Dans un réacteur pharmaceutique avec 5 % d'acide lactique à 95 degrés, quel grade de titane (grade 1, grade 2 ou grade 7) présente le taux de lixiviation des ions métalliques le plus bas après 500 heures d'immersion ?

L'acide lactique (CH3CHOHCOOH) à une concentration de 5 % et à 95 degrés est utilisé dans la fermentation pharmaceutique et les biotraitements. Les ions métalliques s'échappant des radiateurs en titane peuvent favoriser des réactions indésirables ou altérer les objets délicats. La vitesse à laquelle les ions métalliques sont lixiviés (principalement des ions titane (Ti 4+ ) et de petites quantités d'éléments d'alliage) dépend de la stabilité de la couche passive. Le grade 1 présente le film passif le plus uniforme et le plus exempt de défauts, ainsi que le taux de lixiviation du titane le plus bas avec la plus faible teneur en fer de 0,12 % maximum. Le grade 2 (0,20-0,30 % de fer) est lessivé à un taux 2 à 3 fois supérieur au grade 1, car les particules intermétalliques riches en fer établissent des cellules galvaniques localisées. Le grade 7 (0,15 % de palladium) est lessivé à un taux intermédiaire de 1,5 à 2 fois le grade 1, mais introduit des ions palladium comme contaminant qui peut être inacceptable pour certaines applications pharmaceutiques.

Mécanisme de dissolution de l’ion métallique titane dans l’acide lactique

L'acide lactique est un acide réducteur faible qui dissout lentement le film passif de titane. Les connexions galvaniques locales entre les particules intermétalliques cathodiques (Ti2Fe, zones riches en palladium-) et la matrice anodique en titane contrôlent la vitesse de dissolution. Le grade 1 contient le moins de particules riches en fer, ce qui donne le film passif le plus uniforme et le taux de dissolution le plus bas. Le taux de lessivage est constant et prévisible, ce qui permet de prévoir à long terme l'accumulation d'ions métalliques dans le médicament. Pour le grade 2, les particules de Ti2Fe riches en fer-forment des cellules micro-galvaniques qui favorisent la dissolution locale, ce qui entraîne une augmentation du taux de lixiviation global. Pour le grade 7, l'enrichissement de la surface en palladium diminue le taux de lixiviation par rapport au grade 2, mais ajoute également une nouvelle contamination métallique.

Taux de lixiviation quantitative des ions métalliques après 500 heures d'immersion

Test contrôlé dans 5% d'acide lactique à 95 degrés (pH 2,5, désaéré) pendant 500 heures. Libération cumulative d’ions titane pour différentes qualités de titane. Cependant, le titane de grade 1, qui contient généralement 0,05 à 0,08 % de fer, libère 0,8 à 1,2 µg de titane par centimètre carré, soit 1,6 à 2,4 parties par milliard dans 1 litre de solution par centimètre carré de surface. Aucun rejet de fer de grade 1 n’a été détecté. Le titane de grade 2 avec un pourcentage moyen de fer de 0,20 % libère 2,0 à 3,5 µg/cm² de titane et 0,1 à 0,3 µg/cm² de fer, ou un taux de lixiviation du titane 2 à 3 fois supérieur à celui du grade 1. Les taux de libération typiques de titane et de palladium à partir du titane de grade 7 contenant 0,15 % de palladium et 0,20 % de fer sont de 1,2 à 2,0 ug/cm² de titane et 0,05 à 0,10 ug/cm² de palladium, respectivement. L'alliage de titane de grade 12 avec 0,3 % de molybdène et 0,8 % de nickel a libéré 1,5 à 2,5 µg/cm 2 de titane et 0,2 à 0,5 µg/cm 2 de molybdène et de nickel combinés. L'alliage de titane de grade 12 ne convient pas aux applications pharmaceutiques en raison de problèmes de toxicité pour le nickel et le molybdène.

