A medição do TOC está se tornando cada vez mais significativa. Uma das principais razões é que as empresas operacionais exigem mais informações sobre o status / condição das plantas. Outra é que as autoridades públicas estão dando mais importância à qualidade da água. Especialmente as medições online, inclusive as dos diversos subloops, estão sendo cada vez mais planejadas e introduzidas.
Com esse desenvolvimento, a demanda por instrumentos que as próprias empresas podem manter, está se tornando cada vez maior. Longos períodos de inatividade devido a reparos ou peças devolvidas, seriam eliminados e os custos operacionais por instrumento diminuiriam claramente.
Na concepção de instrumentos, o foco na aplicação simples e operação segura é hoje mais forte do que no passado.

1. Introdução
Hoje os principais métodos de determinação de TOC são os seguintes:
1. Decomposição térmica com detecção NDIR;
2. Oxidação UV de persulfato com detecção NDIR;
3. Oxidação UV de persulfato com detecção de condutividade;
4. Oxidação UV direta com Detecção de Condutividade.

1.1 Decomposição Térmica
Com este processo as partículas orgânicas são destruídas por altas temperaturas. Desta forma, os componentes não dissolvidos (sólidos suspensos ou resíduos de desgaste) também são completamente decompostos.
Este é um método comum, particularmente com uma alta carga de TOC (por exemplo, esgoto municipal).

1.2 Oxidação UV de persulfato com detecção de NDIR ou Condutividade
A oxidação químico-úmida com luz UV e persulfato é amplamente difundida e aceita como “o padrão”, especialmente em aplicações de água purificada e ultrapura.
Uma grande vantagem deste método é o grande alcance operacional (menor que 1 ppb até 100 ppm) e a alta precisão.

1.3 Oxidação UV direta 
A oxidação UV direta é aplicada apenas em água ultrapura. Produtos químicos não são necessários. Esses instrumentos têm sido cada vez mais utilizados nos últimos anos.
Este relatório deve demonstrar as possibilidades e limitações dos instrumentos modernos de TOC, por meio de exemplos concretos. Gostaríamos, particularmente, de entrar em detalhes sobre as características dos monitores diretos UV on-line para mostrar os desenvolvimentos mais recentes (por exemplo, teste funcional) que simplificam as rotinas diárias e garantem a segurança.
Todos os métodos acima mencionados têm suas vantagens e desvantagens específicas, de acordo com as limitações dos sistemas. Por esse motivo, é importante escolher o instrumento mais adequado para sua aplicação e ambiente.

2. Oxidação UV Direta
Simples – Fácil - Confiável
Por que escolher esse método?
Este método é rápido e muito confiável. Produtos químicos não são necessários e a manutenção é simples.
Este design permite construções compactas.
Esquemas de uma oxidação UV direta.

Após a primeira medição de condutividade, a amostra flui para o reator de UV. Neste design da SWAN, a água é canalizada diretamente sobre a superfície da lâmpada UV para a segunda célula de medição de condutividade. A concentração de TOC é calculada a partir dos diferentes valores dos dois sensores.

TIC & TOC = TC
TIC Carbono INORGÂNICO Total
Esta é a parte de fontes inorgânicas ou minerais, por ex. CO₂
O valor é medido / determinado pelo primeiro sensor.

TOC Carbono ORGÂNICO Total
Esta é a parte de fontes biológicas “vivas”, por ex. biofilme ou células.

TC  Carbono Total 
A soma de TIC e TOC. Este valor é     determinado pelo segundo sensor.
O TIC em nossas aplicações é quase exclusivamente de CO₂.
Na maioria das plantas WFI, o TIC é maior que o TOC.
Como em todos os outros sistemas, esse método também tem suas limitações:
• Alcance limitado (<2µS/cm e TOC <1ppm);
• Reprodutibilidade da Oxidação por UV;
• Efeitos térmicos;
• Precisão.
Para evitar as desvantagens mencionadas, nos concentramos em alcançar uma oxidação completa baseando-se em:
• Estabilização das condições térmicas;
• Aumento do fluxo de radiação;
• Otimização do fluxo de amostra através do sistema de medição.
Algumas medidas e modificações tiveram que ser desenvolvidas para alcançar este objetivo.
Todas essas alterações apresentadas tiveram um efeito positivo enorme no método apresentado abaixo.

