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Nachhaltigkeit

Wasser sparen im Labor – wie gelingt's?

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Aqua bidest: Unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten keine wirkliche Option. Geräte zur Destillation von Wasser gibt es noch immer, auch wenn es sich um die älteste Technik der Wasseraufreinigung handelt. Dieses Verfahren ist sehr energieintensiv, hat einen hohen Wasserverbrauch und ist langwierig. Vergleicht man den environmental impact einer Elektrodeionisationsanlage mit einer Destillationsapparatur, wird der Unterschied deutlich [6]. Für die Herstellung von 3 Litern gereinigtes Wasser benötigt eine Elektrodeionisationsanlage 15 Liter Wasser und 0,16 kWh Strom, eine Destillationsapparatur dagegen 26,6 Liter Wasser und 1,65 kWh Strom.

Hochgerechnet auf einen Tag macht das 100 Liter gegenüber 178 Litern, um 20 Liter reines Wasser zu erhalten, bezogen auf ein Jahr macht das 24.000 Liter für die Elektrodeionisation und 44.880 Liter für die Destillation. Diese Menge an sauberem Wasser wird verworfen. Bei der Elektrodeionisation kommt noch eine Vorreinigung über zwei Kartuschen dazu, für deren Herstellung ebenfalls Wasser benötigt wird. Das macht aber nur 270 Liter pro Jahr aus.

Auch der Energieverbrauch für die Destillation (2614 kWh/Jahr) ist in Bezug auf die Elektrodeionisation (617 kWh/Jahr) um den Faktor 4 höher – und hier sind Stand-by-Modus und das Verbrauchsmaterial in Form der Kartuschen mit eingerechnet.

Wenn man sieht, wie viel Aufwand hinter der Aufbereitung steht, sollte man bei der Anwendung auf die richtige Wasserqualität achten. Eine gängige Einteilung der verschiedenen Laborwassertypen ist die von der ASTM nach Wasser Typ I, Typ II und Typ III (s. LP-Info-Kasten). Typische Anwendungen für die verschiedenen Wassertypen sind:

  • Typ III – Nutzung als Spülmedium für Glasgeräte, für Autoklaven, Spülmaschinen, Befeuchtung, oder für Kühl- und Heizgeräte
  • Typ II – Puffer, Medien
  • Typ I – Analytik, Molekularbiologie, Zellkultur, Proteomics, Immunologie,…

Eine umfassendere Übersicht dazu wie auch zu den Kriterien, nach denen Wassertypen in den verschiedenen Standards eingeteilt werden, hat das National Institute of Health in einer Broschüre zusammengestellt [7].

Ergänzendes zum Thema
LP-Info: Laborwasser-Typen

Eine gängige Einteilung der verschiedenen Laborwasserqualitäten ist die von der ASTM D1193-06 (2011) (Quelle: NIH – Laboratory Water – It’s importance and Application)

Typ I:

  • Widerstand: min. 18,0 M-Ohm*cm (25 °C)
  • TOC-Gehalt: max. 50 µg/l
  • Natrium-Gehalt: max. 1 µg/l
  • Chlorid-Gehalt: max. 1 µg/l
  • Silica (gesamt): max. 3 µg/l

Typ II:

  • Widerstand: min. 1,0 M-Ohm*cm (25 °C)
  • TOC-Gehalt: max. 50 µg/l
  • Natrium-Gehalt: max. 5 µg/l
  • Chlorid-Gehalt: max. 5 µg/l
  • Silica (gesamt): max. 3µg/l

Typ III:

  • Widerstand: min. 4,0 M-Ohm*cm (25 °C)
  • TOC-Gehalt: max. 200 µg/l
  • Natrium-Gehalt: max. 10µ g/l
  • Chlorid-Gehalt: max. 10 µg/l
  • Silica (gesamt): max. 500 µg/l

Heizen, Kühlen, Waschen, Autoklavieren…

Große Wasserverbraucher im Labor sind Autoklaven und Spülmaschinen. Für eine Orientierung, was eine Spülmaschine pro Charge im Schnitt benötigt, kann man sich an den Angaben im Steckbrief des BNB für Laborgebäude orientieren [8]: 21 Liter Kaltwasser werden für das Vorspülen, 21 Liter Warmwasser für das Intensivspülen und 37,5 Liter VE-Wasser zum Nachspülen benötigt. Und hier muss der Wasserverbrauch für die Herstellung des VE-Wassers mitgerechnet werden. Dieses kann über Reverse Osmose oder Ionenaustauscher hergestellt werden. Fazit: Eine Spülmaschine sollte nur vollbeladen laufen, um unnötigen Wasserverbrauch zu vermeiden und bei der Neubeschaffung eines Gerätes sollte auf effiziente Wassernutzung geachtet werden.

