CH629390A5 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von teilchenfreiem wasser fuer technische zwecke. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von teilchenfreiem Wasser für technische Zwecke unter Verwendung von voll entsalztem Wasser und der Umkehrosmosefilter.
Für die Herstellung von teilchenfreiem, insbesondere keimfreiem und a pyrogenem Wasser, wie es für Injektionsund Infusionslösungen benötigt wird, ist vorgeschlagen worden, die sogenannte Umkehrosmose oder Hyperfiltration einzusetzen.
Diese umgekehrte Osmose beruht darauf, dass man semipermeable Membranen herstellen kann, mit denen salzarmes Wasser aus salzhaltigem Wasser abgepresst werden kann. Wird eine solche Membran unter einem Druck, der grösser ist als der osmotische Druck der Lösung, mit Salzwasser beaufschlagt, so geht salzarmes Wasser hindurch.
Die bekannten Membranen bestehen z.B. aus Azetyl-zellulose, Polyamiden oder Polyolefinen. Der Wassertransport durch die Membrane wird behindert durch die entstehende Konzentrationspolarisation der zurückgehaltenen Stoffe. Durch geeignete tangential zur Oberfläche gerichtete Überströmung kann die Konzentrationspolarisation sehr stark verringert werden. Durch diese Überströmung wird die Membranoberfläche weitgehend von mikroskopischen und grösseren Teilen z.B. Keimen freigehalten.
Der Nachteil des bekannten Verfahrens und der Apparatur mit der semipermeablen Membrane ist jedoch, dass die Membranen laufend mit Wasser beaufschlagt werden müssen, damit die semipermeablen Membranen nicht durch Bakterien beschädigt werden. Steht nämlich die Anlage still und findet kein Wasserstrom über die Membran statt, können sich Bakterien ansiedeln, die die Membran zerstören, so dass bei Wiederaufnahme des Betriebes durch die dann vorhandenen grösseren Löcher Keime hindurchwandern können. Anderseits ist jedoch nicht dauernd ein Bedarf an solchem reinen Wasser vorhanden, oder der Bedarf an reinem Wasser ist sehr schwankend, so dass ein Ausweg gefunden werden musste, das Permeat der umgekehrten Osmose irgendwo keimfrei zu sammeln.
Dies geschieht normalerweise in Behältern unter sterilen Bedingungen, wobei das Permeat, der Inhalt der Behälter, während seiner Speicherung auf erhöhter Temperatur, vorzugsweise 85 °C, gehalten wird.
Es ist leicht einzusehen, dass dieses Verfahren nicht besonders wirtschaftlich ist. Zunächst sind Sammelbehälter für das keimfreie Permeat vorzusehen, die Investitionskosten verursachen, aber auch wertvollen Platz in Anspruch nehmen. Die Behälter müssen steril gehalten werden. Der Energieaufwand ist beträchtlich sowohl für die Aufwärmung und Aufrechterhaltung von 85 °C als auch für die Wiederabkühlung eines erheblichen Teiles des Wassers für die Verwendungszwecke.
Weiterhin ist von Nachteil, dass aufgrund der besonderen Eigenart des oben beschriebenen Verfahrens der umgekehrten Osmose ein nicht vernachlässigbarer Teil des der semipermeablen Membran zugeführten Wassers lediglich als Überschusswasser dazu dient, auf der Oberfläche der Membran eine Strömung aus oben genannten Gründen aufrechtzuerhalten.
Um diese Nachteile zu beseitigen und eine einfache wirtschaftliche Anlage zu schaffen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Überstromanteil der Umkehrosmose im Kreislauf geführt wird, gegebenenfalls nach Kühlung, und dass bei fehlender Abnahme des Permeats auch dieses im Kreislauf geführt wird. Kreislauf bedeutet hier, dass der Überstromanteil der Umkehrosmose wie auch gegebenenfalls das Permeat kontinuierlich wieder verwendet wird.
Eine einfache Kreislaufführung von Überstromanteil und Permeat ist meist nicht möglich, weil mit der Zeit das im Kreislauf geführte Wasser durch die vorzugsweise verwendeten hohen Drücke sich fortwährend erwärmt. Zweckmässig wird daher der Überstromanteil der Umkehrosmose unter Kühlung im Kreislauf geführt, z.B. durch Rückführung
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des Wassers vor die Vollentsalzungsanlage. Sollten in dem Anwendungsbereich andere Möglichkeiten für die Kühlung des Kreislaufwassers vorhanden sein, so kann man natürlich auch von diesen Gebrauch machen.
