Wirtschaftliche Herstellung von Reinstwasser

  • Abb. 1: Aufbau eines Stacks in einer runden BauformAbb. 1: Aufbau eines Stacks in einer runden Bauform
  • Abb. 1: Aufbau eines Stacks in einer runden Bauform
  • Abb. 2: Modularer Aufbau einer Wasseraufbereitungsanlage für Reinstwasser
  • Dr. Herbert Bendlin, Technisches Sachverständigenbüro

ReinRaumtechnik - In der Reinraumtechnik nimmt aufbereitetes Wasser eine besondere Stellung ein. Es muss nicht nur den speziellen Qualitätsvorgaben genügen, sondern es wird auch noch direkt nach der Herstellung sofort der vorgesehenen Verwendung zugeführt, da eine Lagerung die Qualität negativ beeinflusst. Entsprechend hoch ist daher der Aufwand in der Herstellung und in der Kontrolle dieses Rohstoffes. Dieser Artikel beschreibt die aktuelle Technologie in der Herstellung von Reinstwasser, welches im pharmazeutischen Bereich oft auch Purified Water (PW) oder Highly Purified Water (HPW) genannt wird.

Moderne Entsalzungstechnologie: Umkehrosmose
Der notwendige Verfahrensschritt zur Entsalzung ist nicht mehr die klassische Ionenaustauschertechnologie, sondern die Umkehrosmosetechnologie (Reverse Osmosis, RO): Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe an einer geeigneten Membran sorgen aufgrund der Naturgesetze für einen Konzentrationsausgleich. Durch einen entsprechenden Druck (über dem osmotischen Druck) auf einer Seite der Membran kann so ein entsalztes Wasser auf der anderen Seite der Membran erzwungen werden. Dieser Prozess (Umkehrosmose genannt) wird heute zur Wasserentsalzung eingesetzt. Die dabei eingesetzten Spiralwickelmodule in einem geeigneten Druckrohr werden weltweit in einheitlichen Baugrößen produziert und stehen preisgünstig in den unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung. Geeignete Membranen haben heute eine Rückhaltequote von nahezu 99 %. Es ist aber zu beachten, dass diese Membranen technische Produkte darstellen, die durchaus auch „Löcher" haben können. Umkehrosmosemembranen sind also nicht wie z. B. ein Sterilfilter auf eine 100%ige Undurchlässigkeit geprüft. Ein weiterer Nachteil der Membrantechnologie ist, dass aufgrund der Aufkonzentrierung auf der Membranoberfläche mit einer Verblockung auf der Membranfläche zu rechnen ist, wenn die Löslichkeit der Wasserinhaltsstoffe überschritten wird. Es ist daher eine geeignete Vorbehandlung des Einspeisewassers zwingend notwendig. Im Bereich der Reinraumtechnik ist dies die einfache Enthärtung des Wassers.

Die in anderen Bereichen eingesetzte Dosierung von Antiscalants ist nicht zulässig. Antiscalants sind chemische Substanzen, welche die Härte des Wasser „unschädlich" machen und dadurch die Ausfällung verhindern. Da bei dieser Technologie immer noch geringe Mengen an Salzen im Produktwasser, dem Permeat, enthalten sind, muss eine zusätzliche Entsalzungsstufe, eingesetzt werden. Dies geschieht mittels der elektrochemischen Restentsalzung, der EDI-Technologie. Aufgrund der vollständigen Passage von Gasen ist auch zu klären, ob eine Entgasung des Wassers erforderlich ist, um die benötigte Produktqualität zu erreichen ist.

EDI-Technologie
Diese Technologie kombiniert verschiedene Verfahren. In einem Gleichspannungsfeld werden die noch vorhandenen Ionen entsprechend ihrer Ladung eine Wanderung beginnen. Durch die Verwendung von ionenselektiven Membranen in den „staks", so werden diese Komponenten genannt, entstehen Bereiche sowohl mit einem angereicherten Ionenfeld (Konzentratstrom) als auch einem abgereichertem Ionenfeld (Produktstrom). Aufgrund der geringen Wanderungstendenz ist immer eine Vorbehandlung mittels der Umkehrosmose erforderlich. Verfahrenstechnisch kann eine solche EDI-Einheit nur ionogene Stoffe oder solche, die im elektrischen Feld Ionen bilden, entfernen. Die Abbildung 1 stellt schematisch den Vorgang der Restentsalzung dar. Die Anordnung der Elektroden und ionenselektiven Membranen in den „staks", kann sowohl in paralleler Form als auch zylindrisch erfolgen.

Membranentgasung
Je nach vorhandener Menge an Kohlensäure (bedingt durch die Wasserhärte und den pH-Wert des Speisewassers) ist eine weitere Verfahrensstufe erforderlich. Hier hat sich die Membranentgasung durchgesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Diffusionsverfahren, wobei als treibende Kraft das Konzentrationsgefälle auf den beiden Seiten der Wasser abweisenden Membran dient. In der Praxis wird dazu entweder ein Vakuum angelegt oder es wird ein Strippgas zum Abtransport eingesetzt. Strippen bedeutet hier, dass im Gegenstrom an der anderen Seite der Membran ein Gas (z. B. Luft) zum Transport eingesetzt wird.

