Reinstwasseraufbereitung Membranentgasung: Kohlendioxid einfach und effektiv reduzieren

Weniger ist oft mehr. Das gilt auch für gelöstes Kohlendioxid (CO₂) in Wasser für pharmazeutische Zwecke. Immer mehr Anlagenbauer setzen auf die Methode der Membranentgasung, um CO₂ zu reduzieren. Aus gutem Grund, wie dieser Beitrag zeigt.

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Purified Water (PW), Water for Injection (WFI) und Highly Purified Water (HPW) sind Schlüsselkomponenten der pharmazeutischen Produktion. Wasser für pharmazeutische Zwecke wird entsprechend der in den Pharmakopöen festgelegten Vorgaben in mehrstufigen Reinigungsverfahren aus Trinkwasser hergestellt. Die Verfahren unterliegen hohen Qualitätsanforderungen. Zahlreiche Stoffe, die in Trinkwasser enthalten sind, nehmen nicht nur Einfluss auf die Qualität der Endprodukte. Sie haben auch Auswirkungen auf Funktionsfähigkeit, Laufzeit und Betriebskosten von prozesstechnischen Anlagen.

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Für die Herstellung von Wasser für pharmazeutische Zwecke sind mehrstufige Verfahren zugelassen, bei denen entsprechend der spezifischen Bedingungen die Module für Vorbehandlung, Filtration, Enthärtung, Umkehrosmose, Entgasung und Elektrodeionisation EDI hintereinandergeschaltet werden. Eine Voraussetzung, damit die nachgeschaltete EDI-Stufe optimale Ergebnisse erzielen kann, ist ein möglichst niedriger CO₂-Anteil im Permeat. Der Hintergrund: Kohlendioxid erhöht die Leitfähigkeit des Permeats. Es belastet als Anion die Rückhaltekapazität der EDI. Zu hoher CO₂-Gehalt im Zufluss bewirkt einen niedrigen spezifischen Widerstand bzw. eine erhöhte Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers.

Zu den bislang gängigen Verfahren, um CO₂ zu entfernen, gehört der Zusatz von Natronlauge vor der Umkehrosmose. Durch Erhöhung des pH-Wertes wird CO₂ in Carbonat-Ionen umgewandelt, die dann durch Umkehrosmose abgetrennt werden. Dies erfordert allerdings eine sehr präzise Dosierkontrolle, da eine Überdosierung nicht nur zu Leitfähigkeitsanstieg, sondern je nach Vorbehandlung auch zu Härteablagerungen auf der Umkehrosmosemembran führen kann. Außerdem gibt es Konsequenzen für Arbeitsschutz und Produktsicherheit. Eine vorteilhafte Alternative bietet die Membranentgasung mit 3M Liqui-Cel-Membrankontaktoren.

Das Gleichgewicht macht den Unterschied

3M Liqui-Cel-Membrankontaktoren sind in ihrer Wirkungsweise einzigartig. Sie reduzieren ohne Einsatz von Chemie in Flüssigkeiten den Anteil von gelösten Gasen wie CO₂, Sauerstoff oder Stickstoff. Ihre Membran besteht aus Bündeln von hydrophoben Hohlfasern aus mikroporösem Polypropylen. Diese lassen nur Gase diffundieren, keine Flüssigkeiten. Um den Anteil von CO₂ in Wasser zu reduzieren, fließt das Wasser auf der Außenseite der Hohlfasern. Auf der Innenseite fließt im Gegenstrom ein Stripp-Gas mit möglichst geringem CO₂-Anteil – beispielsweise gefilterte Luft oder Stickstoff. So entsteht zwischen Wasser und Stripp-Gas ein Partialdruckgefälle für CO₂. Um das Gefälle auszugleichen, tritt CO₂ aus dem Wasser heraus, diffundiert auf die Innenseite der Hohlfaser, reichert dort das Stripp-Gas an und wird mit ihm abtransportiert. Damit sich das Gleichgewicht optimal einstellt, bieten die Liqui-Cel-Kontaktoren eine größtmögliche Kontaktfläche. Der Effekt kann durch ein zusätzlich angelegtes Vakuum verstärkt werden.

Sicherer Prozess – wirtschaftliche Vorteile

Durch ihr einfaches wie cleveres Prinzip bietet die Membranentgasung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden prozesstechnische und wirtschaftliche Vorteile. Zum einen sind 3M Liqui-Cel-Kontakoren kompakt und können bei Leitungsdruck betrieben werden, das heißt, sie benötigen keine separaten Pumpen. Auch in bestehenden Anlagen sind sie unkompliziert nachrüstbar. Zum anderen lassen sich Restgasgehalte erzielen, die mit konventionellen physikalischen Verfahren nur bedingt oder überhaupt nicht möglich sind: unter Einsatz von Stripp-Luft bis unter 2 mg/l gelöstes CO₂ im Wasser, mit zusätzlichem Vakuum weniger als 1 mg/l. Außerdem schützt die Membran die Flüssigkeit vor Kontaminationen aus der Luft.

Auch die Betriebskosten sind vergleichsweise niedrig. Zu berücksichtigen sind nur die Energie für die Überwindung des wasserseitigen Druckverlusts (meist kleiner 0,5 bar) und die Stripp-Luftförderung. Bei dem Einsatz nach der Umkehrosmose ist keinerlei regelmäßige Wartung erforderlich. Eine Sanitisierung kann mit Heißwasser bis 85 °C erfolgen. Sollte es z.B. auf- grund von Störungen am Gesamtsystem doch einmal zu Belägen kommen, ist eine Sonderreinigung mit Säure oder Lauge möglich.

Vielfältige Lösungen für vielfältige Herausforderungen

Die Entfernung unerwünschter Gase mit 3M Liqui-Cel-Membrankontaktoren bewährt sich in unterschiedlichsten Einsatzbereichen – von Labor- und Gesundheitstechnik über die Mikroelektronik bis zur Energiewirtschaft. Das breite Produktspektrum der 3M Liqui-­Cel-Baureihe bietet spezifische Lösungen für viele Herausforderungen. Dank weiterentwickelter Modulreihen und neuer Baugrößen ist das Verfahren jetzt noch vielseitiger einsetzbar. Auch die modulare Bauweise der Anlagen ermöglicht viel Flexibilität: So können mehrere Module für größere Volumenströme parallel und für höhere Entgasungsraten in Reihe geschaltet werden.

Um immer die beste Membran-Lösung bieten zu können, pflegt 3M einen engen Dialog mit den auf die Pharmawasser-Aufbereitung spezialisierten Anlagenbauern. Bei Bedarf erstellt 3M für seine Kunden computergestützte Simulationsrechnungen, um Aufbereitungskonzepte und Anlagendimensionierungen zu optimieren. Kenngrößen sind neben Volumenstrom und Temperatur die Gasgehalte an Ein- und Ausgang des Systems. Durch diese Form der Zusammenarbeit stellt 3M sicher, dass Liqui-Cel-Kontaktoren immer die vom Anwender gewünschten Ergebnisse erzielen.

* * Der Autor ist Market and Application Development Manager, Separation and Purification Sciences Division bei 3M Deutschland, Wuppertal. Kontakt: Tel. +49-202-6099-0

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