Abstrakt

Rozdział 2.2.44 Farmakopei Europejskiej zaleca, aby analizatory całkowitego węgla organicznego (TOC) przeznaczone do pomiaru wody oczyszczonej (PW) i wody do wstrzykiwań (WFI) całkowicie utleniały zanieczyszczenia organiczne w próbce wody do dwutlenku węgla w celu przeprowadzenia dokładnego pomiaru TOC. 

Rozdział USP<643> Farmakopei Stanów Zjednoczonych jest zharmonizowany z EP2.2.44 i dotyczy pomiaru wody oczyszczonej (PW) i wody do wstrzykiwań (WFI), ale zawiera też dodatkowe porady dotyczące badań wody sterylnej.

TOC i przewodnictwo

Analiza TOC jest testem niespecyficznym, tj. określeniem ilości węgla z materiału organicznego zawartego w wodzie. Nie można dokładnie określić, jaki rodzaj cząsteczki organicznej jest obecny. Analizatory TOC klasy farmaceutycznej wykorzystują zazwyczaj światło ultrafioletowe (UV) do utleniania substancji organicznych zawartych w próbce, aby przekształcić obecne w nich atomy węgla do postaci dwutlenku węgla (CO2), a następnie zmierzyć różnicę w przewodności wody spowodowaną rozpuszczaniem się dwutlenku węgla w wodzie.

TOC oblicza się poprzez pomiar ilości węgla całkowitego (TC) zawartego w próbce i węgla nieorganicznego (TIC), a następnie odjęcie jednej wartości od drugiej.

TC – TIC = TOC

Rys. 1: Mierzone są TIC i TC oraz obliczany jest TOC

Wyniki TOC są podawane w częściach na miliard (ppb), co w tym przypadku jest masą węgla organicznego na litr wody, tj. µg/litr. Złożone cząsteczki organiczne o dłuższym łańcuchu mogą zawierać więcej atomów węgla niż krótkołańcuchowe cząsteczki organiczne, więc równoważne ilości cząsteczek długo- i krótkołańcuchowych będą raportowane w różny sposób przez analizator TOC, przy czym TOC z długołańcuchowych substancji organicznych zapewniają wyższe wyniki TOC.

Rys. 2: Cząsteczka organiczna sacharozy zawiera 12 atomów węgla

Analizatory TOC, które wykorzystują przewodnictwo do pomiaru węgla organicznego, mogą być również używane do wykrywania zanieczyszczeń nieorganicznych. Jednak farmakopee są bardzo specyficzne w odniesieniu do kalibracji analizatorów przewodnictwa, a analizator TOC musiałby być w pełni zgodny z ich wymaganiami. USP<645> i EP 2.2.38 jasno określają, że stała celi miernika przewodnictwa musi być zweryfikowana względem certyfikowanego roztworu do pomiaru przewodnictwa, a elektronika miernika musi być zweryfikowana przy użyciu certyfikowanego rezystora kalibracyjnego.

Rys. 3: Dokładność konduktometru PAT700 można zweryfikować za pomocą certyfikowanego rezystora zgodnie z wymaganiami USP<645>

USP<643> stwierdza, że TOC jest testem limitu, tj. poziomy TOC w próbce nie mogą przekraczać zdefiniowanego limitu, który jest odpowiedzią analizatora TOC na standard 500 ppbC wykonany z sacharozy identyfikowalnej według USP. Innymi słowy, niezależnie jaki wynik TOC analizator poda w odpowiedzi na pomiar tego wzorca sacharozy, wynik ten staje się maksymalną dopuszczalną granicą TOC w próbce wody. Użytkownicy powinni być tego świadomi i upewnić się, że zmierzone poziomy TOC w ich wodzie nie przekraczają limitu zgłaszanego przez ich analizator TOC podczas pomiaru standardu sacharozy 500 ppbC identyfikowalnego według USP. Na przykład, jeśli raportowany wynik TOC z ich analizatora w odpowiedzi na analizę wzorca 500 ppbC sacharozy wynosi 450 ppb, wówczas raportowany wynik TOC z próbki wody o wartości 450 ppb staje się maksymalnym dopuszczalnym limitem TOC dla ich próbek wody.

 

Rys. 4: USP<643> dla TOC to test graniczny

Znaczenie całkowitego utleniania

Rozdział EP 2.2.44 dotyczący analizy TOC podkreśla znaczenie całkowitego utlenienia zanieczyszczeń organicznych w celu uzyskania dokładnego pomiaru TOC.

Rys. 5: Tabela z EP 2.2.44 informująca o konieczności całkowitego utlenienia węgla organicznego w próbce wody

Ponieważ węgiel organiczny mierzy się przez ekstrakcję z cząsteczek organicznych jako CO2, w postaci gazu lub w postaci rozpuszczonej za pomocą pomiaru przewodnictwa, jasne jest, że węgiel obecny w cząsteczce musi być całkowicie utleniony do CO2, w przeciwnym razie uzyskana zostanie nieprawidłowa wartość TOC.

