Die Herstellung von keimfreiem Prozesswasser verläuft über mehrere Einzelschritte. Innerhalb dieser Reinigungskaskade sind die UV-Desinfektion und die Oxidation mit Ozon die essentiellen Teilschritte. In der Regel werden die beiden Verfahren in Kombination genutzt, wobei die UV-Technik neben der Desinfektionswirkung auch zum Zerstören von Ozonresten bei beiden Verfahren eingesetzt werden.
Ralf König
Das für den Aufbereitungsprozess benötigte Frischwasser, zumeist Stadtwasser oder Wasser aus betriebseigenen Brunnen, wird einer Vorbehandlung unterzogen. Schwebstoffe im Frischwasser werden abfiltriert und die Wasserhärte durch Enthärtungsanlagen abgesenkt. Im Verlauf dieser Vorbehandlung kann bereits eine UV-Desinfektionsstufe eingesetzt werden, um die Konzentration der Eingangskeime zu reduzieren. Eine Umkehrosmose- bzw. eine Ionenaustauschereinheit bewirkt anschließend die Entsalzung des Wassers. Über eine UV-Desinfektionsstufe erfolgt die Entkeimung des Zulaufwassers und weiterer Prozessstufen. Der Restkeimgehalt darf nach der UV-Behandlung nicht über 10 Kolonie bildende Einheiten (KBE) pro Liter liegen. Für das Erreichen dieser sehr niedrigen Keimzahl werden spezielle, besonders leistungsstarke UV-Reaktoren eingesetzt, deren Bestrahlungsdosen zwischen 850 J/m2 (Einsatz als Restozonvernichter, s.u.) und 1200 J/m2 (für die TOC-Zerstörung) liegen.
Neben der Desinfektion muss auch der TOC-Gehalt reduziert werden. Dieser TOC (Total Organic Carbon, d.h. der gesamt vorhandene organische Kohlenstoff) wird in der Regel aus den bereits inaktivierten Bakterien oder dem in Ringleitungssystemen gewachsenen Biofilm gebildet.
Generell wird das Prozesswasser in den Ringleitungen zirkuliert. Eine Keimzahl von maximal 10 KBE pro 100 ml wird durch eine UV-Anlage, die während der gesamten Produktionszeit eingeschaltet ist, sicher eingehalten. Die permanente UV-Bestrahlung garantiert außerdem die Einhaltung der zulässigen Keimzahl auch beim Nachspeisen mit geringfügig verkeimten Frischwasser. Zusätzlich zur UV-Bestrahlung wird vielfach Ozon als Desinfektionsmittel eingesetzt. Da Ozon sehr störend bei der Produktion von Pharmaka ist, darf Ozon nur bei Produktionsstillstand verwendet werden. Nach Produktionsende werden deshalb die UV-Anlagen ausgeschaltet und das Prozesswasser mit einer mittleren Ozonkonzentration von 0,1 mg/l Ozon im gesamten Ringsystem gespeist. Dies garantiert eine fast vollständige Desinfektion. Für die sichere Entkeimung wird daher die Ozon-Bevorratung im gesamten Ringleitungssystem ständig aufrechterhalten. Mehrere Stunden vor Betriebsbeginn wird die Ozonerzeugung allerdings abgeschaltet und die UV-Bestrahlung wieder aktiviert. Das Ozon wird durch die energiereiche UV-Strahlung zu Sauerstoff reduziert und damit bis zum Produktionsstart vollständig abgebaut.
Die Erzeugung des Ozons darf im Prozesswasser nur elektrolytisch erfolgen, da anderenfalls ein unbeabsichtigter Eintrag von Verunreinigungen in den Produktionsprozess – z. B. aus der Luft oder aus der verwendeten Sauerstoffflasche – nicht ausgeschlossen werden kann.
Der TOC-Abbau kann alternativ zum Ozon auch mit UV-Systemen durchgeführt werden, die mit speziellen oxidativ arbeitenden UV-Strahlern (Spektrozon-Strahler) ausgestattet sind. Diese Strahler erzeugen eine UV-Strahlung bei 185 nm. Bei dieser Wellenlänge, sie wird bereits zum Vakuum UV-C-Bereich gezählt, werden im Wasser OH-Radikale gebildet, die über eine Kettenreaktion den TOC zu CO2 oxidieren. Unvollständig oxidierte, durch die Kettenreaktion nun geladene Kohlenstoff-Fragmente, können anschließend über ein Mischbett effizient abgebaut werden.
