Trattamento delle acque reflue nell’industria farmaceutica: Frazione biodegradabile e correnti refrattarie

Sezioni

• Produzione di acque reflue nell’industria farmaceutica
• Gestione degli effluenti nella produzione di farmaci
• Trattamento di scarichi biodegradabili
• Evaporazione a vuoto per effluenti di difficile trattamento
• Processi di ossidazione avanzata (POA)
• La necessità di una soluzione personalizzata e integrata per ogni caso

Produzione di acque reflue nell’industria farmaceutica

L’industria farmaceutica utilizza grandi quantità di acqua purificata per la fabbricazione di medicinali e altri prodotti sanitari. Inoltre, consuma acqua nelle operazioni di pulizia e sanificazione di attrezzature, reattori, serbatoi, condotte e imballaggi primari.

Come risultato di questi processi si generano effluenti che contengono residui di prodotti chimici, tracce di principi attivi farmaceutici (API), solventi, detergenti e altri composti impiegati durante la produzione.

La Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) indica che una grande varietà di rifiuti generati dal settore farmaceutico finisce per raggiungere l’ambiente attraverso gli effluenti provenienti dagli impianti di produzione.

Il volume e la composizione di queste acque reflue presentano un’elevata variabilità, poiché dipendono sia dal tipo di medicinale prodotto sia dalle materie prime utilizzate, dai processi di produzione, dai protocolli di pulizia e dalle diverse tecnologie impiegate in ogni impianto.

Durante la fabbricazione di prodotti farmaceutici intervengono numerose sostanze chimiche, prodotti per la pulizia e i cosiddetti principi attivi farmaceutici (API), responsabili dell’effetto terapeutico dei medicinali destinati alla prevenzione, trattamento o diagnosi di malattie.

Gestione degli effluenti nella produzione di farmaci

Le acque reflue generate dall’industria farmaceutica presentano un’elevata variabilità sia in portata che in composizione, il che rende il loro trattamento una sfida tecnica importante.

Durante la produzione di medicinali possono generarsi correnti con caratteristiche molto diverse: acque di lavaggio con materia organica biodegradabile, effluenti con principi attivi farmaceutici (API), solventi, prodotti per la pulizia e disinfezione, composti refrattari, nonché correnti con concentrazioni molto elevate di sali.

Questa eterogeneità rende particolarmente importante applicare una strategia di segregazione degli effluenti alla fonte, evitando di mescolare indiscriminatamente correnti con caratteristiche molto diverse prima del loro trattamento.

Perché non tutti gli effluenti devono essere inviati al trattamento biologico?

Il funzionamento di un reattore biologico dipende dal mantenimento di una popolazione attiva di microrganismi e da condizioni ambientali adeguate per il loro metabolismo.

L’ingresso di determinate correnti provenienti dal processo produttivo può alterare queste condizioni e ridurre significativamente l’efficienza del trattamento. Tra le più problematiche si trovano:

• Effluenti con principi attivi farmaceutici (API), come antibiotici, disinfettanti o altri composti biologicamente attivi, che possono esercitare effetti tossici o inibitori sui microrganismi.
• Correnti con elevata concentrazione di solventi o altri composti organici, che possono provocare picchi di DQO e, a seconda della loro natura e concentrazione, inibire l’attività biologica.
• Effluenti con elevata salinità, che possono generare stress osmotico sulla biomassa e ridurne l’attività metabolica quando le concentrazioni superano i livelli tollerati dal processo.
• Correnti con una elevata proporzione di materia organica refrattaria o non biodegradabile, la cui introduzione nel reattore aumenta il carico di DQO senza che i microrganismi possano eliminarla efficacemente.
• Effluenti concentrati e di composizione variabile, che possono generare carichi puntuali che destabilizzano le condizioni operative del reattore.
• Le spurghi o rifiuti liquidi provenienti dagli scrubber utilizzati per il trattamento delle emissioni atmosferiche. Questi spurghi solitamente contengono elevate concentrazioni di sali e altri composti catturati durante il lavaggio dei gas.

A causa di questa ampia varietà di contaminanti non biodegradabili, la soluzione più efficiente è identificare e segregare quelle correnti che possono compromettere il funzionamento del reattore biologico e trattarle mediante tecnologie specificamente adattate alla loro composizione.

