Membranentgasung in der Pharmazie und Elektronik-Industrie

Bei der Produktion im Bereich der Pharmazie sind Purified Water, Water for Injection sowie Highly Purified Water wichtige Bestandteile. Das Wasser, welches für pharmazeutische Zwecke genutzt wird, muss festgelegte Vorgaben erfüllen und ein mehrstufiges Reinigungsverfahren durchlaufen. Üblicherweise wird Wasser für den pharmazeutischen Bereich aus Trinkwasser hergestellt. Verfahren zur Wasseraufbereitung unterliegen hohen Qualitätsanforderungen. Einige Stoffe, die im Trinkwasser enthalten sind, haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der pharmazeutischen Produkte. Zudem wirken sich diese auch auf Funktionsfähigkeit, Laufzeit und Betriebskosten der Anlagen aus.

Mehrstufige Verfahren sind für die Produktion von Wasser für die Pharmazie zugelassen. Entsprechend der Bedingungen müssen die Module für die Vorbehandlung, Filtration, Enthärtung, Umkehrosmose, Entgasung und Elektrodeionisation EDI hintereinander aufgebaut sein. Bislang wurde für die Entfernung von CO2 eine Natronlauge dem Wasser zugesetzt. Dabei wird der pH-Wert erhöht und CO2 in Carbonat-Ionen umgewandelt. Diese werden dann durch die Umkehrosmose vom Wasser getrennt. Wird Natronlauge in diesem Schritt allerdings überdosiert, führt dies zu einer höheren Leitfähigkeit des Wassers. Je nach Vorbehandlung kann dies auch zu Härteablagerungen auf der Membran der Umkehrosmoseanlage führen. Auch der Arbeitsschutz sowie die Produktsicherheit sind teilweise nicht mehr gegeben. Die Membranentgasung sorgt hier für mehr Sicherheit und ein einfaches Verfahren. 

Die Membrankontaktoren lassen lediglich Gase diffundieren. Flüssigkeit wird durch die hydrophobe Membrane zurückgehalten. Das Wasser fließt um die Hohlfasern herum, während die Gase durch sie hindurchgeführt und anschließend abgeführt werden.

Vorgaben des Europäischen Arzneimittelbuches

Im Europäischen Arzneimittelbuch wird zwischen verschiedenen Wasserqualitäten unterschieden. Gereinigtes Wasser ist für Apotheken besonders bedeutsam. Auch Wasser für Injektionszwecke ist wichtig und muss gewisse Vorgaben erfüllen. Gereinigtes Wasser ist für die Herstellung von Arzneimitteln wichtig. Dieses Muss weder steril noch pyrogenfrei sein.

Wasser für Injektionszwecke ist zur Herstellung von parenteral anzuwendenden Arzneimitteln einzusetzen. WFI darf allerdings nun nicht mehr für Augenarzneien eingesetzt werden. Hier ist NRF empfohlen. Da Zubereitungen zur Anwendung am Auge nach dem Europäischen Arzneimittelbuch steril sein müssen, wird hier weiterhin WFI vorgezogen.

Neben dem Europäischen Arzneibuch beeinflussen auch die Vorgaben der Trinkwasserverordnung die Qualität des pharmazeutisch eingesetzten Wassers. Das kommt daher, weil Trinkwasser als Rohstoff für die Erzeugung der Wasserqualitäten eingesetzt werden kann. Die Forderungen beziehen sich auf die mikrobiologischen und chemischen Qualitäten des Wassers, zum Beispiel die Abwesenheit von Krankheitserregern, Grenzwerte für Schwermetalle, Biozide und andere bekannte giftige Substanzen. Die Untersuchung der mikrobiellen Belastung von Trinkwasser wird allerdings auf einem anderen Agar als für pharmazeutische Zwecke vorgegeben. Die Wiederfindung von Keimen ist hier deutlich geringer. Daher sind Grenzwerte und Untersuchungsergebnisse nicht vergleichbar.

Membranentgasung bei der Kesselspeisewasseraufbereitung

Die Qualität des Kesselwassers und Kesselspeisewassers von Dampferzeugern muss bestimmten Anforderungen gerecht werden. Nur so kann ein sicherer, gesetzeskonformer und wirtschaftlicher Betrieb des Dampferzeugers gewährleistet sein. In der Europäischen Union werden diese Anforderungen in europäischen Normen wie EN 12952-12, EN 12953-10 festgelegt. Zudem definieren verschiedene Verbände wie VGB, VdTÜV spezielle Regelwerke. Natürliches Wasser und Wasser aus der kommunalen Wasserversorgung entspricht diesen Anforderungen nicht. Eine Aufbereitung durch verschiedene Wasseraufbereitungsverfahren ist auch hier erforderlich.

