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Ein Artikel aus dem Hochschulmagazin Inside out

Reines Wasser, schonend produziert

Um die Haltbarkeit in Drogerieartikeln ohne Konservierungsmittel zu gewährleisten, ist sogenanntes Reinstwasser nötig und teilweise sogar gesetzlich vorgeschrieben. Verfahrenstechnik-Absolvent Cornelius Nellessen hat in seiner Masterarbeit untersucht, wie die Herstellung dieses speziellen Wassers optimiert werden kann.

Meterlange Regale mit Kosmetika und Life-Science-Produkten wie Nahrungsergänzungsmittel füllen die Drogeriemärkte. Der Wunsch von Konsumentinnen und Konsumenten nach einer kurzen Inhaltsliste ohne Konservierungsstoffe wird immer größer. Konservierungsstoffe sorgen dafür, dass sich keine Bakterien und Schimmelpilze bilden, und schützen die Produkte vor dem Verderben. In den letzten Jahren werden die Zusatzstoffe vermehrt durch hochreines Wasser ersetzt. Es ist vollentsalzt und besitzt kaum bis gar keine mikrobiologischen Verunreinigungen.

Reinstwasser für pharmazeutische Zwecke, wie die Medikamentenherstellung, wird „pharmazeutisches Wasser“ genannt. Dazu zählen auch „Wasser für Injektionszwecke“, beispielsweise Spritzen, und „gereinigtes Wasser“ in Tropfen, Salben und Tabletten – allesamt geschützte Begriffe. Die Wasseraufbereitung für pharmazeutische Anwendungen ist durch das Europäische Arzneibuch streng reguliert, das die einzuhaltenden Standards für Qualität und Erzeugungsformen festlegt.

Cornelius Nellessen Cornelius Nellessen hat untersucht, wie Reinstwasser in der Herstellung optimiert und nachhaltiger produziert werden kann. (Bild: Costa Belibasakis/TH Köln)

Membrandestillation auf dem Prüfstand

Cornelius Nellessen hat sich in seiner Masterarbeit mit der Membrandestillation beschäftigt. Diese findet in der pharmazeutischen Wassererzeugung bislang keine Anwendung. Der 26-Jährige unterzog die Membrandestillation einem Eignungstest für die Herstellung von pharmazeutischem Wasser. Sein Ausgangsstoff war deutsches Leitungswasser.

„Bei der Membrandestillation wird Wasser auf circa 50 bis maximal 80 Grad erwärmt. Dadurch steigt Wasserdampf auf. Wasser wird an einer hydrophoben Wand aus Kunststoff , der Membran, vorbeigeführt. Dort perlt es wie bei einer Regenjacke ab“, erklärt Nellessen. Die Funktion der Membran besteht darin, Dampf passieren und Wasser herabrinnen zu lassen. Hinter der Membran befindet sich ein Luftspalt, die „Air Gap“, sowie eine Folie, hinter der 10 bis 12 Grad kaltes Wasser als Kühlmittel entlangläuft. Der Dampf kondensiert an der Folie und tropft als flüssiges Destillat heraus. Das durch die Membrandestillation gereinigte Wasser wird anschließend im Labor auf die Anzahl der noch im Wasser lebenden Mikroorganismen untersucht. „Das erzeugte Destillat erfüllt die Ansprüche bezüglich der Gesamtkeimzahl des gereinigten Wassers“, sagt Nellessen.

„Die technische Eignung der Membrandestillation, auch hinsichtlich der mikrobiologischen Unbedenklichkeit der erzeugten Reinwässer, ist ein erster Schritt zur Einführung neuer Verfahren in so sensible Bereiche wie Pharmaindustrie, Medizintechnik oder Lebensmittelverarbeitung“, sagt Prof. Dr. Frank Rögener vom Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik, der die Abschlussarbeit betreut.

Die Masterarbeit entstand mit zwei Kooperationspartnern: Die Wilhelm Werner GmbH errichtete für das Vorhaben die Versuchsanlage. Die Membranmodule lieferte die Deukum GmbH. Da die Membrandestillation vor allem bei der Meerwasserentsalzung verwendet wird, unterstützt die Deutsche Meerwasserentsalzung e.V. (DME) Cornelius Nellessen außerdem mit einem Stipendium.

Für eine bessere Energiebilanz

„Die eingesetzten Aufbereitungsverfahren bei der Erzeugung von Rein- bzw. Reinstwasser für pharmazeutische Zwecke unterliegen starken Einschränkungen. Diese bislang zugelassenen Verfahren sind energieintensiv. Zwar leistet Deutschland mit dem Übergang von einer fossilen Energiebasis zu erneuerbaren Energien einen Beitrag zum globalen Klimaschutz, trotzdem bleibt es die Aufgabe von Ingenieuren, die in der Industrie eingesetzten Verfahren hinsichtlich der Ressourcen- und Energieeffizienz zu verbessern“, sagt Prof. Rögener. Bisher sind Destillation und membrangestützte Verfahren zugelassen für die Herstellung des pharmazeutischen Wassers.

Doch vor allem die Destillation ist energetisch wesentlich aufwändiger als die Membrandestillation, da sie das Wasser auf eine höhere Temperatur erhitzt. Die Membrandestillation für die Herstellung von pharmazeutischem Wasser bietet demnach großes Potenzial, muss aber erst einmal durch den Gesetzgeber, die Europäische Arzneibuch-Kommission, zugelassen werden.

August 2021

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