Material Principal
Os requisitos de higiene das indústrias farmacêutica e de biotecnologia são relativamente altos, e os materiais usados para fabricar recipientes de processamento e sistemas de tubulação devem ter excelente resistência à corrosão e facilidade de limpeza para garantir a pureza e a qualidade dos produtos farmacêuticos. Os materiais devem ser capazes de resistir à temperatura, pressão e meios agressivos em ambientes de produção, bem como em procedimentos de desinfecção e limpeza. Além disso, o material deve ter boa soldabilidade e atender aos requisitos da indústria para acabamento superficial.
O principal material de fabricação para equipamentos de processo nas indústrias farmacêutica e de biotecnologia é o aço inoxidável austenítico 316L (UNS S31603, EN1.4404). A resistência à corrosão, soldabilidade, propriedades de eletropolimento e facilidade de disponibilidade do aço inoxidável 316L o tornam um material ideal para a maioria das aplicações farmacêuticas.
Embora o aço inoxidável 316L tenha um bom desempenho em muitos ambientes de processo, os usuários ainda estão melhorando o desempenho do aço inoxidável 316L selecionando cuidadosamente a composição química específica do aço inoxidável 316L e melhorando os processos de produção, como a refusão por eletroescória (ESR).
Se as condições do processo forem muito corrosivas para o aço inoxidável 316L, os usuários podem continuar a usar aço inoxidável 316L, mas o custo de manutenção aumentará ou eles podem mudar para aço inoxidável superaustenítico com 6% de molibdênio com composição de liga mais alta, como AL-6XN® (UNS N08367) ou 254SMO® (UNS S31254, EN1.4547). Nos últimos anos, a indústria de biotecnologia reconheceu os benefícios do uso do aço inoxidável duplex 2205 (UNS S32205, EN1.4462) para equipamentos de fabricação.
Figura 1 Recipientes de P&D para a indústria farmacêutica feitos de Chapa de aço inoxidável duplex 2205 com espessura de 10 e chapa de aço inox duplex 2205 com espessura de 4.8 mm. As superfícies em contato com o produto são eletropolidas com acabamento ASMEBPE – SF4. @Genentech
2205 Duplex em Aço Inoxidável
A estrutura metalográfica do aço inoxidável 316L inclui uma fase austenita e uma quantidade muito pequena de fase ferrita, e a fase austenita é estabilizada pela adição de uma quantidade suficiente de níquel à liga.
O teor de níquel do aço inoxidável 316L forjado é geralmente de 10 a 11%. A composição química do aço inoxidável duplex foi ajustada para que a microestrutura formada contenha aproximadamente a mesma quantidade de fases de ferrita e austenita (Figura 2). microtecido. O aço inoxidável duplex 2205 é formado reduzindo o teor de níquel para cerca de 5% e ajustando a adição de manganês e nitrogênio para formar cerca de 40-50% de ferrita.
A composição química do aço inoxidável duplex 2205 é equilibrada, e a fase de austenita e a fase de ferrita têm grande ou igual resistência à corrosão.
Figura 2 (A) Microestrutura de aço inoxidável 316L forjado mostrando grãos de austenita e tiras de ferrita ocasionalmente visíveis (B) Microestrutura de aço inoxidável duplex 2205 forjado mostrando austenita (fase clara) Aproximadamente igual em quantidade à ferrita (matiz escuro).
O maior teor de nitrogênio do aço inoxidável duplex 2205 e sua microestrutura de grão fino proporcionam maior resistência do que os aços inoxidáveis austeníticos comuns, como 304L e 316L. Sob condições de recozimento de solução, o limite de escoamento do aço inoxidável duplex 2205 é cerca de duas vezes maior que o do aço inoxidável 316L.
Devido à sua alta resistência, a tensão admissível do aço inoxidável duplex 2205 pode ser muito maior, dependendo do código de projeto usado para a fabricação de equipamentos de processo. Em muitas aplicações, a espessura da parede pode ser reduzida, resultando em economia de peso e economia de custos.
