De nouveaux chemins dans la mesure Carbone Organique Total (COT ou TOC)

 Dans l’industrie pharmaceutique, les exigences de qualité pour l’eau utilisée dans la production sont particulièrement élevées. Pour garantir à tout moment la qualité de l’eau purifiée utilisée, les fabricants pharmaceutiques misent de plus en plus sur une analyse automatique et continue des installations de traitement et des circuits d’eau. La mise en oeuvre de la teneur en TOC en tant que spécification pour l’eau ultra-pure en 1998 dans la pharmacopée des États-Unis (USP) a été une étape importante dans ce développement. De façon similaire aux prescriptions pour les pollutions inorganiques de l’eau (conductivité), la pollution organique peut maintenant être détectée en utilisant un paramètre. Ce changement de la part des autorités de tutelle a permis de pouvoir contrôler continuellement et rapidement la pollution organique de l’eau purifiée dans l’industrie pharmaceutique. Au cours de cette période, les fabricants d’instruments de mesure avaient déjà fait des expériences avec d’autres industries productrices travaillant avec l’eau purifiée et ultra-pure (par exemple, l’industrie des semi-conducteurs).

Les fabricants ont mis au point divers procédés pour oxyder le carbone présent de manière organique et pour mesurer le dioxyde de carbone qui en résulte. La société SWAN a misé dès le départ sur la méthode de l’oxydation UV directe.

Ce rapport vise à donner un bref aperçu de la méthode de mesure normalisée. En outre sont décrites et dénies les possibilités et les limites de l’oxydation UV directe ainsi que les changements techniques qui sont faits sur l’appareil de mesure pour améliorer la performance du réacteur UV et donc augmenter la précision de l’appareil.

1. Introduction
Aujourd’hui nous pouvons trouver sur le marché principalement les méthodes suivantes pour la détermination du TOC:
• Décomposition thermique avec détection NDIR
• Décomposition du persulfate UV avec détection NDIR
• Décomposition du persulfate UV avec détection de la conductivité
• Oxydation UV directe avec détection de la conductivité

Chacune de ces méthodes est basée sur l’oxydation du carbone organique présent dans l’eau et la mesure subséquente du dioxyde de carbone provoqué par l’oxydation. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients spécifiques, selon la façon dont l’oxydation et la mesure sont techniquement mises en oeuvre. Ceci a également des implications pour les possibilités d’application des différentes méthodes. Pour chaque application, il faut tester avant tout la méthode la plus appropriée.

1.1 Décomposition thermique
Dans ce procédé, (Fig. 1), les composants organiques se décomposent à une température élevée. Ainsi les composants non dissous (matières solides ou d’abrasion) peuvent être également complètement décomposés.
Dans les applications avec des charges organiques élevées (par exemple des eaux usées municipales) c’est une méthode éprouvée.

1.2 Décomposition du persulfate UV avec NDIR ou détection de la conductivité 
Dans les applications d’eau purifiée et ultrapure, l’oxydation chimique par voie humide avec de la lumière UV et persulfate (Fig. 2) est très répandue. Les avantages de cette méthode sont le champ d’utilisation très étendu (moins de 1 ppb à plus de 100 ppm) et une grande précision. Cependant, la méthode nécessite des produits chimiques de haute pureté et un gaz de purge, qui sont des facteurs de coût à prendre en compte..

2. Oxydation UV directe
Cette méthode (Fig. 3) est utilisée déjà depuis un certain temps dans les circuits d’eau purifiée. On va faire maintenant un bref résumé du principe de fonctionnement et ensuite nous allons présenter trois innovations techniques importantes.

2.1 Présentation du processus de mesure
Après la première mesure de la conductivité, l’échantillon entre dans un réacteur UV. A l’intérieur, le carbone organique présent dans l’eau est oxydé en CO2. Ce CO2 à son tour augmente la conductance mesurée avec un second capteur placé après le réacteur. Avec la différence entre la première et la seconde mesure, il est possible de calculer le TOC. 