Ultrafiltration
Zur Sicherstellung der mikrobiologischen Produktqualität des produzierten Reinstwassers wird als letzte Verfahrenstufe eine Ultrafiltration eingesetzt. Der große Vorteil dieser Verfahrenstufe liegt in der geeigneten Bauform der Module, die einen Integritätstest ermöglicht (Bubble Point, Forward Flow). Somit kann jederzeit eine Überprüfung der Membran auf Integrität erfolgen und Risse oder Löcher festgestellt werden.
Eine moderne Reinstwasseraufbereitungsanlage ist somit modular aufgebaut (Abb. 2). Je nach Notwendigkeit werden die erforderlichen Komponenten modular zusammen gefügt, um die gewünschte Produktwasserqualität zu erzeugen.
Praktisch immer ist das Ausgangsmedium Trinkwasser entsprechend der gültigen Trinkwasserverordnung. Der Nachweis der Trinkwasserqualität ist im Rahmen der Validierung zu belegen, ebenso der Einfluss der jahreszeitlichen Schwankungen auf die Aufbereitungsanlage. Eine fachgerechte Validierung einer Wasseraufbereitungsanlage erstreckt sich somit über ein Jahr.

Sanitisierung
Für jede Reinstwasseraufbereitungs- und Verteilungsanlage ist eine wirksame Technologie zur Sanitisierung erforderlich. Nur so kann ein validiertes System langfristig erhalten bleiben. Auch kann nur durch eine regelmäßige Sanitisierung die Biofilmbildung im System sicher verhindert werden. Diese Maßnahme ist immer vorbeugend, da ein vorhandene r Biofilm nicht mehr vollständig entfernt werden kann. Grundsätzlich sind in modernen Anlagen heute zwei verschiedene Ansätze möglich:
Chemische Sanitisierung mittels geeigneten Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid oder Peressigsäure. Diese Medien erfordern eine gewisse Einwirkzeit, um die mikrobiologische Belastung zu zerstören. Anschließend müssen die Chemikalien aus den Anlagen wieder ausgespült werden.
Thermische Sanitisierung mittels erhöhter Wassertemperatur, etwa 85° C. Durch die Verwendung von geeigneten Materialien und entsprechenden temperaturbeständigen Komponenten ist es heute möglich die vollständige Wasseraufbereitungsanlage vom Enthärter bis zur UF-Komponente regelmäßig zu sanitisieren. Das thermische Aufheizen, Halten der Temperatur und Abkühlen kann sehr gut automatisiert werden.
Für die Herstellung von Reinstwasser stehen somit mehrere Verfahren zur Verfügung, die sich in der Praxis alle gut bewährt haben. Die Vielzahl der neu installierten Anlagen hat dazu geführt, dass inzwischen auch für die EDI-Module verschiedene Hersteller am Markt vorhanden sind, was, vergleichbar den RO-Modulen in der Vergangenheit, zu deutlichen Kostenreduktionen geführt hat.
Anlagen mit einer zweistufigen RO-Technologie sind kaum preiswerter als Anlagen, die mit RO und nachgeschalteter EDI-Technologie arbeiten. Ein besonders großer Vorteil der Systemkombination RO/EDI ist, dass diese Variante die geforderte geringe Leitfähigkeit von 0,1 µs/cm viel sicherer einhalten kann als eine doppelstufige RO-Anlage. Auch lassen die bisherigen Erfahrungen bei den thermisch sanitisierbaren Anlagen mit der Systemkombination RO/EDI erkennen, dass die mikrobiologische Sicherheit gegeben ist. Diese Entsalzungstechnologie ist somit nicht schlechter als die konventionelle reine Membrantechnologie.

Fazit
Durch den Einsatz einer Membrananlage und der EDI-Technologie ist die Herstellung von PW-Wasser problemlos möglich. Wird eine hohe mikrobiologische Reinheit gefordert, so ist die Verwendung der UF-Technologie möglich. Qualifizierung und Validierung sind etablierte Verfahren.
Es ist jedoch bei jeder Pharmawasseraufbereitung die individuelle Problematik (z. B. hoher Gehalt an organischer Materie, hohe mikrobiologische Belastung) des lokalen Trinkwassers zu beachten. Die Einflüsse des Speisewassers sind es, die im täglichen Betrieb zu großen Unterschieden bei vergleichbaren Anlagen führen. Ein GMP-gerechtes Anlagendesign ohne ein dem Speisewasser angepasstes Sanitisierungskonzept wird zwangsläufig zu Problemen führen. Nicht ohne Grund wird eine 12-monatige Validierungsphase gefordert.
Auch werden in der Praxis viele Anlagen tendenziell überdimensioniert. Dies führt zu Problemen durch Stillstandszeiten oder unnötige Zirkulation von Wasser. In der Praxis ist es meisten möglich, durch einfache Aufrüstung einer Anlage die Leistung bei Bedarf zu steigern.

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