase
final debe estar justificada en el legajo
de solicitud.
Introducción
Aquellos productos destinados a
ser estériles deben tener una esterilización terminal en su envase final
como claramente está definido en la
Farmacopea Europea y en las notas
guías CPMP. Cuando no es posible
llevar a cabo la esterilización terminal por calor debido a la inestabilidad
del producto, debe tomarse la decisión de utilizar un método alternativo
de la esterilización terminal, filtración
y/o procesamiento aséptico. En Parte
II-B, el proceso de esterilización a ser
aplicado debe ser descripto. Todos
los procesos de esterilización deben
ser llevados a cabo de acuerdo a las
instrucciones de la Farmacopea Europea. En el legajo de solicitud debe
haber una declaración explícita que
se han seguido las instrucciones de la
Farmacopea Europea.
De acuerdo a la Farmacopea Europea, todos los procedimientos de
esterilización deben estar validados y
ser llevados a cabo bajo las normas
EC-GMP.
Para la esterilización por filtración
la máxima carga biológica aceptable
previa a la filtración debe estar declarada en la solicitud.
En la mayoría de los casos NMT 10
CFU’s/100 ml será aceptable, dependiendo del volumen a ser filtrado en
relación al diámetro del filtro. En realidad, por diámetro se debe considerar
superficie de membrana (la referencia
de diámetro del filtro se debe al uso de
membranas en forma de discos).
Si este requerimiento no se cumple
es necesario usar una pre-filtración
a través de un filtro capaz de retener
bacterias para obtener una carga biológica suficientemente baja.
Nota: La retención por filtración depende de la carga de contaminante
sobre la membrana, por ser una función probabilística. Cuanto menor la
carga menor es la probabilidada de
penetración de una bacteria. De ahí
que dicha carga no puede exceder
ciertos valores como 107/cm2, aunque
en la práctica se ha demostrado que
cargas 50 veces mayores (5x108) son
efectivamente retenidas con efluente
cero. Pese a ello la GMP mantiene
una actitud conservadora al limitar la
carga biológica admisible.
El tipo de filtro para retención de
bacterias y su tamaño de poro deben
también ser descriptos en la solicitud.
Tamaños de poro del rango de 0,22
micrones o menores son aceptables
sin más justificación, de acuerdo con
la Farmacopea Europea.
Una propuesta para usar un tamaño de poro mayor en combinación con
una etapa adicional de esterilización
tiene que estar validada y justificada
en el legajo de solicitud.
Nota: Cabe aclarar que por rango
de poro se entiende membrana con
capacidad de retención de bacterias
de 0,22 micrones, ó 0,2 pese a que
las membranas tienen poros sobredimensionados, con tamaños de hasta
1 micrón.
FIGURA 1
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 61
El producto puede ser
esterilizado por calor húmedo
a 121ºC por 15 minutos?
SI
NO
El producto puede ser esterilizado
por calor húmedo con Fo > 8 minutos
logrando un SAL de > 10-6?
Usar autoclave de 121ºC
por 15 minutos?
Usar calor húmedo
con Fo > 8 minutos
SI
NO
El producto puede ser filtrado por un
filtro capaz de retener bacterias?
EC-GMP
Guía para GMP
NO
SI
Usar componentes individuales
pre-esterilizados y preparación
y llenado aséptico
FIGURA 2
Revisión al Anexo I
Manufactura de Productos
Medicinales Estériles,
Mayo 2003
Equipamiento
Todo equipamiento tal como esterilizadores, sistemas de manejo y filtración de aire, filtros de venteo de aire y
de gas, sistemas de tratamiento, generación, almacenaje y distribución de
agua, deben estar sujetos a validación
y mantenimiento preventivo; su retorno al uso debe estar aprobado.
Proceso
Deben tomarse precauciones para
minimizar la contaminación durante
todas las etapas del proceso incluyéndose las etapas previas a la esterilización.
El tiempo entre el comienzo de la
preparación de una solución y su esterilización o filtración a través de un
filtro de retención de microorganismos
debe ser minimizado.
Debe ser establecido un tiempo
máximo permitido para cada producto
que tome en cuenta su composición
y el método prescripto de almacenamiento.
Proceso - Carga biológica
La carga biológica debe ser monitoreada antes de la esterilización. Debe
haber límites de trabajo sobre la contaminación inmediatamente antes de
la esterilización, los cuales están relacionados a la eficiencia del método a
ser usado. Cuando sea apropiado, la
ausencia de pirógenos debe ser monitoreada. Todas las soluciones, en particular los líquidos de infusión de gran
volumen, deben ser pasadas a través
de un filtro capaz de retener microor-
Arbol de decisión para la selección de esterilización de productos acuosos
Usar una combinación
de filtrado aséptico
y llenado aséptico
Arbol de decisión para la selección de esterilización
de productos líquidos no acuosos, semi-sólidos y polvos secos
El producto puede ser
esterilizado por calor seco a
160ºC por 120 minutos?
NO
SI
El producto puede ser esterilizado por calor
seco con una combinación de tiempo y temperatura, alternativa al ciclo normal, logrando
un SAL de > 10-6?
