Tratamento de águas residuais da indústria farmacêutica: Guia de seleção de processos

No caso de um fluxo de efluentes farmacêuticos de algumas dezenas de metros cúbicos por dia, um sistema biológico baseado na tecnologia MBBR cumpre frequentemente os limites de descarga a um custo mais baixo e com menor carga de trabalho para o operador do que um sistema completo de membranas. Um sistema MBR justifica a sua utilização quando os limites são rigorosos, a área ocupada é fixa ou a água é reutilizada.

Tratamento de águas residuais da indústria farmacêutica: Guia de seleção de processos

Por que razão os efluentes farmacêuticos não têm uma resposta padrão

As fábricas farmacêuticas não produzem um único tipo de águas residuais. Uma unidade que realiza processos de síntese, fermentação, formulação e embalagem gera fluxos que quase nada têm em comum, e o facto de estes serem separados ou combinados antes do tratamento influencia a escolha do processo mais do que qualquer escolha de equipamento.

As águas residuais da síntese contêm solventes, um elevado COD e, frequentemente, elevada salinidade. Os resíduos do caldo de fermentação apresentam uma carga orgânica elevada, mas em grande parte biodegradável. A formulação e a lavagem do equipamento produzem águas de concentração moderada que contêm ingredientes farmacêuticos ativos em baixa concentração, sendo este o fluxo que suscita a atenção das entidades reguladoras. A purga dos sistemas de utilidades e as águas residuais sanitárias do mesmo local são, em comparação, comuns, e a sua combinação com os efluentes de processo dilui, essencialmente, o problema, ao mesmo tempo que aumenta a dimensão da instalação.

Existem quatro características que se repetem em todas as instalações farmacêuticas e que definem os critérios de comparação utilizados ao longo do resto deste guia:

• Caudais reduzidos em relação à carga. Uma estação de tratamento que descarrega algumas dezenas de metros cúbicos por dia pode apresentar uma concentração de DQO muitas vezes superior à dos efluentes municipais. Dimensionar a estação apenas com base no caudal resulta numa estação de tratamento totalmente inadequada.
• Campanhas em lotes, em vez de descarga contínua. A produção fabrica um produto durante um determinado período, procede à limpeza das instalações e, em seguida, passa a fabricar algo diferente. As águas residuais variam consoante a campanha.
• Inibição da biomassa. Os antibióticos, desinfectantes, solventes e conservantes são concebidos para suprimir a atividade microbiana. Alguns dos materiais que chegam ao biorreator são ativamente hostis ao processo que deveriam alimentar.
• Uma fração de DQO não biodegradável que o tempo de aeração não consegue eliminar, variando consoante o portfólio de produtos.

Esses quatro fatores são a razão pela qual as páginas de comparação de fornecedores que classificam o MBBR em relação ao MBR com base em critérios genéricos apresentam resultados inutilizáveis para uma instalação farmacêutica. Os critérios decisivos são a variabilidade da carga, o risco de inibição e o grau de rigor do limite de descarga.

Os três comboios que estão, de facto, em cima da mesa

MBBR (reator de biofilme de leito móvel). A biomassa cresce sob a forma de biofilme em suportes de plástico mantidos em suspensão por aeração. Como a biomassa está fixada e não suspensa, não é arrastada quando ocorrem picos de caudal, e o reator recupera de um pico inibidor mais rapidamente do que um sistema de crescimento em suspensão. A separação dos sólidos continua a ocorrer posteriormente, normalmente por sedimentação ou através de um filtro simples, e os sólidos em suspensão no efluente dependem da eficácia dessa separação.

MBR (biorreator de membrana). Biomassa em suspensão com membranas submersas em substituição do clarificador. A barreira retém toda a biomassa no reator, independentemente da sua capacidade de sedimentação, permitindo uma concentração de biomassa muito mais elevada e um tempo de retenção do lodo prolongado num tanque de pequenas dimensões. Os sólidos em suspensão no efluente são retidos pela membrana, e não pelo comportamento de sedimentação.

Híbrido: MBBR a montante de um MBR. Os transportadores da primeira fase absorvem o impacto e a fração inibitória, protegendo a biomassa em suspensão no tanque de membrana situado a seguir. Mais equipamento, mais pontos de controlo, maior resiliência.

