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Les techniques membranaires font barrière aux bactéries

Les techniques membranaires font barrière aux bactéries

ROBERT SCHIEDLBAUER, directeur commercial de la société Epuro SAS

Les médicaments biotechnologiques, en plein essor, réclament des eaux purifiées parfaitement adaptées. Pour ce type d'application, les techniques membranaires et leurs combinaisons font aujourd'hui référence pour la production de ces qualités d'eau.

L'introduction d'une bactérie non désirable dans un bioréacteur se traduit fatalement par une démultiplication incontrôlable qui peut avoir pour conséquence un étouffement des cellules en culture. Afin d'éviter une dégradation ou une modification des protéines en cours de synthèse, il convient de prévoir un concept technologique de traitement d'eau capable de produire une Eau Purifiée de qualité constante.

Conformément aux recommandations de la Pharmacopée, la matière première à traiter sera une eau « potable » au sens normatif du terme. La qualité de celle-ci présentant des variations importantes d'une région à l'autre, il convient d'adapter les étapes de prétraitement. Cependant, la complexité du traitement de l'eau réside dans le fait que la plupart des étapes de prétraitement sont potentiellement et intrinsèquement polluantes sur un plan microbiologique. Qu'il s'agisse d'un filtre ou d'un adoucisseur, les contenus (médias filtrants ou résines) ainsi que les contenants présentent des caractéristiques qui peuvent favoriser la prolifération des bactéries. Pour amener l'eau d'entrée aux spécifications attendues, la juste combinaison des techniques et leur dimensionnement approprié sont les clés qui font reconnaître le savoir-faire d'une société spécialisée dans la conception et la réalisation d'installations de production d'eau purifiée. Il s'avère que certaines étapes de la chaîne de traitement sont indispensables mais intrinsèquement polluantes. Il est donc important de supprimer autant que faire se peut les procédés de traitement potentiellement polluants. La Meilleure Technique Disponible (MTD) pour produire une eau purifiée de haute qualité réside donc dans un concept 100% membranaire qui se présente sous la forme suivante :

Étape n°1 : la préfiltration

La préfiltration classique composée généralement de filtres à cartouches est remplacée par un système de prétraitement par « ultrafiltration ». Cette technique membranaire permet de clarifier l'eau grâce à la structure de ses fibres creuses en PVDF (polyfluorure de vinylidène) ou PES (polyethersulfone) présentant des seuils de coupure compris entre 0,01 et 0,03µm. L'ultrafiltration est la technique de filtration la plus efficace qui soit et présente un grand nombre d'avantages : protection optimale des Matières En Suspension (MES), faible consommation d'eau (taux de conversion moyen 95%), faible consommation d'énergie, suppression des consommables de filtration, décolmatage automatique des fibres par rinçage à contre-courant, nettoyage des fibres périodique entièrement automatisé, faible maintenance. L'avantage le plus significatif est que cette technique se traduit par une désinfection continue de l'eau de ville et sécurise donc parfaitement les éléments en aval contre les bactéries et virus qui peuvent provenir du réseau de distribution.

Étape n°2 : la déchloration

La déchloration de l'eau est habituellement obtenue par absorption sur charbons actifs en cartouches ou en grains ou par injection d'un réducteur chimique du type bisulfite de sodium. Pour un usage noble, nous préconisons de remplacer ces systèmes par une photo oxydation par rayonnement ultra-violet. Il ne s'agit dans ce cas pas d'une technologie membranaire, mais elle supprime le charbon actif toujours polluant, quelle que soit sa forme ou l'injection du bisulfite nécessitant un dosage précis. Certes, ce dispositif est plus onéreux à l'achat, mais se traduit par un coût d'exploitation intéressant et surtout supprime toute notion de consommables (si l'on fait abstraction des lampes UV qu'il faut remplacer une fois par an). La photo-oxydation contribue également à la sécurisation des éléments en aval contre les risques de prolifération bactériologique, et ce grâce à la longueur d'onde bactéricide de son rayonnement à 254 nm.