Das Kesselspeisewasser, zusammengesetzt aus Zusatzwasser und rücklaufendem Kondensat, wird aus dem Speisewasserbehälter in den Dampferzeuger geleitet. Dort verdampft es. Der Frischdampf strömt in den Prozess und kondensiert. Das rücklaufende Kondensat wird in den Speisewasserbehälter geleitet. Wasserverluste werden durch Zusatzwasser ausgeglichen. Dieses stammt aus Rohwasser, beispielsweise aus der kommunalen Wasserversorgung.

In den mittlerweile veralteten TRD 611 wurde, je nach elektrischer Leitfähigkeit des Kesselspeisewassers zwischen „salzhaltiger“, „salzarmer“ und „salzfreier“ wasserchemischer Fahrweise unterschieden. In den aktuellen harmonisierten europäischen Normen wird diese Einteilung sinngemäß weiterverwendet. Allerdings ohne Begriffe zu definieren. Prozessdampferzeuger werden üblicherweise „salzhaltig“ oder „salzarm“ betrieben. Dampferzeuger für den Turbinenbetrieb dagegen „salzfrei“. 

Bei Zusatzwasseraufbereitungen werden verschiedene Filtrations-, Ionenaustausch- und Membranverfahren eingesetzt. Diese sind abhängig von der Herkunft und der Qualität des Rohwassers. Auch die Ausführung und die wasserchemische Fahrweise der Dampferzeugeranlage sind ausschlaggebend.

Bei „salzhaltigem“ Kesselspeisewasser wird eine Enthärtungsanlage zur Entfernung der Erdalkali-Ionen Calcium und Magnesiumionen eingesetzt, bei „salzarmer“ Fahrweise dagegen eine Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung des Zusatzwassers.

Abhängig von der Herkunft und Qualität des Rohwassers können zusätzliche Aufbereitungsschritte erforderlich sein. So wird beispielsweise bei Brunnenwasser oft eine Kiesfilteranlage zur Enteisenung und Entmanganung eingesetzt. Bei Oberflächenwasser kommt eine Mehrschichtfilteranlage oder eine Ultrafiltrationsanlage mit vorgeschalteter Flockungsmittel-Dosierung zum Einsatz.

In der Kondensatreinigung werden Ionenaustauschverfahren zur Enthärtung oder Entsalzung eingesetzt. Diese können im Vergleich zum Membranverfahren bei deutlich höheren Prozesstemperaturen ausgeführt werden. Abhängig von der erwarteten Rohkondensatqualität und den Anforderungen ergeben sich Auswahl sowie Auslegung der Aufbereitungsverfahren.

Zur Entgasung von Kesselspeisewasser wird ein thermischer Entgaser eingesetzt, in Europa bei kleinen bis mittelgroßen Anlagen mit einem Dampfmassenstrom von ≤ 250 t/h bis 70 kg/s. Die Entgasung erfolgt hier mit einem Rieselentgaser. Bei größeren Anlagen mit einem Dampfmassenstrom zwischen > 300 t/h und 80 kg/s kommt ein Sprühentgaser zum Einsatz. Alternative Verfahren spielen hier nur in Ausnahmefällen eine Rolle. Daher wird die Membranentgasung oder eine ausschließlich chemische Entgasung bei Kleinstanlagen seltener angewendet. 

Zur chemischen Konditionierung des Wasser-Dampf-Kreislaufs werden unterschiedliche Dosierchemikalien in das Kesselspeisewasser gegeben. Diese Dosierchemikalien können zur Einstellung von pH-Wert und Säurekapazität beitragen oder Sauerstoff chemikalisch entfernen. Auch als Inhibitor für Wasserhärte oder als Filmbildner können die Dosierchemikalien eingesetzt werden. Hierbei kommen verschiedene Dosierkonzepte zum Einsatz.

Harmonisierte Europäische Normen

Im Bereich der Kesselspeisewasseraufbereitung kommen verschiedene Vorschriften zum Einsatz:

• EN 12952-12 / Wasserrohrkessel – Anforderungen and die Speisewasser- und Kesselwasserqualität
• EN 12953-10 / Großwasserraumkessel – Anforderungen and die Speisewasser- und Kesselwasserqualität
  
  

Einige nationale Regelwerke sind mittlerweile veraltet und durch

• BS 2486 / Empfehlungen für die Behandlung von Wasser für Dampfkessel und Wasserheizer (Vereinigtes Königreich)
• TRD 611 / Speisewasser und Kesselwasser von Dampferzeugern der Gruppe IV (Deutschland)
• TRD 612 / Wasser für Heißwassererzeuger der Kategorien II bis IV (Deutschland)
  
  

Auch Verbände und Vereine veröffentlichen Regelwerke, die für die Kesselspeisewasseraufbereitung relevant sind.