Segregazione delle correnti per proteggere il reattore biologico e ottimizzare il trattamento

Le acque con un carico fondamentalmente biodegradabile possono essere indirizzate al trattamento biologico, mentre le correnti concentrate, saline, tossiche, inibitorie o poco biodegradabili possono essere segregate per ricevere un trattamento specifico.

Questa strategia permette di:

• Proteggere la biomassa da sostanze tossiche o inibitorie.
• Evitar carichi salini eccessivi nel reattore biologico.
• Ridurre i picchi di DQO e di carico inquinante.
• Mantenere condizioni operative più stabili.
• Migliorare l’efficienza di rimozione della materia organica biodegradabile.
• Ridurre il rischio di perdita di rendimento o destabilizzazione del processo.
• Applicare a ogni corrente la tecnologia più adeguata dal punto di vista tecnico ed economico.

All’interno di questa strategia, l’evaporazione a vuoto svolge un ruolo particolarmente rilevante per il trattamento separato di correnti concentrate che non è conveniente incorporare direttamente al processo biologico.

Trattamento di scarichi biodegradabili

In termini generali, i trattamenti biologici sono l’alternativa più diffusa ed economica per il trattamento delle acque reflue industriali.

Per il trattamento biologico di questi effluenti esistono diverse tecnologie, tra cui spiccano i sistemi a fanghi attivi, i biorattori a letto mobile (MBBR), i trattamenti anaerobici e i processi specifici per l’eliminazione di microinquinanti, tra gli altri.

Dopo una corretta segregazione, il reattore biologico dovrebbe ricevere principalmente le correnti con una frazione organica sufficientemente biodegradabile.

In un impianto farmaceutico, tipicamente potrebbero essere indirizzate al biologico:

• Acque di lavaggio e risciacquo delle attrezzature, purché siano relativamente diluite e non contengano concentrazioni problematiche di API, disinfettanti o solventi.
• Acque provenienti dalla pulizia di reattori, serbatoi e condotte dopo aver separato le prime frazioni più concentrate. I primi lavaggi possono trascinare molto più carico di prodotto, mentre i risciacqui successivi sono solitamente più diluiti.
• Effluenti di processi con materia organica biodegradabile, ad esempio determinate correnti associate a processi di fermentazione o formulazione, una volta verificata la loro biodegradabilità.
• Acque con DBO/DQO favorevole, dove una proporzione sufficientemente importante della materia organica può essere utilizzata dai microrganismi.
• Correnti precedentemente trattate mediante POA o altro pretrattamento quando questo ha ridotto la loro tossicità o trasformato composti refrattari in sostanze più biodegradabili.
• Effluenti con tracce di determinati API biodegradabili, purché le concentrazioni risultanti non inibiscano la biomassa e che il processo biologico abbia dimostrato capacità di eliminarli.

Come già accennato in precedenza, in molti casi questi trattamenti incontrano limitazioni a causa della presenza di composti inibitori.

Di conseguenza, numerose aziende farmaceutiche si rivolgono a gestori autorizzati di rifiuti per l’eliminazione dei loro effluenti liquidi, assumendo elevati costi associati al loro trasporto e trattamento.

In questo contesto, gli evaporatori a vuoto si sono consolidati come una delle tecnologie più efficienti e redditizie per il trattamento delle acque reflue generate dall’industria farmaceutica, specialmente quando si tratta di effluenti con elevate cariche inquinanti o composti di difficile trattamento.

Evaporazione a vuoto per effluenti di difficile trattamento

L’evaporazione a vuoto è un processo di separazione termica che permette di eliminare acqua e altri solventi presenti in un effluente liquido mediante l’applicazione di calore in condizioni di pressione ridotta.

Riducendo la pressione all’interno dell’evaporatore, si abbassa anche il punto di ebollizione dell’acqua, permettendo di evaporarla a temperature considerevolmente inferiori rispetto all’evaporazione atmosferica. Ciò riduce il consumo energetico e minimizza la degradazione termica dei composti sensibili al calore.

Grazie a queste caratteristiche, l’evaporazione a vuoto è diventata una delle tecnologie più utilizzate per il trattamento di acque reflue complesse, specialmente in settori come l’industria farmaceutica, chimica o biotecnologica.

