Abwasserrecycling ist ein Weg zur Senkung der Risikoexposition und der Wasserkosten in der pharmazeutischen Herstellung

von Mike Hook, Jai McIntosh

19. Juli 2023

13:25

Mike Hook ist Vertriebs- und Marketingdirektor für PRAB und verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der mechanischen Konstruktion und Anwendung. PRAB ist ein führender Anbieter von Abwasseraufbereitungslösungen sowie technischen Förderbändern und Geräten für die Verarbeitung von Stanzabfällen, Spänen, Spänen und verbrauchten Metallbearbeitungsflüssigkeiten.

Da die Wasserkosten steigen und die Kluft zwischen weltweitem Wasserangebot und -nachfrage bis 2030 voraussichtlich 40 % betragen wird, wenn die derzeitigen Praktiken beibehalten werden, trägt der Wasserverbrauch bei der Entwicklung pharmazeutischer Produkte nicht nur zu einer weltweiten Wasserversorgungsknappheit bei, sondern erhöht auch das Risiko für das Unternehmen Ebene.

Laut einem Bericht des US-Energieministeriums beträgt die durchschnittliche jährliche Preissteigerungsrate für Wasser 4,1 %, basierend auf den gemeldeten Raten von 2008 bis 2016. Zusätzlich zu den Rohstoffkosten steigen auch die Kosten für die Einhaltung von Abwasservorschriften. Mehrere Faktoren tragen zu höheren Wasserkosten bei – etwa Abwassergebühren für die Einleitung in eine Kläranlage (WWTP), Abwassergenehmigungen für Abwasser, biologischer Sauerstoffbedarf (BSB), chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Bußgelder für Überschreitungen.

Sowohl der Ruf als auch die betriebliche Nachhaltigkeit stehen auf dem Spiel. Während Pharmaunternehmen ihre Umwelt-, Sozial- und Corporate-Governance-Strategien verfeinern, helfen Nachhaltigkeitsverbesserungen diesen Unternehmen glücklicherweise dabei, verantwortungsvolle Betriebspraktiken an den Tag zu legen, die sowohl der Weltgemeinschaft als auch dem Endergebnis zugute kommen.

Wasser ist nicht nur ein grundlegender Hilfsstoff in der pharmazeutischen Entwicklung, sondern auch für zahlreiche Prozesse zur Unterstützung der Produktion unerlässlich. Zu den Abwassererzeugern in der pharmazeutischen Produktion gehören:

Chemische Reaktoren: Bei jeder chemischen Modifikation entsteht Abwasser, wenn Reaktoren geleert, gereinigt und wieder gefüllt werden. Das Abwasser kann Reaktionsrückstände, nicht umgesetzte Reaktanten, Produkte und Nebenprodukte einschließlich Säuren, Basen, Metalle, Halogenide, Nitrate, Cyanide, Sulfate und Spuren aktiver pharmazeutischer Inhaltsstoffe (API) enthalten.

Fermentations- und Reinigungsprozesse:Das Abwasser kann biologisch aktive Substanzen (wie Enzyme), Nährstoffe (Stärke, Zucker, Polyole), Spurenelemente, Vitamine, Aminosäuren, anorganische und organische Salze, oberflächenaktive Stoffe oder komplexe (undefinierte) Inhaltsstoffe enthalten.

Extraktionsprozesse: In der Arzneimittelherstellung werden regelmäßig mehr als 30 Lösungsmittel verwendet, darunter Ethanol, Methanol, Aceton, Isopropanol und Essigsäure. Obwohl einige Lösungsmittel vor der Einleitung zurückgewonnen werden, verbleibt ein Teil im Abwasser der Anlagen.

Misch- und Granulierprozesse: Abwasser entsteht nach dem Spülen von Geräten, die zum Mischen von Wirkstoffen und Hilfsstoffen verwendet werden. Das Abwasser kann Rückstände von Reinigungsmitteln, Hilfsstoffen und Wirkstoffen wie Abfallstärken und Zucker enthalten.

Geräte- und Bodenreinigung:Abwasser enthält Reinigungs- und Schadstoffe, die bei der Gerätenutzung entstehen.

Abblasen des Scrubbers:Abwasser aus Wäscherabschlämmungen enthält lösliche und unlösliche organische Verbindungen sowie absorbierte Chemikalien (Säuren/Basen).

Laboreinrichtungen:Abwasser aus Laboreinrichtungen kann giftige Verbindungen und Spuren von Wirkstoffen enthalten.

Herstellung von Kompendial- und Brauchwasser:Beispiele hierfür sind Umkehrosmosekonzentrate und Kühlturm-/Kesselabschlämmabwässer, die gelöste Salze, Alkalität, Clean-In-Place (CIP)-Chemikalien und Gesamtschwebstoffe (TSS) enthalten.

Sanitärabwasser: Dieses Abwasser kann organische Schadstoffe, Schwebstoffe, Fett, Öl und Fett (FOG) sowie Mikroorganismen enthalten. Wenn Abwasser behandelt und wiederverwendet werden soll, sollte Sanitärabwasser nicht mit anderen zur Wiederverwendung vorgesehenen Abwässern kombiniert werden.

Um steigenden Kosten entgegenzuwirken und Compliance-Richtlinien einzuhalten, führen viele Pharmaunternehmen ZLD-Programme (Zero Liquid Discharge) ein, die die Einleitung von Abwässern durch die Aufbereitung und Wiederverwertung von Abwasser minimieren oder ganz verhindern. Abwasseraufbereitungssysteme können die Wassermenge um bis zu 98 % reduzieren und ermöglichen Pharmaherstellern, ihre Wasserkosten zu senken, ZLD-Ziele zu erreichen und staatliche und lokale Vorschriften einzuhalten. Die Entsorgungskosten können bis auf das 15-fache des ursprünglichen Betrags sinken. Mit Fähigkeiten, die nachweislich nicht nur den Wasserverbrauch, sondern auch die CO2-Emissionen senken, werden Abwasserrecyclinggeräte zunehmend Teil der Nachhaltigkeitsaktionspläne der Pharmaindustrie.

Beispielsweise verbrauchte ein Forschungslaborzentrum, das therapeutische Produkte zur Behandlung von Atemwegs-, Muskel-Skelett- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickelte, in seinen Prozessen große Mengen Wasser. An einem typischen Tag leitete das Labor etwa 4 Tonnen Abwasser ab. Dies führte zu einem hohen Abwasseraufkommen und Entsorgungskosten. Wenn das Pharmalabor das Abwasser aufbereiten und das aufbereitete Wasser in seinen Prozessen wiederverwenden würde, würden der Wasserverbrauch und die Entsorgungskosten erheblich sinken. Das pharmazeutische Labor fügte zur Behandlung seines Abwassers eine Vakuumverdampfung hinzu, wodurch die Anlage mehr als 90 % des Wassers für die Wiederverwendung zurückgewinnen konnte.

Während pharmazeutische Hersteller von der Abwasseraufbereitung viel profitieren können, ist die Integration dieser Kapazitäten vor Ort nicht ohne Herausforderungen. Die pharmazeutische Abwasserbehandlung ist ein besonders spezialisierter Prozess, da Abwässer aus der pharmazeutischen Produktion sehr inkonsistent sind. Unabhängig davon, ob APIs oder Fertigprodukte durch chemische Synthese oder Bioverarbeitung hergestellt werden, ist jedes Abwasser ein Derivat der einzigartigen Prozesse, die zur Entwicklung des Produkts verwendet werden. Tatsächlich kann es bei Anlagen, die das gleiche Produkt herstellen, zu Abweichungen im Abwasser kommen. Dementsprechend vielfältig sind auch die Abwasseraufbereitungssysteme.

Eine Laboranalyse des Abwassers, eine sorgfältige Überprüfung des Produktionsprozesses und eine Zielbewertung bilden den Ausgangspunkt für die Spezifikation einer Behandlungslösung. Während der Überprüfung müssen Wassermengen, Wassertemperatur und Durchflussraten definiert werden. Darüber hinaus müssen operative Ziele besprochen werden. Bei einem Aufbereitungsplan, der die Wiederverwendung umfasst, hängen die Parameter des recycelten Wassers von der Wiederverwendungsanwendung ab. In den meisten Fällen handelt es sich bei Wiederverwendungsanwendungen um minderwertigen Wasserbedarf, beispielsweise um Ergänzungswasser für Kühltürme, Kessel, Reinigung oder Bewässerung.

Zu den Parametern, die während der Labortests analysiert werden, gehören:

Die Ergebnisse der Laboranalyse helfen Abwasserbehandlungsexperten dabei, ein System zu definieren, das die Prozesse durchführt, die zur Erfüllung von Compliance- und Geschäftszielen erforderlich sind. Es gibt mehrere Schlüsselprozesse zur Behandlung von pharmazeutischen Abwässern. Sie beinhalten:

Abwasserströme trennen oder deaktivieren: Dies kann erforderlich sein, um hochkonzentrierte oder giftige Ströme zu behandeln, oder es kann kosteneffizienter sein, wenn der Großteil des Abwassers keine APIs enthält und daher die Behandlung des gesamten Abwasservolumens zur API-Reduzierung/-Entfernung ineffizient ist. Ströme, die biologisch aktive Inhaltsstoffe enthalten, müssen diese Substanzen möglicherweise deaktivieren, bevor sie mit anderen Abwasserströmen kombiniert werden.

Ausgleich:Durch die Einleitung von Abwasser in einen Ausgleichsbehälter wird die Durchflussmenge ausgeglichen, die Schadstoffbelastung ausgeglichen und Temperaturschwankungen vermieden.

pH-Einstellung:Um eine effiziente Verarbeitung in nachgeschalteten Behandlungsstufen zu erreichen, kann eine Anpassung der Alkalität oder des Säuregehalts des Abwassers erforderlich sein.

Schwebstoffe entfernen:Dies kann durch eine Kombination aus Koagulation, die die Partikel zusammenklumpt, Flockung, die die Klumpen entfernt, Flotation, Sedimentation oder Filtration erreicht werden.

Aerobe oder anaerobe biologische Behandlung:Dadurch wird biologisch abbaubares organisches Material in Biomasse umgewandelt, die dann vom aufbereiteten Wasser abgetrennt werden kann.

Verdunstung: Dieser Prozess wird auch als Evapokonzentration oder Destillation bezeichnet und dient dazu, das Abwasservolumen vor der Entsorgung zu reduzieren. Es entsteht hochwertiges Kondensat, das in vielen Fällen recycelt und wiederverwendet werden kann.

Da die Behandlung pharmazeutischer Abwässer für den jeweiligen Produktionsprozess einzigartig ist, vervollständigen modulare Abwasserbehandlungslösungen spezifische Behandlungsprozesse. Hier sind vier gängige Lösungen, die Pharmahersteller nutzen, um Kosten zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen:

Öl-Wasser-Abscheider: Diese Systeme können die Abtransportkosten um bis zu 90 % senken, den Wasserverbrauch senken und die Lebensdauer von löslichen Ölen, Waschwasser, Spülwasser und Druckabwaschwasser (oder Prozesswasser) verlängern. Eine Abwärtsströmungs-Schwerkraftkoalesziermethode trennt Öl von Wasser auf weniger als 15 ppm. Das Öl-Wasser-Gemisch wird über einen schwimmenden Skimmer gepumpt oder durch Schwerkraft in einen Abscheider geleitet, wo freies und mechanisch dispergiertes Öl aus dem Zufluss entfernt wird. Das abgeschiedene Öl wird automatisch durch Schwerkraft in einen Abfallbehälter abgeleitet. Das saubere Wasser wird durch Schwerkraft oder über eine optionale Entladepumpe in den Abwasserkanal oder zurück in den Prozess abgeleitet.

Ultrafiltration (UF): Diese Systeme klären Lösungen, die suspendierte Feststoffe, Bakterien und hohe Konzentrationen an Makromolekülen, einschließlich Öl und Wasser, enthalten. Die Ultrafiltration nutzt die Querstromfiltration, um emulgierte Öle, suspendierte Feststoffe, Metallhydroxide, Emulsionen, dispergiertes Material, suspendierte Feststoffe und andere Materialien mit hohem Molekulargewicht zu entfernen.

Bei der UF fließt die Flüssigkeit parallel zu einer semipermeablen Membran, die die emulgierten Öle und die suspendierten Feststoffe zurückhält, während das Wasser und die gelösten Feststoffe die Membran passieren. Verschiedene Membrankonfigurationen helfen Pharmaunternehmen dabei, besondere betriebliche Anforderungen wie Platzbedarf und Energieverbrauch zu berücksichtigen.

Darüber hinaus ist die Qualität des von UF erzeugten Abwassers in der Regel sehr konstant. Diese Zuverlässigkeit reduziert den Testaufwand, der zur Validierung der Wasserqualität für die Wiederverwendung erforderlich ist.

Vakuumverdampfung: Die Verdunstung unterscheidet sich von anderen Trennverfahren dadurch, dass sie das Wasser von Verunreinigungen befreit, anstatt Verunreinigungen aus dem Wasser zu filtern. Vakuumverdampfer erreichen die höchsten Wasserrückgewinnungs- und Konzentrationsraten. Da Vakuumverdampfer in der Lage sind, pharmazeutische Abwassermengen von 1 bis 120 Tonnen pro Tag zu behandeln und zu destillieren und Gesamtfeststoffkonzentrationen von mehr als 85 % zu erzeugen, können sie die Wasserkosten um bis zu 99 % senken. Drei Arten von Vakuumverdampfern umfassen:

Wärmepumpen: Flexibel und vielseitig mit geringem Stromverbrauch und höchster Zuverlässigkeit.

Warmwasser/Kaltwasser: Nutzt überschüssiges Warmwasser/Dampf und Kühlwasser, um die Betriebskosten zu senken.

Mechanische Dampfrekompression (MVR): Verwendet niedrige Siedetemperaturen, um Abwassermengen mit hohen Durchflussraten zu behandeln.

Umkehrosmose (RO): Diese Filtrationstechnologie entfernt mithilfe einer semipermeablen Membran gelöste Feststoffe und Verunreinigungen aus dem Wasser. Die Membran lässt Wasser durch, hält jedoch den Großteil der gelösten Feststoffe und anderen Verunreinigungen zurück. Ein ordnungsgemäß ausgelegtes und betriebenes Umkehrosmosesystem kann bis zu 99,5 % der ankommenden gelösten Salze und Verunreinigungen entfernen. Allerdings benötigen RO-Membranen einen hohen Wasserdruck (höher als der osmotische Druck), um effektiv zu funktionieren.

Obwohl sich Pharmaunternehmen zunächst mit dem Wasserverbrauch in ihren eigenen Betrieben befassen sollten, sollten auch die Quellen in der Lieferkette genau unter die Lupe genommen werden. Schätzungsweise 80 % der weltweiten APIs kommen aus China, Indien und einigen anderen Ländern. Da die Wasserunsicherheit ein globales Problem darstellt, muss das Risikomanagement über die Grenzen der Produktionsanlagen eines Unternehmens hinausgehen – insbesondere, wenn Arzneimittelentwickler ihre Produktionsanstrengungen intensivieren, um die wachsende Nachfrage nach Arzneimitteln zu decken.

Laut einem Bericht von Barclays belaufen sich die Kosten für die Biotechnologie-, Gesundheits- und Pharmaindustrie für die Bewältigung des Wasserverbrauchs auf 4 Milliarden US-Dollar, verglichen mit den potenziellen maximalen finanziellen Auswirkungen von 52 Milliarden US-Dollar, die den Branchen entstehen könnten, wenn sie es nicht schaffen, die Wasserknappheit anzugehen. Arzneimittelhersteller, die Abwasseraufbereitung und -recycling vor Ort nutzen, werden gleichzeitig ihre Nachhaltigkeitspraktiken vorantreiben, die Arzneimittelversorgung sichern und sich einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

Redaktioneller Inhaltsproduzent bei EPM, der sich um alle redaktionellen Inhalte für das Magazin und die Website kümmert.

19. Juli 2023

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