2.1 Estabilização das Condições Térmicas
O método UV direto é fortemente influenciado pelos efeitos da temperatura. Devido à transferência de energia da lâmpada UV, a temperatura da amostra aumenta em até 10 °C, entre o sensor de condutividade 1 para 2. Esta diferença tem que ser compensada. Infelizmente, a compensação é apenas uma aproximação e compreende, dependendo da temperatura e da condutividade, em uma falha diferente.
Como resultado de nossa pesquisa, o reator é montado em combinação com um trocador de calor.
Aqui, a água que sai aquece a água que entra em contracorrente.
Com isso, podemos minimizar a diferença de temperatura entre o sensor 1 e o sensor 2, em valores abaixo de 0,2 ° C.

Particularmente, em amostras com baixos valores de TOC, as modificações mencionadas mostram um efeito positivo.
Os resultados alcançados são consideravelmente estáveis e têm menor variabilidade do que antes.

2.2 Reprodutibilidade da Oxidação por UV
As lâmpadas UV utilizadas (lâmpada de mercúrio de baixa pressão) têm apenas uma faixa de temperatura estreita, onde produzem a potência máxima. Este ponto de pico está entre 40 e 50 ° C.
O gráfico ao lado mostra o sumário de espectro (185 e 254nm) de uma lâmpada de mercúrio.
Apenas no intervalo de 185 nm, os resultados são ainda mais pronunciados.
Com relação a esses resultados, é importante evitar quaisquer influências, interna ou externa, que de alguma forma possam influenciar a amostra.

No capítulo acima, apresentamos uma solução para diminuir o Δ-t abaixo de 0,2°C. Para manter a temperatura em um intervalo entre 40 e 55 ° C, precisamos de mais modificações.
Dois cartuchos de aquecimento adicionais (C) permitem fixar a temperatura em torno de 42 ° C.
Através disso, alcançamos a máxima emissão de radiação, que resulta em uma oxidação ótima e suave.
Em aplicação com temperatura da amostra acima de 40 ° C (Hot Loop), temos que resfriar a amostra.

2.3 Otimização do fluxo de amostra através do sistema de medição
Todas essas modificações criam um aumento considerável do sistema. Mas somente em uma combinação com um fluxo de amostra otimizado, podemos alcançar todo o potencial esperado. Em um arranjo clássico da lâmpada UV e do fluxo da amostra, a amostra é guiada em torno da fonte de luz. Perdas devido à dispersão e reflexão podem ser possíveis.
Uma solução possível é a fusão da lâmpada UV e da sonda.

No exemplo acima, a distância entre a amostra e o núcleo da lâmpada é menor que 10 mm. Devido à construção fechada, evitamos qualquer produção de ozono. Além disso, as dimensões são extremamente compactas e, comparadas com outros instrumentos, uma irradiância muito maior pode ser alcançada.
O reator e a lâmpada UV são uma unidade completa. Para fins de manutenção, pode ser trocado como um componente. Operação rápida que pode ser realizada por um operador da empresa

3. Compensação
Condições de temperatura estáveis são os princípios básicos, para obter resultados de testes precisos e confiáveis. No entanto, o método de compensação é igualmente importante. É assim que a Condutividade medida é convertida em uma temperatura comparativa. A conversão para uma temperatura de referência comum, pode ser baseada em diferentes algoritmos. Essas fórmulas são, no entanto, não absolutas. Por esse motivo, a SWAN usa dois métodos de compensação diferentes, dependendo do intervalo de aplicação escolhido.