Il ruolo degli evaporatori a vuoto nell’industria farmaceutica

Nell’industria farmaceutica, questa tecnologia risulta particolarmente interessante perché permette di trattare in modo indipendente determinate correnti che, a causa della loro composizione, potrebbero risultare problematiche per un trattamento biologico.

Effluenti con elevata salinità

I sali disciolti non possono essere eliminati mediante un trattamento biologico convenzionale e, quando raggiungono concentrazioni elevate, possono influire negativamente sull’attività della biomassa.

L’evaporazione permette di separare gran parte dell’acqua da queste correnti mentre i sali rimangono per lo più concentrati nel rifiuto.

Questa applicazione può risultare particolarmente interessante per determinate spurghi di scrubber e altre correnti saline generate durante i processi farmaceutici, evitando che la loro introduzione nel sistema biologico aumenti inutilmente la conducibilità e la salinità dell’acqua che riceve il reattore.

Effluenti con API e altri composti a bassa biodegradabilità

I principi attivi farmaceutici e altri microinquinanti possono presentare una bassa biodegradabilità e, in alcuni casi, esercitare effetti inibitori sui microrganismi.

L’evaporazione permette di rimuovere queste correnti dal circuito biologico e concentrare gran parte degli inquinanti in un volume considerevolmente minore.

Sebbene l’evaporazione non implichi necessariamente la distruzione degli API, la loro concentrazione in una corrente ridotta facilita la loro successiva gestione o trattamento mediante altre tecnologie, come ossidazione avanzata, adsorbimento o cristallizzazione.

Quando le caratteristiche del composto e del processo lo permettono, la concentrazione ottenuta può anche facilitare il recupero di principi attivi o altri prodotti di valore.

Effluenti con solventi

I solventi sono un altro tipo di corrente che merita una gestione differenziata, poiché determinate concentrazioni di solventi possono provocare un elevato carico di DQO e inibire l’attività della biomassa.

In correnti acquose complesse, dove i solventi appaiono insieme a sali, API e altri contaminanti e l’obiettivo principale è ridurre il volume di residuo, l’evaporazione a vuoto può costituire un’alternativa adeguata. In questi casi, una strategia di separazione termica correttamente progettata può permettere di separare o recuperare determinati solventi, riducendo sia il carico inquinante da gestire successivamente sia il consumo di materie prime.

Quando la concentrazione e il valore del solvente lo giustificano, l’alternativa preferibile può essere l’uso di distillatori di solventi che permettono di separare e recuperare selettivamente uno o più solventi con una purezza sufficiente per il loro riutilizzo.

Nell’industria farmaceutica è possibile recuperare solventi con purezze molto elevate, con processi specificamente progettati per recuperare THF, metanolo, acetato di etile o DMSO da correnti residue.

La tabella seguente mostra in quali scenari è preferibile una o l’altra alternativa:

Tipo di corrente	Tecnologia che solitamente ha più senso
Corrente ricca di un solvente recuperabile	Distillazione / distillazione a vuoto per recupero solvente
Miscele di vari solventi e acqua	Distillazione multistadio, estrattiva o altra separazione specifica, secondo azeotropi ed equilibrio VLE
Acqua residua con piccole quantità di solventi + sali + API + altri contaminanti	Evaporatore a vuoto, possibilmente con trattamento dei vapori/distillato
Corrente salina o con DQO refrattaria, dove l’obiettivo è ridurre il volume	Evaporazione a vuoto
Corrente di processo dove interessa anche recuperare materia prima	Conviene studiare il recupero del solvente prima di trattare il residuo restante

La progettazione deve essere effettuata specificamente per la miscela considerata, tenendo conto di aspetti come volatilità, temperatura di ebollizione, formazione di azeotropi, sicurezza del processo e possibilità reali di recupero.

Effluenti concentrati con elevata DQO non biodegradabile

Una DQO elevata non implica necessariamente che un effluente possa essere trattato biologicamente.

Quando una parte importante di quella DQO corrisponde a sostanze refrattarie, l’introduzione della corrente nel reattore biologico aumenta il carico inquinante senza fornire necessariamente un substrato che i microrganismi possano degradare.