Die Kreislaufführung des Überstromanteils des zur Umkehrosmose geführten Wassers, wie auch der parallele Kreis für das Permeat erfassen zweckmässig einen möglichst grossen Teil der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Apparatur, damit ruhende Wassermengen, d.h. tote Räume, vermieden sind und sich nirgendwo Keime absetzen können. Die Apparatur kann aus an sich bekannten Bauteilen und Materialien zusammengesetzt sein, ebenso wie die Armaturen an sich bekannte Konstruktionen sein können. Als Material dient vorzugsweise nichtrostender Stahl, Glas oder Quarzglas.
Zweckmässig wird in die den Überstromanteil von der Umkehrosmose zurückführende Leitung ein Ausgleichsbehälter eingefügt, in den über eine weitere Rückführungsleitung auch das nichtabgenommene Permeat zurückgeführt und mit dem Überstromanteil der Umkehrosmose vereinigt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Leitung vorgesehen ist, die von den Umkehrosmosefiltern zu einem mit einer Niveaureglung ausgestatteten Ausgleichsbehälter führt, von dem eine weitere Leitung bis vor die Vollentsalzungsanlage führt.
Vorteilhaft ist dabei zusätzlich zu den obigen beiden Kreisläufen des Überstromanteils des Wassers und des nichtentnommenen Permeats hinter dem Ausgleichsbehälter und einer druckerhöhenden Pumpe eine Verbindungsleitung schaltbar, die den Kreislauf bei nichtausreichendem Druck der Versorgung mit vollentsalztem Wasser aufrechterhält, z.B. bei Regenerierung der Vollentsalzungsanlage oder Störungen. Auch hierbei ist zweckmässig der Kreislauf so gebaut, dass alle Teile der Apparatur und alle Armaturen von der Desinfektionslösung, die eine 2%ige Formalin-Lösung sein kann, durchströmt werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Plan der Apparatur, wobei durch stark ausgezogene Linien der Betriebszustand zur Gewinnung reinen Wassers dargestellt ist,
Fig. 2 die Anlage nach Fig. 1, wobei ebenfalls durch stark ausgezogene Linien die Schaltung dargestellt ist, wenn kein Reinstwasser abgenommen wird, die Anlage jedoch in Betrieb ist,
Fig. 3 die Anlage nach Fig. 1, wenn die Versorgung mit vollentsalztem Wasser ausser Betrieb ist, und
Fig. 4 die Anlage nach Fig. 1, wobei ebenfalls durch stark ausgezogene Linien die Schaltung dargestellt ist, wenn die Anlage sterilisiert wird.
In Fig. 1 und 2 tritt das zu behandelnde vollentsalzte Wasser bei 1 in die Leitung ein und strömt in Richtung des Pfeiles durch ein Absperrventil Vj, ein Magnetventil MVj, ein Rückschlagventil Rj zu einem Druckminderventil RV, dann durch ein weiteres Absperrventil V2 zu einem ersten Vorfilter VFj. Das aus dem Vorfilter VF! ausströmende Wasser strömt in ein zweites Vorfilter VF2 durch ein Absperrventil V3 und schliesslich über eine Probenentnahmestelle STEj zu einer Pumpe DP2. Diese Pumpe erzeugt den für den Betrieb der Umkehrosmosefilter ROj und R02 erforderlichen Druck, der je nach Filterart zwischen 10 und 80 bar liegt.
Wie bereits oben erwähnt, geht nur ein Teil des zugeführten vollentsalzten Wassers als Permeat durch die Umkehrosmosefilter hindurch zum Ventil MV2 und VG zum Verbraucher. In der Leitung ist noch eine sterile Probenentnahmestelle STE2 enthalten.
