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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].

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.

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].

Auch die Analytik hat in ihren Prinzipien der „green analytics“ niedergelegt, dass umweltfreundliche und nicht-toxische Lösungsmittel bevorzugt eingesetzt werden sollen. In der HPLC kann Wasser mit speziell darauf abgestimmten Säulen als Laufmittel für sehr polare Analyten eingesetzt werden [18].

Interessant ist in dieser Hinsicht die Micellar Liquid Chromatography (MLC), bei der Wasser den größten Anteil des Laufmittels ausmacht. Bei der MLC wird dem wässrigen Lösungsmittel eine oberflächenaktive Substanz, am häufigsten SDS, in einer Konzentration oberhalb seiner CMC (Critical Micelle Concen­tration) zugesetzt. Die Konzentrationen sind relativ gering – so beträgt die CMC für SDS 8,2 x 10-3 mol/l. Die oberflächenaktive Substanz bildet Mizellen, die als eine dritte Phase („Pseudophase“) fungieren. Die Separation der Analyten beruht nun auf den Verteilungsgleichgewichten zwischen „stationärer – wässriger Phase“, „Mizellen – wässriger Phase“ und „Mizellen – stationärer Phase“. Polare Analyten werden sich in der wässrigen Phase, unpolare Analyten innerhalb der Mizellen anreichern. Ein kleiner Anteil an organischen Lösungsmitteln, der von 3% - 15% reichen kann, muss als „Modifier“ zugesetzt werden. Diese sind mit Propanol, Butanol oder Pentanol aber aus EHS-Sicht eher unkritisch und SDS im Abwasser wird in der Umwelt aerob abgebaut [18]. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass viele Proben, u.a. auch Serum oder Plasma, ohne vorherige Extraktionsschritte aufgetragen werden können.

Es gibt sicher noch mehr Wassereinsparpotenzial im Labor, wie die Abwägung ob Wasserbad oder Heizblock für die Anwendung besser geeignet ist. Welches Gerät aber nicht mehr eingesetzt werden sollte und darf, ist die Wasserstrahlpumpe: einerseits aufgrund ihres hohen Wasserverbrauchs, andererseits aber aufgrund der Gefahr, dass Lösemitteldämpfe ins Abwasser gelangen können, worauf auch die Laborrichtlinien eindeutig hinweisen [19].

Literatur

[1] https://www.worldwaterday.org/

[2] https://www.worldwaterday.org/2020-home/learn/

[3] https://www.labmanager.com/business-management/make-every-drop-count-4975

[4] https://www.huber-online.com/download/brochures/Huber_Thermofluids_2019_DE-EN.pdf

[5] https://analytik.news/fachartikel/pdf/metrohm5.pdf

[6] Comparison of the environmental impact of an Elix 3 water purification system with a distillation apparatus: https://www.merckmillipore.com/DE/de/product/Elix-Advantage-Water-Purification-System,MM_NF-C77083?CatalogCategoryID=#documentation

[7] https://www.orf.od.nih.gov/TechnicalResources/Documents/DTR%20White%20Papers/Laboratory%20Water-Its%20Importance%20and%20Application-March-2013_508.pdf

[8] https://www.bnb-nachhaltigesbauen.de/fileadmin/pdf/BNB_Steckbriefe_Laborgebaeude/L_123_trinkwasserbedarf.pdf

[9] https://www.steelcogroup.com/en/products-catalogue/laboratory-products/item/eco-options-lab

[10] https://www.umweltinnovationsprogramm.de/sites/default/files/2019-09/abschlussbericht_uba_az_70441_1_17_fluoron.pdf

[11] https://www.asynt.com/wp-content/uploads/2016/07/Asynt-CondenSyn-MINI-Waterless-Air-Condenser-2017-UPDATED.pdf?x47295

[12] https://www.igz.ch/downloads/13627/Findenser%20V4-d%20low%20res.pdf

[13] https://heidolph-instruments.com/en/products/Findenser-tm~c27942

[14] https://www.kcl.ac.uk/aboutkings/strategy/sustainability/get-involved/staff/sustainability-champions/lab-champions/case-studies/waterless-condensers-%E2%80%93-saving-water-and-reducing-risk-in-laboratories

[15] https://online-shop.eppendorf.de/DE-de/Temperieren-und-Mischen-44518/Zubehoer-44520/PCR-Cooler-PF-55940.html

[16] https://www.laborjournal.de/rubric/produkte/alle/LjPr-18-09.pdf

[17] http://www.sciepub.com/WJCE/abstract/6489

[18] https://www.mdpi.com/1420-3049/23/5/1065

[19] https://dguvi213-850.vur.jedermann.de/bgi850-0/xhtml/document.jsf?activeToolbarTab=document&event=navigation&docId=bi850%2Fbi850-Documents%2Fdi213-850%2Fdi213-850_194_.html&alias=bi850_di213_850_s5_2_17_&start=0&highlighting=true&highlightingTerm=wasserstrahlpumpe++++

* Dr. K. Hermuth-Kleinschmidt: NIUB-Nachhaltigkeitsberatung, 79112 Freiburg

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