Segregare queste correnti evita di sovraccaricare inutilmente il trattamento biologico e permette di trattarle mediante evaporazione o altre tecnologie specificamente progettate per contaminanti refrattari.

L’evaporazione a vuoto come barriera di protezione del reattore biologico

La funzione di un evaporatore a vuoto in un impianto farmaceutico va oltre il trattamento di effluenti complessi e la riduzione del volume di rifiuti.

Una fase di trattamento mediante evaporatore a vuoto permette di isolare il reattore biologico da quelle correnti che presentano elevata salinità, tossicità, bassa biodegradabilità o concentrazioni elevate di determinati contaminanti.

Una configurazione concettuale di trattamento può essere:

Processo farmaceutico → segregazione delle correnti → trattamento specifico degli effluenti problematici → trattamento biologico delle correnti biodegradabili → trattamento finale/riutilizzo

Con questa soluzione, il trattamento biologico viene utilizzato proprio dove risulta più efficiente: nell’eliminazione della materia organica biodegradabile. Parallelamente, gli effluenti che potrebbero compromettere il suo funzionamento ricevono un trattamento specifico.

Questa combinazione permette di progettare impianti più robusti, ridurre le fluttuazioni di carico che riceve la biomassa e ottimizzare il costo globale del trattamento.

Principali benefici dell’installazione di un evaporatore a vuoto in una ptar farmaceutica

Concentrazione dei contaminanti e minimizzazione del volume di rifiuti

Durante il processo di evaporazione, l’acqua passa allo stato di vapore mentre la maggior parte dei contaminanti organici e inorganici rimane nel concentrato.

Di conseguenza, si riduce significativamente il volume di rifiuti liquidi che successivamente devono essere gestiti o trattati mediante altre tecnologie, diminuendo sia i costi di trasporto sia i costi associati alla loro eliminazione.

Inoltre, questa concentrazione facilita la separazione di una parte importante dei contaminanti presenti nell’effluente.

Recupero di prodotti di valore

In determinate applicazioni, i composti concentrati conservano un elevato valore economico e possono essere recuperati per il loro riutilizzo all’interno del processo produttivo stesso.

Questo è il caso di numerosi principi attivi farmaceutici (API), solventi o materie prime utilizzate durante la fabbricazione di medicinali.

Il recupero di questi prodotti richiede un processo di evaporazione accuratamente controllato, con condizioni specifiche di temperatura, pressione e tempo di residenza che evitino la degradazione o la perdita delle proprietà dei composti recuperati.

Concentrazione di microinquinanti

Sebbene l’evaporazione a vuoto non distrugga completamente i microinquinanti, permette di concentrarli in una corrente di volume inferiore.

Questa concentrazione facilita la loro successiva eliminazione mediante tecnologie complementari come l’adsorbimento, l’ossidazione avanzata, la cristallizzazione o determinati processi di filtrazione specializzati.

Recupero e riutilizzo dell’acqua

Il distillato generato mediante evaporazione può presentare una qualità elevata. A seconda della composizione iniziale dell’effluente, della volatilità dei suoi contaminanti e del trattamento successivo applicato, quest’acqua può essere riutilizzata in determinati servizi ausiliari dell’impianto.

In questo modo, l’evaporazione può contribuire simultaneamente a ridurre il volume di rifiuti liquidi e il consumo di acqua fresca.

Protezione del trattamento biologico

La segregazione e l’evaporazione di correnti altamente saline, inibitorie, refrattarie o concentrate permettono di evitare che questi contaminanti raggiungano il reattore biologico.

In tal modo si favorisce una maggiore stabilità della biomassa e si riduce il rischio di perdita di rendimento provocata da carichi puntuali o sostanze incompatibili con il processo biologico.

Limitazioni dell’evaporazione a vuoto

Sebbene l’evaporazione a vuoto costituisca una tecnologia molto efficace per il trattamento di effluenti farmaceutici, presenta anche alcune limitazioni che devono essere considerate durante la progettazione dell’impianto di trattamento.