• VGB-S-010-T-00 / Speisewasser-, Kesselwasser- und Dampfqualität für Kraftwerke / Industriekraftwerke (ehemals VGB-R 450 L)
• VGB-M 410 N / Qualitätsanforderungen an Fernheizwasser
• VdTÜV MB TECH 1453 / Richtlinien für Speisewasser, Kesselwasser und Dampf von Dampferzeugern (veraltet)
• VdTÜV MB TECH 1466 bzw. AGFW FW 510 / Anforderungen an das Kreislaufwasser von Industrie- und Fernwärmeheizanlagen
  
  

Alle Regelwerke enthalten Vorschriften für bestimmte wasserchemische Parameter des Kesselspeisewassers, Kesselwassers von Dampferzeugern sowie Heißwassererzeugern. Hier sind Grenzwerte für die elektrische Leitfähigkeit oder auch den pH-Wert festgehalten.  Die Zielsetzungen in den Regelwerken und Verordnungen stellen die Mindestanforderungen für einen sicheren Betrieb dar. 

Das Inverkehrbringen von Dampf- und Heißwassererzeugern wird durch die EU-Richtlinie 97/23/EG (Druckgeräterichtlinie) geregelt. In Deutschland wird es durch das Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) umgesetzt. Der Betrieb sowie die Überwachung von Dampf- und Heißwassererzeugern werden durch die EU-Richtlinie 2009/104/EG (Mindestvorschriften für Sicherheit und Gesundheitsschutz bei Benutzung von Arbeitsmitteln durch Arbeitnehmer bei der Arbeit) geregelt und in Deutschland durch die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) umgesetzt.

Die neuen nationalen Regelwerke werden nicht mehr aktualisiert. Da die Entwicklung der Technik immer weiter fortschreitet, ist fraglich, in welchem Umfang sie noch als anerkannte Regeln der Technik angenommen werden können. Allerdings werden die Regelwerke gelegentlich in Betriebsanleitungen, Ausschreibungen und Lieferverträgen zitiert, mit entsprechenden Auswirkungen auf eventuelle Gewährleistungsansprüche und vertragsrechtliche Verpflichtungen.

Die Anwendung der sonstigen von diversen Verbänden und Vereinen herausgegebenen Regelwerke ist optional. Sie können beispielsweise vertraglich vereinbart werden. Die Zielsetzung ist meist ein über reine Sicherheitsanforderungen hinausgehend wirtschaftlich vorteilhafter Betrieb der Dampferzeugeranlage beziehungsweise der Heißwassererzeugeranlage. Für den Betrieb von Turbinenkraftwerken ist in Europa die Anwendung des Standards VGB-S-010-T-00 (ehemals VGB-Richtlinie VGB-R 450 L) verbreitet.

Unter Berücksichtigung der neuesten Regelwerke können die wasserchemischen Fahrweisen von Dampf- und Heißwassererzeugern sinnvollerweise jeweils abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Kesselspeisewassers definiert werden:

• salzhaltig: direkte elektrische Leitfähigkeit > 30 μS/cm
• salzarm: direkte elektrische Leitfähigkeit ≤ 30 μS/cm
• salzfrei: Säureleitfähigkeit < 0,2 μS/cm
  
  

Bei der Aufbereitung des Zusatzwassers kann man mit einer vorgeschalteten Enthärtungsanlage von salzhaltiger Fahrweise ausgehen. Die Aufbereitung durch eine Umkehrosmoseanlage sorgt für eine salzarme Fahrweise. Salzfreie Fahrweisen erfordern immer die Nutzung von vollentsalztem Wasser. Daher müssen hier Aufbereitungen des Zusatzwassers sowie des Kondensats mit einer EDI-Anlage oder einem Mischbettaustauscher als letzten Feinreinigungsschritt durchgeführt werden.

Wasserchemische Fahrweisen werden für den jeweiligen Anwendungsfall vorgegeben. Sie ergeben sich aus den anwendungstechnischen Anforderungen und Bedingungen. Auch die Herkunft und Qualität des verfügbaren Rohwassers spielt hier eine Rolle. Beispielsweise ist bei mit einem Überhitzer ausgerüsteten Dampferzeuger zur Prozessdampferzeugung in den meisten Fällen eine salzarme Fahrweise nötig. Nur so ergibt sich eine wirtschaftliche Absalzrate.

Die erforderliche Absalzrate des Kesselwassers bei einer salzhaltigen Fahrweise beträgt etwa drei bis zehn Prozent, bei salzarmer Fahrweise rund ein bis zwei Prozent und bei salzfreier Fahrweise unter einem Prozent.