Étape n°3 : l'adoucissement

L'adoucissement est incontournable car il est impératif de protéger les éléments en aval contre les risques d'entartrage, et plus particulièrement de précipitation des ions Ca et Mg sur les membranes d'osmose et surtout sur l'électrodéionisation. Sur des eaux faiblement minéralisées dont le TH ne dépasse pas 25°F, il est possible de remplacer l'échangeur ionique (adoucisseur) présentant un facteur de pollution bactériologique élevé, par une technique membranaire du type nanofiltration. Cette technologie fonctionne selon le même principe que l'osmose inverse mais le seuil de coupure est plus élevé. Le coefficient de rétention sur les ions polyvalents dont font partie le calcium et le magnésium est supérieur à 95%. Le résiduel de dureté pourra sans problème être retenu par le traitement aval (osmose inverse) et ce, sans risque de détérioration des membranes d'osmose.

Les membranes de nanofiltration ayant un taux de rejet au niveau des bactéries similaire à celui des membranes d'osmose (99,99%), l'eau est donc également désinfectée en continu et contribue également à la sécurisation bactériologique des éléments en aval. Si le process final n'exige pas une qualité ionique inférieure à 4 µs.cm, la nanofiltration pourrait être utilisée comme premier étage d'une double osmose. Il est à noter que la nanofiltration ne pourra pas être envisagée sur des eaux dont la minéralisation globale est importante et dont le TH est supérieur à 25°F. Dans ce cas, il n'y a d'autre choix que de revenir vers une technologie d'échange ionique sur résines.

Étape n°4 : l'osmose inverse

Cette technologie est parfaitement connue et utilisée dans la quasi-totalité des installations de traitement d'eau pharmaceutiques récentes. L'évolution des performances des membranes d'osmose autorise un fonctionnement à basse pression avec des performances ioniques de haute qualité. Il en résulte une moindre consommation énergétique, une durée de vie optimisée. Selon la minéralisation de l'eau, un simple ou un double étage de l'eau seront nécessaires. De même, des choix sur les membranes elles-mêmes peuvent parfois optimiser la qualité de l'eau produite. L'utilisation pertinente de membranes de dégazage membranaire à ce stade du traitement peut permettre d'éliminer les gaz dissous, en particulier le CO2, pour optimiser la qualité finale de l'eau produite, sans avoir recours à du conditionnement chimique.

Étape n°5 : l'électrodéionisation

Le procédé d'électrodéionisation (EDI) est une combinaison de résines échangeuses d'ions, de membranes sélectives aux ions et d'un courant électrique. L'électrodéionisation, qui peut être utilisée en continu, n'occasionne aucun rejet chimique et se traduit par un faible coût d'exploitation (0,05 Kw/m3). La qualité ionique de l'eau produite peut atteindre 16 à 18,2 Mohms, ce qui se traduit en combinaison avec une osmose inverse par un abattement de 99,9% des ions de l'eau d'adduction. Le TOC est inférieur à 20 ppb et la silice inférieure à 5 ppb. Contrairement aux idées reçues, la qualité bactériologique reste stable en sortie de l'électrodéionisation, et ce grâce aux fortes variations de pH dans les compartiments d'échange.

Étape n°6 : ultrafiltration de polissage

Ultime étape du traitement, l'ultrafiltration à faible seuil de coupure (4000 à 6000 Da) assure un polissage final et une dépyrogénisation qui permet de sécuriser le stockage dans le cas de production d'eau Hautement Purifiée. Il est à noter qu'une chaîne de traitement telle que décrite dans le schéma présente des performances ioniques et bactériologiques exceptionnelles qui répondront aux exigences les plus strictes, y compris celles de l'EPPI. Alors que la Pharmacopée Européenne réfléchit à une harmonisation des recommandations technologiques pour la fabrication de l'EPPI, il est certainement intéressant de noter que les techniques membranaires disponibles permettent d'ores et déjà de produire une qualité supérieure à celle de l'EPPI, et ce pour un coût d'exploitation moins onéreux.

Epuro Industrial Water travaille depuis 20 ans dans le domaine des eaux de process et en particulier de l'Eau Purifiée à usage pharmaceutique. Elle est reconnue pour sa maîtrise des techniques décrites dans cet article. Travaillant en étroite collaboration avec les laboratoires pharmaceutiques les plus importants, Epuro propose des solutions adaptées à chaque cas de figure soit par des équipements standardisés ou sur mesure.


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