• Complessità degli effluenti: Le acque reflue provenienti dall’industria farmaceutica possono contenere una combinazione molto diversificata di principi attivi farmaceutici (API), prodotti chimici, sali, solventi, tensioattivi e microinquinanti. Questa complessità fa sì che, in determinate applicazioni, l’evaporazione da sola non sia sufficiente per raggiungere gli obiettivi di trattamento richiesti.
• Gestione del concentrato: Uno degli obiettivi principali dell’evaporazione consiste nel concentrare i contaminanti presenti nel rifiuto, riducendo al massimo il volume di rifiuti che devono essere inviati a un gestore autorizzato. Tuttavia, questo concentrato continua a contenere un elevato carico inquinante e deve essere gestito adeguatamente per evitare qualsiasi impatto ambientale.
• Eliminazione di microinquinanti: L’evaporazione permette di concentrare i microinquinanti, ma non sempre riesce a eliminarli completamente. Quando l’obiettivo consiste nella loro distruzione o mineralizzazione, è solitamente necessario integrare tecnologie complementari capaci di degradare questi composti.

Processi di ossidazione avanzata (POA)

I Processi di Ossidazione Avanzata (POA) sono molto efficienti nel trattamento di acque reflue che contengono composti organici persistenti, microinquinanti o sostanze difficilmente biodegradabili mediante processi convenzionali.

Il loro funzionamento si basa sulla generazione di specie altamente reattive, principalmente radicali idrossile, capaci di ossidare un’ampia varietà di contaminanti organici e trasformare molecole complesse in composti più semplici. Tra le tecnologie più utilizzate si trovano:

• Processi Fenton e le sue varianti
• Ozonizzazione
• Diverse combinazioni di ossidanti, radiazione ultravioletta e catalizzatori.

Nell’industria farmaceutica, i POA risultano particolarmente interessanti per la presenza potenziale di principi attivi farmaceutici (API), antibiotici e altri composti organici refrattari che possono presentare una bassa biodegradabilità e risultare difficili da eliminare mediante trattamenti convenzionali.

I POA sono solitamente integrati con altre tecnologie all’interno di una linea di trattamento a causa del loro elevato consumo di energia e reagenti. A seconda delle caratteristiche dell’effluente e dell’obiettivo di trattamento, esistono due configurazioni particolarmente interessanti per le acque reflue dell’industria farmaceutica:

• La combinazione di ossidazione avanzata con trattamento biologico
• Combinazione di ossidazione avanzata con evaporazione a vuoto.

Processi di ossidazione avanzata (POA) + trattamento biologico

I Processi di Ossidazione Avanzata (POA) hanno dimostrato un’elevata efficacia nel trattamento delle acque reflue provenienti dall’industria farmaceutica, specialmente quando contengono contaminanti emergenti, composti refrattari o sostanze difficili da biodegradare.

Queste tecnologie impiegano agenti ossidanti capaci di generare radicali idrossile (•OH), specie estremamente reattive che degradano i composti organici complessi fino a trasformarli in molecole più semplici e biodegradabili.

Grazie a questo processo, i POA permettono di ridurre la Domanda Chimica di Ossigeno (DQO) e rompere la struttura molecolare di numerosi contaminanti organici, facilitandone successivamente l’eliminazione mediante trattamenti biologici convenzionali.

Questa strategia risulta particolarmente interessante dal punto di vista economico, poiché non mira a mineralizzare completamente tutta la materia organica mediante reagenti chimici, ma ad aumentarne la biodegradabilità affinché il trattamento biologico successivo completi il processo con un minor consumo di reagenti e un costo operativo più ridotto.

I Processi di Ossidazione Avanzata si basano su meccanismi fisico-chimici capaci di provocare modifiche profonde nella struttura chimica dei contaminanti mediante la generazione di radicali idrossile (•OH), considerati uno degli agenti ossidanti più potenti disponibili per il trattamento delle acque reflue.

La formazione di questi radicali può essere ottenuta a partire da diverse combinazioni di ossidanti, come ossigeno, perossido di idrogeno (H₂O₂), ozono, radiazione ultravioletta o catalizzatori specifici, a seconda della tecnologia utilizzata. Come risultato, i principali prodotti finali dell’ossidazione sono solitamente acqua, anidride carbonica e altri composti di minore impatto ambientale.

Tra le tecnologie più utilizzate spiccano i processi Fenton e le sue diverse varianti. Questi processi consistono nell’aggiunta di sali di ferro che agiscono come catalizzatori in presenza di perossido di idrogeno (H₂O₂) e sotto condizioni controllate di pH, temperatura e tempo di reazione, favorendo la formazione di radicali idrossile capaci di ossidare un’ampia varietà di contaminanti organici.