Comme chaque autre méthode, l’oxydation UV directe présente des désavantages dus au système:
• Domaine de mesure limité (< 2μS/cm avec 20 °C / < 1 ppm TOC)
• Les effets thermiques influencent la mesure
• Reproductibilité insuffisante de l’oxydation UV.

Ces deux dernières années, pour éviter ou minimiser ces inconvénients systémiques le développement ultérieur de l’instrument avec les objectifs suivants ont été au premier plan:
• Stabilisation des conditions thermiques dans l’appareil
• Augmentation de la densité des rayons dans l’oxydation
• Optimisation du flux des média dans le système.

 

2.2 Stabilisation des conditions thermiques
Dans l’oxydation UV directe, la température a une grande influence sur le résultat de mesure.

En raison du rayonnement d’énergie de la lampe UV, la température de l’eau échantillon, en fonction de la construction, se chauffe et augmente donc de plus de 10°C. Cette différence doit être compensée. Cependant, chaque compensation est seulement une approximation et comprend donc une erreur qui peut varier en fonction de la température et de la conductivité. An de maintenir cet écart aussi faible que possible, le réacteur doit être précédé par un échangeur de chaleur. Dans celui-ci l’eau sortant chauffe l’alimentation par le principe à contre-courant (Fig. 4). Grâce à cette mesure, la différence de température entre les deux mesures peut être maintenue de moins de 0,2°C. Surtout pour les échantillons avec de faibles valeurs de TOC, cette mesure a un effet très positif. Les valeurs mesurées sont beaucoup plus stables et ont des fluctuations plus faibles.

2.3 Augmentation de la densité de rayonnement dans l’oxydation
Les lampes UV utilisées aujourd’hui (lampes à quartz à faible pression Hg) ont une gamme étroite de température (Fig. 5) dans laquelle elles atteignent leur pleine capacité. Celle-ci est généralement comprise entre 40 et 50°C. Un changement dans la température de fonctionnement de 10°C peut entraîner une perte des prestations de jusqu’à 20%.


D’après le graphique (Fig. 5) il ressort qu’il est très important de maintenir la température de la lampe dans le domaine optimal. Les influences de l’extérieur (température ambiante, emplacement) et de l’échantillon (changement de température de l’échantillon) peuvent entraîner le fait que la température de la lampe ne se trouve pas dans la plage optimale. La solution présentée dans le chapitre précédent réduit à un minimum la différence de température entre les deux capteurs de conductivité au-dessous de 0,2°C. Mais pour fixer la température dans une plage comprise entre 40 et 50°C, des mesures supplémentaires sont nécessaires

D’autres cartouches chauffantes ou unités de refroidissement (Fig. 6) permettent de maintenir très exactement une température ciblée de 42 °C. Ainsi il est possible d’obtenir une puissance de rayonnement maximale et donc une oxydation uniforme. 

2.4 Optimisation du flux des fluides dans le système
Les mesures mentionnées jusqu’ici montrent déjà une amélioration considérable du système. Ce n’est qu’en combinaison avec un flux de fluides optimisé que l’on peut totalement épuiser le potentiel. Dans la disposition classique de la lampe UV et du flux de fluides l’échantillon est guidé autour d’une source de lumière. Les pertes par diffusion et réflexions sont difficilement évitables. En fonctionnement continu de longue durée, la formation de dépôts (et donc réduction de la densité de rayonnement) sur le côté directement irradié ne peut être exclue. Ce n’est qu’à travers la mise en contact directe de la lampe UV et de l’échantillon que ces effets secondaires peuvent être évités. 

La figure 7 illustre l’écoulement de l’échantillon dans le réacteur UV nouvellement construit. L’échantillon passe directement le long de la lampe. La distance maximale entre le centre de la lampe est de 8 mm, le flux de l’échantillon a une épaisseur de seulement 0,5 mm. Grâce à la construction fermée, les pertes par courant de fuite et la production d’ozone peuvent être évitées.

Ces améliorations conduisent à une augmentation significative de la densité de rayonnement et par conséquent à une oxydation complète du carbone présent dans l’échantillon. La lampe UV forme une unité avec la boite du réacteur. Dans le cadre du service, l’ensemble du réacteur doit être remplacé et recyclé. L’entretien est donc plus court et plus facile.

Les températures stables et un rayonnement uniformément fort sont les bases importantes pour des résultats de mesure précis et ables. Tout aussi important, cependant, est aussi la méthode de compensation, c’est-à-dire la manière dont les valeurs de mesure sont converties à une température de référence. 

3. Compensations
La conversion à une température de référence commune (25 °C) peut se baser sur différents algorithmes. Cependant, ces formules ne sont pas absolues, il s’agit des approximations. Par conséquent, SWAN utilise deux modèles de compensation différents choisis en fonction de l’application.

3.1 Le modèle CO2
L’eau pour les applications pharmaceutiques, ne contient pas de sels qui pourraient augmenter la conductivité de l’eau en raison du processus de traitement. La conductivité de cette eau est principalement influencée par le dioxyde de carbone (TIC) dissous provenant de l’atmosphère et des traces de combinaisons organiques de carbone (TOC).

Un petit exemple avec des chiffres arrondis:
• Conductivité sur le premier capteur (COND 1) => 0,6 μS/cm avec 42°C
• Conductivité sur le second capteur (COND 2) => 0,8 μS/cm avec 42°C

La conductivité absolue de l’eau est environ 0,12 μS/cm à 42°C. La différence de 0,48 μS/cm par rapport à la conductivité mesurée au premier capteur provient du dioxyde de carbone dissous. En raison de la relation incontestable entre la conductivité et la teneur totale en dioxyde de carbone, le TIC et le TOC peuvent être calculés à partir de la conductivité mesurée dudit échantillon. Les valeurs correspondantes des différentes températures sont classifiées et placées dans l’appareil. Les composés organiques de l’échantillon sont oxydés par la lampe UV et transformés en CO2. Le dioxyde de carbone supplémentaire augmente la conductivité de l’échantillon et par conséquent la valeur mesurée au deuxième capteur. Par soustraction de la première conductivité, on obtient la conductivité provoquée uniquement par les composés de carbone oxydés.

• [COND 2] – [COND 1] = 0,2 μS/cm

Avec les mêmes valeurs de tableau que celles de TIC (COND 1), le contenu de TOC peut être maintenant calculé. Cette détermination de TIC et de TOC est, sous les conditions mentionnées ci-dessus, une méthode absolue, car il en résulte une comparaison valeur théorique/ valeur réelle. Le champ de déviation possible est réglé dans le menu du transformateur de mesure. Un ajustement n’a pas lieu. L’étalonnage est effectué avec une solution définie de 1 ppm. Si la valeur mesurée s’éloigne plus que prédéfinie par rapport à la valeur cible, alors les conditions ci-dessus ne sont pas remplies ou les paramètres d’exploitation sont réglés de manière incorrecte ou l’appareil est défectueux.

3.2 Compensation linéaire
Cette méthode est utile quand il n’y a pas de corrélation claire entre le contenu en TOC et la conductivité. Dans de telles applications, par la production de «solutions d’étalonnage» on peut couvrir toute la gamme de concentrations des composants pertinents et faire un modèle de la conductivité TOC (). La dépendance à la température de la conductivité de ces échantillons ne doit être prise en compte que si l’étalonnage et les mesures online sont effectuées à des températures différentes. L’AMI LineTOC thermostatise les échantillons non seulement avec la mesure online, mais aussi avec l’étalonnage à 42-43°C. Néanmoins, afin de permettre également des mesures à différentes températures, la conductivité Λin und Λout est convertie à 25°C.
Avec la compensation linéaire, un comportement uniforme de la température est supposé sur toute la plage de mesure. Si nécessaire, cette valeur peut être réglée manuellement.
L’étalonnage en mode linéaire est effectué par la mesure d’une solution d’échantillon bien dénie (saccharose à 1 ppm). L’appareil calcule la pente effective sur la base du résultat de la mesure et l’affiche. L’expérience montre que ces valeurs sont de l’ordre de 0,150 à 0,3.