Der Überstromanteil der Umkehrosmose strömt durch ein Ventil V4 in den Ausgleichsbehälter und füllt diesen auf, bis die obere Niveaumarke NR„ des Niveaureglers erreicht ist. Dann wird die Pumpe DPj eingeschaltet und fördert das Wasser, bis das Niveau NRu im Behälter erreicht ist, zur Vollentsalzungsanlage zurück. Dieser Rückstrom passiert ein Rückschlagventil R3, ein Magnetventil MV4 und ein Absperrventil V7. Zwischen dem Magnetventil MV4 und dem Absperrventil V7 kann eine Entleerungsleitung mit einem Absperrventil V8 abzweigen. Vor, zwischen und hinter den Vorfiltern VFX und VF2 sind im dargestellten Beispiel Manometer Mj bis M3 angeordnet.
In Fig. 2 ist die Schaltung der Anlage dargestellt, wenn kein Permeat der Umkehrosmosefilter angenommen wird, die Anlage sich aber in Betrieb befindet. Um den Aufwand, der eingangs beschrieben ist, von Lagertanks zu vermeiden und sie auf einer Temperatur von 85 °C zu halten, zweigt zwischen der sterilen Entnahmestelle STE2 und MV2 dicht vor diesem eine Leitung ab, die zu dem Ausgleichsbehälter B zurückführt. In dieser Leitung ist ein Magnetventil MV3 enthalten, das geöffnet ist, wenn kein Permeat entnommen, jedoch geschlossen, wenn Permeat entnommen wird. Es sei daraufhingewiesen, dass diese Leitung für das Permeat sehr dicht vor dem Ventil MV2 abzweigt, damit ruhendes Wasser zwischen dem Abzweig und dem Magnetventil MV2 vermieden wird und sich das Volumen der Anlage im strömenden Zustand befindet, so dass Keimwachstum nicht begünstigt wird. Dies gilt aber auch für den dritten Betriebszustand, der in Fig. 3 in dick ausgezogenen Linien gezeigt ist.
Auch Fig. 3 zeigt wieder die Anlage nach Fig. 1 und 2, jedoch wird die Anlage nicht mit vollentsalztem Wasser versorgt. In diesem Fall ist der Druck PDi an dem Druckwächter Di kleiner als ein eingestellter kritischer Druck PDt krjit. Das bewirkt zunächst, dass MV! und MV4 geschlossen und MV5 geöffnet werden. Ferner wird MV2 geschlossen oder geschlossen gehalten und MV3 geöffnet oder offen gehalten. Ausserdem wird zur Vermeidung schädlicher Erwärmung der Anlage die Pumpe DP2 ausgeschaltet.
Die Pumpe DPX hält einen schwachen Kreislauf durch die gesamte Anlage aufrecht, wie aus dem weiter unten dargestellten Schaltschema der Anlage hervorgeht.
Der Ausgleichsbehälter B ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, mit einer Anschlussleitung 7 versehen, über die ein Desinfektionsmittel, beispielsweise eine 2%ige Formalin-Lösung, eingeleitet wird. Diese Formalin-Lösung strömt aus dem Behälter B über die Pumpe DPX, durch die Leitung 8 in die zu den Vorfiltern führende Leitung 9, durch die Pumpe DP2 hindurch, sodann teilweise als Überstromanteil in den Ausgleichsbehälter B zurück, aber auch durch die Umkehrosmosefilter RC»! und R02 hindurch, durch die Leitungen 2 und 4 in den Ausgleichsbehälter B zurück, weil das Magnetventil MV3 geöffnet, das Magnetventil MV2 jedoch geschlossen ist.
In der Leitung 7 ist ein Atmungsfilter AF enthalten, über das eine sterile Belüftung des Ausgleichsbehälters B stattfinden kann.
Es ist zu erkennen, dass bei Betrieb der Pumpen DPi und DP 2 eine vollständige Sterilisation des Kreislaufes der Anlage und eine weitgehende der gesamten Anlage vermittels der über die Leitung 7 eingeleiteten Formalin-Lösung möglich ist. Es bleiben lediglich an der Abflussleitung für das Permeat kurze Leitungsstücke, ebenso wie an der Zuführungsleitung des VE-wassers und in der zur Vollentsalzungsanlage zurückführenden Leitung einige Leitungsteile und einige Armaturen übrig, die nicht von dieser Formalin-Lösung erfasst werden. Dieser Mangel kann jedoch an den nahe am Kreislauf befindlichen Leitungen behoben werden, indem
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Schaltschema der Anlage zur Gew
