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Nachhaltigkeit Wasser sparen im Labor – wie gelingt's?

| Autor / Redakteur: Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt* / Dr. Ilka Ottleben

Ob als Löse- oder Kühlmittel – Labore verbrauchen viel Wasser und stellen hohe Anforderungen an dessen Qualität. Dabei gilt: Je reiner das Wasser, desto mehr Wasser und Energie wird für seine Herstellung eingesetzt. Welche Stellschrauben gibt es, um den Wasserverbrauch im Labor zu reduzieren?

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Abb. 1: Labore verbrauchen drei- bis fünfmal mehr Wasser als ein Bürogebäude.
Abb. 1: Labore verbrauchen drei- bis fünfmal mehr Wasser als ein Bürogebäude.
(Bild: © spline; ©madamlead_x - stock.adobe.com)

Am 22. März rufen die Vereinten Nationen alljährlich zum Weltwassertag auf [1]. Das Motto in diesem Jahr ist „Wasser und Klimaschutz“. Dazu hat die UN drei Appelle verfasst [2]:

  • „We cannot afford to wait. Climate policy makers must put water at the heart of action plans“
  • „Water can help fight climate change. There are sustainable, affordable and scalable water and sanitation solutions“
  • „Everyone has a role to play. It is surprising how many water actions anyone, anywhere can take to address climate change.“

Labore verbrauchen drei- bis fünfmal mehr Wasser als ein Bürogebäude. Schauen wir uns daher im Labor um, welche Möglichkeiten der oder die Einzelne hat, um die Forderungen der UN zu erfüllen [3].

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An Laborwasser werden hohe Ansprüche gestellt

Partikel und Schwebstoffe, gelöste Salze, organische Stoffe oder Gase, Nukleasen oder Pyrogene – alle diese Bestandteile können in Wasser vorhanden sein und sind für Laboranwendungen natürlich unerwünscht. Teilweise reagieren Geräte sehr empfindlich darauf, wie z.B. Wasserbäder, die anfällig für Korrosion sind, wenn Wasser einen zu hohen Gehalt an Chloriden (und Bromiden) hat [4]. Nukleasen stören in der Molekularbiologie und die moderne Analytik braucht Reinstwasser ohne störende Spurenelemente oder andere Verunreinigungen. Hier reicht manchmal auch das vorhandene Reinstwasser im Labor nicht aus [5]. Es ist also wichtig, die Wasserqualität der eigenen Anwendung anzupassen. Doch zuvor ein Blick auf die gängigen Methoden der Wasserherstellung.

Laborwasseraufbereitung und Nutzung

Um reines Wasser zu erhalten, werden verschiedene Prozessschritte nacheinander geschaltet. Dabei gilt: Je reiner das Wasser, desto mehr Wasser und Energie wird für seine Herstellung eingesetzt. Daher sollte man den für seine Applikation richtigen „Wassertyp“ aussuchen (s. LP-Info-Kasten, nächste Seite). Denn mit jedem Aufreinigungsschritt, bei dem bestimmte Verunreinigungen entfernt werden, wird mehr oder weniger Wasser verworfen. Dazu kommen Vorfilter, die grobe Verunreinigungen am Anfang der Prozesskette entfernen, Aktivkohlefilter sowie UV-Lampen, die durch photochemische Oxidation Spuren an organischen Stoffen entfernen (bei 185 nm) sowie Mikroorganismen inaktivieren (bei 254 nm).

Die gängigsten Methoden der Wasseraufbereitung

Reverse Osmose: Diese Technik ist im Allgemeinen der erste Schritt in der Wasseraufbereitung. Nach einer Vorreinigung über Vor- und Aktivkohlefilter, die Verunreinigungen entfernen, die die Membran schädigen könnten, wird das Wasser unter Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Die Reverse Osmose entfernt einen Großteil der Verunreinigungen bis zu einer Größe von 200 Dalton und ist damit eine sehr effektive Wasseraufbereitungsmethode. Nukleasen oder Pyrogene sowie gelöste Gase können mit diesem System allerdings nicht entfernt werden. Andererseits gibt es bei der Reversen Osmose immer „Verluste“ – das gereinigte Permeat wird weiterverwendet, das Konzentrat verworfen. Neuere Systeme führen das Konzentrat, gemeinsam mit neuem Wasser, wieder als Zulauf zu für einen weiteren Durchgang. Die Wasserrückgewinnung liegt, je nach System und Voraussetzungen, bei 50% bis 80% [1]. Durch Heizsysteme, die für eine konstante Temperatur sorgen, kann die Trennung weiter optimiert werden. Denn schon eine Erniedrigung der Arbeitstemperatur um 1 °C verringert die Flussrate um ca. 3%. Denkt man nun an ein großes RO-System, welches ein ganzes Gebäude versorgt und dementsprechend hohe Mengen aufreinigt, kommt man bei einer Flussrate von 200 l/h und einer 70%igen Rückgewinnung auf einen „Verlust“ von 60 l/h.

Deionisierung: Deionisiertes Wasser wird mittels Ionenaustauscher gereinigt, die Anionen, wie Chlorid- oder Nitrationen und Kationen, wie Natrium- oder Calciumionen entfernen. Dieses Wasser erfüllt die Vorgaben nach Typ-I-Wasser. Damit sich die Kapazität der Ionenaustauscher nicht zu früh erschöpft, sollte als Zulauf immer bereits relativ reines Wasser eingesetzt werden, wie RO-Wasser. Ein Wasserverlust tritt nicht auf, aber die Kartuschen müssen regelmäßig ausgetauscht werden.

Elektrodeionisation: Eine Variante um Reinstwasser vom Typ I herzustellen ist die Elektrodeionisation. Bei diesem Verfahren werden die Ionentauscher mittels Elektrodialyse kontinuierlich regeneriert, wodurch der Austausch der Kartuschen entfällt. Das ist ökonomisch wie ökologisch sinnvoll und momentan sicherlich die umweltfreundlichste Variante.

Ultrafiltration: Für Anwendungen, wie Zellkultur oder Molekularbiologie muss ultrareines Wasser eingesetzt werden – frei von Nukleasen, Pyrogenen, DNAsen und RNAsen. Diese werden durch Ultrafiltration entfernt, bei dem Wasser durch einen sehr feinporigen Filter (0,22 µm) gepresst wird.

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