Pharmabranche: sorgfältige Wasseraufbereitung ist indiziert

Werden höchste Ansprüche an die Reinheit des Wassers gestellt – wie in der Pharma- oder Halbleiterindustrie – kommt die Elektrodeionisation zum Einsatz.

Die Elektrodeionisation ist ein elektrochemisches Verfahren zum Entfernen von Ionen und ionisierbaren Stoffen aus Wasser. Wir verwenden Elektrodeionisation, um Wasser weiter zu reinigen, das über eine Umkehrosmoseanlage gewonnen wurde. Dies ist ein essenzieller Schritt zur Erzeugung von Reinstwasser (Aqua Purificata AP, aber auch Water for Injection WFI).

Wie funktioniert die Elektrodeionisation?
Das von der Umkehrosmoseanlage gelieferte Wasser wird innerhalb des EDI-Stacks zwischen einer Anode (positive Elektrode) und einer Kathode (negative Elektrode) hindurchgeleitet. Dabei fliesst es durch Kammern, die mit Mischbettharz (Mischung aus Anionen- und Kationenaustauscherharz) gefüllt sind. Die Kammern sind zusätzlich auf der einen Seite durch eine Anionenaustauschermembran und auf der anderen Seite durch eine Kationenaustauschermembran getrennt.

Durch die angelegte Spannung werden die Ionen zur jeweiligen Elektrode gezogen, wobei die halbdurchlässigen Membranen jeweils nur eine Spezies durchlassen. Dadurch können die Ionen mit dem Konzentrat abgeführt werden.

Gleichzeitig findet eine durch die Spannung verursachte Spaltung (Dissoziation) einiger Wassermoleküle statt. Dadurch entstehen H⁺- und OH^--Ionen, die das Mischbettharz laufend regenerieren. Das regenerierte Harz kann nun auch neutrale oder nur schwach geladene gelöste Ionen, wie zum Beispiel CO₂ oder Silikate, ionisieren. Diese können dann ebenfalls entfernt werden.

Die Sicherstellung der Pharmawasserqualität im Hinblick auf mikrobiologische Reinheit bedeutet erhöhte Ansprüche an Konzeption und Betrieb von Wasseraufbereitungsanlagen. Trotz der verschiedenen Aufbereitungsstufen stellt die Bildung eines Biofilms immer eine Herausforderung dar. Heisswassersanitisierbare Systeme helfen, den Biofilm leichter zu kontrollieren und in Grenzen zu halten.

Wie funktioniert die Heisswassersanitisierung?
Die Heisswassersanitisierung stellt eine Alternative zur chemischen Sanitisierung dar. Dabei wird Wasser mit einer Temperatur von > 80 °C über eine bestimmte Zeit im System gehalten. Wir setzen die Heisswassersanitisierung für anspruchsvolle Wasseraufbereitungsanlagen ein. Dabei lassen sich sämtliche Aufbereitungsstufen sanitisieren: Enthärtung, Umkehrosmose, Entgasung, Elektrodeionisation und Ultrafiltration. Neben der Aufbereitung kann auch das Lager- und Verteilsystem heiss gelagert werden und punktuell beim Bezug heruntergekühlt werden.

Bei der Planung und Konzeption solcher Anlagen ist insbesondere punkto Automation und Materialisierung viel Erfahrung gefragt. Die Wahl der richtigen Konzepte gewährleistet eine sichere und stabile Produktion von Reinstwasser.

Bei Burkhalter Wassertechnik setzen wir Ozon-Desinfektion vor allem in Reinstwasser-Systemen, bei der kalten Lagerung und Verteilung von AP-Wasser und WFI ein. Der grosse Vorteil von Ozon: Im Gegensatz zu anderen Desinfektionsmitteln lässt es sich einfach mittels UV-Bestrahlung rückstandslos eliminieren.