Konsekwencje niepełnego utleniania

Analizatory TOC z krótkimi, stałymi czasami utleniania, w których próbka stale przepływa przez analizator i ma z góry określony, stały czas ekspozycji na lampę UV, mogą mieć trudności z dokładnym raportowaniem poziomów TOC. Międzynarodowa Konferencja ds. Harmonizacji (ICH) jest ekspercką grupą roboczą z przedstawicielami Farmakopei Europejskiej, Stanów Zjednoczonych i Japonii, a w ich trójstronnych wytycznych ICH Q2 Validation of Analytical Procedures zalecane jest wykonywanie testu przydatności systemu w celu określenia solidności pomiaru analizatora.

Jeśli analizator TOC o ustalonych z góry czasach utleniania zostanie skalibrowany za pomocą standardów TOC przy użyciu stosunkowo łatwej do utlenienia sacharozy, prawdopodobnie nie będzie dostarczać dokładnych wyników, szczególnie w przypadku pomiaru próbki ze stosunkowo trudnym do utlenienia standardem TOC, takim jak SDBS, zgodnie z zaleceniami zawartymi w rozdziale Farmakopei Japońskiej na temat TOC. Ustalony z góry czas ekspozycji na światło UV będą oznaczać, że SDBS nie zostanie w pełni utleniony i znaczna część węgla pozostanie niezmierzona. Niektóre analizatory TOC wykorzystują nadsiarczan oraz światło UV w celu rozszerzenia zakresu pomiarowego. W obecności światła UV nadsiarczan staje się silnym środkiem utleniającym, umożliwiając analizatorowi TOC utlenienie stosunkowo dużych ilości TOC w krótkim czasie. Jednak w urządzeniach wykorzystujących membrany gazoselektywne jako część celi pomiarowej może to stanowić wyzwanie. Jeśli doda się zbyt dużo nadsiarczanu, istnieje niebezpieczeństwo, że w próbce mogą powstać pęcherzyki, które mogą zatkać membrany pomiarowe, prowadząc do zaniżania poziomów TOC. Podobnie, jeśli doda się zbyt mało nadsiarczanu, TOC nie zostanie w pełni utleniony i jeszcze raz analizator TOC zgłosi zaniżoną zawartość TOC w próbce. W tej paradoksalnej sytuacji użytkownicy analizatorów muszą w jakiś sposób znać z góry wartość TOC w próbce, aby móc prawidłowo skonfigurować dozowanie nadsiarczanu w analizatorze przed wykonaniem pomiaru TOC. Dłuższe łańcuchy, bardziej złożone cząsteczki organiczne mogą tworzyć kwasy organiczne jako związki pośrednie, ponieważ są utleniane do CO2. Kwasy organiczne mogą mieć większy udział w pomiarze przewodności niż końcowy CO2 z całkowicie utlenionej substancji organicznej, więc brak zapewnienia całkowitego utlenienia substancji organicznej może skutkować nieprawidłową wartością TOC. Podobnie, brak całkowitego utlenienia substancji organicznej może pozostawić atomy węgla w pozostałościach struktury cząsteczki organicznej, co prowadzi do zaniżonych wyników TOC.

Rys. 6: Związki pośrednie powstające podczas utleniania substancji organicznej mogą mieć większy udział w przewodności próbki niż końcowy utleniony węgiel

Analizator PAT700 TOC firmy Beckman Coulter Life Sciences

Zaprojektowany specjalnie do analizy TOC on-line zgodnie z USP<643> i EP2.2.44 na PW i WFI, analizator PAT700 TOC firmy Beckman Coulter Life Sciences wykorzystuje zmienny czas utleniania w połączeniu z dynamiczną detekcją punktu końcowego w celu określenia, kiedy utlenienie próbki jest kompletne. Próbka wody jest umieszczona w celi pomiarowej. Czujnik przewodności mierzy przewodność tej próbki, która jest równoważna całkowitej zawartości węgla nieorganicznego w próbce. Następnie, w celu utlenienia substancji organicznych w próbce, włączana jest lampa UV. Gdy cząsteczki ulegają utlenieniu, uwolniony węgiel organiczny w próbce zamienia się w dwutlenek węgla, który rozpuszcza się i zwiększa przewodność badanej próbki. Analizator PAT700 monitoruje zmianę przewodności próbki, a gdy przewodność przestaje się zmieniać, PAT700 uznaje, że osiągnięto punkt końcowy analizy, a substancje organiczne zostały całkowicie utlenione. Teraz próbka zawiera zarówno TIC, jak i TOC, czyli TC. Przewodność TC mierzy się za pomocą tego samego czujnika przewodności, który jest używany do pomiaru TIC. Wynik TIC odejmuje się od wyniku TC w celu obliczenia TOC.

