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Labor-Kühlwasser Algenfreies Labor-Kühlwasser durch UV- und Ozonbehandlung

Autor / Redakteur: Axel Kraushaar* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Labor-Kühlwasser-Netze laufen ohne Wasseraufbereitung immer Gefahr, über kurz oder lang zu veralgen. Steht das Kühlwasser beispielsweise in transparenten Schläuchen und in Glaskolben zudem unter dem Einfluss von Tageslicht, wächst es rasch blickdicht zu. Eine neue Technologie löst das Problem.

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Abb.1: In den Laboren von Boehringer Ingelheim wird für viele Tätigkeiten Kühlwasser benötigt.
Abb.1: In den Laboren von Boehringer Ingelheim wird für viele Tätigkeiten Kühlwasser benötigt.
(Bild: Boehringer)

Boehringer Ingelheim zählt mit mehr als 44 000 Mitarbeitern in 145 Tochtergesellschaften weltweit zu den 20 führenden Pharmaunternehmen. An vier Hauptstandorten und drei kleineren unterstützenden F&E-Standorten betreibt Boehringer Ingelheim weltweit Forschung und Entwicklung. 2011 flossen fast ein Viertel der Umsatzerlöse des Unternehmens in Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.

Auch am Standort Ingelheim finden sich eine Reihe von Forschungseinrichtungen – u.a. das Ende 2007 fertiggestellte Laborgebäude Chemie (LGC): Ein moderner Laborbau, der sowohl alte Laborflächen ersetzt als auch dem gestiegenen Flächenbedarf Rechnung trägt. Das Unternehmen hat in das Projekt mehr als 30 Millionen Euro investiert.

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Auf 6 400 m² Nutzfläche hat das forschende Pharmaunternehmen Labor- und Büroarbeitsplätze für etwa 200 Mitarbeiter geschaffen. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung effizienter Wirkstoffsynthesen für die Produktion sowie analytischer Methoden. Die Wirkstoffchargen aller Präparate werden hier analysiert und für die pharmazeutische Herstellung freigegeben. Dazu werden die Laborarbeitsplätze mit den üblichen Medien wie Kalt- und Warmwasser, entmineralisiertem Wasser, Kühlwasser, Druckluft und diversen Laborgasen versorgt.

Kühlwasserversorgung individuell geregelt

Das Laborgebäude Chemie ist Teil des neuen Laborflächenkonzeptes am Standort Ingelheim, das den Anforderungen durch neue Geräte und Techniken Rechnung trägt. In diesem Zusammenhang ging der Labor-Planer auch bei der Kühlwasserversorgung neue Wege: Traditionell wird jeder einzelne Laborarbeitsplatz (Abzug) mit einer Kältemaschine zur Versorgung mit Kühlwasser ausgestattet. Das Bereitstellen von Kühlwasser über einen solchen Cryostat hat Vor- und Nachteile: Vorteilhaft ist die Möglichkeit der individuellen Kühlwasserversorgung. Nachteilig sind die Kosten (Investitions- und Betriebskosten), hinzu kommt der Platzbedarf von immerhin 0,5 m² Aufstellfläche.

Eine Novität im Unternehmen ist nun diese Form der Kühlwasserversorgung: Trinkwasser wird auf eine Temperatur von 16 °C heruntergekühlt, in einem Pufferbehälter zwischengespeichert und über Pumpen im Gebäude verteilt. Die Temperatur von 16 °C wurde gewählt, um die Rohrleitungen ohne Isolierung schwitzwasserfrei durch das Gebäude führen zu können. Nach Gebrauch im Labor gelangt das erwärmte Kühlwasser im Loop zurück zur Kühlstation; verbrauchtes Kühlwasser wird über den Pufferbehälter mit gekühltem Stadtwasser nachgeführt.

Glaskolben-Wärmetauscher veralgen

Die Glaskolben-Wärmetauscher an den Laborarbeitsplätzen sind mit flexiblen, transparenten Schläuchen an die Ringleitung der Kühlwasserversorgung angeschlossen. Bedingt durch niedrige Fließgeschwindigkeiten, unregelmäßigen Betrieb und daraus resultierende Stagnationsphasen in Verbindung mit hohen Temperaturen kam es zu einem erheblichen Algenwachstum, das durch die transparente Ausführung der Anschlussleitungen und den dadurch möglichen Einfall von UV-reichem Tageslicht zusätzlich gefördert wurde. Zum einen verringert ein solcher Biofilm naturgemäß die Kühlleistung, zum anderen kommen optische Probleme hinzu: Die Mitarbeiter im Forschungsbereich müssen alle Prozessabläufe auch optisch im Auge behalten können – sei es eine Gasbildung, Ausfällungen oder die Agglomeration von Feststoffen. Ab Mitte 2009 wurde intensiv nach einer Problemlösung gesucht, wobei im Wesentlichen drei Maßnahmen zur Diskussion standen:

  • Einbau einer UV-Desinfektionsanlage im Bereich des Vorlagespeichers mit Teilstrombehandlung (ca. 20% bzw. 5 m³/h),
  • Dosierung eines Desinfektionsmittels (Chlordioxid, Chlor, Wasserstoffperoxid) bzw. Biozids
  • Zugabe von Ozon mit Filtration gelöster Biofilmteile.