Wie funktioniert die Ozon-Desinfektion?
Ozon (O₃) ist ein starkes Oxidationsmittel. Durch seine starke Oxidationswirkung ist das Gas bereits bei Raumtemperatur instabil. Ozon zerfällt gemäss folgender Gleichung in Sauerstoff (O₂) und atomaren Sauerstoff (O), der hoch reaktiv ist und Bakterien, Viren etc. zerstört.
O₃ –> O₂ + O

Wie wird Ozon hergestellt?
Aufgrund seiner Instabilität lässt sich Ozon nicht über längere Zeit lagern. Es muss deshalb vor Ort erzeugt werden. In den meisten Fällen wird Ozon in einem Ozongenerator, auch Ozonisator genannt, durch stille elektrische Koronaentladung erzeugt. Diese lässt sich mit einem Blitzschlag in der Natur vergleichen. Dazu wird zwischen zwei Elektroden, bei denen eine durch ein Dielektrikum isoliert ist, eine Spannung erzeugt. Diese ist so stark, dass die Bindung von Sauerstoffmolekülen aufgebrochen wird und sich Ozon bilden kann.

Bei der Trinkwasseraufbereitung, in der Industrie oder als Komponente einer Reinstwasseraufbereitungsanlage – UV-Anlagen sorgen höchst zuverlässig für keimarmes Trinkwasser. Der grosse Vorteil dabei ist, dass keine Zusatzstoffe ins Wasser gegeben werden und dass Mikroorganismen keine Resistenz gegen UV-Strahlen entwickeln können.

Wie funktioniert die UV-Desinfektion?
Ultraviolette Strahlung (UV-Strahlung) ist ein Wellenlängenbereich des Lichts, der für das menschliche Auge unsichtbar ist. Genauer gesagt ist die UV-Desinfektion bei Wellenlängen von 200 bis 300 nm wirksam.

Die sogenannte UVC-Strahlung ist grundsätzlich in der Lage, Mikroorganismen wie Viren, Bakterien, Hefen und Pilze abzutöten. Werden diese der UVC-Strahlung ausgesetzt, wird der Zellkern so verändert, dass eine Reproduktion verhindert wird und die Zellen inaktiviert werden. Damit können sie in Sekunden unschädlich gemacht werden.

Um eine einwandfreie Desinfektion zu gewährleisten, müssen die Dosis und die Bestrahlungsstärke gross genug sein. Das heisst, die Lampe muss stark genug, die Kontaktzeit genügend lange sein und das Wasser darf eine bestimmte Trübung nicht überschreiten.

Deshalb muss für jede Anwendung die passende Lampe in Abhängigkeit der Wassermenge und der äusseren Umstände ausgewählt werden.

Aufbau einer UV-Desinfektion
Die UV-Desinfektionsanlagen von Burkhalter lassen sich einfach in die bestehende Wasserversorgung integrieren. Das zu desinfizierende Wasser fliesst in einem strömungsoptimierten Gehäuse entlang der UV-Lampe und wird so optimal behandelt.

Brauchen Sie keimfreies und schadstoffarmes Wasser mit niedriger Leitfähigkeit? Mithilfe der Umkehrosmose kann Wasser für anspruchsvolle Produktionsprozesse in der Industrie, für Laborgeräte, viele medizinisch-technische Anwendungen und selbst für die Gastronomie oder Gebäudetechnik (z. B. Geschirrspüler, Luftbefeuchter usw.) aufbereitet werden.

Wie funktioniert die Umkehrosmose?
Wie es der Name schon sagt, wird bei der Umkehrosmose der natürliche Vorgang der Osmose umgekehrt. Die Osmose ist ein natürlicher Prozess, der insbesondere für die Regulation des Wasserhaushalts von Lebewesen und ihren Zellen von Bedeutung ist.

Was wird alles entfernt?
Die Beliebtheit der Umkehrosmose zeigt sich darin, welche Inhaltsstoffe des Wassers entfernt werden können. Nämlich nahezu alle:

• Ionen / Salze (Mineralien wie Natrium, Nitrat etc.)
• Bakterien, Viren
• Schwermetalle (Blei, Eisen, Kupfer, Uran etc.)
• Pestizide (z. B. Chlorothalonil)
• Medikamentenrückstände (z. B. Antibiotika)
• Hormone
• Farbstoffe
• Radioaktive Teilchen

Einzig Gase (CO₂, O₂) die sich im Wasser befinden passieren die Membrane. Weiter zerstört Chlor die Membrane und Kalk führt zu Verblockungen. Aus diesem Grund werden diese beiden Stoffe in der Regel vor der Umkehrosmose entfernt respektive reduziert.