Una volta terminata la fase di ossidazione avanzata, l’effluente può essere sottoposto a un trattamento biologico convenzionale. In molti casi, questa combinazione permette di raggiungere i limiti di scarico stabiliti dalla normativa e persino di ottenere una qualità dell’acqua sufficiente per il suo riutilizzo in determinati servizi ausiliari all’interno dello stesso impianto farmaceutico.

Ossidazione avanzata (POA) + evaporazione a vuoto

La combinazione di Processi di Ossidazione Avanzata (POA) e evaporazione a vuoto costituisce una delle soluzioni più efficaci per il trattamento delle acque reflue generate dall’industria farmaceutica, specialmente quando gli effluenti presentano un’elevata concentrazione di contaminanti organici, composti refrattari o microinquinanti difficili da eliminare mediante tecnologie convenzionali.

I Processi di Ossidazione Avanzata impiegano radicali idrossile (•OH), specie altamente reattive capaci di ossidare un’ampia varietà di composti organici. Tra i loro principali vantaggi spiccano la loro elevata capacità di degradare contaminanti persistenti e, in molti casi, mineralizzarli parzialmente o totalmente fino a trasformarli in anidride carbonica, acqua e altri composti di minore impatto ambientale.

Tuttavia, l’ossidazione avanzata presenta anche alcune limitazioni, principalmente legate al consumo di reagenti e ai requisiti energetici, specialmente quando si intende trattare effluenti con elevate concentrazioni di materia organica.

Per questo motivo, è comune combinare i POA con altre tecnologie che permettano di ottimizzare le prestazioni globali del processo e ridurre i costi di esercizio.

L’evaporazione a vuoto integra efficacemente l’ossidazione avanzata concentrando i contaminanti presenti nell’effluente mediante l’evaporazione dell’acqua. Oltre a ridurre significativamente il volume di rifiuti liquidi, questo processo facilita il recupero di determinati composti di valore e diminuisce il carico che devono trattare le fasi successive.

L’integrazione di entrambe le tecnologie permette di sfruttare i vantaggi di ciascuna. Mentre i POA degradano i composti organici più complessi e aumentano la biodegradabilità dell’effluente, l’evaporazione concentra i contaminanti residui e minimizza il volume di rifiuto generato.

Come risultato, si ottiene un sistema di trattamento altamente efficiente, particolarmente indicato per portate ridotte con elevate cariche inquinanti, una situazione molto comune in numerosi processi di fabbricazione farmaceutica.

La necessità di una soluzione personalizzata e integrata per ogni caso

Nella pratica, l’evaporazione a vuoto fa solitamente parte di una strategia integrale di trattamento. L’elevata diversità di correnti generate nell’industria farmaceutica rende difficile stabilire un’unica tecnologia valida per tutti gli effluenti.

La soluzione consiste nell’analizzare quali contaminanti contiene ogni corrente, in quale concentrazione si trovano e quale tecnologia risulta più adeguata per eliminarli, separarli o recuperarli.

I trattamenti biologici continuano a essere una soluzione efficiente per le correnti biodegradabili.

I Processi di Ossidazione Avanzata possono essere utilizzati per degradare determinati contaminanti refrattari o aumentarne la biodegradabilità.

L’evaporazione a vuoto permette di separare e concentrare correnti complesse, saline o poco biodegradabili, oltre a offrire possibilità di recupero di acqua, solventi, API o altri prodotti di valore.

A seconda delle caratteristiche dell’effluente, questi processi possono essere combinati con altre tecnologie di trattamento delle acque reflue industriali come i processi fisico-chimici, l’adsorbimento, la cristallizzazione o i processi a membrana per raggiungere gli obiettivi di depurazione, riutilizzo o scarico.

La chiave è segregare correttamente i diversi effluenti dalla loro origine ed evitare che le correnti più problematiche compromettano il funzionamento del resto dell’impianto di trattamento.

Questo approccio permette di sviluppare sistemi di trattamento più robusti, efficienti e adattati alle caratteristiche reali di ogni processo farmaceutico.