SI
NO
El producto puede ser esterilizado por un
método diferente del calor seco, por ejemplo
radiación ionizante con una dosis mínima
adsorbida de > 25 KGy?
SI
NO
El producto puede ser esterilizado usando
una dosis de irradiación más baja validada
(ref. ISO 11137)?
SI
NO
Usar esterilización a 160ºC
por 120 minutos
Usar calor seco con una
combinación de tiempo y
temperatura alternativa
logrando un SAL > 10-6
Usar una combinación
con una dosis mínima
adsorbida de > 25 KGy?
Usar esterilización
por dosis de
irradiación validada
El producto puede ser filtrado a través de un
filtro para retención microbiana?
NO
SI
Usar componentes individuales
pre-esterilizados y preparación
y llenado aséptico
Usar una combinación
de filtrado aséptico
y llenado aséptico
62 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
ganismos, en lo posible colocado inmediatamente antes del llenado.
Proceso - Carga biológica
(rev02/08)
Nota: La carga biológica no debe
superar las 10 CFU/100 cc.
El ensayo de carga biológica debe
ser realizado sobre cada lote tanto
para productos de llenado aséptico
como para productos con esterilización final. Donde se establecen
parámetros de esterilización por sobre-muerte, para productos de esterilización final, la carga biológica podría ser monitoreada sólo a intervalos
apropiados preestablecidos.
Para sistemas de liberación paramétrica, el ensayo de carga biológica
debe ser realizado sobre cada lote y
considerado como ensayo en proceso.
Cuando sea apropiada la ausencia
de pirógenos el nivel de endotoxinas
debe ser monitoreado.
P. Hargraves (MHRA),
Comentarios PDA/EMEA
Conferencia 20/02/08
Comentarios de la Industria enfocados sobre costo y tiempo de los
ensayos de carga biológica:
Métodos microbiológicos rápidos
(~45 min.) de bajo costo para la determinación de la carga, han estado
disponibles por 20 años. Lamentablemente, la mayoría de la industria
sigue usando métodos de ensayos
del siglo 19 en el siglo 21, de aquí sus
comentarios.
Pese a los requerimientos legales
para mantenerse al día, la tecnología
del siglo 20 para el recuento e identificación de microorganismos no ha
sido introducida por la mayoría de la
industria.
Quizás la próxima revisión del
Anexo 1 de la EU GMP debería incluir
requerimientos específicos. La respuesta está en vuestras manos.
Proceso:
Componentes, envases, equipos
y cualquier otro artículo requerido en
un área limpia donde tiene lugar trabajo aséptico debe ser esterilizado e
introducido en el área a través de autoclaves de doble puerta sellados en
la pared o por un procedimiento con
el que se obtenga el mismo objetivo
de no introducir contaminación (por ej.
Irradiación gamma en doble bolsa).
Los gases no combustibles deben
ser pasados a través de filtros de retención de microorganismos.
La filtración por si sola no es considerada suficiente cuando la esterilización en el envase final es posible.
Con respecto a los métodos disponibles actualmente, es de preferir la
esterilización con vapor.
Si el producto no puede ser esterilizado en el envase final, las soluciones o los líquidos pueden ser filtrados
por un filtro esterilizante de tamaño de
poro nominal de 0,22 micrones (o menos), o al menos con propiedades de
retención de microorganismos equivalente, dentro de un envase previamente esterilizado.
Nota: Típicamente se usa 0,2 micrones para bacterias y hongos, 0,1 micrones para micoplasma y bacterias
menores (leptospiras).
Tales filtros pueden eliminar la mayoría de las bacterias y hongos, pero
no todos los virus o micoplasmas (usar
0,1 micrones, 35-50 nm, 15-20 nm).
Debe ser considerada la complementación del proceso de filtración
con algún grado de tratamiento por
calor.
Debido a los riesgos adicionales
potenciales del método de filtración
comparado con otros procesos de
esterilización, puede ser aconsejable
una segunda filtración a través de otro
filtro de retención de microorganismos
esterilizado, inmediatamente antes
del llenado.
La filtración esterilizante final debe
ser llevada a cabo tan cerca como sea
posible del punto de llenado.
El desprendimiento de fibras característica de los filtros debe ser mínimo.
(Usar filtros de membrana).
Nota: La referencia al desprendimiento de fibras se menciona como
el caso del uso de las placas usadas
antiguamente como filtros prensa, antes del desarrollo de los cartuchos de
membrana.
La integridad de los filtros esterilizados debe ser verificada antes de su
uso y debe ser confirmada inmediatamente después del uso por un método
apropiado tal como ensayo del punto
de burbuja, flujo difusivo o mantenimiento de la presión.
Los resultados de estos controles
deben ser incluidos en la documentación del lote.
La integridad de los filtros críticos
de gas y de venteo de aire debe ser
confirmada después de su uso. La integridad de los demás filtros debe ser
confirmada a intervalos apropiados.
(“Apropiado” = después de la esterilización por vapor, a menos que sean
validados como controlados).
El mismo filtro no debe ser usado
por más de un día de trabajo a menos
que tal uso haya sido validado.
