Trends und Tendenzen für die Wasseraufbereitung und den Reinstwasser Anlagenbau

Transkript

1 Trends und Tendenzen für die Wasseraufbereitung und den Reinstwasser Anlagenbau 1

2 1. Gesamt Konzept eines Reinst-Wassersystem 2. Energieeffizienz 3. Entwicklung im Anlagenbau 4. Neue Konzepte

3 Unsere Vision Die international führende Wassertechnologie-Gruppe. 4 Produktionsstandorte Mitarbeiter 480 Mio. Umsatz F&E-Abteilungen in Frankreich, Deutschland, der Schweiz und Österreich Weltweit führendes Know-how in allen Bereichen der Wasseraufbereitung 3

4 BWT in Europa BWT bietet ein dichtes Netzwerk an Produktions-, Verkaufs- und Service-Standorten in Europa Mondsee (A) Schriesheim (D) Saint Denis (F) Aesch (CH) Ashbourne (IRE) Vaihingen (D) Zaventem (B) Greve (DK) Budaörs (HU) 4

5 BWT Schweiz

6 BWT Pharma Schweiz BWT MULTITRON Mehrkolonnen Destillationssysteme stehen in Standardgrößen von 50 bis l/h zur Verfügung. Höchste Energieeffizienz wird durch eine variable Leistungsregelung sichergestellt, die zwischen 10 und 100 % der Produktionskapazität je nach Bedarf des Lagersystems zur Verfügung steht und somit häufige An- und Abfahrzyklen vermeidet. BWT LIPROLINE Prozessanlagen für flüssige Medien finden in einem weiten Bereich der pharmazeutischen Industrie Verwendung, unter anderem als thermische Dekontaminationsanlagen, WIP / CIP / SIP Anwendungen sowie in der Weiterverarbeitung flüssiger Medien.

8 Wasserqualitäten Was weiss ich von meinem Trinkwasser? Von wo kommt das Trinkwasser? Beziehen wir Trinkwasser aus verschiedenen Quellen? Werde ich Informiert bei wechselnden Quellen? Trinkwasser Zusammensetzung (Tag, Woche, Monat, Quartal, Jahr) Trinkwasser-Qualität am Eintritt ins Werksgelände? Trinkwassernetz auf dem Gelände? Trinkwassernetz im Gebäude? Temperaturschwankungen des Trinkwassers? = Richtwert: pro C = -2.5% Leistung Trinkwasser 15 C Trinkwasser 12 C Leistung = 1000 l/h Leistung = 925 l/h

9 Inhaltsstoffe Ionische Bestandteile (gelöste Salze, Härtebildner) Organische Stoffe Verunreinigungen Mikrobiologische Bestandteile

10 Trinkwasser weltweit

11 Wasserqualitäten Wasserchemie CO 2 / LEITFÄHIGKEIT CO 2 ppm Gelöste Kohlensäure / Leitwert ph-wert ph 8.3 Leitfähigkeit von gelöster Kohlensäure Mol-Anteil x 100

12 Überblick Vorbehandlung Alternativen der Vorbehandlung Rohwasser- Inhaltsstoffe Eisen und Mangan Calcium und Magnesium (Härtebildner) Barium und Strontium Schwebestoffe >50 µm Kolloide Gelöste Kieselsäure (SiO2) Kohlensäure Chlor und Ozon Organische verunreinigungen (TOC) Rückspülfilter Mehrschichtfiltration Anschwemmfiltration Mikrofiltration Keime (KBE) Ultrafiltration Enthärtung Säuredosierung (HCl, H 2 SO 4 oder CO 2 ) Antiscalant-Dosierung Aktivkohlefiltration Sulfitdosierung (NaHSO 3, Na 2 SO 3 ) UV-Bestrahlung Laugedosierung (NaOH) Membranentgasung sehr gut geeignet, nahezu vollständige Entfernung gut geeignet, Einsatzbedingungen sind zu überprüfen bedingt geeignet, bei sehr geringen Belastungen - kein Effekt

13 Pharma-Wasserarten In der Pharma-Industrie kommen 4 Wasserarten zum Einsatz: - Trinkwasser - Gereinigtes Wasser* / Purified Water* - Highly Purified Water* / Purified Water low Endotoxine* - Wasser für Injektionszwecke* / Water for Injection* * Regulatorische Wasser-Qualitäten (beschrieben in Pharmakopöen)