3.1 O Modelo de CO₂
Água para aplicações farmacêuticas e UPW podem, por definição, não conter sal. Pode conter vestígios de compostos de carbono orgânico (TOC) e dióxido de carbono dissolvido (TIC) da atmosfera. Este CO₂ deve ser a única fonte de TIC.
Um exemplo real com figuras arredondadas:
Condutividade no primeiro sensor (COND 1)
0,6µS a 42ºC;
Condutividade no segundo sensor (COND2)
0,8µS a 42ºC;
A condutividade absoluta da água a esta temperatura, é de cerca 0,12µS;
A diferença de 0,48µS deve, portanto, ser proveniente do CO₂.
O TIC pode ser calculado a partir da correlação definida entre a condutividade e a concentração de dióxido de carbono. Os valores correspondentes para as várias temperaturas são tabulados e armazenados no instrumento. A proporção orgânica em nosso exemplo é convertida em CO₂ pela lâmpada UV. Consequentemente, o valor no sensor 2 é maior que o sensor 1.

COND 2 menus COND 1  =  0.2µS

O nível de concentração de TOC agora pode ser calculado usando o mesmo valor de tabela, como em TIC (COND 1).
A calibração ocorre com uma solução selecionada de 1 ppm. Se os resultados se desviarem mais do que o esperado do valor alvo, certos requisitos não foram cumpridos. Neste caso, ou os parâmetros operacionais estão mal ajustados ou o instrumento tem um mau funcionamento. Esta determinação de TIC e TOC está sob as condições acima mencionadas, um método absoluto. É unicamente uma comparação alvo-real. A extensão de uma possível divergência é especificada no menu “Instalação”.
Um ajuste não ocorre.

3.2 Compensação Linear
Este método é conveniente, se não houver relação distinta entre o nível de concentração de TOC e da condutividade.
Nestas aplicações, um modelo de Condutividade TOC (Λ) pode ser estabelecido pela produção de “soluções de calibração” que cobrem a área de concentração dos componentes relevantes.
A dependência da temperatura da condutividade de tais amostras, só deve ser levada em consideração quando a calibração e a medição on-line são realizadas em diferentes temperaturas.
O AMI LineTOC estabiliza a temperatura da amostra, não apenas para a medição on-line, mas também para a calibração a 42 - 43 ºC. Para permitir medições em diferentes temperaturas, a Condutividade Λin e Λout é convertida em 25º C.
O ajuste padrão é: 2% por ºC. Esse valor pode ser alterado manualmente.
No modo linear, a calibração é realizada pela medição de uma solução de amostra definida (sacarose 1 ppm). O instrumento calcula a inclinação efetiva com base no resultado do teste e indica o mesmo. Pela experiência, os valores estão no intervalo de 0,150 a 0,3. Com a tecla “ENTER”, segue-se o ajuste e o AMI LineTOC assume estes valores.

4. Aplicação Farmacêutica
4.1 Pontos de Medição
Nas modernas plantas WFI e PW, a maioria das medições é feita nos pontos abaixo mencionados:
Tipicamente em plantas farmacêuticas, é após a destilação, no tanque de armazenamento, na entrada e saída dos loops e, logicamente, no ponto de uso.

4.2 O teste funcional - um assessor
Instrumentos que são usados para aplicações farmacêuticas têm que passar por um Teste de Conformidade do Sistema (SST) em conformidade com a Farmacopeia. As especificações das soluções de teste são descritas em detalhes nestas monografias.
Se um teste for realizado em fábricas que produzem, de acordo com as diretrizes da USP, as soluções devem ser feitas com reagentes certificados pela USP. Devido ao alto nível de diluição, a vida útil da solução é limitada a algumas semanas.
Na prática, um SST é a única possibilidade de testar um instrumento TOC.
Os instrumentos com detecção direta de UV, usam lâmpadas UV que têm um tempo de vida de 6 meses. Para cada substituição de lâmpada, é necessário um SST, portanto pelo menos dois testes por ano são necessários. Muitos usuários empregam essas soluções SST certificadas além dos intervalos de validação adequados, até mesmo ao ponto de testes mensais. Isso resulta em altos custos e logística demorada.
A verificação funcional automática do AMI LineTOC pode simplificar consideravelmente essas rotinas.
O procedimento é a aproximação do SST usual. As soluções altamente concentradas (sacarose e benzoquinona com 20 ppm) aplicadas, podem durar até 3 meses.
As soluções são diluídas com água de teste pela bomba peristáltica integrada. Ambas as soluções são medidas uma após a outra. 
A partir do grau de recuperação, é possível determinar a eficiência funcional e a condição do instrumento. Desta forma, as funções essenciais do instrumento podem ser facilmente testadas sem manipulação ou ajustes. O usuário pode testar o instrumento regularmente e, também reduzir o número de testes dispendiosos e trabalhosos.
A verificação funcional é ativada manualmente ou por uma função de hora programável.
A tabela abaixo, mostra os resultados de um estudo de longo prazo. A primeira solução (verde) foi alterada após 4 meses. A segunda solução, foi alterada após 6 meses com um deslocamento de 10% para melhores leituras. Durante o teste, nenhum outro consumível, por ex. a lâmpada e as peças da bomba, foram alteradas.
Podemos provar claramente que o teste de função está funcionando como esperado.
As soluções utilizadas não estão sujeitas às diretrizes farmacêuticas, portanto podem ser produzidas pelas empresas operacionais. As substâncias básicas podem ser obtidas por fornecedores químicos locais. No entanto, eles precisam preencher os requisitos de qualidade para análise.