El filtro no debe afectar al producto
por remoción o eliminación de ingredientes de él o por liberación de sustancias en él.
(Absorción y extraíbles/colables).
(Se aplica a los filtros finales y posiblemente también a los pre-filtros).
Areas limpias
Anexo 1 de Norma
EUDRALEX
Introducimos aquí las normas para
ambientes donde debe realizarse el
llenado aséptico, es decir las áreas
limpias grado A según la comunidad
europea.
El nuevo Anexo 1 entró en vigor el 1
de Marzo de 2009, con excepción de
los nuevos requisitos para el crimpado
de frascos conteniendo líquidos y polvos estériles que entró en vigor el 1 de
Marzo de 2010.
Uno de los objetivos de la revisión
es el de armonizar la legislación europea con las guías norteamericanas
y con la principal referencia internacional en áreas limpias que es la ISO
14644-1 ampliamente reconocida.
Para el grado A se mantuvo vigente
el recuento de partículas de 5 micrones y mayores, pese a que la legislación norteamericana no lo prevee. El
límite para el grado A anteriormente <
1 part/m3, en 5 micrones ha sido modificado a <20 part /m3, pues la vieja
norma de <1/m3 no tenía significado
estadístico. Un cambio análogo se
hizo para el límite de partículas para
el grado B at rest que se pasó a <29
part/m3.
Hasta la precedente revisión el
Anexo 1 no requería que el crimpado
se hiciera en una clase específica; la
práctica de la industria era de efectuarla en clases C o D. Ahora se requiere
que los frascos parcialmente cerrados
se mantengan en clase A hasta que
se complete el cierre.
Es decir que se requerirá, que para
considerar el cierre integral, y en con-
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 63
secuencia poder exponer el frasco
en ambientes no controlados, que se
cumplan dos condiciones: el tapón de
goma totalmente inserto y el crimpado
de aluminio totalmente sellado.
Algunas
recomendaciones
de la FDA sobre Filtros
Gases comprimidos:
• Un gas comprimido debe ser de
pureza adecuada (por ej. libre de
aceite) y su calidad microbiológica y
de partículas después de la filtración
debe ser igual o mejor que la del aire
en el ambiente en el cual el gas es introducido.
• Gases comprimidos tales como
aire, nitrógeno y dióxido de carbono
son a menudo usados en áreas limpias y frecuentemente empleados en
purgado o trasvasado (por ej. contacto con producto estéril).
Nota: El uso de secadores o prefiltros coalescentes junto con separadores mecánicos es recomendable en el
tratamiento del aire comprimido, antes
del filtro de membrana esterilizante.
• Los filtros de membrana pueden
ser usados para filtrar un gas comprimido para cumplir con una norma
de alta calidad. Estos filtros son a
menudo usados para producir un gas
comprimido estéril para usar en operaciones que involucran materiales
estériles tales como componentes y
equipos.
Por ejemplo, recomendamos que
los filtros de membrana estériles sean
usados para líneas de aire en autoclaves, rotura de vacío en liofilizadores y
tanques que contienen materiales estériles (Esterilizante y estéril).
Control de Proceso
• Tanques de almacenamiento esterilizados y todo líquido contenido
deben ser mantenidos bajo presión
positiva o sellados adecuadamente
para prevenir la contaminación microbiana.
• Elementos de protección deben
estar colocados para prevenir un cambio de presión que puede dar como resultado una contaminación debida al
reflujo de aire o líquido no estériles.
Ensayo de Integridad
• Recomendamos que los filtros
que sirven como fronteras estériles o
proveen gases estériles que pueden
afectar el producto sean ensayados
en su integridad una vez instalados
y después periódicamente (por ej. al
final del uso).
Definición de filtro esterilizante:
• Los ensayos de integridad se recomiendan también después de actividades que pueden dañar al filtro.
• Fallas en el ensayo de integridad
deben ser investigadas y los filtros
deben ser remplazados a intervalos
definidos, apropiados.
Nota: Los ensayos de integridad
validados son los de punto de burbuja, flujo difusivo y mantenimiento de
presión que es una derivación de este
último.
Un filtro validado adecuadamente
eliminará todos los microorganismos
de una corriente fluida produciendo
un efluente estéril.
Conceptos generales:
• La filtración es un método común
para esterilizar productos en solución.
• Un filtro de grado esterilizante
debe estar validado para eliminar, de
forma reproducible, microorganismos
viables de la corriente en proceso,
produciendo un efluente estéril.
• Actualmente, tales filtros tienen
normalmente un rango de poro de 0,2
µm* o menores (*0,22µm y 0,2µm son
considerados rangos de tamaño de
poros intercambiables).
Nota: rango de poro no significa tamaño del mismo, sino la habilidad de
la membrana de retener partículas de
ese tamaño.
Glosario
Carga biológica:
El numero total de microorganismos asociado con un ítem específico,
anterior a la esterilización.