14 Wasserqualitäten nach Ph.Eur. & USP Purified Water Highly Purified Water Water for Injection Eur.Pharm./ (USP) Eur. Pharm./ (USP ) Eur. Pharm. USP Conductivity at 25 C 4,3 µs/cm bei 20 C / ( 1.3 µs / cm) 1.3 µs / cm / (n.c.st) 1.1 µs / cm 1.3 µs / cm ( 20 C) Heavy Metals --- / ( 0,1 ppm) 0.1 ppm / (n.c.st.) 0.1 ppm --- Nitrate --- / 0,2 ppm 0.2 ppm/( n.c.st.) 0.2 ppm --- Total Organic Carbon < 500 ppb < 500 ppb / (n.c.st.) < 500 ppb Microbial Limit < 100 cfu / 1 ml 10 cfu / 100 ml / (n.c.st.) 10 cfu / 100 ml Endotoxines Eu / ml / (n.c.st.) 0.25 EU / ml n.c.st. = no comparable standard

15 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten vom Trinkwasser zum Pharmawasser z.b. Multimediafilter Pretreatment PW OSMOTRON RO Erzeuger / EDI Parameter USP31 Ph. Eur. 6th Edition TOC Max 0.5 (mg/l) Max 0,5 (mg/l) Conductivity 1.3 µs/cm@25 C 4,3 µs/cm@20 C Nitrate NO ,2 ppm Heavy Metals ,1 ppm as Pb Aerobic bacteria Evaluation for the actual application 100 CFU/ml

16 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten Ionenaustausch Umkehrosmose (in der Regel 2-stufig) Kombination aus Umkehrosmose und Elektrodeionisation und Ultrafiltration Destillation

17 Ionenaustauscher

18 RO / RO PW Waste water Waste water City water Softener Filter 5µm Pump Reverse Osmosis 1 Pump Reverse Osmosis 2

19 RO / EDI PW Waste water Waste water City water Softener Filter 5µm Pump RO EDI EDI rinsing loop

20 RO / EDI / UF PW Waste water Waste water City water Softener Filter 5µm Pump RO EDI UF EDI rinsing loop

21 Membranentgasung

22 III. ELEKTRODEIONISATION

23 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten BWT SEPTRON Modul Kathode E-Feld Diluat C out Permeat von der RO C in* Spacer Kationenaustauschermembrane Mischbett- Ionenaustauscher Harz Anionenaustauschermembrane C in* : Spülung mit Konzentrat

24 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten 6000 Daltons Trenngrenze Hohlfaser Polysulfonmembrane Abscheidung von Pyrogene & Bakterien Ultrafiltration als letzte Verfahrensstufe Heißwassersanitisierbar >= 80 C

25 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten Destillation / Bauarten für die WFI - Produktion Drei Bauarten in der Pharmaindustrie üblich Thermokompression Fallfilmverdampfer Naturumlaufverdampfer Weitere Unterscheidung: Einstufenanlagen Mehrstufenanlagen

26 Naturumlaufverdampfungsverfahren großer Dampfraum mit großem Wasserreservoir dadurch sehr gutes Ansprechverhalten bei schwankenden Entnahmen Fallfilmverdampfungsverfahren Kleiner Dampfraum mit kleinem Wasserreservoir Gutes Betriebsverhalten bei kontinuierlichen Prozessen bei gleichbleibenden und schwankenden Produktionsmengen Speisewasserschwankungen können gut ausgeregelt werden, da der Füllstand in der Kolonne und nicht der Durchfluss entsprechend der Leistung geregelt wird Gutes Betriebsverhalten bei kontinuierlichen Prozessen bei gleichbleibenden Produktionsmengen, hat Nachteile bei schwankenden Produktionsmengen benötigt einen kontinuierlichen Speisewasserfluss durch die Verdampferröhrchen, da es sonst zu Überhitzung kommen kann Für beide Bauarten gilt: Eine den Vorschriften entsprechende WFI Qualität wird bei entsprechender konstruktiver Umsetzung erreicht.