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Schematischer Ablauf Umkehrosmose
Durch die Umkehrosmose werden 98 bis 99.5 Prozent der Stoffe entfernt, welche im Wasser gelöst sind. Je besser die Qualität und Verarbeitung der Membranen, desto besser die Rückhalterate.

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Osmose in der Natur
Ein anschauliches Beispiel ist das Aufplatzen reifer Kirschen im Regen. Zwei wässrige Lösungen haben immer das Streben danach, sich zu vermischen und ihre Konzentration somit auszugleichen. Das Regenwasser auf der Aussenseite der Kirsche hat viel weniger Zucker und andere Stoffe gelöst als das Wasser innerhalb der Kirsche. Es wird also Wasser in die Kirsche hineinfliessen, bis es innen und aussen dieselbe Konzentration hat. Da die Haut der Kirsche aber nur Wasser durchlässt und keinen Zucker ist dies nicht möglich und es baut sich ein osmotischer Druck auf, bis die Haut platzt.

Umkehrosmose: Osmose rückwärts gedacht
Bei der Umkehrosmose wird der Prozess der Osmose umgekehrt, indem auf der Seite der höheren Konzentration ein Druck aufgebaut wird. Für eine Kirsche würde dies bedeuten, dass Wasser aus der Kirsche rausgepresst würde, bis nur noch hochkonzentrierter Saft in der Haut zurückbleibt.

In der Praxis wird bei der Umkehrosmose das zu behandelnde Wasser mit Druck durch eine halbdurchlässige Membran gepresst. So werden praktisch alle gelösten Stoffe im sogenannten Konzentrat zurückgehalten und das reine Permeat wird gewonnen.

Jetzt zu den Umkehrosmoseanlagen

Lästige Kalkablagerungen im Haushalt, verstopfte Leitungen und Schäden an Geräten – Kalk stellt in vielen Bereichen ein Problem dar. Die Wasserenthärtung mit einer Enthärtungsanlage bietet eine effektive und bewährte Lösung. Wir bieten Enthärtungsanlagen von der kompakten Ausführung für Einfamilienhäuser bis hin zu Grossanlagen für die Industrie und Pharmabranche an. 

Wie funktioniert die Enthärtungsanlage?
Wenn wir bei Burkhalter von Wasserenthärtung sprechen, sprechen wir von Enthärtungsanlagen, die auf dem Prinzip des Ionenaustauschs basieren. Umgangssprachlich werden diese auch oft als Wasserenthärter, Entkalkungsanlage oder einfach als Enthärter bezeichnet.

Beim Ionenaustausch wird der Kalk (Kalzium- und Magnesiumionen) gegen Natriumionen ausgetauscht. Um dies zu ermöglichen, wird das kalkhaltige Wasser über ein sogenanntes Kationenharz geleitet, das mit Natriumionen beladen ist und sich in der Enthärtungsanlage befindet. Auf der Oberfläche des Kationenharzes findet dann der Ionentausch statt. Damit dieser Ionentausch immer reibungslos ablaufen kann, muss das Kationenharz in regelmässigen Abständen mit einer Kochsalzlösung regeneriert werden.

Die Wasserhärte
Das Wasser, das von der Wasserversorgung geliefert wird, enthält je nach Herkunft und Bodenbeschaffenheit unterschiedliche Mengen an Kalk. Die Menge wird in Grad französischer Härte (°fH) angegeben und in unterschiedliche Bereiche eingeteilt.

In der Schweiz wird das Wasser gemäss Lebensmittelgesetz in sechs Härtestufen eingeteilt. Der Wert wird in Millimol pro Liter (mmol/l) oder in französischen Härtegraden angegeben:

Nach der Wasserenthärtungsanlage entspricht die Wasserhärte 0°fH. Je nach Verwendungszweck kann das Wasser dann mit einem Mischventil auf die gewünschte Wasserhärte eingestellt werden.