Da die Zugabe eines Desinfektionsmittels im Labor eines Pharmaherstellers kritisch beurteilt wird und die Behandlung eines Kühlkreislaufs mit UV-Licht kontraproduktiv ist (ein Teil der Leistung der UV-Röhre wird in Wärme umgesetzt), fiel die Wahl auf das System Pairox aus dem Hause BWT. Es handelt sich um die Kombination einer UVC-Bestrahlung mit einer Ozon-Behandlung: Der spezielle Quecksilber-Niederdruckstrahler erzeugt UVC-Strahlung der Wellenlänge 254 nm. Die DNA aller Lebewesen hat ihr Absorptionsmaximum nahe dieser Wellenlänge; durch die dadurch induzierte photochemische Reaktion wird die DNA derart geschädigt, dass sie anschließend inaktiviert ist (der Stoffwechsel kommt zum Erliegen, die Lebewesen sterben ab). Um eine Desinfektion sicherzustellen, ist in der Regel eine Strahlungsdosis von 300 bis 400 J/m² ausreichend. Der Strahler erzeugt neben UVC-Licht der Wellenlänge 254 nm auch UV-Licht der Wellenlänge 185 nm. Trifft Licht dieser Wellenlänge auf Sauerstoff, so bildet sich Ozon. Bei der Pairox-Anlage wird Luft gezielt am Quecksilber-Niederdruckstrahler entlang geführt und auf diese Weise Ozon produziert. Ozon ist das stärkste bekannte Oxidationsmittel und daher zur Desinfektion ideal geeignet.

Pairox plus Wasserstoffperoxid löst das Algen-Problem

Die im Laborgebäude Chemie realisierte Kühlwasserversorgung mit integrierter Kühlwasseraufbereitung sieht nunmehr so aus: Das Kühlwasser wird in einem 1000-l-Vorlagebehälter aus Polyethylen im Technikkeller gespeichert und über eine drehzahlgeregelte Druckerhöhungsanlage (26 m³/h, 6 bar) einem Plattenwärmetauscher zum Abkühlen auf 16 °C sowie anschließend dem Loop zugeführt. Das aufzubereitende Kühlwasser wird dem Vorlagebehälter am Entleerungsstutzen entnommen, der Pairox-Anlage zugeführt und anschließend über einen zusätzlich angebrachten Stutzen im Bereich der Ansaugung der Druckerhöhungsanlage zurückgeführt. Dies gewährleistet, dass das aufbereitete Kühlwasser dem nachgeschalteten Netz unverzüglich zur Verfügung steht. Neben der UVC-Bestrahlung und Ozon-Behandlung wird dem Kühlwasser diskontinuierlich eine geringe Menge Wasserstoffperoxid zugesetzt: Es sichert im Kühlwasser-Loop eine gewisse Depotwirkung und entfernt den Biofilm an den Endpunkten der Installation.

Das Systemvolumen beträgt inklusive Behälter ca. 3 m³. Da es sich um ein Ringleitungssystem handelt, geht nur wenig Wasser verloren (von 2009 bis 2010 wurden lediglich 17 m³ Wasser nachgespeist). Die gewählte Systemlösung weist im vorliegenden Einsatzfall entscheidende Vorteile auf:

  • Der gesamte Kühlwasserkreislauf wird beaufschlagt.
  • Die Kombination aus UVC-Bestrahlung, Ozon und Wasserstoffperoxid gewährleistet eine sehr gute Reinigung.
  • Es sind im vorliegenden Rohrleitungsnetz aus Edelstahl keine Korrosionsprobleme zu befürchten.
  • Es gibt keine Auflagen bezüglich Lagerung/Handling.
  • In der Anlage ist optional eine Leitfähigkeitsüberwachung verfügbar (um eine Absalzung des Umlaufwassers zu ermöglichen).
  • Die Anlage ist in der Lage, abgestufte Störmeldungen (Leitfähigkeit des Umlaufwassers, Status Biozid-Zugabe, Füllstand der Dosierbehälter, etc.) an eine zentrale Leittechnik oder Gebäudeleittechnik zu melden.

Das Ergebnis nach mittlerweile 24-monatiger Betriebszeit ist äußerst zufriedenstellend, wie Projektleiter Armin Joraschek bestätigt: „Wir haben die positive Rückmeldung der Labor-Mitarbeiter, dass die Kühlwasser-Veralgung nun kein Thema mehr ist.“ Die Beläge an den Anschlussschläuchen sind entfernt; ein Wiederaufwachsen ist nicht erkennbar.

Fazit: Mit Ausnahme der jährlichen Wartung durch den BWT-Werkskundendienst sind keine weiteren Arbeiten an der Anlage erforderlich. Bei elektrischen Betriebskosten von 900 Wh verfügt der Betreiber über eine umweltschonende Anlage zur sicheren Sanierung und Desinfektion von Kühlwasser.

* A. Kraushaar: BWT Wassertechnik GmbH, 69198 Schriesheim

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