Uma quarta opção merece ser mencionada, pois é frequentemente a mais adequada e raramente aparece nas páginas de comparação: separar o fluxo mais problemático e tratá-lo separadamente, ou transportá-lo para fora do local, enquanto se destina à parte restante uma instalação mais simples. Num local onde uma linha de produção gera a maior parte das dificuldades com apenas uma fração do volume, esta opção é frequentemente mais económica do que construir uma instalação capaz de lidar com o pior cenário combinado.

MBBR versus MBR, dimensão a dimensão

Em comparação com as páginas de comparação de tecnologias de uso geral que dominam os resultados de pesquisa sobre este tema, o aspeto mais importante num site farmacêutico é, normalmente, a tolerância à inibição e não a qualidade do efluente, porque uma unidade que cumpre o limite numa semana favorável e entra em colapso quando é realizada uma campanha de limpeza não é uma unidade em conformidade.

Quando um sistema biológico compacto supera a cadeia de membranas

A prática habitual na indústria é recorrer ao MBR sempre que o efluente parece complicado. No caso de pequenos fluxos farmacêuticos, essa prática é frequentemente errada, e vale a pena especificar em que circunstâncias isso acontece.

Um sistema baseado na tecnologia MBBR constitui a melhor solução comercial quando se verificam várias das seguintes condições:

• O limite de descarga é um limite relativo às águas residuais, não às águas superficiais. A descarga para uma estação de tratamento municipal implica, normalmente, o cumprimento de um limite máximo de DQO e de sólidos em suspensão, em vez de uma norma rigorosa para efluentes. Um sistema biológico com separação adequada cumpre esses requisitos com facilidade, e a membrana acrescenta uma capacidade pela qual ninguém está a pagar.
• O caudal é tão reduzido que o tempo do operador representa a maior parte dos custos operacionais. Com algumas dezenas de metros cúbicos por dia, a limpeza das membranas, a monitorização da pressão de alimentação (TMP) e o manuseamento de produtos químicos para a limpeza no local (CIP) podem ocupar mais tempo da semana de um técnico do que o valor da própria instalação. A maioria das instalações farmacêuticas não dispõe de um operador dedicado ao tratamento de águas residuais; contam, sim, com um engenheiro de serviços públicos que desempenha outras funções.
• O efluente contém uma fração inibitória significativa. O biofilme nos suportes resiste ao que a biomassa em suspensão não consegue suportar e recupera-se sem a necessidade de repovoamento a que um MBR avariado está sujeito.
• Existe espaço no local. A maior ocupação de espaço do MBBR em comparação com o MBR só é relevante quando não há espaço disponível, e muitas instalações farmacêuticas dispõem de um recanto no pátio de serviços.
• Não existe qualquer intenção de reutilização. Se a água tratada sair das instalações, o permeado isento de sólidos produzido por um MBR fica sem utilidade.

Se invertemos as condições, a resposta inverte-se com elas. Nos casos em que o local descarrega para um curso de água sujeito a normas rigorosas, ou não dispõe de espaço, ou pretende recuperar a água, um MBR é o processo que permite alcançar esse objetivo, ao passo que o MBBR, por si só, não o consegue.

A versão honesta da comparação é, portanto, a seguinte: o MBR produz água de melhor qualidade e tem custos de exploração mais elevados; o MBBR produz água adequada para muitas aplicações farmacêuticas e tem custos de exploração mais baixos. A decisão é determinada pelos padrões de descargas estabelecidos na licença, e não pelo facto de uma tecnologia ser mais avançada do que a outra.

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Dimensionamento de um conjunto de membranas para um pequeno caudal na fábrica

Quando a avaliação aponta para a MBR, os pequenos fluxos de produtos farmacêuticos levantam uma questão de dimensionamento que as orientações à escala municipal não respondem adequadamente: a granularidade dos módulos. Uma estação que trate dezenas de metros cúbicos por dia necessita de uma área de membrana que se situe entre os tamanhos padrão das cassetes, e a escolha da granularidade errada faz com que o operador fique com área insuficiente ou tenha de pagar por capacidade que nunca chega a ser utilizada.

Banott’s MBR de fibra oca O intervalo é publicado com base na área efetiva da membrana:

A gama de três etapas é útil em pequena escala precisamente porque permite que uma área seja montada em incrementos pequenos, em vez de em grandes blocos modulares. Um fluxo que exija uma área total modesta pode ser construído a partir de uma combinação que se adapte às necessidades e deixe uma margem de expansão definida, o que é importante num local onde a adição de uma linha de produção altere a carga dois anos mais tarde.