Mit unserem Auslegungstool bestimmen Sie die Grösse Ihrer Enthärtungsanlage in einer Minute. Direkt zu den Auslegungstools

Mehr Informationen und wichtige Vorteile zu den Wasserenthärtungsanlagen für private Haushalte finden Sie hier: Direkt zu den Anlagen für Ihr Zuhause

Was wird alles entfernt?
Aus dem Wasser werden die Härtebildner Kalzium und Magnesium entfernt und mit Natriumionen ausgetauscht. Alle restlichen Inhaltsstoffe bleiben im Wasser enthalten. Da es sich um einen Ionentausch handelt, bleibt auch der Gesamtsalzgehalt im Wasser bestehen.

Schematischer Ablauf Wasserenthärtung
In der Animation werden die Phasen der Wasserenthärtung dargestellt. Im Betrieb werden die Härtebildner gegen Natriumionen ausgetauscht. Wenn das Harzbett (Kationenharz) komplett mit Kalzium- und Magnesiumionen beladen ist, wird dieses mittels einer Salzlösung (Natriumionen) regeneriert. Alle Härtebildner werden in den Ablauf gespült.

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Beispiel Enthärtungsanlage
Das Bild zeigt eine typische Enthärtungsanlage in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus. Die Anlage ist kompakt angeordnet, der Salzbehälter umschliesst den nicht sichtbaren Harzbehälter.

Das Schnittbild zeigt das Innenleben der Enthärtungsanlage. Im Harzbehälter wird das Rohwasser über das Kationenharz geleitet und gelangt anschliessend als Weichwasser zum Verbraucher. Im Salzbehälter wird die für die Regeneration benötigte Salzsole bereitgestellt.

Jetzt zu den Enthärtungsanlagen

Die Filtration (auch Filtrierung, Filterung oder Filtern genannt) ist ein mechanisches Trennverfahren. Dieses erlaubt es, Schwebestoffe und ungelöste Stoffe aus dem Wasser zu entfernen. Durch Zugabe eines Fällungsmittel können auch gelöste Stoffe gefiltert werden.

Wie funktioniert die Filtration?
Das zu trennende Gemisch läuft durch einen Filter, der zum Beispiel aus Textilgewebe oder Metall besteht, oder durch einen Behälter, in dem sich eine Füllung einer Filtermasse befindet.

Dabei kommt nicht nur der Sieb-Effekt, also das Zurückhalten von Stoffen aufgrund der Porengrösse, sondern eine ganze Reihe von physikalischen Effekten zum Tragen. Jeder Filter muss nach einer gewissen Zeit gereinigt oder ersetzt werden, da die zurückgehaltenen Partikel entfernt werden müssen.

Bei Burkhalter Wassertechnik AG bieten wir für fast jedes Einsatzgebiet die passenden Filter an, von Sandfilter bis zu Sterilfilter. Somit können wir Ihnen helfen von sichtbaren Partikeln bis zu Bakterien und Viren sämtliche unerwünschten Stoffe aus dem Wasser zu entfernen.

Was wird alles entfernt?

Die Breite von verschiedenen Filtertypen ist gross. Aus diesem Grund können unterschiedliche Stoffe aus dem Wasser entfernt werden. Bereits mit der Mikrofiltration mit einer Abscheiderate von 0.2 µm können Bakterien und Viren entfernt werden. Entsprechend der Abscheiderate können folgende Stoffe gefiltert werden:

• Ungelöste und kolloidale Teile (Trübstoffe, Partikel, Schwebestoffe, sichtbare Verunreinigungen im Wasser)
• Bakterien, Viren, Parasiten

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Schematischer Ablauf Filtration

Das Wasser wird durch den Filter gedrückt. Die zurückgehaltenen Stoffe bleiben auf dem Filtermedium. Ab einem definierten Verschmutzungsgrad muss der Filter gewechselt werden oder mittels Rückspülung gereinigt werden.