Carga biológica
vs. Brevundimonas diminuta:
• La carga biológica del producto
debe ser evaluada cuando se selecciona un microorganismo de desafío
apropiado para determinar qué microorganismo representa el peor caso
de desafío al filtro. Nota: Peor caso, o
peores condiciones es una derivación
del análisis de riesgo.
• El microorganismo Brevundimonas diminuta (ATCC 19146), cuando
su cultivo crece, se recoge y se usa
adecuadamente, es un microorganismo de desafío común para los filtros
de 0,2 µm debido a su pequeño tamaño (diámetro medio 0,3 µm).
Nivel carga biológica
e Identificación:
• Los controles del proceso de producción deben ser concebidos para
minimizar la carga biológica del producto sin filtrar.
• La carga biológica de las soluciones a granel no esterilizadas debe ser
determinada para detectar las características de los microorganismos potencialmente contaminantes.
Organismo de desafío:
• En ciertos casos, cuando se justifique como equivalente o mejor que el
uso de Brevundimonas diminuta, puede ser apropiado efectuar estudios de
retención bacteriana con una carga
biológica aislada.
• El número de microorganismos en
el desafío es importante porque un filtro puede tener un número de poros
mayor que su rango nominal, lo cual
tiene el potencial peligro de permitir el
paso de microorganismos.
• La probabilidad de tal pasaje es
mayor cuando aumenta el número de
microorganismos (carga biológica) en
el material a ser filtrado.
• Una concentración de desafío de
por lo menos 107 organismos/cm2 de
área efectiva de filtración debe generalmente ser usada, con un resultado
de 0 penetración del microorganismo
de desafío. La concentración de desafío usada para validación tiene el
propósito de brindar un margen de seguridad mucho mayor del que podría
esperarse en producción.
Consideraciones
EMEA puntualiza la preferencia que
las drogas sean esterilizadas terminalmente en el envase final.
Sólo cuando ésto no es posible pueden ser considerados métodos alternativos incluyendo la filtración esterilizante y el procesamiento aséptico.
Este método es considerado de menor riesgo de contaminación que el de
llenado aséptico. Desvíos de la esterilización terminal, esencialmente el
autoclavado, pueden ser justificados
basado en los atributos del producto
y sus limitaciones.
Una de las diferencias entre EMEA
y FDA es que EMEA considera el producto ser el ingrediente activo. Si un
producto terminado no es autoclavable debido a excipientes u otros componentes de la fórmula o del producto
final los reguladores europeos pueden
64 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
pedir el cambio a algo que pueda tener esterilización final por autoclave.
En los EEUU un producto es considerado como la combinación de ingredientes activos, fórmula y envase en
conjunto.
Finalmente EMEA pregunta si la fórmula puede ser pasada a través de un
filtro de retención microbiana; si es así
uno debe sostener que el producto no
puede ser autoclavado o irradiado por
radiación gama, antes que la filtración
y el procesamiento aséptico pueda
ser considerado.
Cuando el autoclavado a un mínimo
de 121ºC y 15 minutos no es posible,
EMEA considerará una cantidad reducida en tiempo de esterilización por
calor húmedo.
Referencias
1) Jerold Martin Pall Corp. “Sterile Filtration in Aseptic Processing”.
2) EudraLex “The Rules Governing Medicinal Products in the European Union” vol
4 EU guidelines.
3) FDA Guidance for Industry – “Sterile
Drugs Products produced by aseptic processing. GMP”.
4) Paolo Cipriani CTP “Evoluzione normative farmaceutica europea”.
5) Mario Bichman, Conferencias sobre
Clasificación de Areas Limpias.
CAPITULO 10
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 65
Filtros
de profundidad
y filtros prensa
66 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
CAPITULO 10
Los filtros de profundidad son estructuras fibrosas o porosas permeables al paso del fluido y con habilidad
de retener partículas en su seno. Se
utilizan normalmente como clarificantes o prefiltros de filtros más finos
como los esterilizantes de membrana.
Se diferencian de los filtros de membrana porque retienen las partículas
en el seno de su matriz y específicamente dentro de su espesor, ya sea
por atracción electrostática, adsorción
o efecto tamiz. Estos filtros pueden
ser construidos con materiales muy diversos, como ser fibras celulósicas de
diferentes grados, fibras celulósicas
resinadas y cargas electrostáticas,
microfibras de vidrio, fibras de materiales sintéticos, como el polipropileno
y el nylon, etc.
Medios filtrantes
de profundidad
Los filtros de profundidad retienen
partículas por diferentes mecanismos
como intercepción directa por efecto
tamiz por retención mecánica y por
adsorción. El fenómeno de adsorción
se da en partículas menores que los
tamaños de los poros adhiriéndose a
las fibras por atracciones superficiales.
Las partículas de mayor tamaño son
retenidas parcialmente sobre la superficie de los filtros cuando la separación entre fibras es menor. El efecto
tamiz se da también en el interior del
medio filtrante al pasar la partícula por
un recorrido tortuoso que se estrecha
al ser atrapada por ayudas filtrantes
(ver Figura 1).
Filtros
de profundidad
y filtros prensa
Una variedad interesante es la de
los que tienen carga z positivo, que se
da típicamente en los filtros de fibras
celulósicas (Figura 2), microfibras de
vidrio y polipropileno.