A área, por si só, não determina as dimensões de uma instalação. Os seguintes dados não constam nas páginas dos produtos e devem ser solicitados por escrito antes de se efetuar uma encomenda:

A Banott também produz módulos MBR de placa plana em PVDF com um suporte de linho PET, com fluxo de fora para dentro, em configurações compactas, integradas e padrão. Em pequenas instalações com pessoal de manutenção limitado, vale a pena incluir na comparação a inspeção manual mais simples do formato de folha plana, em vez de optar automaticamente pela fibra oca.

Restrições, campanhas e o problema dos solventes

Três padrões de falha são responsáveis pela maioria dos casos de insucesso nas estações de tratamento de águas residuais da indústria farmacêutica, e nenhum deles se deve a uma avaria nas membranas.

Uma campanha de limpeza elimina a vida biológica.

As operações de limpeza no local (CIP) na produção libertam desinfectantes e substâncias cáusticas em jactos concentrados. Ao chegarem ao biorreator sem diluição, estas substâncias inibem ou destroem a biomassa, e a recuperação demora semanas, durante as quais a unidade fica em situação de incumprimento. A solução está a montante: um tanque de equalização dimensionado para a maior descarga única de CIP e um regime de dosagem que o introduza gradualmente no reator, em vez de o despejar de uma só vez. Este elemento é, com mais frequência do que qualquer outro, dimensionado de forma inadequada.

Presume-se que os solventes sejam passíveis de tratamento.

Algumas sim. Outras volatilizam-se num tanque aerado e tornam-se um problema de emissões atmosféricas, em vez de um problema hídrico, e outras resistem totalmente ao tratamento biológico. O que resolve esta questão é um teste de tratabilidade realizado no próprio efluente, e não uma suposição baseada na literatura científica relativa à composição química do produto.

A fábrica foi concebida para o atual portfólio de produtos.

Alterações na produção farmacêutica. Uma fábrica dimensionada para os produtos atuais pode não ser adequada para um novo princípio ativo (API) introduzido dois anos mais tarde. Prever uma margem documentada e saber quais os parâmetros que a limitam é mais económico do que reconstruir a fábrica.

Um caso específico que merece ser destacado separadamente: as instalações que lidam com antibióticos enfrentam um interesse regulamentar crescente na resistência antimicrobiana nos efluentes, o que é uma questão diferente da conformidade com a DQO e pode implicar requisitos que nem o MBBR nem o MBR, por si só, abordam. Nos casos em que o portfólio inclui antibióticos, verifique quais serão provavelmente os requisitos da licença ao longo da vida útil da estação, em vez de se limitar apenas aos requisitos atuais.

Tratamento de águas residuais da indústria farmacêutica: Guia de seleção de processos

Rubricas de custos e o que pode ser orçamentado

A Banott não divulga preços de venda para módulos de membrana MBR nem para estações de tratamento em contentores. Os preços são fornecidos mediante pedido de informação, sendo que para se obter um valor significativo é necessário conhecer a caracterização do efluente, a norma de descarga, o perfil de caudal e o espaço disponível. Existem informações publicadas sobre a capacidade para a gama de pequenas máquinas de osmose inversa (RO) na faixa de 300 a 3 000 GPD, e para aplicações industriais Membranas de osmose inversa estão disponíveis nos formatos padrão de 4040 e 8040 elementos; nenhum deles tem um preço de tabela.

Ao comparar um orçamento de MBBR com um orçamento de MBR, compare os preços nas mesmas cinco rubricas; caso contrário, a comparação poderá induzir em erro:

• Capacidade dos tanques do reator e âmbito dos equipamentos civis ou pré-fabricados
• Suportes ou módulos de membrana, consoante o que o comboio utilizar
• Sopradores e aeração, contabilizando o ar de limpeza das membranas separadamente do ar de processo
• Sistemas mecânicos e elétricos: bombas, dosagem, controlos, registo da pressão total de medição (TMP), quando aplicável
• Consumíveis com duração de dez anos: ciclos de substituição de membranas e produtos químicos para CIP em comparação com a reposição do fluido de transporte

As cotações que incluem apenas a membrana parecem mais baratas do que realmente são. As cotações baseadas em transportadores parecem mais baratas do que realmente são quando se omite a etapa de separação a jusante.

A equipa de engenharia de tratamento de água da Banott oferece consultoria pré-venda sobre processos, abrangendo a seleção do processo, o tipo de membrana e o dimensionamento da área, bem como a configuração do sistema com base nos dados de qualidade da água apresentados, recorrendo a quase 20 anos de experiência na tecnologia de separação por membranas de ultrafiltração e na sua aplicação de engenharia. No caso de um fluxo com risco de inibição, o envio dos dados reais proporciona uma resposta mais útil do que um valor de capacidade.

Questões que as empresas farmacêuticas colocam antes de selecionar um processo

P: Qual é a melhor opção para águas residuais da indústria farmacêutica, o MBBR ou o MBR?

R: Nenhuma das duas opções é melhor em termos abstratos. O MBBR é normalmente a melhor solução comercial para pequenos caudais descarregados para o esgoto, especialmente quando o efluente contém uma fração inibidora e a instalação não dispõe de um operador especializado em águas residuais. O MBR é a melhor solução quando os padrões de descarga são rigorosos, a área ocupada é fixa ou a água tratada vai ser reutilizada.

P: Um MBR consegue tratar efluentes que contenham antibióticos?

R: É possível operá-lo, mas a biomassa em suspensão fica exposta a tudo o que chegar. Uma equalização adequada a montante do reator e, em alguns casos, uma primeira fase com suporte, é o que o protege. Quando existe uma preocupação com um API específico, um teste de tratabilidade realizado no próprio efluente é a única base fiável para o projeto.

P: Uma membrana remove os princípios ativos farmacêuticos?

R: Uma membrana MBR funciona com um tamanho de poro que permite remover sólidos em suspensão e biomassa, mas não moléculas dissolvidas. A remoção de compostos farmacêuticos dissolvidos num MBR resulta da degradação biológica e da adsorção durante um longo período de retenção do lodo, e não da própria barreira. Nos casos em que um composto dissolvido específico tenha de ser removido até um limite definido, é necessária uma etapa de membrana mais seletiva ou outro processo de refinamento a seguir ao MBR.

P: Quanto espaço é necessário para cada opção?

R: O MBR é o sistema mais compacto para uma determinada carga, uma vez que a membrana permite uma elevada concentração de biomassa num tanque de pequenas dimensões. O MBBR é compacto em comparação com o sistema convencional de lamas ativadas, mas é maior do que o MBR para a mesma carga. Um sistema híbrido requer ambas as fases. Nos casos em que o espaço constitui realmente uma limitação, este fator determina, por si só, a escolha.

P: O que acontece se o meu portfólio de produção sofrer alterações?

R: A carga e o caráter inibitório variam em função disso. Os sistemas construídos com margem de manobra documentada e um plano de expansão definido conseguem lidar com esta situação; os sistemas dimensionados exatamente para a campanha atual não o conseguem. Durante a fase de conceção, pergunte qual o parâmetro que limita a unidade e em que medida.

P: A água tratada pode ser reutilizada dentro da fábrica?

R: O permeado do MBR não contém sólidos e pode ser introduzido diretamente no sistema de osmose inversa, o que torna tecnicamente viável a sua reutilização para arrefecimento, limpeza ou serviços gerais. As instalações farmacêuticas também enfrentam requisitos de qualificação relativamente a qualquer água que entre em contacto com a produção, pelo que os objetivos práticos de reutilização são, normalmente, os serviços gerais e não a água de processo.

P: Com que frequência é necessário limpar as membranas nesta aplicação?

R: Com maior frequência do que no caso do esgoto municipal, sendo que o intervalo é determinado pelo seu efluente, pela temperatura e pela concentração de biomassa. Uma vez que o tempo de trabalho do operador constitui o principal argumento de custo contra a utilização do MBR em pequena escala, solicite que a frequência de limpeza e o protocolo de CIP sejam incluídos na cotação, em vez de os estimar.

P: Quanto custa um módulo MBR?

R: Não está publicado. Os preços são comunicados mediante pedido, com base na área da membrana, na configuração do módulo e na capacidade do projeto.

P: Será que um sistema em contentores é uma opção nesta escala?

R: As estações de tratamento de água pura e de águas residuais em contentores estão disponíveis sob a forma de unidades modulares pré-montadas com um elevado grau de automatização, o que se adequa a instalações farmacêuticas onde a construção civil no interior de uma unidade em funcionamento possa causar perturbações ou onde a estação possa ter de ser deslocada.