VI Dl
MV1 V2 V3 DP2 V4 D2
MV2 V6 MV3 NR
AF
V5 DPI
MV4 V7 V8 MV5
Arbeitsweise
1 Abnahme von sterilem PD1>
aqua pro injectione O PD1 krit. O O O an Pü VE-Anlage in Betrieb
2 keine Abnahme von sterilem PD1>
aqua pro injectione O PD1 krit. O O O aus Pü VE-Anlage in Betrieb
3 VE-Anlage ausser O PD1< • O O aus Pü Betrieb PD1 krit.
4 Chemische Sterilisation # PD1> # O O an Pü der Anlage mit Formalin PD1 krit. < aus
PD2<
PD2 krit. O O
PD2< PD2 krit.
PD2< PD2 krit.
PD2< PD2 krit.
O
oben unten Verb.
oben
O O unten Verb.
oben unten Verb. Sicherh.
an aus an aus an aus
O O • •
O O • • • O • O
> O O oben nicht O • unten Verb.
Sicherh.
» an O aus
O
o o
Erklärung der Kurzbegriffe des Fliessbildess und der Funktionsbeschreibung
PD1 krit.:
Kritischer Druck, der kleiner ist als kleinster VE-
AF:
Atmungsfilter
Wasserdruck bei in Betrieb befindlicher VE-Anlage.
VE:
Vollentsalztes Wasser
Zweck: Umschaltung von Betriebsweise 1 oder 2 auf 3,
V:
Handventil
wenn VE-Anlage ausser Betrieb geht oder sonstiger
MV:
Magnetventil
Druckzusammenbruch vor Dl vorkommt.
RV:
Druckminderventil
VF:
Vorfilter
PD2 krit.:
Kritischer Druck
StE:
Steril-Probenahme
DP:
Druckpumpe
Für Arbeitsweise 1:
kleiner als maximaler Druck von DP2
RO:
Reverse Osmose-Anlage
Für Arbeitsweise 2:
kleiner als der am Druckminderventil RV eingestellte Druck
R:
Rückschlagventil
Für Arbeitsweise 3:
kleiner als der am Druckminderventil RV eingestellte Druck
M:
Manometer
Für Arbeitsweise 4:
wie für Arbeitsweise 1
D:
Druckschalter
B:
Rejekt-Behälter
Pü:
Überströmdruck einstellbar
NR:
Niveau-Regler
NRo:
Niveau-Regler oben
O:
Ventil geöffnet
NRu:
Niveau-Regler unten
NRS:
Niveau-Regler-Sicherheit
Ventil geschlossen
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man diese restlichen Teile beim Spülen der Anlage von der Formalin-Lösung durchströmen lässt bzw. die Leitung 8, die die beiden Zweigleitungen 9 und 6 überbrückt, kann so angeordnet sein, dass der Anteil nichtsterilisierter Leitungsteile und Armaturen möglichst klein gehalten ist.
Der Übergang vom Betriebszustand nach Fig. 1 und 2 in den Betriebszustand mit dessen Funktion gemäss Fig. 4 kann praktisch automatisch erfolgen, entweder nach bestimmten Zeitabschnitten oder nach bestimmten durchgesetzten Mengen. Beim Übergang vom Zustand gemäss Fig. 1 und 2 in den Zustand gemäss Fig. 4 würden die Ventile M Vi, MV2 und MV4 geschlossen und über die Leitung 7 ein Desinfektionsmittel in den Ausgleichsbehälter B eingeleitet, gegebenenfalls zusammen mit Wasser als Verdünnungsmittel. Das in der Anlage befindliche Wasser kann über die Leitung 10 nach Öffnen des Ventils Vs ganz oder teilweise abgelassen werden. Entsprechende Anordnung und Verlegung ist dafür zu berücksichtigen.
In dem nachfolgenden Schaltschema sind die vier Arbeitsweisen der Anlage anhand der Stellung der Armaturen und des Betriebes der Pumpen zusammenfassend dargestellt. In diesem Schaltschema sind auch die Begriffe erläutert sowie die in den Fig. 1 bis 4 verwendeten Bezugszeichen zu-sammengefasst.