4. Application Pharmaceutique
4.1 Où mesure-t-on ?

Les points de mesure typiques dans les usines pharmaceutiques se trouvent après la distillation, dans le réservoir de stockage, à l’entrée et la sortie d’une boucle (loop) et aux points de prélèvement (Fig. 8)

4.2 Le test de fonctionnement comme assistant
Les appareils utilisés dans des applications pharmaceutiques doivent réussir un test d’aptitude (SST System Suitability Test) en conformité avec les pharmacopées pertinentes déjà existantes (USP 643 / EP 2.2.24). 

Dans ces monographies, les spécifications de solutions de test sont décrites en détail. Si le test se fait dans les usines qui produisent selon les lignes directrices USP, les solutions doivent être préparées avec des réactifs USP certifiés. En raison de la haute dilution, la stabilité de ces solutions est limitée à quelques semaines. Un SST est le seul moyen de vérifier un appareil TOC dans la pratique. Dans les appareils avec oxydation UV directe, les lampes UV actuellement utilisées ont une durée de vie de six mois. Chaque remplacement de lampe nécessite obligatoirement un SST ; de même, on a besoin d’au moins deux tests par an. Beaucoup d’utilisateurs utilisent les solutions certifiées de SST en dehors des intervalles de validation réels jusqu’à des tests effectués tous les mois. Ceci est associé à des coûts importants et logistiquement très complexes.

Le test de fonctionnement automatique de l’AMI LineTOC peut fortement simplifier cette routine. La séquence est alignée avec la SST connue. On utilise des solutions fortement concentrées (de la saccharose et du benzoquinone), qui peuvent se conserver jusqu’à 3 mois. Les solutions ne sont diluées avec l’eau de l’échantillon qu’au moment du test et par l’intermédiaire de la pompe péristaltique intégrée. Les deux solutions de base sont mesurées de façon séquentielle. Les conclusions concernant la fonction et le statut de l’appareil peuvent être déterminées à partir du degré de récupération. La fonction de base de l’instrument peut être facilement vérifiée sans interférence ou changement extérieur.

L’opérateur obtient ainsi la possibilité de vérifier régulièrement l’appareil et donc de réduire le nombre de tests coûteux. Le test de fonctionnement est déclenché manuellement ou par une fonction de temps programmable. Les solutions utilisées ne sont pas soumises à des directives pharmaceutiques et peuvent être faites par un des utilisateurs.

Les substances de base peuvent être obtenues auprès du fournisseur chimique local, mais elles doivent répondre aux exigences de qualité par rapport à l’analyse.

4.3 Echantillons manuels faciles à faire
Un allègement supplémentaire dans les résultats d’exploitation résulte de la possibilité de vérifier les tests manuels par l’appareil de mesure. Avec celui-ci (Fig. 9), l’échantillon est aspiré par une pompe péristaltique à travers le dispositif. Peu importe que ce soit une solution SST, le test de fonctionnement (voir 4.2) ou un test manuel. Les tests manuels peuvent être connectés facilement et mesurés immédiatement en appuyant sur un bouton. Tant que la mesure manuelle est active, les sorties sont arrêtées sur la dernière valeur an d’éviter les fausses alarmes. Après la mesure de l’échantillon, le dispositif est rincé sur une période de temps prédéfinie avant la nouvelle libération des sorties. 

 

5. Conclusion
Trois domaines ont été la clé du développement de notre analyseur TOC. La stabilisation des conditions de température, l’augmentation du rayonnement de l’oxydation et l’optimisation du flux de liquide dans le système.
Les solutions techniques présentées ont amélioré de façon prouvée la précision et l’exactitude de l’oxydation UV directe. En outre, au cours du développement les besoins spécifiques de l’industrie pharmaceutique concernant les exigences pour l’étalonnage et la vérification ont été pris en compte. 

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Roger SCHMID – Application Manager UPW & PHARMA

roger.schmid@swan.ch

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Bibliographie

– USP<643>, « Total Organic Carbon », United States Pharmacopoeia 36-NF 31, U.S. Pharma-copeial Convention Inc., Rockville, Md. (2013).
– USP<645>, « Water Conductivity », United States Pharmacopoeia 36-NF 31, U.S. Pharmaco-peial Convention Inc., Rockville, Md. (2013).
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