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Spezialfall Aktivkohlefilter

Aktivkohlefilter sind äusserst beliebt in der Wasseraufbereitungstechnik. Entgegen den klassischen Siebfilter können Aktivkohlefilter auch Mikroplastik, Hormone, Bakterien, Keime, Pestizide (z. B. Chlorothalonil), Legionellen und Schwermetalle aus dem Wasser filtern und lästige Gerüche oder unangenehmen Geschmack beseitigen.

Mittels Ultrafiltration können unerwünschte Bestandteile im Wasser (Schwebestoffe, Bakterien etc.) effektiv und wirtschaftlich entfernt werden. Es ist eine vollständige Entfernung von Mikroorganismen möglich. Dabei lässt sich die Ultrafiltration in komplexen Industrieanlagen, in der Lebensmittelherstellung, in der Pharmaindustrie, aber auch in der Regenwassernutzung anwenden.

Wie funktioniert die Ultrafiltration?
Das technische Prinzip basiert darauf, dass nur Substanzen durch die Membran gelangen, die kleiner als deren Poren sind. Die Porengrösse der verwendeten Membran spielt für die Ultrafiltration also eine entscheidende Rolle. Man unterscheidet Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration über den Grad der Abtrennung. Bei der Ultrafiltration liegt die Ausschlussgrenze (oder auch «Cut-off») im Bereich zwischen 2 und 100 nm.

Dabei kommen meist Hohlfasern zum Einsatz, die in Filtermodulen gebündelt sind, um die notwendige Fläche zu erzeugen. Damit die Ultrafiltration funktioniert, muss eine gewisse Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran vorhanden sein. Je feiner die Poren der Membran sind, desto höher muss der Druck sein.

Was wird alles entfernt?

Die Ultrafiltration ist äusserst vielseitig einsetzbar. Entsprechend der Abtrenngrenze der Membranen werden folgende Inhaltsstoffe entfernt:

• Ungelöste und kolloidale Teile (Trübstoffe, Partikel, Schwebestoffe, sichtbare Verunreinigungen im Wasser)
• Bakterien, Viren, Parasiten
• Endotoxine
• Legionellen

Nicht entfernt werden gelöste Stoffe und alle Mineralien wie Kalzium und Magnesium.

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Ultrafiltration in der Pharmaindustrie

Seit in Europa die Wasserqualität WFI (Water for Injection) auch mittels Membranverfahren hergestellt werden kann (vorher ausschliesslich mit Destillation), gewinnt die Ultrafiltration in diesem Bereich an Bedeutung. Die Ultrafiltration wird dabei als finale Aufbereitungsstufe eingesetzt und dient als Barriere für Keime, Viren und Endotoxine. Die Ultrafiltrations-Module sind im Gegensatz zu Umkehrosmosemodulen dichtungsfrei aufgebaut und weisen daher eine höhere Sicherheit im Hinblick auf die Rückhalterate auf.

Schematischer Ablauf Ultrafiltration

Durch das vielseitige Einsatzgebiet (Abwasser, Trinkwasser, Lebensmittel, Pharma) ergeben sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Ultrafiltrationsmembranen. Gemeinsam ist das Funktionsprinzip der Aufbereitung. Das Wasser wird mit Druck durch eine Membrane gedrückt und die abzutrennenden Stoffe werden zurückgehalten. Ab einem definierten Verschmutzungsgrad müssen mittels Rückspülung die zurückgehaltenen Stoffe abgeschlämmt werden.

Nachfolgend ein animiertes Beispiel der Funktionen einer Ultrafiltration im Trinkwasserbereich. Die zurückgehaltenen Stoffe werden als Schwebestoffe dargestellt.

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Beispiel Ultrafiltrationsanlage

Die Ultrafiltration wird als separate Aufbereitungsstufe direkt in eine Reinstwasseranlage integriert oder als alleinstehende Anlage gebaut. Hier ein Beispiel einer Stand-alone Anlage. Die Hohlfasermembranen werden als Bündel in Modulen zusammengefasst.

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