Rys. 7: PAT700 wykorzystuje dynamiczną detekcję punktu końcowego, aby zapewnić całkowite utlenienie w celu dokładnej analizy TOC, nawet w sytuacji, gdy efektywność lampy UV spada

Dzięki zastosowaniu jednego czujnika do pomiaru zarówno TIC, jak i TC, wpływ jakiegokolwiek niewielkiego dryftu czujnika przewodności w czasie na dokładność obliczeń TOC jest wyeliminowany, ponieważ błąd dryftu czujnika przewodności dotyczyłby w równym stopniu zarówno pomiarów TIC, jak i TC.

Rys. 8: PAT700 Analizator TOC i przewodności 

Ponieważ czas utleniania analizatora PAT700 jest zmienny i kontrolowany przez dynamiczną detekcję punktu końcowego, analiza materiałów trudniejszych do utlenienia, takich jak SDBS, zalecana w teście przydatności systemu w Farmakopei Japońskiej, nie stanowi problemu: analizator PAT700 po prostu wydłuża czas analizy, kontynuując utlenianie, aż wykryje, że przewodność próbki przestała się zmieniać i utlenianie jest zakończone. Mierzony jest również poziom promieniowania UV emitowanego z lampy UV, aby upewnić się, że jest ono wystarczająco silne do utlenienia próbki, a w przypadku awarii lampy włącza się drugą, rezerwową lampę UV, aby zapewnić całkowite utlenienie.

Rys. 9: Analizator PAT700 zawsze zapewnia wystarczającą ilość utleniającego światła UV poprzez pomiar mocy UV i automatyczne przełączanie pomiędzy główną oraz rezerwową lampą UV

Wychwytywanie przejściowych odchyleń TOC dla analizy przyczyn źródłowych

Odchylenia wyników TOC lub przewodnictwa mogą mieć charakter przejściowy. Na przykład instalacja wodna, w której następuje stopniowe nawarstwianie się biofilmu, może doświadczać wahań TOC tuż po cyklach jej dezynfekcji, gdy biofilm złuszcza się z wnętrza rurociągu. Zjawisko to może szybko zniknąć, albo przez rozcieńczenie, gdy przechodzi do dużej ilości wody w zbiorniku magazynowym, albo może być rozłożone przez lampy UV podłączone do sieci dystrybucji rurociągów, aby zahamować wzrost drobnoustrojów. Jednak to pozornie szybkie zanikanie może maskować nawarstwianie się biofilmu, aż do momentu, w którym nie nastąpi załamanie kontroli systemu i niekontrolowane skażenie mikrobiologiczne. Analizator PAT700 można zaprogramować tak, aby przechwytywał próbkę wody w przypadku wykrycia odchylenia TOC, dzięki czemu próbka ta może być dalej szczegółowo analizowana w celu dotarcia do pierwotnej przyczyny zanieczyszczenia.

Rys. 10: Analizatory Beckman Coulter Anatel PAT700 mogą przechwytywać próbkę wody w celu przeprowadzenia analizy przyczyn odchylenia TOC

TOC jako wiodący wskaźnik zanieczyszczenia instalacji wodnych

Jedną z dodatkowych zalet dynamicznego wykrywania punktu końcowego dla całkowitego utlenienia w analizatorze PAT700 firmy Beckman Coulter jest to, że może on zapewnić wskazanie profilu krzywej utleniania podczas każdej analizy TOC. Zmiana typu profilu w połączeniu ze zmianą poziomów TOC może zapewnić wgląd w zmianę zawartości materii organicznej systemu wodnego, sugerując potencjalną degradację integralności systemu RO, co skłania użytkownika do dalszych badań i rozważenia działań naprawczych, aby zapobiec kontaminacji na dużą skalę oraz wprowadzenia środków zapobiegawczych w celu uniknięcia ponownego wystąpienia problemu w przyszłości.

 

 Rys. 11: Zmiany w krzywej profilu utleniania TOC mogą wskazywać na potencjalną degradację integralności systemu RO, skłaniając do badania w celu zapobieżenia zdarzeniu zanieczyszczenia na dużą skalę

Podsumowanie

Jako najnowocześniejsze wskaźniki potencjalnych zmian stanu systemu wodnego, analizatory TOC i przewodności on-line zyskują coraz większe znaczenie w dostarczaniu danych o jakości wody w czasie rzeczywistym dla PW i WFI. Zdolność analizatora Anatel PAT700 do raportowania zmian w zawartości materii organicznej w wodzie, w połączeniu z funkcją przechwytywania próbek podczas nieustalonych odchyleń TOC, zapewnia większe wsparcie w badaniach nad jakością wody. Dla uzyskania dokładnych pomiarów zgodnie z europejskim rozdziałem 2.2.44, całkowite utlenienie TOC ma kluczowe znaczenie w celu uwolnienia całego węgla organicznego do postaci dwutlenku węgla, nawet w przypadku długołańcuchowych, trudnych do utlenienia cząsteczek organicznych.

© 2021 Beckman Coulter, Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone.