Traitement des eaux usées dans l’industrie pharmaceutique

Sections

• Introduction
• Eaux usées des industries pharmaceutiques
• Traitement des rejets contenant des contaminants émergents
• Procédés d’oxydation avancée (POA) + Traitements biologiques
• Procédés biologiques
• Évaporation sous vide
• Oxydation avancée (POA) + Évaporation
• Récupération des principes actifs des rejets (API)
• Conclusion

Introduction

Chaque année, plus de 100 000 tonnes de produits pharmaceutiques sont consommées dans le monde entier. Les principes actifs pharmaceutiques (API), lors de leur fabrication, ainsi que lors de leur utilisation et de leur élimination, sont une source de pollution environnementale qui doit être correctement gérée à la fois par les entreprises et les administrations.

Le traitement des eaux usées dans l’industrie pharmaceutique est un enjeu crucial pour assurer la protection de l’environnement et de la santé publique. Les eaux usées générées dans ce secteur sont très variables en termes de débit et de composition, ce qui rend le traitement complexe.

Diverses technologies de purification sont couramment adoptées pour le traitement de ces rejets, telles que : le traitement biologique par boues activées, le processus biologique MBBR (biomasse fixée sur lit mobile), les traitements anaérobies, les traitements sélectifs de micro-contaminants, etc., mais des inconvénients apparaissent souvent, qui sont dans de nombreux cas causés par des contaminants inhibiteurs et toxiques, ainsi que par des composés organiques résistants à l’oxydation.

Pour cette raison, de nombreuses industries se tournent vers une solution externalisée, confiant la gestion de leurs effluents à des entreprises spécialisées. Parmi les traitements les plus efficaces pour ce type de rejet, l’évaporation se distingue. Condorchem Enviro Solutions offre une large variété de systèmes d’évaporation adaptés à ces effluents.

Eaux usées des industries pharmaceutiques

L’industrie pharmaceutique nécessite de l’eau purifiée pour la production de ses produits spécifiques, en plus de consommer de l’eau du robinet pour la désinfection des équipements, des conteneurs et des emballages primaires. En conséquence, des effluents caractérisés par la présence de résidus chimiques, tels que des médicaments restants et/ou des détergents utilisés pour le nettoyage, sont obtenus.

Les eaux usées de l’industrie pharmaceutique présentent une grande variabilité en termes de quantité et de composants, en raison des différents modes de production et de la composition des médicaments.

Bien que la quantité de déchets pharmaceutiques rejetés puisse être faible, leur entrée continue dans l’écosystème peut augmenter la concentration de polluants dans la nature, posant un risque à long terme pour les organismes aquatiques et terrestres.

Dans les processus de fabrication de produits pharmaceutiques, des substances contenant des produits chimiques, des produits de nettoyage et des soi-disant API ou principes actifs, qui sont la base des médicaments commercialisés pour la prévention et le traitement des maladies, sont utilisées. Ces polluants, anormaux pour l’environnement, sont connus sous le nom de « contaminants émergents » (CE), et sont des composés qui sont déversés dans l’eau et ne sont pas réglementés. Les contaminants émergents, également appelés micro-contaminants, sont des composés chimiques résultant des activités humaines effectuées dans la vie quotidienne, tels que l’hygiène personnelle ou les soins de santé. Ce sont des substances d’origine et de composition chimique différentes, dont on connaît relativement peu l’impact sur l’environnement et sur la santé humaine.

Traitement des rejets contenant des contaminants émergents

En général, les processus de traitement biologique sont considérés comme les plus économiques pour le traitement des eaux usées, mais le manque de connaissances et la complexité des composants présents dans les eaux usées des industries pharmaceutiques rendent difficile l’application d’un traitement spécifique. De même, la présence de certains composés tels que les antibiotiques et les désinfectants empêche l’élimination complète des polluants par les traitements biologiques conventionnels.

Procédés d’oxydation avancée (POA) + Traitements biologiques

Il existe diverses technologies applicables pour obtenir un traitement adéquat des eaux usées issues des industries pharmaceutiques, spécifiquement les effluents contenant des micro-contaminants ou des contaminants émergents.

Les traitements qui ont montré la plus grande efficacité sont fournis par les procédés d’oxydation avancée (POA). Ces technologies utilisent des oxydants chimiques pour réduire les niveaux de demande chimique en oxygène (DCO), qui servent également à briser les liaisons de ces composés organiques polluants et à faciliter leur biodégradabilité, économisant ainsi des réactifs et réduisant le coût opérationnel par rapport à une oxydation de toute la matière organique avec des réactifs.

Ces traitements reposent sur des procédés physico-chimiques capables de produire des changements profonds dans la structure chimique des contaminants, impliquant la génération et l’utilisation d’espèces transitoires puissantes, principalement le radical hydroxyle (OH-), qui est l’oxydant le plus fort après le fluorure. De plus, la génération de radicaux est réalisée à l’aide d’oxygène, de peroxyde d’hydrogène et de catalyseurs supportés, de sorte que les sous-produits de la réaction ne sont que de l’eau et du dioxyde de carbone.

Parmi les principales technologies des procédés d’oxydation avancée, les procédés de Fenton et leurs variantes se distinguent, qui consistent en l’ajout de sels de fer comme catalyseurs, en présence de peroxyde d’hydrogène (H2O2), dans un milieu acide, et sous certaines conditions de pression et de température, pour la formation de radicaux OH-.

Après les POA, un traitement biologique approprié peut être effectué sur l’effluent, avec lequel, dans de nombreux cas, les limites de rejets tolérés peuvent être atteintes, ou même des réductions des polluants qui permettent la réutilisation de ces eaux traitées dans les services de l’industrie elle-même, ou pour l’irrigation.

Procédés biologiques pour les eaux usées pharmaceutiques

Concernant les procédés biologiques, ceux-ci sont les plus couramment utilisés :

Procédé biologique des boues activées : Bien qu’il soit le processus le plus compétitif lorsqu’il s’agit d’eaux usées contenant de la matière organique facilement biodégradable, en raison de la présence possible de composés inhibiteurs et toxiques pour la biomasse, ainsi que de la faible biodégradabilité de certains effluents produits, ce n’est pas le processus le plus recommandé. Cependant, si la pollution est biodégradable, c’est un processus simple et efficace.

Procédé de réacteur à biofilm sur lit mobile (MBBR) : Lorsque les eaux usées sont compatibles avec un traitement biologique et que la teneur en matière organique est élevée, le MBBR est sans aucun doute l’option la plus efficace. Cette technologie implique la croissance de la biomasse sous forme de biofilm sur des supports en plastique qui se déplacent continuellement à l’intérieur du réacteur biologique.

Ces supports ont une grande surface spécifique par unité de volume, un facteur qui permet de cultiver une plus grande quantité de biomasse par unité de volume que dans le cas des réacteurs conventionnels. D’une part, le MBBR ne présente pas les problèmes de colmatage du lit dus à une croissance excessive de la biomasse que présentent les systèmes à lit fixe, et comparé au système conventionnel, il est considérablement plus efficace car le biofilm qui se forme sur les parois du support est caractérisé par une plus grande efficacité que les flocs biologiques.

De plus, compte tenu du fait que les particules de support ont une grande surface spécifique, les réacteurs MBBR sont beaucoup plus petits en volume que les réacteurs à boues activées. Un autre avantage supplémentaire est que le processus peut être divisé en différentes étapes, et dans chacune d’elles, une biomasse spécifique adaptée à la charge polluante du flux d’entrée se développera. Cette flexibilité permet la dégradation de composés plus persistants. Cette technique n’est viable que lorsque la pollution est biodégradable.

Processus de digestion anaérobie : Dans les cas où les eaux usées présentent une forte concentration de matière organique biodégradable et qu’il n’y a pas de substances toxiques ou inhibitrices, le traitement des eaux usées par un processus de digestion anaérobie peut être efficace et économique. Être anaérobie non seulement permet d’économiser sur l’aération du processus, mais génère également du biogaz, qui peut être relativement facilement converti en énergie thermique et électrique.

Évaporation sous vide

L’évaporation sous vide est un processus qui implique l’élimination de l’eau ou d’autres solvants d’une solution en appliquant de la chaleur dans des conditions de vide. En réduisant la pression atmosphérique au-dessus de la solution, le point d’ébullition du liquide est abaissé, ce qui permet son évaporation à des températures plus basses.

Contributions du processus :

L’évaporation est une technologie largement utilisée dans le traitement des eaux usées, y compris celles générées par l’industrie pharmaceutique. Voici un résumé de la manière dont ce processus contribue au traitement des effluents :

• Concentration des contaminants : Lors de l’évaporation, l’eau est chauffée et se transforme en vapeur. Les contaminants organiques et inorganiques présents dans l’eau ne s’évaporent pas et restent concentrés dans la solution résiduelle. Cela permet de réduire le volume total des eaux usées à traiter ultérieurement et de séparer une partie significative des contaminants.
• Récupération de produits précieux : Les produits concentrés peuvent être précieux pour les industries qui les génèrent, tels que les API pour les industries pharmaceutiques. Leur récupération nécessite un processus d’évaporation contrôlé sous certaines conditions opérationnelles pour éviter la détérioration ou la perte de qualités.
• Élimination des micro-contaminants : Bien que l’évaporation ne supprime pas complètement les micro-contaminants, elle peut les concentrer. Par la suite, des techniques supplémentaires (telles que l’adsorption ou la filtration) peuvent être appliquées pour éliminer ces contaminants concentrés.
• Efficacité énergétique : Les évaporateurs sous vide ont amélioré divers aspects techniques dans le but de réduire la consommation d’énergie, comme c’est le cas des évaporateurs à pompe à chaleur, ou ceux qui fonctionnent avec la thermocompression de vapeur.

Limitations du processus :

L’évaporation est une technique efficace pour le traitement des eaux usées de l’industrie pharmaceutique, mais elle présente également ses limites. Voici quelques-unes de ces limites :

• Complexité des effluents : Les eaux usées pharmaceutiques peuvent contenir une variété de composés, y compris des principes actifs pharmaceutiques (API), des produits chimiques et des micro-contaminants. L’évaporation ne peut pas toujours éliminer efficacement tous ces composants en raison de leur complexité.
• Coûts énergétiques : Bien que l’évaporation soit efficace, elle nécessite de l’énergie pour chauffer l’eau et la transformer en vapeur. Cela peut augmenter les coûts opérationnels.
• Concentration des contaminants : Bien que l’évaporation concentre les contaminants dans le rejet (la fraction non évaporée), cela peut poser problème si le rejet est déchargé sans traitement supplémentaire. Les composés concentrés peuvent encore être nocifs pour l’environnement.
• Limitations dans l’élimination des micro-contaminants : Bien que l’évaporation puisse concentrer les micro-contaminants, elle ne les élimine pas toujours complètement. Des étapes supplémentaires peuvent être nécessaires pour traiter ces composés spécifiques.
• Besoin de technologies complémentaires : Pour pallier les limitations mentionnées, elles sont souvent combinées avec d’autres techniques de traitement, telles que l’adsorption, la biodégradation. Le choix de la technologie appropriée dépend de la composition spécifique des eaux usées.

Oxydation avancée (POA) + Évaporation

La combinaison de l’oxydation avancée et de l’évaporation est une solution haute performance pour le traitement des eaux usées générées par l’industrie pharmaceutique.

Les Procédés d’Oxydation Avancée (POA) sont des méthodes qui utilisent des radicaux hydroxyles (OH-) hautement réactifs pour oxyder et dégrader les contaminants organiques. Ces processus ont des avantages tels que la capacité de minéraliser les composés organiques et une réactivité avec une large gamme de contaminants. Cependant, les POA présentent également des inconvénients, tels que des coûts élevés dus à l’ajout de réactifs et aux besoins énergétiques. C’est pour cette raison qu’ils sont souvent combinés avec d’autres traitements.

L’évaporation sous vide est une technique qui concentre les contaminants en convertissant l’eau en vapeur, tout en réduisant le volume total des eaux usées et en permettant la récupération de produits précieux.

La combinaison de POA et d’évaporation peut être bénéfique, car les POA peuvent dégrader les composés organiques difficiles à traiter, et l’évaporation peut concentrer les contaminants avant d’appliquer d’autres traitements. Cette combinaison de processus est particulièrement adaptée pour les faibles débits et les charges élevées de contaminants.

Récupération des principes actifs pharmaceutiques (API) des rejets

Quels sont les API ?

Les API sont des substances chimiques qui doivent être manipulées avec une extrême prudence en raison de leur impact potentiel sur la santé publique. Un traitement inadéquat des API peut entraîner une contamination croisée, une perte de puissance du médicament ou l’apparition d’impuretés, ce qui pourrait mettre en danger la santé des patients et compromettre la réputation de l’entreprise pharmaceutique.

Les processus de production des API suivent ce schéma de base :

• Réception et Stockage. Les API arrivent généralement dans les installations de l’entreprise pharmaceutique sous forme de poudre, de granulés ou de liquides. Il est crucial de disposer de procédures rigoureuses pour la réception et le stockage de ces matériaux, en assurant leur identification correcte, leur intégrité et leur traçabilité.
• Manipulation et Traitement. Lors de la fabrication de médicaments, les API sont manipulées et traitées pour formuler les produits finaux. Ce processus inclut des opérations telles que le mélange, la granulation, la compression et l’encapsulation, qui doivent être réalisées en suivant des protocoles stricts de Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF).
• Analyse et Contrôle Qualité. Des analyses complètes sont effectuées pour vérifier l’identité, la pureté et la puissance des API, ainsi que pour détecter la présence d’impuretés. Ces contrôles de qualité sont essentiels pour garantir que les médicaments répondent aux normes réglementaires et sont sûrs à utiliser.
• Stockage et Distribution. Les API finis doivent être stockés dans des conditions appropriées pour préserver leur stabilité et éviter la contamination. De plus, des procédures sûres doivent être établies pour la distribution des API vers d’autres installations de fabrication ou vers les clients finaux.

La fabrication des API est soumise à des contrôles stricts par diverses agences réglementaires, et il est crucial que les entreprises se conforment à ces réglementations et appliquent les bonnes pratiques de fabrication pour garantir la qualité et la sécurité des produits pharmaceutiques.

Cependant, ces composés, ainsi que d’autres ingrédients chimiques, sont libérés dans l’environnement en raison de leur présence dans les eaux usées, créant un problème qui doit être abordé à la source, c’est-à-dire pendant le processus de production. Ceci est réalisé grâce à l’utilisation de technologies efficaces pour le traitement des effluents, telles que les évaporateurs et cristallisateurs des eaux usées.

Traitement et récupération des principes actifs par évaporateurs sous vide

Les traitements conventionnels des eaux usées ne parviennent pas toujours à éliminer tous les résidus de principes actifs pharmaceutiques (API), car ce sont des résidus très complexes à traiter et les stations d’épuration municipales (STEP) n’incluent généralement pas la technologie appropriée à cet effet.

Dans l’industrie pharmaceutique, certains composés sont précieux et/ou réutilisables, tels que les API. Le processus d’évaporation peut aider à concentrer ces composés pour leur récupération ultérieure. Par exemple, les solvants ou les produits chimiques utilisés dans la synthèse des médicaments peuvent être récupérés.

L’élimination des principes actifs pharmaceutiques (API) par évaporation est une méthode utilisée dans l’industrie pharmaceutique pour purifier ou concentrer des produits chimiques. Ce processus implique l’évaporation contrôlée du solvant dans lequel le principe actif est dissous, séparant le composé souhaité sous forme solide ou concentrée.

L’élimination par évaporation est une technique efficace pour la séparation et la concentration des principes actifs dans la production pharmaceutique, mais il est important de la réaliser avec soin pour éviter la dégradation ou la perte du composé d’intérêt. Par conséquent, des facteurs tels que la température, la pression et le temps d’exposition lors du processus d’évaporation doivent être pris en compte pour garantir la qualité et la pureté du produit final.

L’évaporation des principes actifs pharmaceutiques (API) peut être réalisée sous diverses conditions de pression et de température, en fonction de plusieurs facteurs, tels que les propriétés physiques et chimiques du principe actif et du solvant, ainsi que des exigences spécifiques du processus. Cependant, certaines conditions générales sont considérées comme communes :

• Température. La température d’évaporation varie selon le principe actif et le solvant utilisé. Généralement, une température suffisamment élevée pour évaporer efficacement le solvant mais assez basse pour éviter la dégradation ou la volatilisation du principe actif est sélectionnée. Par conséquent, les températures sont généralement comprises entre l’ambiant et modérément élevées, selon les besoins du processus et la stabilité du composé.
• Pression. La pression peut également varier en fonction des conditions spécifiques du processus. Dans de nombreux cas, une pression réduite ou sous vide est utilisée pour faciliter l’évaporation à des températures plus basses, ce qui aide à prévenir la dégradation thermique du principe actif et du solvant. La pression réduite abaisse le point d’ébullition du solvant, facilitant son évaporation à des températures plus basses.
• Temps d’exposition. Le temps pendant lequel le principe actif est maintenu dans des conditions d’évaporation est également important. Un équilibre est recherché entre l’élimination efficace du solvant et la minimisation de l’exposition du principe actif à des conditions susceptibles de provoquer sa dégradation.

En résumé, l’évaporation des principes actifs pharmaceutiques est généralement effectuée à des températures modérées, avec des pressions réduites ou sous vide pour faciliter l’évaporation et minimiser la dégradation, et avec des temps d’exposition contrôlés pour garantir la qualité du produit final.

Conclusion

La gestion appropriée des rejets pharmaceutiques est cruciale pour protéger l’environnement et la santé publique. Parmi les différentes technologies disponibles, l’évaporation sous vide se présente comme une solution efficace et durable pour traiter les rejets de l’industrie pharmaceutique, bien qu’il soit important de considérer ses limitations et de la combiner avec d’autres stratégies pour atteindre une gestion complète et responsable de ces eaux usées complexes.

La combinaison de l’oxydation avancée et de l’évaporation peut être la solution la plus appropriée, notamment lorsqu’on recherche une approche globale et durable pour le traitement des effluents contenant des micro-contaminants.

Dans un contexte de prise de conscience environnementale croissante et de réglementations plus strictes, l’évaporation sous vide devrait continuer à être une option attrayante pour le traitement des rejets de l’industrie pharmaceutique.

Bibliographie:

Wastewater treatment of the pharmaceutical industry through the ozone technique
Traitement des eaux usées industrielles | Condorchem Enviro Solutions