Se los conoce en el mercado como
filtros de potencial z. Entre sus características se da su estructura irregular
con tamaño de poro o separación entre fibras variables.
Ha sido admitido que los efectos
de adsorción pueden incrementar la
retención de partículas contaminantes en fluidos. Las partículas contaminantes y los medios filtrantes porosos
pueden interactuar con dos tipos de
fuerzas: fuerzas de van der Waals
y fuerzas electrostáticas, las cuales
pueden ser de atracción o rechazo
dependiendo de la carga superficial
de la partícula contaminante y la de la
FIGURA 1
“En este capítulo se describen
los distintos medios filtrantes
de profundidad y sus características físicas, se ven además
brevemente las ayudas filtrantes así como su aplicación en
los filtros prensa”.
superficie del poro.
Dado que la mayoría de los contaminantes encontrados en la naturaleza son electronegativos, es necesario
que el filtro tenga carga positiva. El
filtro desarrollado por Seitz hace más
de 100 años fue usado por primera
vez como medio filtrante con gran éxito porque el amianto tiene una superficie con carga electropositiva.
Por muchos años la historia de la filtración de fluidos se desarrolla alrededor del uso de materiales hallados en
la naturaleza bajo la forma de partículas y fibras finas, de manera de crear
un medio poroso capaz de eliminar los
contaminantes.
Sólo en los últimos años la tecnología de la filtración ha llevado a la creación del uso de materiales sintéticos
específicamente desarrollados para
Mecanismos del filtro de profundidad
Flujo
Efecto tamiz
Flujo
Adsorción electrostática
(efecto de carga)
FIGURA 2
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 67
Características físicas
de las fibras celulósicas
• Fibras cortas
• Fibras largas
• Fibras de algodón (Lint)
• Fibras retorcidas
Proceso posterior
• Fibrilación
ser utilizados como filtros. En muchos
casos estos materiales sintéticos han
sido producidos tratando de imitar y
mejorar los medios naturales. Así fue
que se desarrolló la tecnología de la
filtración electrocinética. Esta tecnología se desarrolló básicamente en el
intento de imitar las fibras de amianto
que por años en forma de placas fueron utilizadas como filtros esterilizantes por excelencia. Alrededor de 1880
Seitz desarrolló y comercializó las
primeras hojas de amianto utilizadas
hasta 1960. Por casi un siglo las placas de amianto celulosa en forma de
hojas fueron el medio filtrante elegido
para la filtración submicrónica.
Los filtros de amianto Seitz EKS
fueron sinónimo de filtros esterilizantes aplicados en la purificación de
muchos productos farmacéuticos y en
particular materiales biológicos. Después del desarrollo de los cartuchos
de membrana esterilizantes en 1960
los filtros Seitz se utilizaban como prefiltros para reducir la carga de partículas que incidirían sobre las mismas.
Para mediados de 1960 el medio
filtrante de celulosa-amianto era ampliamente usado dentro de los filtros
prensa para logar fluidos de alta pureza. La gran ventaja del uso de las
fibras de amianto era que por ser ex-
tremadamente finas y con alta carga
electrostática natural atrapaban partículas submicrónicas, tales como las
bacterias y los piretógenos.
Sin embargo para fines de 1960 la
exposición continua a partículas de
amianto en aire fue identificada como
peligrosa para la salud, debido a fibrosis pulmonar y a una variedad de neoplasmas relacionados a dicha exposición. La contaminación por amianto
de fluidos que han sido filtrados por
medios de amianto-celulosa fue investigada y finalmente definida como
peligrosa para la salud.
La FDA propuso restricciones al
uso de los filtros de amianto en la
producción de parenterales y emitió
normas en 1976 prohibiendo su uso.
En alimentos y bebidas las industrias
imitaron la farmacéutica, prohibiendo
su uso, e instando a los proveedores
a desarrollar medios filtrantes que lo
sustituyeran.
Características físicas
de los filtros
de profundidad
Volumen abierto: El volumen abierto es una cualidad de los filtros que
está directamente relacionado con la
permeabilidad. Por lógica, cuanto mayor sea el volumen abierto menor será
la caída de presión y mayor será la
capacidad de sustentación de contaminantes. Es posible obtener medios
filtrantes con un volumen abierto del
90 % del total.
Eficiencia de retención: No hay
una metodología standard para obtener los rangos de filtración por cuanto existiendo cargas electrostáticas y
materiales deformables la eficiencia
de retención puede ser variable.
Al no existir normas aceptadas sobre eficiencia existen valores nominales dados por diferentes fabricantes
que no son comparables.
Físicamente los filtros de profundidad tienen diferentes configuraciones: placas planas como se
utilizan en los filtros prensa, módulos
lenticulares de 12” a 16” que pueden
agruparse formando cartuchos, etc.
