Abwasserbehandlung in der pharmazeutischen Industrie: Leitfaden zur Prozessauswahl

Bei einem pharmazeutischen Abwasserstrom von einigen Dutzend Kubikmetern pro Tag erfüllt ein MBBR-basiertes biologisches System die Einleitungsgrenzwerte oft kostengünstiger und mit geringerem Bedienaufwand als eine vollständige Membrananlage. Ein MBR-System bewährt sich, wenn die Grenzwerte streng sind, die Stellfläche begrenzt ist oder das Wasser wiederverwendet wird.

Abwasserbehandlung in der pharmazeutischen Industrie: Leitfaden zur Prozessauswahl

Warum es für Abwässer aus der Pharmaindustrie keine allgemeingültige Antwort gibt

Pharmazeutische Anlagen produzieren nicht nur eine einzige Abwasserart. Eine Anlage, in der Synthese, Fermentation, Formulierung und Verpackung stattfinden, erzeugt Abwasserströme, die fast nichts miteinander gemeinsam haben, und die Frage, ob diese vor der Aufbereitung getrennt oder zusammengeführt werden, hat einen größeren Einfluss auf die Wahl des Verfahrens als die Wahl der Anlagenausrüstung.

Syntheseabwasser enthält Lösungsmittel, einen hohen CSB-Wert und oft einen hohen Salzgehalt. Abwasser aus Fermentationsbrühe weist eine hohe, aber weitgehend biologisch abbaubare organische Belastung auf. Bei der Formulierung und der Reinigung von Anlagen fallen mäßig konzentrierte Abwässer an, die pharmazeutische Wirkstoffe in geringer Konzentration enthalten; genau dieser Abwasserstrom steht im Fokus der Aufsichtsbehörden. Abblasewasser aus den Versorgungsanlagen und häusliches Abwasser vom selben Standort sind im Vergleich dazu unspektakulär, und ihre Zusammenführung mit dem Prozessabwasser verdünnt das Problem im Wesentlichen, vergrößert aber gleichzeitig die Anlage.

Vier Merkmale ziehen sich durch alle pharmazeutischen Standorte und bilden die Vergleichsgrößen, die im weiteren Verlauf dieses Leitfadens herangezogen werden:

• Geringe Durchflussmengen im Verhältnis zur Belastung. Eine Anlage, die täglich einige Dutzend Kubikmeter abführt, kann eine CSB-Konzentration aufweisen, die um ein Vielfaches höher ist als die von kommunalen Abwässern. Eine Dimensionierung allein auf Basis der Durchflussmenge führt zu einer völlig falsch ausgelegten Anlage.
• Kampagnenbetrieb statt kontinuierlicher Einleitung. In der Produktion wird ein Produkt über einen bestimmten Zeitraum hergestellt, anschließend wird die Anlage gereinigt und dann ein anderes Produkt gefertigt. Die Eigenschaften des Abwassers ändern sich je nach Produktionskampagne.
• Biomassehemmung. Antibiotika, Desinfektionsmittel, Lösungsmittel und Konservierungsstoffe dienen dazu, die mikrobielle Aktivität zu unterdrücken. Ein Teil dessen, was in den Bioreaktor gelangt, wirkt dem Prozess, den es eigentlich unterstützen soll, aktiv entgegen.
• Eine nicht biologisch abbaubare CSB-Fraktion, die durch die Belüftungszeit nicht entfernt werden kann und je nach Produktportfolio variiert.

Diese vier Faktoren sind der Grund dafür, dass Anbietervergleichsseiten, die MBBR und MBR anhand allgemeiner Kriterien gegeneinander abwägen, für einen Standort in der pharmazeutischen Industrie keine brauchbaren Ergebnisse liefern. Ausschlaggebend sind dabei die Schwankungen in der Belastung, das Hemmungsrisiko und die Strenge der Einleitungsgrenzwerte.

Die drei Züge, die tatsächlich auf dem Tisch stehen

MBBR (Biofilmreaktor mit beweglichem Bett). Die Biomasse wächst als Biofilm auf Kunststoffträgern, die durch Belüftung in Suspension gehalten werden. Da die Biomasse fest an den Trägern haftet und nicht in Suspension schwebt, wird sie bei Durchflussspitzen nicht ausgewaschen, und der Reaktor erholt sich schneller von einem Hemmstoffschub als ein System mit suspendiertem Wachstum. Die Feststoffabscheidung erfolgt anschließend weiterhin, in der Regel durch Absetzen oder einen einfachen Filter, und der Gehalt an suspendierten Feststoffen im Abwasser hängt davon ab, wie gut diese Abscheidung funktioniert.

MBR (Membranbioreaktor). Schwebende Biomasse mit untergetauchten Membranen, die den Klärbehälter ersetzen. Die Barriere hält die gesamte Biomasse im Reaktor zurück, unabhängig von ihrer Absetzbarkeit, was eine wesentlich höhere Biomassekonzentration und eine lange Schlammaufhaltezeit in einem kleinen Behälter ermöglicht. Die Schwebstoffe im Abwasser werden durch die Membran zurückgehalten und nicht durch das Absetzverhalten.

Hybrid: MBBR vor einem MBR. Die Träger in der ersten Stufe federn den Stoß ab und fangen den Hemmstoffanteil auf, wodurch die in der Membranwanne dahinter befindliche suspendierte Biomasse geschützt wird. Mehr Ausrüstung, mehr Kontrollpunkte, höhere Ausfallsicherheit.

Eine vierte Option verdient Erwähnung, da sie häufig die richtige ist und auf Vergleichsseiten selten auftaucht: die Abtrennung des problematischsten Stroms und dessen separate Behandlung oder der Abtransport vom Standort, während für den verbleibenden Großteil eine einfachere Anlage zum Einsatz kommt. An einem Standort, an dem eine Produktionslinie den größten Teil der Schwierigkeiten bei einem Bruchteil des Volumens verursacht, ist dies oft kostengünstiger als der Bau einer Anlage, die für den kombinierten Worst-Case-Fall ausgelegt ist.

MBBR im Vergleich zu MBR – Dimension für Dimension

Im Vergleich zu den Seiten mit allgemeinen Technologievergleichen, die die Suchergebnisse zu diesem Thema dominieren, ist auf einer pharmazeutischen Website in der Regel die Hemmungstoleranz wichtiger als die Abwasserqualität, denn eine Anlage, die in einer guten Woche die Grenzwerte einhält, bei einer Reinigungsaktion jedoch ausfällt, gilt nicht als vorschriftsmäßig.

Wo ein kompaktes biologisches System den Membranzug übertrifft

In der Branche greift man standardmäßig auf MBR zurück, sobald das Abwasser schwierig erscheint. Bei kleinen pharmazeutischen Abwasserströmen ist diese Standardvorgehensweise oft falsch, und es lohnt sich, genau zu klären, wann dies der Fall ist.

Ein MBBR-basiertes System ist die bessere kommerzielle Lösung, wenn mehrere der folgenden Punkte zutreffen:

• Der Einleitungsgrenzwert ist ein Abwassergrenzwert, kein Grenzwert für Oberflächengewässer. Die Einleitung in eine kommunale Kläranlage bedeutet in der Regel, dass eher Grenzwerte für den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) und die Schwebstoffe einzuhalten sind als strenge Abwasserqualitätsnormen. Ein biologisches System mit ausreichender Trennung erfüllt diese Anforderungen problemlos, und die Membran bietet zusätzliche Leistungsfähigkeit, für die niemand bezahlt.
• Die Durchflussmenge ist so gering, dass der Personalaufwand den größten Anteil an den Betriebskosten ausmacht. Bei einem Durchfluss von einigen Dutzend Kubikmetern pro Tag können die Membranreinigung, die TMP-Überwachung und der Umgang mit CIP-Chemikalien einen größeren Teil der Wochenarbeitszeit eines Technikers in Anspruch nehmen, als die Anlage wert ist. Die meisten pharmazeutischen Standorte verfügen nicht über einen eigens dafür zuständigen Abwassertechniker, sondern über einen Versorgungsingenieur, der noch weitere Aufgaben wahrnimmt.
• Das Zulaufwasser enthält einen nennenswerten Anteil an hemmenden Stoffen. Der Biofilm auf den Trägern überlebt das, was die suspendierte Biomasse nicht übersteht, und erholt sich, ohne dass eine erneute Besiedlung erforderlich ist, wie sie bei einem zusammengebrochenen MBR notwendig wäre.
• Es ist ausreichend Platz vor Ort vorhanden. Der Platzbedarf von MBBR im Vergleich zu MBR spielt nur dann eine Rolle, wenn kein Platz vorhanden ist, und viele pharmazeutische Standorte verfügen über eine Ecke auf dem Versorgungshof, die dafür genutzt werden kann.
• Es besteht kein Bestreben zur Wiederverwendung. Wenn das aufbereitete Wasser das Gelände verlässt, ist das von einem MBR erzeugte, feststofffreie Permeat nutzlos.

Kehrt man die Bedingungen um, ändert sich auch die Antwort entsprechend. Wenn das Gelände unter strengen Auflagen in einen Wasserlauf einleitet, keinen Platz bietet oder das Wasser zurückgewinnen möchte, ist ein MBR das Verfahren, mit dem sich dies erreichen lässt – ein MBBR allein reicht dafür nicht aus.

Die ehrliche Version des Vergleichs lautet also: MBR liefert eine bessere Wasserqualität, ist aber im Betrieb teurer; MBBR liefert für viele pharmazeutische Anwendungen ausreichend gutes Wasser und ist im Betrieb kostengünstiger. Die Entscheidung hängt von den in der Genehmigung festgelegten Einleitungsstandards ab, nicht davon, welche Technologie fortschrittlicher ist.

Abwasserbehandlung in der pharmazeutischen Industrie: Leitfaden zur Prozessauswahl

Dimensionierung einer Membrananlage für einen geringen Durchfluss im Werk

Wenn die Bewertung bei MBR ansetzt, werfen geringe Arzneimittelströme eine Frage zur Dimensionierung auf, die in den Leitlinien für kommunale Anlagen nicht zufriedenstellend beantwortet wird: die Modulgröße. Eine Anlage, die täglich mehrere Dutzend Kubikmeter behandelt, benötigt eine Membranfläche, die zwischen den Standardkassettengrößen liegt. Wählt man die falsche Modulgröße, fehlt dem Betreiber entweder die benötigte Fläche, oder er zahlt für Kapazitäten, die nie genutzt werden.

Banott’s Hohlfaser-MBR Der Bereich wird nach der effektiven Membranfläche angegeben:

Die dreistufige Baureihe ist gerade bei kleinen Anlagen nützlich, da sie es ermöglicht, eine Anlage in feinen Schritten statt in großen Kassettenblöcken zusammenzustellen. Eine Anlage mit geringem Gesamtflächenbedarf lässt sich aus einer Kombination zusammenstellen, die den Anforderungen entspricht und einen definierten Erweiterungsweg freihält – was an einem Standort wichtig ist, an dem eine Erweiterung der Produktionslinie zwei Jahre später zu einer veränderten Auslastung führt.

Die Flächenangabe allein reicht nicht aus, um die Größe einer Anlage zu bestimmen. Die folgenden Angaben sind nicht auf den Produktseiten veröffentlicht und sollten vor der Bestellung schriftlich angefordert werden:

Banott produziert außerdem Flachplatten-MBR-Module aus PVDF mit einer PET-Leinenunterlage, die von außen nach innen verläuft, in kompakten, integrierten und Standardausführungen. Bei kleinen Anlagen mit begrenztem Wartungspersonal lohnt es sich, die einfachere manuelle Überprüfung des Flachblattformats in die Vergleichsbetrachtung einzubeziehen, anstatt standardmäßig auf Hohlfasern zurückzugreifen.

Hemmung, Kampagnen und das Lösungsmittelproblem

Drei Fehlermuster sind für die meisten Ausfälle in pharmazeutischen Abwasseranlagen verantwortlich, und keines davon ist auf einen Membranfehler zurückzuführen.

Eine Reinigungskampagne vernichtet die biologischen Organismen.

Bei CIP-Vorgängen in der Produktion werden Desinfektionsmittel und Laugen in konzentrierten Chargen freigesetzt. Da diese unverdünnt in den Bioreaktor gelangen, unterdrücken oder zerstören sie die Biomasse, und die Wiederherstellung dauert Wochen, in denen die Anlage die Vorschriften nicht erfüllt. Die Lösung liegt im vorgelagerten Bereich: ein Ausgleichsbehälter, der für die größte einzelne CIP-Abgabe ausgelegt ist, sowie ein Dosierungsschema, bei dem die Flüssigkeit in den Reaktor eingeleitet wird, anstatt sie abzulassen. Dieser Behälter wird häufiger als jedes andere Element zu klein ausgelegt.

Es wird davon ausgegangen, dass Lösungsmittel behandelt werden können.

Manche schon. Andere verflüchtigen sich in einem Belüftungsbecken und werden so eher zu einem Problem der Luftemissionen als zu einem Wasserproblem, und wieder andere lassen sich biologisch überhaupt nicht abbauen. Eine Klärbarkeitsprüfung am tatsächlichen Abwasser – und nicht eine aus der Produktchemie abgeleitete Annahme aus der Fachliteratur – gibt hier Aufschluss.

Die Anlage ist auf das aktuelle Produktportfolio ausgelegt.

Veränderungen in der pharmazeutischen Produktion. Eine Anlage, deren Auslegung auf die heutigen Produkte abgestimmt ist, kann für einen neuen Wirkstoff, der zwei Jahre später eingeführt wird, ungeeignet sein. Es ist kostengünstiger, eine dokumentierte Spielraum zu berücksichtigen und zu wissen, welche Parameter diesen begrenzen, als die Anlage neu zu bauen.

Ein Sonderfall, der gesondert hervorgehoben werden sollte: Anlagen, in denen Antibiotika verarbeitet werden, sehen sich einem wachsenden regulatorischen Interesse hinsichtlich der Antibiotikaresistenz im Abwasser gegenüber. Dies ist ein anderes Thema als die Einhaltung der CSB-Grenzwerte und kann Anforderungen nach sich ziehen, die weder durch MBBR noch durch MBR allein abgedeckt werden. Wenn das Portfolio Antibiotika umfasst, sollten Sie prüfen, welche Anforderungen die Genehmigung voraussichtlich über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg stellen wird, und nicht nur, was derzeit vorgeschrieben ist.

Abwasserbehandlung in der pharmazeutischen Industrie: Leitfaden zur Prozessauswahl

Kostenpositionen und was angeboten werden kann

Banott veröffentlicht keine Verkaufspreise für MBR-Membranmodule oder für containerisierte Kläranlagen. Preise werden auf Anfrage mitgeteilt; für eine aussagekräftige Preisangabe sind die Abwasserbeschaffenheit, die Einleitungsnorm, das Durchflussprofil und der verfügbare Platz erforderlich. Veröffentlichte Angaben zur Kapazität liegen für die Baureihe kleiner Umkehrosmoseanlagen im Bereich von 300–3.000 GPD sowie für industrielle RO-Membranen sind in den Standardausführungen mit 4040 und 8040 Elementen erhältlich; für beide gibt es keinen Listenpreis.

Wenn Sie ein MBBR-Angebot mit einem MBR-Angebot vergleichen, sollten Sie die Preise anhand derselben fünf Positionen vergleichen, da der Vergleich sonst irreführend ist:

• Reaktortanks und Umfang der Bauarbeiten bzw. der vorgefertigten Behälter
• Träger oder Membranmodule, je nachdem, was der Zug verwendet
• Gebläse und Belüftung, wobei die zur Membranreinigung verwendete Luft getrennt von der Prozessluft erfasst wird
• Mechanik und Elektrik: Pumpen, Dosierung, Steuerungen, TMP-Datenerfassung (sofern zutreffend)
• Verbrauchsmaterialien mit einer Lebensdauer von zehn Jahren: Membranwechselzyklen und CIP-Chemikalien im Vergleich zum Nachfüllen des Trägers

Angebote, die ausschließlich Membranen umfassen, erscheinen günstiger, als sie tatsächlich sind. Angebote auf Trägerbasis erscheinen günstiger, als sie tatsächlich sind, wenn die nachgelagerte Trennstufe weggelassen wird.

Das Wasseraufbereitungsteam von Banott bietet eine Prozessberatung im Vorfeld des Kaufs an, die die Prozessauswahl, die Bestimmung des Membrantyps und der Membranfläche sowie die Systemkonfiguration auf der Grundlage der vorgelegten Wasserqualitätsdaten umfasst und dabei auf fast 20 Jahre Erfahrung in der Ultrafiltrations-Membrantrenntechnologie und deren technischer Anwendung zurückgreift. Bei einem Wasserstrom mit Hemmungsrisiko liefert die Übermittlung der tatsächlichen Daten eine aussagekräftigere Antwort als eine Angabe zur Kapazität.

Fragen, die sich Pharmaunternehmen vor der Auswahl eines Verfahrens stellen

F: Was eignet sich besser für Abwasser aus der pharmazeutischen Industrie: MBBR oder MBR?

A: Abstrakt betrachtet ist keine der beiden Methoden besser. MBBR ist in der Regel die bessere kommerzielle Lösung für geringe Durchflussmengen, die in die Kanalisation eingeleitet werden, insbesondere wenn das Abwasser hemmende Bestandteile enthält und der Standort über keinen eigenen Abwassertechniker verfügt. MBR ist die bessere Lösung, wenn die Einleitungsstandards streng sind, die Stellfläche begrenzt ist oder das gereinigte Wasser wiederverwendet werden soll.

F: Kann eine MBR-Anlage antibiotikahaltiges Abwasser aufbereiten?

A: Der Reaktor kann damit betrieben werden, aber die suspendierte Biomasse ist allem ausgesetzt, was in das System gelangt. Ein ausreichender Ausgleich vor dem Reaktor und in manchen Fällen eine auf einem Träger basierende Vorstufe bieten hier Schutz. Wenn ein bestimmter Wirkstoff Anlass zur Sorge gibt, ist ein Behandelbarkeitstest am tatsächlichen Abwasser die einzige zuverlässige Grundlage für die Auslegung.

F: Werden durch eine Membran pharmazeutische Wirkstoffe entfernt?

A: Eine MBR-Membran arbeitet mit einer Porengröße, die suspendierte Feststoffe und Biomasse entfernt, nicht jedoch gelöste Moleküle. Die Entfernung gelöster pharmazeutischer Verbindungen in einem MBR erfolgt durch biologischen Abbau und Adsorption bei langer Schlammaufhaltezeit und nicht durch die Barriere selbst. Wenn eine bestimmte gelöste Verbindung bis zu einem festgelegten Grenzwert entfernt werden muss, ist nach dem MBR eine Membranstufe mit höherer Durchlässigkeit oder ein weiterer Nachbehandlungsprozess erforderlich.

F: Wie viel Platz benötigt jede Option?

A: MBR ist bei einer gegebenen Belastung die kompakteste Lösung, da die Membran eine hohe Biomassekonzentration in einem kleinen Behälter ermöglicht. MBBR ist im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlammverfahren kompakt, bei gleicher Belastung jedoch größer als MBR. Ein Hybridverfahren benötigt beide Stufen. Wenn der Platz wirklich knapp ist, entscheidet diese Überlegung allein über die Wahl.

F: Was passiert, wenn sich mein Produktionsportfolio ändert?

A: Die Last und der Hemmungscharakter ändern sich entsprechend. Systeme, die mit dokumentiertem Spielraum und einem definierten Ausbaupfad ausgelegt sind, kommen damit zurecht; Systeme, die genau auf die aktuelle Produktionskampagne ausgelegt sind, hingegen nicht. Erkundigen Sie sich bereits in der Planungsphase, welcher Parameter die Anlage begrenzt und um wie viel.

F: Kann das aufbereitete Wasser innerhalb der Anlage wiederverwendet werden?

A: MBR-Permeat ist frei von Feststoffen und kann direkt in die Umkehrosmose eingespeist werden, wodurch eine Wiederverwendung für Kühl-, Reinigungs- oder Hauswasserzwecke technisch machbar ist. Pharmazeutische Betriebe müssen zudem Qualifikationsanforderungen für jegliches Wasser erfüllen, das mit der Produktion in Berührung kommt, sodass die praktischen Ziele der Wiederverwendung in der Regel eher im Bereich des Hauswassers als im Bereich des Prozesswassers liegen.

F: Wie oft müssen die Membranen bei diesem Einsatz gereinigt werden?

A: Häufiger als bei kommunalen Abwässern, wobei das Intervall von Ihrem Abwasser, der Temperatur und der Biomassekonzentration abhängt. Da der Personalaufwand das wichtigste Kostenargument gegen den Einsatz von MBR-Anlagen im kleinen Maßstab ist, sollten Sie die Reinigungshäufigkeit und das CIP-Protokoll als Teil des Angebots anfordern, anstatt diese selbst zu schätzen.

F: Was kostet ein MBR-Modul?

A: Nicht veröffentlicht. Die Preise werden auf Anfrage unter Berücksichtigung der Membranfläche, der Modulkonfiguration und der Projektleistung mitgeteilt.

F: Kommt ein Containersystem in dieser Größenordnung in Frage?

A: Containerisierte Reinwasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen sind als modulare Komplettanlagen mit hohem Automatisierungsgrad erhältlich. Dies eignet sich besonders für pharmazeutische Standorte, an denen Bauarbeiten innerhalb einer Betriebsanlage den Betrieb stören würden oder an denen die Anlage möglicherweise verlegt werden muss.