Tabela 1 Comparação da composição química do aço inoxidável 316L e 2205 com base nos requisitos ASTM A 240
| Grau | UNS No. | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Mo | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L | S31603 | 0.03 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 16.0-18.0 | 10.0-14.0 | 2.0-3.0 | 0.10 |
| 2205 | S32205 | 0.03 | 2.00 | 0.030 | 0.020 | 1.00 | 22.0-23.0 | 4.5-6.5 | 3.0-3.5 | 0.14-0.20 |
- Máx salvo indicação em contrário
Tabela 2 Comparação das propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis duplex 316/316L e 2205 duplex recozidos por solução (de acordo com ASTM A240*)
| Grau | UNS No. | Resistência à Tração | Resistência ao escoamento | Alongamento | Dureza, Max | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Que sim | MPa | Que sim | MPa | Brinell | Rockwell | |||
| 316L | S31603 | 75 | 515 | 30 | 205 | 40% | 217 | 95 HRg |
| 2205 | S32205 | 95 | 655 | 65 | 450 | 25% | 293 | 31HRc |
- Salvo indicação em contrário, todos são no mínimo 3
- O valor mínimo da pele forte do aço inoxidável 316/316L de grau duplo; o requisito mínimo de roubo do aço inoxidável 316L de grau único é menor
Cpropriedades orrosivas
Resistência à corrosão
A forma mais comum de corrosão em aço inoxidável em aplicações farmacêuticas e biotecnológicas é a corrosão por pites em ambientes contendo cloretos. O maior teor de cromo, molibdênio e nitrogênio do aço inoxidável duplex 2205 proporciona uma resistência à corrosão por pites e frestas significativamente melhor do que o aço inoxidável 316L. A resistência relativa à corrosão por picadas do aço inoxidável pode ser determinada pela medição da temperatura necessária para que ocorra a corrosão por picadas (temperatura crítica de corrosão) em uma solução de teste padrão de cloreto férrico a 6%.
Conforme mostrado na Figura 3, a temperatura crítica de pite (CPT) do aço inoxidável duplex 2205 está entre o aço inoxidável 316L e o aço inoxidável super austenítico com 6% de molibdênio. Deve-se observar que os dados CPT medidos em solução de cloreto férrico podem ser usados para comparar a resistência à corrosão por pite de íons de cloreto de materiais, mas não devem ser usados para prever a temperatura crítica de pite de materiais em outros ambientes de cloreto.
Fig.3 Comparação da temperatura crítica de picada medida em solução de teste de FeCl6 a 3%
Rachadura por Corrosão sob Tensão
Quando a temperatura é superior a 60°C, sob a ação conjunta de tensão de tração e íons cloreto, o aço inoxidável 316L é propenso a rachaduras. Esta forma catastrófica de corrosão é chamada de corrosão por corrosão sob tensão de cloreto (SCC). Essa corrosão deve ser considerada ao selecionar materiais para condições de fluido de processo quente. O uso de aço inoxidável 316 na presença de íons cloreto e temperaturas de 60°C ou acima deve ser evitado. Conforme mostrado na Figura 4, o aço inoxidável duplex 2205 é resistente a SCC em soluções salinas simples até uma temperatura de pelo menos 120°C.
Fig.4 Comparação do valor crítico da corrosão sob tensão do íon cloreto entre o aço inoxidável 316L e o aço inoxidável duplex 2205
Ferrugem Vermelha
O aço inoxidável exposto à água de alta pureza pode desenvolver manchas finas ou depósitos de ferrugem na superfície, conhecidos como ferrugem vermelha (Figura 5). Esta ferrugem é composta principalmente de óxido de ferro ou partículas de hidróxido e pode vir em uma variedade de cores, incluindo tons de vermelho, amarelo dourado, azul, cinza e marrom escuro. A causa da formação de ferrugem vermelha não é conhecida, mas tipos específicos de aço inoxidável e tratamentos de superfície podem afetar a formação de ferrugem vermelha.
Figura 5. Amarelo dourado (A) e cinza preto (B) ferrugem vermelha na parede interna do tubo de aço inoxidável cortado
Nas indústrias farmacêutica e biotecnológica, os sistemas de água para injeção (WFI) são expostos a vapor limpo e ambientes de água de alta pureza, onde a ferrugem vermelha é uma ocorrência comum. Componentes como unidades de destilação, tanques de armazenamento, recipientes de processo, bombas, válvulas e tubulações podem ser afetados.
Devido ao potencial de contaminação do produto, superfícies de materiais altamente enferrujadas exigem operações de limpeza caras e demoradas. Portanto, é necessário exigir que os materiais candidatos usados em produtos farmacêuticos e biotecnologia tenham pelo menos a mesma resistência à ferrugem vermelha que o aço inoxidável 316L.
Uma investigação sistemática do fenômeno da ferrugem vermelha foi realizada em materiais, incluindo aço inoxidável 316L e aço inoxidável duplex 2205. De acordo com este estudo, o aço inoxidável 2205 é pelo menos tão resistente à ferrugem vermelha quanto o aço inoxidável 316L.