Filtros prensa
Los filtros prensa más usados en la
industria pueden ser de dos tipos diferentes.
a) Filtros de placas construidos en
acero inoxidable, que alojan múltiples
soportes de placas filtrantes dispuestos en paralelo. Pueden disponerse de
manera tal que la mitad de las placas
actúen como prefiltros de las siguientes. Se utilizan como materiales hojas
planas de papeles de filtros placas celulósicas, placas de celulosa tratada
con resina, antiguamente placas de
amianto celulosa.
b) Los filtros de placas para soporte
de ayudas filtrantes son construidos
en acero inoxidable y constan de marcos y soportes con chapa perforadas
que soportan mallas de acero inoxidable o de materiales sintéticos que sirven como soporte para las precapas
de ayudas filtrantes. Estos filtros utilizan comúnmente como medio filtrante
las tierras de diatomea y diferentes
tipos de perlita que forman una torta
en la que se retienen las partículas
contaminantes. Dicha torta es el filtro
propiamente dicho.
El filtro prensa es uno de los filtros
más simples en el mercado siendo robusto y flexible, lo que a lo largo de décadas ha hecho que su uso fuera muy
vasto en toda la industria. Si bien los
filtros prensa son tan antiguos como el
uso de los filtros para fluidos, sus aplicaciones son tan vastas que en algunos casos se hacen indispensables. El
filtro prensa tiene ventajas sobre otros
equipos de separación sólido-líquido
como se detalla a continuación:
Ventajas:
1) Flexibilidad: el mismo filtro puede ser utilizado para una variedad de
productos sin necesidad de cambios
en su estructura.
2) La variación en el contenido de
sólidos en el influente tiene poco efecto en la operación. Es una situación
ideal cuando los sólidos entrados a la
prensa deben ser secados en un proceso siguiente y a menudo los niveles
de humedad pueden ser menores que
utilizando otros métodos, lo que significa un importante ahorro en combustible o vapor usado en el proceso de
secado.
3) La separación de las fases sólido/líquido es posible cuando no hay
mayor diferencia en la densidad entre
las dos fases.
4) El grado de la efectividad de la
filtración puede ser mejorado por el
uso de ayudas filtrantes. Las ayudas
filtrantes como la tierras diatomea ofre-
cen buenos caudales para partículas
finamente dividas, lodos o precipitados gelatinosos.
5) El caudal del influente no afecta
la calidad del filtrado, siendo el caudal
máximo determinado por la caída de
presión en el filtro o la presión de la
bomba.
6) Es relativamente simple agregar
placas adicionales en un filtro prensa
siempre que haya espacio para ello.
7) El mantenimiento de los filtros
prensa es simple. Hay filtros prensa
que han trabajado por años casi sin
mantenimiento.
8) El ciclo de filtración puede ser
combinado con otras operaciones del
proceso. En la industria veterinaria y
en la biológica el filtro prensa con placas es usado como prefiltro de los filtros de membrana.
9) En el caso que se usen precapas formando tortas su estabilidad se
mantiene pese a la suspensión del
proceso.
10) El lavado de las tortas es posible para eliminar las trazas de impurezas solubles de las mismas.
11) Hay una amplia variedad de
materiales de construcción de los filtros prensa incluyendo hierro forjado,
acero inoxidable, aluminio y polipropileno. Revestimientos con resina epoxi
y polímeros extienden la vida útil de la
fundición.
Desventajas:
1) Posiblemente la mayor de las
Filtración en torta de tierra
de diatomea
desventajas en el uso del filtro prensa ha sido el alto tiempo de mano de
obra consumido en la operación.
La apertura manual, descarga de la
torta, cierre y colocación de las telas
de los filtros prensa puede ser considerado una desventaja seria, sin embargo hay prensas semiautomáticas
que disminuyen esta desventaja, sea
por medio de apertura y cierre mecánico, hidráulico o eléctrico.
2) Una de las mayores desventajas de los filtros de placas es que no
FIGURA 5
FIGURA 4
Filtros prensa
FIGURA 6
FIGURA 3
68 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
Esquema de la disposición
de placas de prefiltración
admiten presiones diferenciales superiores a 1,5 bar, porque con mayores
presiones diferenciales puede tener
desprendimiento de fibras.
3) La operación por lotes de los filtros prensa puede causar problemas
cuando la operación siguiente debe
ser continua.
4) Uno de los mayores problemas
es que a menudo los filtros prensa
tienen pérdidas y gotean desde los
perímetros de los marcos, originando
problemas de mantenimiento. Muchos
problemas de pérdidas pueden ser resueltos mejorando el mantenimiento
del proceso limpiando las esquinas y
reemplazando placas y marcos que
puedan haber sido torcidos.
5) El daño mecánico a las telas de
los filtros puede disminuirse utilizándose placas más livianas.
Características físicas de hojas de filtros de profundidad - SEM
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 69
Retención electrostática
FIGURA 7
Potencial Z
Se obtienen fibras con carga electrostática positiva por medio de la aplicación de resinas. De este modo se
retienen partículas como las bacterias
y virus cuya carga es negativa en soluciones acuosas.
La mayoría de las partículas suspendidas en líquidos tienen cargas
electrostáticas negativas. El medio
filtrante a menudo tiene cargas que
pueden afectar su eficiencia en la retención de partículas por el filtro. Es
por lo tanto posible mejorar los mecanismos de captura de un filtro induciendo sobre su superficie fibrosa una
carga electrostática positiva.
La Figura 7 ilustra una interacción
típica partícula-fibra basada en las
diferencias del potencial Z. Definimos
como potencial Z de un filtro la medida
de la diferencia del potencial electrostático entre la superficie del filtro y las
partículas en el líquido en contacto.
La partícula tiene una carga superficial negativa asociada, con la cual resulta una doble capa biónica formada
sobre la superficie de la partícula. Los
círculos claros son iones positivos,
mientras que los círculos oscuros son
iones negativos. El medio filtrante tiene un potencial Z positivo inducido.
La intensidad de carga en partículas
y fibras es importante. En general, en
la medida en que la intensidad de la
carga aumenta y el tamaño de la partícula decrece, la eficiencia de retención aumenta.
La ventaja innegable y obvia de un
filtro con superficie cargada electrostáticamente, es la habilidad de retener
muchas partículas de tamaño muy
fino por un medio filtrante de poros
relativamente gruesos, con baja caída
de presión y alta capacidad de sustentación de partículas.
Los filtros de profundidad contienen
un rango de poro y huecos entre fibras
que fluctúan entre mayores y menores
que su rango de retención.
Esta combinación les da la eficiencia en la eliminación de partículas.
Los filtros celulósicos están compuestos con mezclas de fibras vegetales de maderas duras y blandas,
que constituyen fibras cortas y largas
respectivamente, fibras de algodón y
fibras retorcidas.
Ayudas filtrantes
Muchos de los filtros de profundidad
de base celulósica contienen una ayuda filtrante para aumentar la retención
de partículas.
La mayoría de las ayudas filtrantes
tienen variados tamaños de partícula
y niveles de pureza, siendo la mayor
preocupación en su uso la variabilidad de los materiales, su manipuleo,
las condiciones de almacenamiento,
su empaque y la concentración de los
varios extraíbles.
Tierra de diatomea (kieselguhr):
La diatomea está compuesta por
fitoplancton fósil, también llamado diatom. Los depósitos de tierras pueden
ser originados por diatoms provenientes de agua dulce o agua marina. Los
diatoms originados en agua dulce tienen menos de 20 especies mientras
que los originados en agua salada son
más de 1000 especies.
El mayor número de especies permite una amplia selección de diatoms
de diferentes formas y tamaños lo
que permite mejorar la calidad de la
filtración. Estos materiales pueden ser
Potencial Z. Interacción entre partículas y fibras
Superficie medio filtrante
Doble capa iónica
(zeta positiva)
Partícula
(zeta negativa)
procesados y clasificados, de manera
tal que se determine su permeabilidad
según el grado de la diatomea separándola por tamaño.
El polvo puede ser procesado por
calcinación, tratamientos químicos o
lavados con ácidos para eliminar muchos de los minerales extractables
existentes en el polvo no tratado.
La tierra de diatomea o diatomita es
un material clásico que se usa como
precapa. Viene de la palabra diatom.
La caparazón del diatom es virtualmente pura sílice. Después de su
muerte su caparazón sobrevive permanente debido a la estabilidad química de la sílice.
Los diatoms viven tanto en agua
salina como en agua dulce. Muchos
depósitos existen donde mares y lagos existieron y secaron, pero su valor
comercial varía ampliamente debido a
las impurezas solubles y a contaminantes insolubles, como la arcilla.
Depósitos importantes se encuentran en California, Argelia y Japón.
Perlita:
Perlita es una roca de una composición similar al granito. De origen
volcánico, su formación y propiedades son resultados de la lava fundida
descargada por un volcán en erupción
dentro del agua. En consecuencia enfriada muy rápidamente, difiere de las
rocas como el granito al no tener una
estructura cristalina pero teniendo una
masa de pequeños “guijarros” con forma de perlas que le dan el nombre.
Estas perlitas pueden tener hasta
25 mm pero son generalmente de tamaños menores.
Ocluidas dentro de los guijarros
como resultado del enfriamiento de
la lava hay una pequeña cantidad de
agua, la que con otra agua absorbida
dentro de la masa en una etapa posterior da al mineral un contenido de
agua del 3 al 4%.
Adsorción:
Este fenómeno ocurre por una diferencia de cargas electrostática entre
partícula y fibra, o por carga superficial y fuerza iónica.
Uso de ayudas filtrantes:
Las ayudas filtrantes, tales como
las tierras de diatomea, el carbón y la
perlita pueden ser incorporadas como
parte del medio filtrante con el que se
fabrican placas, o filtros lenticulares.
También pueden ser usadas para la
formación de la precapa de la torta
FIGURA 8
70 • Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica
una superficie antes de la filtración o
agregado al líquido aguas arriba, durante la filtración. Hay muchos tipos
de soportes incluyendo placa y marco,
filtros de hoja, etc. para sustentarlos.
Perlitas: características físicas
porosa sobre la malla de soporte del
filtro prensa, antes de la filtración del
producto o agregadas al mismo durante el proceso, aumentando paulatinamente su volumen.