Es ist weiter oben daraufhingewiesen worden, dass durch den Kreislauf des Überstromanteils und nicht abgenommenem Reinstwasser eine Erhöhung der Temperatur vonstatten geht. Aus diesem Grund kann der Ausgleichsbehälter oder eine andere Stelle mit einer Thermosonde versehen sein, die die Temperatur des im Kreislauf befindlichen Wassers misst, und entsprechende Stromkreise schaltet, die durch Abschaltung von Pumpen oder Einschaltung von 5 Kühlmitteln zu einer Herabsetzung der Temperatur des im Kreislauf befindlichen Wassers führen.
Bei den Arbeitsweisen 3 und 4 findet ein in sich geschlossener Kreislauf statt über die Leitung 8. In einem solchen Fall kann durch einen Defekt an irgendeinem Teil der An-lo läge ständig Wasser aus der Anlage entweichen. Um dadurch Schäden der Anlage, insbesondere der Umkehrosmosefilter zu verhüten, kann der Niveauregler NR in dem Ausgleichsbehälter B mit einem Kontakt zum Abschalten der Druckpumpe DPX und zur Alarmauslösung versehen i5 sein.
Bei einer konkreten Ausgestaltung der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind die beiden Umkehrosmosefilter ROx und R02, die Pumpe DP2 und das Rückstromdrosselventil V4 aufeinander abzu-20 stimmen und beispielsweise auf eine Permeationsrate pro Stunde von 801 ausgelegt. Die Pumpe erzeugt dabei einen Druck von beispielsweise 14 bar.
Das Volumen des Ausgleichsbehälters B beträgt beispielsweise dann 1001 und das Gesamtlagevolumen je nach 25 Abhängigkeit von der Länge der Leitungen 2 und 4 1201. Die Pumpe DPt wird entsprechend der Kennlinien der Umkehrosmosefilter und der Sperrkennlinie der Pumpe DP2, d.h. der Kennlinie bei stillstehender Pumpe, bemessen.
s
4 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Verfahren zur Gewinnung von teilchenfreiem Wasser für technische Zwecke unter Verwendung von voll entsalztem Wasser und der Umkehrosmose, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstromanteil der Umkehrosmose im Kreislauf geführt wird und dass bei fehlender Abnahme des Per-meats auch dieses im Kreislauf geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstromanteil der Umkehrosmose unter Kühlung im Kreislauf geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Kreislauf geführte Überstromanteil der Umkehrosmose und das nichtabgenommene Permeat über eine Vollentsalzungsanlage im Kreislauf zurückgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die den Überstromanteil von der Umkehrosmose zurückführende Leitung ein Ausgleichsbehälter eingefügt ist, in den über eine weitere Rückführungsleitung auch das nichtabgenommene Permeat zurückgeführt und mit dem Überstromanteil der Umkehrosmose vereinigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Desinfektion der Anlage die Zurückführungsleitungen des Rohwassers und die Rückführungsleitung des Überstromanteils und des Permeats kurzgeschlossen werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitung vorgesehen ist, die von den Umkehrosmosefiltern zu einem mit einer Niveaureglung ausgestatteten Ausgleichsbehälter (B) führt, von dem eine weitere Leitung bis vor die Vollentsalzungsanlage führt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel geschaltete Umkehrosmosefilter vorgesehen sind, deren Ausgangsleitung (2) über eine Rückführungsleitung (4) mit dem Ausgleichsbehälter (B) verbunden ist und die Abgabeleitung für das Permeat durch ein Magnetventil (MV2) absperrbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsleitung (1) für das Rohwasser mit der Rückführungsleitung für den Überstromanteil und nicht abgenommenes Permeat durch eine Verbindungsleitung (8) mit einem Magnetventil (MVS) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (B) mit einer zusätzlichen Zuführungsleitung (7) und einem Atmungsfilter (AF) ausgestattet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführungsleitung des Rohwassers sowohl zwischen in Serie geschalteten Vorfiltern (VF! und VFZ) einerseits und den Umkehrosmosefiltern (ROj und R02) anderseits als auch in der Abgabeleitung (2) für das Permeat je eine sterile Probenentnahmestelle eingefügt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückführungsleitungen (6) in Strömungsrichtung hinter dem Ausgleichsbehälter (B) eine Pumpe (DPj) angeordnet ist, die aus dem Behälter (B) saugt und die von den Niveaureglern (NR) des Behälters (B) gesteuert ist.
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