4.3 Teste manual - uma maneira fácil
Com o AMI LineTOC, a amostra a ser medida é extraída por sucção através do instrumento, independentemente de ser uma solução SST, um teste funcional (ver 4.2) ou uma amostra instantânea. Com um toque de tecla, a Entrada 2 (no diagrama acima à direita) é ativada para uma amostra instantânea.
Basta montar uma garrafa na conexão correspondente e você pode fazer uma medição com o apertar de um botão. Enquanto o teste manual estiver ativo, os resultados dos valores anteriores estão em espera para evitar um alarme falso. Após a amostra, o instrumento é lavado por um período pré-definido antes que as saídas de sinal sejam liberadas.

4.4 Conclusão
O método UV direto fornece valores rápidos e confiáveis. As condições da indústria farmacêutica e suas regulamentações são totalmente cumpridas. Com métodos inovadores de análise de resultados (CO₂), esses instrumentos podem atender às demandas futuras. Considerando os fatores de eficiência e gestão do dia a dia, eles oferecem um valor por dinheiro acima da média.  

5. Glossário

PW     Água Purificada 
UPW     Água Ultra-Pura 
WFI     Água para injeção
TC     Carbono Total
TIC     Carbono Inorgânico Total 
TOC    Carbono Orgânico Total

Verificação     É o processo de verificação de que um produto ou sistema, atende às especificações e que ele cumpre sua finalidade.

Validação     É definido como o ato documentado de demonstrar que um procedimento, processo e atividade conduzirá consistentemente aos resultados esperados.
    Operação de calibração que, sob condições especificadas, em um primeiro passo, estabelece uma relação entre os valores das grandezas, com incertezas de medição fornecidas pelos padrões de medição e correspondentes indicações com incertezas de medição associadas e, em um segundo passo, utiliza essas informações para estabelecer uma relação para obtenção de um resultado de medição, à partir de uma indicação.
    NOTA: A calibração não deve ser confundida com o ajuste de um sistema de medição, muitas vezes erroneamente chamado de “auto-calibração” ou com verificação de calibração.
    NOTA: Frequentemente, o primeiro passo sozinho na definição acima é percebido como sendo calibração.

Ajuste     Conjunto de operações realizadas em um sistema de medição, para fornecer indicações prescritas correspondentes a determinados valores de uma quantidade a ser medida.
    NOTA: O ajuste de um sistema de medição não deve ser confundido com a calibração, que é um pré-requisito para o ajuste.
    NOTA: Após um ajuste de um sistema de medição, o sistema de medição deve ser usualmente recalibrado.

6. Fontes

USP <643> Volume 40
USP <645> Volume 40
USP <1231> Volume 40
EP 2.2.38 / 9 Ausgabe
EP 2.2.44 / 9 Ausgabe
Webside ONDEO

Automated Release of Water Using On-Line TOC Analysis and FDA Risk-Based cGMP, Inspection and PAT Principles.  By Richard Codec and Nissan Cohen ISPE Vol. 25 No.1