Effet de la concentration et de la température de l'acide lactique sur les taux de lixiviation

Le taux de lixiviation augmente avec la concentration d'acide et la température pour toutes les qualités. Dans 2 % d'acide lactique à 80 degrés, le grade 1 libère 0,5 à 0,8 µg/cm² pendant 500 heures, le grade 2 libère 1,2 à 1,8 µg/cm² et le grade 7 libère 0,8 à 1,2 µg/cm². Le grade 1 libère 0,8 à 1,2 µg/cm^2, le grade 2 libère 2,0 à 3,5 µg/cm^2 et le grade 7 libère 1,2 à 2,0 µg/cm^2 à 5 % d'acide lactique et à 95 degrés. Le grade 1 libère 1,5 à 2,5 µg/cm2, le grade 2 libère 4,0 à 6,0 µg/cm2 et le grade 7 libère 2,5 à 4,0 µg/cm2 à 10 % d'acide lactique et à 95 degrés. Le grade 1 à 5 % d'acide lactique à 110 degrés sous pression a libéré 2,0 à 3,0 µg/cm2, le grade 2 a libéré 5,0 à 8,0 µg/cm2 et le grade 7 a libéré 3,0 à 5,0 µg/cm2. L'énergie d'activation pour la lixiviation est d'environ 50 kJ/mol pour toutes les classes, ce qui implique le même mécanisme de dissolution de base.

Guide de sélection des qualités de titane pour les services pharmaceutiques liés à l'acide lactique

Le tableau ci-dessous donne des indications sur la sélection de la qualité du titane en fonction des limites admissibles des ions métalliques à l'intérieur du produit pharmaceutique et de la sensibilité du processus de fabrication.

Titane maximum autorisé dans le produit (ppb/an) Autres métaux maximum autorisés (ppb) Qualité recommandée Libération de Ti attendue (µg/cm2/an) Finition de surface requise<5 <0.5 for Fe, Pd, Ni, Mo Grade 1 (high purity) 5–10 Electropolished 5–15 <1 for Fe Grade 1 10–15 Pickled 15–30 <5 for Fe Grade 2, pickled surface 15–25 Pickled
30–50 <10 for Fe Grade 2 (standard) 25–40 As-drawn >50 (non-critique) Aucune limite Grade 2 ou Grade 7 40–80 Toute ingénierie au-delà de la sélection du grade et de la finition de surface

La finition de surface du tube a un effet important sur la lixiviation des ions métalliques. Les surfaces électropolies (Ra < 0,3 µm) réduisent les taux de lixiviation de 30 à 50 % pour toutes les qualités en raison de l'élimination de la contamination ferreuse de la surface et de la réduction de la surface. Les taux de lixiviation sont diminués de 20 à 30 % par rapport aux surfaces étirées pour les surfaces décapées avec un Ra de 0,6 à 0,8 µm. L'épaisseur de la paroi n'affecte pas le taux de lixiviation par unité de surface, mais affecte la libération totale de métal au fil du temps. Le taux de lessivage diminue avec le temps à mesure que le film passif se stabilise et après 1 000 heures, le taux est généralement inférieur d'environ 30 -50 % à la moyenne initiale sur 500 heures. Toutes les qualités pré-passivées dans 20 % d'acide nitrique à 50 degrés pendant 2 heures présentent une réduction de 50 à 70 % des taux de lixiviation initiaux.

Une spécification éclairée

Pour un réchauffeur de titane dans un réacteur pharmaceutique avec 5 % d'acide lactique à 95 degrés, le titane de qualité 1 doit être sélectionné pour les produits avec des limites strictes d'ions métalliques inférieures à 10 ppb de titane dans le produit final. Pour les applications moins exigeantes, le grade 2 avec une finition électropolie convient. La finition de surface doit être électropolie à Ra < 0,3 µm, pré-passivée dans 20 % d'acide nitrique à 50 degrés pendant 2 heures. Demandez la preuve que la teneur en fer est inférieure à 0,08 % pour le grade 1 ou inférieure à 0,15 % pour le grade 2. Si le grade 7 est utilisé, lors de la mise en service, effectuez un test de lixiviation de 168 heures dans 5 % d'acide lactique à 95 degrés et évaluez la solution pour le titane, le fer et le palladium. Les valeurs acceptables sont Ti < 5 µg/cm2 et Fe < 0,5 µg/cm2. L'ingénieur choisira le grade 1 plutôt que le grade 2 ou le grade 7 pour obtenir le taux de lixiviation des ions métalliques le plus bas pour le service pharmaceutique à base d'acide lactique chaud.