Gleiches gilt für Autoklaven, die sowohl für Dampferzeugung wie die anschließende Abkühlung Wasser benötigen. Indem das zur Kühlung benötigte Wasser im Kreislauf geführt wird, anstatt Kondensat und Kühlmedium nur zu sammeln, durch externes Wasser zu kühlen und über den Abfluss entsorgt zu werden, kann einiges an Wasser eingespart werden. Noch effektiver wird es, wenn durch einen Wärmetauscher das Warmwasser seine Wärme an den Kaltwasserkreislauf des Gebäudes abgibt, wodurch zusätzlich Energie eingespart werden kann [9].

Ein Projekt aus dem industriellen Bereich, bei dem es um die Sterilisation von Medizinprodukten ging, zeigt, wie viel Einsparpotenzial möglich ist. Der „alte“ Autoklav mit einem Fassungsvermögen von 450 Liter wurde in der ursprünglichen Version mit Wasser gekühlt, welches anschließend ohne Nutzung der Abwärme in die Kanalisation eingeleitet wurde. Dieser wurde durch zwei Autoklaven mit einen Nutzvolumen von 600 Liter ersetzt. Durch den Einbau mehrerer Kühlkreisläufe und Wärmetauscher war es möglich, den Wasserverbrauch von ursprünglich 1600 Liter pro Zyklus auf durchschnittlich 15 Liter pro Zyklus zu senken – eine Reduktion von 99%. Auch der Stromverbrauch wurde von 13 kWh auf 9 kWh pro Zyklus gesenkt. [10].

Nicht nur Geräte, auch Reaktionen müssen gekühlt werden. In der Chemie werden normalerweise Wasserkühler eingesetzt. Es gibt in der Zwischenzeit aber Alternativen, die mit Luft kühlen. Diese verfügen über eine große innere Oberfläche, an der die Kondensation erfolgt und sind „nur“ aus Laborglas gefertigt [11] oder zusätzlich mit einem gerippten Aluminiummantel versehen, wodurch die Wärmeaustauschfläche erhöht wird [12,13]. Wie viel Wasser durch die Umstellung eingespart werden kann, hat das King’s College in London getestet: durch den Ersatz von 25 konventionellen Kühlern, konnten nach Schätzungen der Universität 1.500.000 Liter Wasser pro Jahr eingespart werden [14]. Positiver Nebeneffekt: die Gefahr von „Überflutungen“ des Labors durch eine nicht richtig angebrachte Leitung ist ausgeschlossen.

Muss man noch tiefere Temperaturen erreichen, werden oft Eisbäder eingesetzt. Die Herstellung von Eis wiederum ist ebenfalls energie- und wasserintensiv: Für die Herstellung wird VE-Wasser eingesetzt und der Eisbehälter muss konstant auf tiefen Temperaturen gehalten werden. Gerade für die Kühlung von Proben im kleinen Maßstab, kann man statt der eisgefüllten Styroporbox auf Alternativen umsteigen. Eine Möglichkeit sind wiederverwendbare Kühlakkus, die im -20 °C-Freezer in ca. 2 Stunden herunter gekühlt werden. Wird die Temperatur von 7 °C erreicht, wird dies durch einen Farbumschlag angezeigt [15]. Es gibt aber noch mehr „eisfreie“ Alternativen [16].

Wasser als „green solvent“ in Chemie und Analytik

Als „green solvent“ spielt Wasser eine wichtige Rolle in der Chemie und der Analytik. In beiden Disziplinen gab es in den letzten Jahren viele Versuche, um andere, nach EHS-Kriterien bedenklichere Lösungsmittel durch Wasser zu ersetzen. Ein Beispiel ist die Wittig-Reaktion, eine der wichtigsten und „klassischen“ Methoden in der organischen Chemie, um C=C-Bindungen zu knüpfen. Die Reaktion wird häufig in organischen Lösungsmitteln durchgeführt, aber es geht auch anders – eine Möglichkeit besteht darin, die Reaktion in wässriger Natriumhydrogencarbonatlösung durchzuführen [17].

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