27 Erzeugung der verschieden Wasserqualitäten > 90 C > 80 C < 0.5 µs/cm 150 C 125 C >100 C

28 Mehrstufige Destillationsanlage Anzahl der Kolonnen: 3-8, je nach Kapazität Leistung: l/h Erhöhung der Kolonnenanzahl und Einsatz von Vorwärmern verringert den Bedarf an Kühlwasser und Heizdampf Keine bewegten Teile in den Reinstdampf und WFI Leitung Nur die Speisewasserpumpe als bewegtes Teil Typische Ausrüstungsbestandteile: > Vorwärmer > Speisewasserpumpe > Integrierter Schaltschrank

29 Design und Planung Behördliche Anforderungen USP / EP Länder spezifische Anforderungen Kunden Anforderungen Leistung Werkstoffe Vorgaben Lieferanten Erfahrungen Budget Bauliche Gegebenheiten

30 Standard oder Kunden Design?

31 Design Redundanz Planung 1 x 100% / 2 x 100% / 2 x 50% Verbraucher 2 Loop Pumpen oder 1 Ersatzpumpe

32 Design Auslegung und Planung Wasseraufbereitung Feed Monitoring Verbraucher Zusammenspiel Lagertank Verteilsystem

33 Planungsgrundlagen: IST - Aufnahme WASSERBEDARFSLISTE / LIST OF CONSUMPTION PROJEKT HPW Anlage Seite von Firma / Company APPARATUR Beilagen -Bemerkungen Land / Country Aufbereitung im Bau Fabrikation -Legende / Werk / Site Kurzzeichen Wasser HPW Erläuterungen Bau / Building Bezeichnung Wasser Highly Purified Water zugehörige Zeichnung: Prinzipschema Pos. Nr. Wasserqualität Bezeichnung / Beschreibung Beschreibung des Raum Nr. Druck min. Q-max NOMINAL (Pumplst.) Verbrauch Gleichzeitigkeit neu Temp. C der Entnahmestelle Verw endungszw ecks ( bar ) ( m 3 /h ) t ( h ) N ( m 3 /h ) V ( m 3 ) Q-tot täg. (m 3 /24h)G ( - ) Q ( G) (m 3 /h) 1 HPW 20 Verbraucher A Reinigen HPW 20 Verbraucher B Produktion HPW 20 Verbraucher C Produktion HPW 20 Verbraucher D Produktion TOTAL / ÜBERTRAG Genehmigung: Datum: Visum: AUFBEREITUNGS-, LAGER- UND VERTEIL- BEMERKUNGEN: Betreiber SYSTEM / AUSLEGUNGSDATEN Kapazität NOM > kein Schichtbetrieb zu berücksichtigen Entgegennahme: Kapazität NOM > ohne Minimal-Rückflussmengen im Ring Engineering

35 Planungsergebnis und Beispiel: 4 m3/h Zapfleistung und Annahme eines ca. 200 m langen Loops. Nennweite Geschwindigkeit Volumenstrom Bei Nullbezug DN 50 1 m/s 7 m3/h Delta P = 0,5 bar DN 32 1 m/s 3 m3/h Delta P = 0,9 bar Bei Bezug von 4 m3/h DN m/s 11 m3/h Delta P = 1,2 bar DN m/s 7 m3/h Delta P = 3,8 bar Aussage: Beide Loops würden der Aufgabe gerecht, doch der größere Durchmesser führt unweigerlich zu höherem Energieverbrauch und Wärmeeintrag, also zu höheren Betriebskosten und auch zu höheren Investitionen.

36 Wasser Mangement Einsparungen durch intelligentes Wassermanagement Vermeidung von Unterdruck im System, dadurch Minimierung des Risikos durch Mikrobiologie Versorgt Zapfstellen nach deren Priorität

37 Wasser Mangement Trendkurven ermöglichen eine grafische Darstellung der gemessenen und aufgezeichneten Werte. Der Zeitbereich kann am Bildschirm selektiert werden. Ist ein Drucker angeschlossen, kann der Bildschirminhalt direkt ausgegeben werden. Trend Es muß aber eine Bewertung der Daten erfolgen!

38 Sanitisierung METHODE VORTEILE NACHTEILE Permanente Sanitisierung bei C Sterilfiltration UV-Anlagen Elektrolytisch erzeugtes Ozon. keine Chemikalien. hohe Sicherheit. anerkannt. leicht steuerbar. wirksam. kann validiert werden (Integritätstest). keine Chemikalien. Installations- und Betriebskosten. permanenter Schutz. periodische Desinfektion. niedrige Unterhaltskosten. keine Kontamination. Schutz des Wassernetzes. Entfernung von Pyrogenen und TOC. Betriebskosten. teure Kühlsysteme für Kaltwasser-Endverbraucher. kein Schutz für das ganze System, da Endfiltration. Investitionskosten. Patronenwechsel kritisch. keine absolute Sicherheit. kein Wassernetzschutz. in Tanks und Behältern nicht wirksam. Investitionskosten. Materialbedarf. Akzeptanz. Ozon muss vernichtet werden

39 Sanitisierung METHODE VORTEILE NACHTEILE Sterilisation mit Dampf bei 121 C, alternativ dazu die Druck- Heißwasser-Sterilisation ( Vorteil keine Entleerung und keine zusätzlichen Installationskosten ). keine Chemikalien. Sicherheit. erprobt und anerkannt. kann über Temperatur gesteuert werden. Installationskosten. Produktionsstopp. System muss entleert werden. Verteilsystem muss Gefälle haben. arbeitsintensiv. keinen permanenten Schutz Chemische Desinfektion mit z.b.:. Peressigsäure. Wasserstoffperoxid. Natriumhypochlorit. Formaldehyd. wirksam. einfache Handhabung. niedrige Investitionskosten. Wirkung abhängig vom Verschmutzungsgrad. Chemikalien. Spülung muss überwacht werden. Produktionsstopp. kein permanenter Schutz. zeitintensiv. Beschädigung von Membranen / Harzen

40 Vergleich Ozon versus Heisswasser Sanitisierung Heisswasser Ozon / UV Investitionskosten Hoch Geringer Betriebskosten Sehr hoch gering Komponenten Tank Energien Bezug während der Sanitisierung WT Kühlen WT Heizen Regelventile Isolation Druck und Vakuumfest Heizdampf Kühlwasser Wärmetauscher für Heizen / Kühlen, somit kein Bezug mehr möglich Ozongenerator UV Lampe Restozonmessung (Wärmetauscher) Drucklos Elektrisch Tank immer unter Ozon, d.h. wird immer sanitisiert, UV Lampe zerstört das Ozon vor Loopeintritt, ständige Keimreduktion

41 Betriebskosten am Beispiel Ozon / Heisssanitisierung Beispiel: Sanitisierung bei 80 C versus Ozon für 100 m3/d Purified Water Tagesverbrauch Ozon: Die Erzeugung von 4 g Ozon benötigt Strombedarf für 10 g Kosten: 0.1 mg/l (100 ppb) = 10 g ca. 1.5 kw ca. 4 kw/d 1-2 CHF/d Sanitisierung und Kühlung: ( hier für 10 m3 Sanitisierungsvolumen ) Erwärmung von 20 auf 80 C Abkühlung von 80 auf 20 C Energiebedarf Erwärmung ca. 700 kw/d Energiebedarf Kühlung ca. 700 kw/d Kosten: 175 CHF/d

42 Einfluss Temperatur bei kalten Systemen Temperatureinfluss auf Gründe für Erwärmung: Leitungsführung in Gebäuden Wärmeeintrag durch Pumpen, UV-Lampen Saisonale Schwankungen Rohwassertemperatur Massnahmen gegen Erwärmung: Isolation Rohrleitungen und Tank Verwurf im Rücklauf Wärmetauscher im Rücklauf frequenzgesteuerte Loop - Pumpen kühler Aufstellungsort Wasseraufbereitung

43 Design und Planung Technische Lösungen in der Planung, wie z.b: Richtige ( ausreichende ) Wasserqualität für den Prozessschritt der Pharmaherstellung. Richtige Auslegung durch Feststellung aller Verbraucher, wann und wie viel. Ausgangswasser und deren Analyse führt zur richtigen Vorbehandlung. Wasser und Salz sparen durch Einsatz von Konzentratstufen und der richtigen MSR Technik am richtigen Ort ( z.b. ECOSALT, Durchflussmessung im Konzentrat ).

44 Kostilung Kostenverteilung Kostenverteilung bei der Produktion von ca m3 / Jahr ( entspricht bei h/jahr einer Stundenleistung von ca l/h ) Verluste 30'750 15'000 5'000 4'000 8'000 4'000 2'000 1'000 Enthärter / Salzkosten Wartung Personal Rückstellungen elektrische Energie Filter Chemikalien Wasser ( Produkt ) Wasser ( Abwasser RO ) 93'000

45 Einsparpontential Welche Möglichkeiten bestehen : Erhöhung der Ausbeute über die RO (also weniger Abwasser) längere Laufzeiten des Erzeugers bei kleinerer Leistung Verbrauchsmaterialen (Salz) optimal nutzen Einsatz einer RO Konzentratstufe Aber, was bedeutet dieses für die Praxis in der Anlage? Alle Inhaltsstoffe, die nicht entfernt wurden, werden aufkonzentriert.

46 Design und Planung Ausbeute der einzelnen Stufen WCF der einzelnen Produktionsstufen: RO 75% EDI % Total...~ 75% Der Einsatz einer Konzentratstufe kann die Ausbeute auf bis zu über 90 % erhöhen ( abhängig von der Rohwasserqualität ) Mit zusätzlicher Leistungsregelung ( %) kann die effektive Laufzeit der Anlage erhöht werden und dadurch An Abfahrzeiten reduziert werden, sodass effektiv Abwasser reduziert wird! * WCF : Water Conversion Factor

47 08/04/2013 Slide Concentrate stage

48 Umkehrosmose Konzentratstufe Konzentratstufe 3x 8 Druckrohre aus mit je 2 Membranen

49 Ohne Leistungsregelung Produktion Loop Rücklauf 90% Level stop Produktion => Produktionsanlage aus 60% Level start Produktion => Produktionsanlage ein Loop Vorlauf

50 Mit Leistungsregelung Produktion Loop Rücklauf % tank level 90% % of capacity 100% 70% 60% Loop Vorlauf

51 Media supply multiple effect still media supply multiple effect still per 100l/h WFI heating steam 8barg [kg/h] heating steam number of columns cooling water with feed water 20 C cooling water with feed water 80 C feed water cooling water C [l/h] feed water

53 Kombinierte Herstellung WFI und Reinstdampf erleichtert die Reinstmedienversorgung Problemlos mit dem Naturumlaufverfahren möglich Produktion von WFI und Reinstdampf gleichzeitig (parallel) oder unabhängig voneinander (seriell) Leistung von circa kg/h Reinstdampf sowie bis zu l/h WFI Verhältnis von Reinstdampf- zu WFI - Ausbeute in einem Verhältnis von 2:1 bis 1:4 möglich reduzierte Investitionskosten für Anlage und Peripherie um bis zu 30 Prozent kombinierte Anlage deutlich weniger Platz Kombinierte Anlage : paralleler Betrieb von RD und WFI

54 Kompakte Bauweise

55 Energie und Entwicklungen Old New

56 Energie Abwasser und Konzept Entwicklungen

57 Probenahme Konzept New Old

58 Multiblock Ventile Old New

59 Ultrafiltration Energie und Entwicklungen Old New

61 OsmoVision 2012 Confidential, Copyright by BWT Pharma & Biotech GmbH

62 OSMOVISION

63 Aktuell OSMOTRON PRO PW-2S PW Tank Raw water µs/cm µs/cm Sample Sample Vent Enthärter Filter 5µm Heizen Umkehrosmose Entgasung SEPTRON

64 OsmoVision PW tank Raw water µs/cm µs/cm Sample Sample Vent Enthärter Sanitron Filter 5µm Umkehrosmose mitnf

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67 BWT Sanitron Entgasung RO/EDI Konzentrat Zulauf für Umkehrosmose Katalysator Sanitron Zulauf Enthärter Druckluft

68 Vorteile des OsmoVision Resthärte Überwachung Bestehende Anlage OsmoVision Vorteile Testomat BWT Ecosalt C - Wartungsarm - Kosten Einsparen Ausbeute Ca. 75% Ca % Verfahren Sanitsation Entgasung Enthärter RO einstufig EDI / Septron Ultrafiltration Bei Bedarf Natronlauge Entgasung Enthärter RO einstufig EDI / Septron Ultrafiltration 24h/d kontinuierlich Strippen (versprühen) Weniger Abwasser = Kosten Einsparen Analoge Verfahrenstechnische Schritte = Grosse Betriebssicherheit Grosse Betriebssicherheit Keine Chemikalien

69 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit BWT AQUA AG Marcel Zehnder / Marcel.Zehnder@bwt-aqua.com