Biologische Wirkung
Die DNA ist ein sehr langes, komplex aufgebautes Makromolekül, das aus zahlreichen Polynucleotiden, Zucker- und Phosphatgruppen besteht. Die Sequenz der Nucleotidbasen gibt die eigentliche genetische Information wieder. Ein Fehler in der Basenabfolge, z. B. durch eine UV-Einwirkung, führt zu einem Fehler in der Aminosäuresequenz und damit zur Ausbildung eines defektes Proteins. Die hieraus resultierende Störung des Stoffwechsels führt direkt zum Zelltod.
Ein weiterer Einfluss der UV-Strahlung ist die Störung der Replikation. Bei der Zellteilung wird der DNA-Strang von der DNA-Polymerase Schritt für Schritt abgelesen. Bei einer Störung der räumlichen Struktur – z.B. durch Ausbildung eines strahleninduzierten Thymin-Dimers, eines Addukts oder eines Hydrats, tritt ein Replikationsstopp auf. Dadurch wird die für die Vermehrung notwendige Zellteilung unterbunden und der Organismus ist nicht mehr fortpflanzungsfähig.
Von einer Desinfektion kann allgemein dann gesprochen werden, wenn bezogen auf die Ausgangskonzentration mindestens 99,99 % aller Mikroorganismen beseitigt werden. Auf diese Anforderung muss auch die jeweilige UV-Desinfektionsanlage ausgerichtet sein.
Strahlertechnik
Das zu behandelnde Wasser wird an speziellen leistungsstarken UV-Strahlern vorbeigeführt. Diese Strahler ähneln im Aussehen einer einfachen Leuchtstoffröhre. Die Erzeugung der energiereichen UV-Strahlung erfolgt durch das kurzzeitige Verdampfen des im Inneren der Strahler vorgelegten Quecksilbers und das Zünden des entstandenen Gases. Das ionisierte Quecksilber emittiert dann eine intensive UV-Strahlung bei 254 nm.
Moderne UV-Strahler (Spektrotherm) enthalten anstelle des reinen und flüssigen Quecksilbers festes mit Indium dotiertes Amalgam. Aus dieser Amalgamverbindung erfolgt die Freisetzung des leicht verdampfbaren Quecksilbers durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Die Verdampfung ist reversibel, d. h. nach Ausschalten der Strahler scheidet sich das verdampfte Quecksilber wieder an der ursprünglichen Stelle ab. Für den Betrieb der UV-Strahler sind elektronische Vorschaltgeräte, die sog. EVG´s, erforderlich.
Die zur Desinfektion erforderliche UV-Dosis errechnet sich aus dem Produkt der Bestrahlungsstärke und der Einwirkzeit (Retentionszeit). Wissenschaftlichen Untersuchungen zufolge ist für die Abtötung des überwiegenden Teils aller bekannten Mikroorganismen und Viren eine UV-Dosis von 400 J/m2 notwendig.
Wichtiger Bestandteil einer UV-Anlage ist der integrierte UV-Sensor. Zur Sicherstellung der Desinfektionsleistung muss die Leistung der UV-Strahler bzw. die im Wasser vorhandene UV-Intensität kontinuierlich über einen UV-Sensor gemessen werden. Dieser Sensor meldet sofort eine Störung, wenn die Intensität unter einen bestimmten Wert fällt und die Desinfektion unvollständig wird. Die Ursache für eine abnehmende UV-Intensität kann z.B. eine Veränderung der Wasserbeschaffenheit oder ein Altern der verwendeten Strahlungsquelle sein.
Die Funktionalität einer installierten UV-Desinfektion wird über das so genannte biodosimetrische Verfahren bestimmt, bei dem die Effizienz der Abtötung bezüglich der UV-Bestrahlung mit definierten Testkeimsuspensionen bestimmt wird.