En este proceso cuya representación esquemática se ve en la Figura
4, la filtración se realiza por medio
de una torta porosa compuesta por
capas de ayuda filtrantes dispuestas
sobre la precapa manteniéndose la
permeabilidad, quedando las partículas en suspensión retenidas dentro de
la torta. La eficiencia de este filtro aumenta durante el proceso, pero cuando la caída de presión llega al límite,
se desarma el filtro descartándose la
torta.
La facilidad con la cual las partículas finas pueden ser eliminadas es
aumentada por el agregado a la suspensión de pequeñas cantidades de
ayudas filtrantes.
El propósito de la ayuda filtrante es
el de obtener una torta de permeabilidad deseada.
La ayuda filtrante más común es la
tierra de diatomea, que consiste de
depósitos sedimentarios.
FIGURA 10
• Ceniza volcánica
• Extraida de la tierra
• Superficie extendida
• Características clarificantes
Los elementos de la diatomea tienen una amplia variedad de formas
y es esta propiedad la que permite
que produzca tortas filtrantes de alta
permeabilidad. Otras ayudas filtrantes
incluyen la perlita, el carbón activado
y la celulosa.
La filtración con ayuda filtrante no
es común en la clarificación de fluidos,
pero usada a menudo aguas arriba
del sistema de filtros de cartucho. Los
filtros del cartucho son usados como
elementos para retener partículas de
filtros de precapa aguas abajo de los
mismos, de manera tal que pueda retener partículas de ayuda filtrante que
pasen el primer medio.
Las ayudas filtrantes como la tierra
de diatomea, carbón o perlita pueden
ser incorporadas dentro del medio filtrante para fabricar filtros lenticulares
o placas. También se usan como polvo para formar una torta porosa sobre
FIGURA 11
FIGURA 9
• Fitoplancton fosil • Extracción de minería • Estructura porosa fina • Alta permeabilidad • Gran superficie interior
Núcleo central
rígido de
polipropileno
Filtros lenticulares
Una variante interesante de los filtros de profundidad son los de tipo
lenticular, formados por celdas individuales de placas de celulosa resinada
que se disponen sobre un núcleo cilíndrico hueco central de polipropileno
como se ve en la Figura 10. Cada celda individual se construye colocando
dos hojas circulares de medio filtrante,
con un agujero circular central. Ambas
hojas con forma de disco se unen en
su perímetro, manteniéndolas separadas una placa de polipropileno como
se ve en la Figura 11.
Las celdas se colocan unas a continuación de las otras formándose
cartuchos, en los que el líquido circula
desde la parte exterior de los discos
hacia el interior de la celda entrando el
filtrado al núcleo hueco central.
Su ventaja frente a los filtros prensa es que el sistema filtrante se coloca dentro de carcasas cerradas, de
manera tal que no existe el problema
del goteo, ni se expone placas en su
parte exterior al ambiente. Los filtros
lenticulares pueden construirse como
sistemas sanitarios.
Referencias
• El autor ha utilizado en parte material del libro
“Filtration in the Biopharmaceutical Industry” de
Meltzer y Jornitz, y especialmente los capítulos
1 “Filter Aids” escrito por Gordon Smith y Charge Filtermedia Knight & Ostreicher.
• Filter presses J.M. Regan Filtration and Separation
• Jerold Martin Depth Filtration Pall Corp
• Scott Anderson Brief Introduction about TR45
of PDA
Las referencias nombradas permitieron resumir
los temas principales de los filtros de profundidad
y filtros prensa.
Se utilizaron fotografías de filtros prensa de Seitz,
y Folletos de Pall, Seitz, Ertel y Cuno.
Sello perimetral de polipropileno
Hojas de
medio
filtrante
Placa separadora
de polipropileno
Apuntes sobre Filtracion de Fluidos en la Industria Farmacéutica • 71
Bibliografía
Para los que deseen profundizar el tema recomiendo la bibliografía consultada:
Principles of filtration - Barry Perelmuter
Journal of the Parenteral Drug Association - Technical Report TR 26 y TR 40
Journal of the PDA - autores varios 1978 - 2010
What When and Why of Cartridge Filters - Nick Nickolaus
Considerations in Application of Bacteria Retentive Air Vent Filters - Jack Cole
The significance of Bacterial Filtration to Pharmaceutical Technology - K.H. Wallhauser
Filter Sizing for economic liquid filters - Jack Cole y Robert Shumansky
Bacteria Removal Prediction in membrane filters - David B. Pall, Erwin Kirnbauer
Membrane Filtration - Bernard Dutka
Filtration Principles and Practices - Clyde Orr
Filtration in the Biopharmaceutical Industry - Theodeore Meltzer, Maik Jornitz
Bacterial Retention Mechanisms in Membrane Filters - Masako Osumi y colaboradores
Filter aid filtration - Gordon R. Smith
Producido por:
EDICIONES VR S.A.
Av. Belgrano 3786 Dto. 2
(C1210AAS) Ciudad de Buenos Aires, Argentina
Tel/fax: (+54 11) 4931-4861
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Primera Edición: Noviembre 2010