ME UV-Anlagen
Diese speziell auf die Anforderungen der Pharmaindustrie zugeschnittene UV-Anlage ermöglicht die Desinfizierung von Trink- und Prozesswasser sowie die sichere Zerstörung von Restozon. Alle Systemkomponenten wie Quarzreaktor, UV-Strahler und die Elektrotechnik sind in einem kompakten Edelstahlgehäuse integriert. Der eigentliche UV-Reaktor wird aus einem Quarzglasrohr mit parallel zur Strömung angeordneten UV-Strahlern gebildet. Dieser Reaktor bietet durch die Rohrgeometrie eine totraumfreie Anwendung, d.h. die UV-Strahler sind nicht im Medium integriert. Spezielle Reflektoren fokussieren die UV-Strahlung in der Mitte des Rohres und erzielen damit eine besonders hohe Desinfektionswirkung. Der für Anwendungen im Prozesswasser konzipierte Reaktor erfüllt alle FDA- und USP-Anforderungen. Die verwendeten Hochleistungs-Niederdruck-UV-Strahler weisen ein besonders temperaturstabiles Verhalten auf. Temperaturschwankungen im Wasser haben daher nur einen geringen Einfluss auf die Strahlungseffizienz.
Ozon-Technik
Die Toxizität des Ozons wird zum Teil auf die oxidative Zersetzung ungesättigter Fettsäuren im Organismus zurückgeführt. Diese oxidierende Wirkung des Ozons nutzt man für Desinfektions-zwecke.
Ozon ist nicht lagerfähig und muss daher vor Ort hergestellt werden. Ozon wird in Ozongeneratoren aus Sauerstoff oder Luft nach dem Prinzip der stillen elektrischen Entladung erzeugt.
Eine Alternative zur großtechnischen Ozonproduktion stellt die innerhalb der Reinstwasseraufbereitung häufig eingesetzte elektrolytische Ozonerzeugung dar. Die elektrolytische Ozonerzeugung erfolgt direkt im Kreislaufwasser, wodurch ein unbeabsichtigter Eintrag von Fremdstoffen im Verlauf der Ozonproduktion, z. B. aus der Luft oder des verwendeten Sauerstoffsystems, nicht möglich ist.
WEL-Anlage zur elektrolytischen Ozonerzeugung
Die WEL-Anlagen der Wedeco sind auf die Anforderungen der Reinstwaseraufbereitung zugeschnitten. Die Erzeugung des Ozons erfolgt in einer speziell entwickelten Elektrolysezelle kontinuierlich im Wasserstrom. Das Herz der Elektrolysezelle besteht aus einer Anode/Kathode und einer Polymer-Feststoffelektrolytmembran, die als Elektrolyt und Separator in der Zelle wirksam ist. Der Elektrolyseprozess zwischen Anode und Kathode bewirkt die Erzeugung von hochreinem Ozon im durchfließenden Wasser. Das Ozon wird direkt im Wasser gelöst und verteilt.
Eine WEL-Anlage produziert bis zu 15 mg O3/l bei einem Nominaldurchsatz von 200 l/h vollentsalzten (VE) Wassers. Dies entspricht bis zu 4 g O3/h. Die Leitfähigkeit des VE-Wassers sollte unter 20 mS/cm betragen.
Die Mikroorganismen werden durch die Oxidation direkt zerstört. Die Ausbildung schädlicher Nebenprodukte, die z. B. von der Desinfektion mit Chlor bekannt sind, ist bei dieser Behandlungsmethode ausgeschlossen. Die organischen TOC-Reste im Reinstwasser werden durch das elektrolytisch erzeugte Ozon zuverlässig anoxidiert und können dann über ein Mischbett vollständig beseitigt werden. Außerdem wird ein kontinuierlicher Schutz vor Wiederverkeimung des Reinstwasserkreislaufsystems erzielt, d. h. der Gebrauch von Bioziden erübrigt sich. Dies gilt besonders für die Kaltwasserlagerung in der Pharmaindustrie.
E cav 278
www.wedeco.de
Unsere Whitepaper-Empfehlung
Wasserstoff gilt als Schlüssel für die Dekarbonisierung der Chemieindustrie. Doch die Nutzung des vermeintlichen Hoffnungsträgers Hydrogen birgt auch Gefahren und stellt die Branche vor neue Herausforderungen, die das gratis Whitepaper „H2 wie Hoffnungsträger?“ näher für Sie…
Teilen:
