Med-zeroSolvent - Neue Wege im medizintechni­schen Wassermanage­ment – Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffizi­ente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstel­lung

Förderkennzeichen	02WV1566A
Finanzierung	BMBF
Bearbeitungszeitraum	01.04.2021 - 31.10.2024
Projektleitung	Prof. Dr. sc. techn. Peter Krebs
Koordination	Dr.-Ing. Thomas Schalk
Projektbearbeitung	Dr.-Ing. Thomas Schalk M. Sc. Christian Koch Dr.-Ing. Markus Ahnert
Projektpartner	B. Braun Avitum Saxonia GmbH CUP Laboratorien Dr. Freitag GmbH DAS Environmental Expert GmbH Me-Sep wasserWerkstatt Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH TU Dresden, Institut für Hydrobiologie
Internet	www.medzerosolvent.de

Hintergrund

Weltweit gibt es ca. 7 Millionen dialysepflichtige Patienten, deren Anzahl stetig zunimmt. Der Bedarf zur Dialyse wird aufgrund dessen und infolge fehlender Alternativen in den nächsten Jahrzehnten wachsen. Damit steigt der Ressourcenbedarf für die Herstellung von Dialysatoren ebenso wie der Reststoffanfall.

Dialysemembranen werden hauptsächlich aus synthetischen Polymeren hergestellt, z. B. aus Polysulfon. Im Herstellungsprozess wird Polysulfon zunächst durch ein Lösungsmittel gelöst, bevor anschließend über verschiedene Zwischenschritte daraus Dialysemembranen produziert werden. Als Lösungsmittel wird bspw. Dimethylacetamid (DMAc) eingesetzt. Der Hauptteil des DMAc wird innerbetrieblich recycelt und im Kreislauf wieder in den Produktionsprozess zurückgeführt. Allerdings fallen DMAc-haltige Abwässer an, die nicht für die Rückgewinnung geeignet sind und deshalb entsorgt werden müssen. Verdünnte Abwässer können auf kommunale Kläranlagen transportiert und dort behandelt werden, während konzentrierte Abwässer thermisch entsorgt werden.

Ziel

Ein großer Teil der Lösungsmittel wird zwar innerbetrieblich zurückgewonnen, dennoch fallen lösungsmittelhaltige Konzentrate und Abwässer an, die zum Teil unter hohem Energieaufwand thermisch entsorgt werden. Das wesentliche Ziel des Projektes besteht in der Senkung der bei der Abwasser- und Konzentratbehandlung entstehenden Emissionen und in der Minderung des Frischwasserbedarfs. In diesem Sinne wird ein energiesparendes, mehrstufiges Verfahren entwickelt, mit dem lösungsmittelhaltige Prozesswässer über ein abgestuftes Aufbereitungskonzept für die anschließende Rückführung in den Herstellungsprozess aufbereitet werden.

Projektaufbau

Die Entwicklungsarbeiten gliedern sich in Laborversuche zur Technologieauswahl sowie in eine Pilotierungs- und Demonstrationsphase. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Methodenentwicklung zum Nachweis der relevanten Substanzen. Im Rahmen des Projektes werden an die spezifischen Randbedingungen adaptierte technische (MBBR, Moving Bed Biofilm Reactor) und natürliche Hochlast-Biofilmverfahren (zweistufige Vertikalfilter) untersucht sowie anaerobe Verfahren. Aufgrund der sehr hohen Qualitätsanforderungen an die Kreislaufschließung wird ein Wassermanagementsystem entwickelt. Die Grundlage dafür bildet ein auf Qualität und Quantität der Teilströme beruhendes Modell zur Prognose der Ablaufbeschaffenheit sowie ein Monitoringsystem, mit dem die Qualität in den einzelnen Prozessstufen überwacht wird.

Das Verbundvorhaben besteht aus sieben Arbeitspaketen. In diesem Rahmen werden u. a. Prozessanalysen zur Bestandsaufnahme in verschiedenen Werken zur Herstellung von Dialysatoren durchgeführt sowie durch die Projektpartner B. Braun Avitum Saxonia GmbH und CUP Laboratorien Dr. Freitag GmbH chemische Analysemethoden zum Nachweis der relevanten Substanzen erarbeitet.

Das Institut für Hydrobiologie der TU Dresden entwickelt ökotoxikologische Methoden zur Bewertung der behandelten und unbehandelten Prozesswässer. In Verbindung mit Versuchen zum Lösungsmittelabbau werden die Ergebnisse zur Auswahl einer geeigneten Verfahrenskette genutzt, die an einer Pilotanlage umgesetzt wird.

Laborversuche zur Technologieauswahl

Die Versuche werden exemplarisch mit den organischen, stickstoffhaltigen Lösungsmitteln N,N-Dimethylacetamid (DMAc) und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) durchgeführt. Schwerpunkte bilden die Untersuchung biologischer Verfahren zum Lösungsmittelabbau und die weitergehende Behandlung mit Membranverfahren zur Rückführung des gereinigten Abwassers in den Produktionsprozess. Die Versuche zum biologischen Abbau werden von der TU Dresden durchgeführt, die Entwicklung der Membranverfahren von Me-Sep. Neben aeroben Biofilmverfahren werden anaerobe Verfahren zur Bestimmung des Biogaspotentials aus Lösungsmittelkonzentraten durchgeführt.

Grundsätzlich werden Versuche mit MBBR-Verfahren (Moving Bed Biofilm Reactor) und mit zweitstufigen Vertikalfiltern durchgeführt. Beide Verfahren haben sich in Voruntersuchungen bei der Behandlung verdünnter lösungsmittelhaltiger Abwässer als besser geeignet erwiesen als Verfahren mit suspendierter Biomasse.

Anhand der Ergebnisse werden die Belastungsbereiche eingegrenzt, bei denen ein vollständiger Lösungsmittelabbau mit weitgehender Nitrifikation des in den Lösungsmitteln enthaltenen Stickstoffs möglich ist sowie die Bereiche, in denen die Lösungsmittel zwar abgebaut, Stickstoff aber nicht bzw. unvollständig nitrifiziert wird. 

Die Versuche dienen zur Abbildung von zwei Szenarien:

• Behandlung von konzentrierten Abwässern durch Kombination technischer und natürlicher Biofilmverfahren.
• Behandlung von verdünnten Abwässern durch Einsatz technischer oder natürlicher Biofilmverfahren.

Einsatz von naturnahen Verfahren zur Industrieabwasserbehandlung

Vertikalfilter werden insbesondere zur Behandlung von kommunalen und häuslichen Abwässern in ländlich strukturierten Gebieten eingesetzt sowie zur Behandlung gewerblicher Abwässer. Kennzeichen sind u. a. ein niedriger Energiebedarf, ein hohes Puffervermögen, ein geringer Steuerungsaufwand, aber auch ein höherer Flächenbedarf. Im industriellen Bereich werden Vertikalfilter im Vergleich zu technischen Verfahren selten genutzt.

Im Projekt werden ausschließlich zweistufige Verfahren betrachtet, da diese als Resultat von Vorversuchen auch bei deutlich höherer Flächenbelastung ein stabileres Betriebsverhalten aufwiesen als einstufige Filter. Kernpunkt der Untersuchungen ist die Be-stimmung der zulässigen Flächenbelastung für die genannten beiden Szenarien und die Auswahl geeigneter Kiese bzw. Sande. Zusätzlich wird die Nitrifikationsleistung stick-stoffhaltiger, organisch schwach belasteter Abwässer untersucht. Dies entspricht dem Fall, dass eine Vertikalfilteranlage als zweite Stufe einer Hochlastanlage nachgeschaltet wird.

Veröffentlichungen

Fachzeitschriften

Schalk T., Schubert S., Rollberg A., Freitag-Stechl D., Schubert A., Elena A.X., Koch C., Krebs P. (2023). Degradation of dimethylacetamide from membrane production through constructed wetlands – pathways, ecotoxicological effects and consequences for chemical analysis. Water 15(8), 1463. https://doi.org/10.3390/w15081463

Vorträge zur Abschlussveranstaltung von Med-zeroSolvent am 24. Oktober 2024

Dutczak S. und Trzaskuś K. (2024). From Lab to Pilot Scale: The Path to Commercialization of Membrane Processes. Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Haupt A. (2024). Biologische Behandlung von Industrieabwässern mit Moving-Bed-Biofilm-Reaktoren. Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Karpf S. (2024). Naturnahe Behandlung gewerblicher Abwässer. Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Schalk T. (2023). Projektvorstellung. Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Schalk T. (2024). Biologischer Abbau der organischen Lösungsmittel Dimethylacetamid (DMAc) und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Schubert S. und Jungmann D. (2024). Waren die Maßnahmen aus ökotoxikologischer Sicht erfolgreich? Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Siebdrath N. und Scope S. (2024). Umsetzung von Forschungsprojekten in die Praxis. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Sievers-Liebschner J. und Reichbodt S. (2024). Produktionsprozesse und innerbetriebliches Wassermanagement am Beispiel der B. Braun Avitum Saxonia GmbH. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Waschull J. (2024). Beiträge des ILK Dresden zum Projekt „Med-zeroSolvent“. Vortrag. Abschlusskonferenz zum BMBF-Verbundvorhaben Med-zeroSolvent (02WV1566), Dresden, 24. Oktober 2024.

Vorträge im Rahmen der Förderinitative WavE II

Krebs P. und Schalk T. (2024). Med-ZeroSolvent - Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement – Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffiziente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstellung'. Abschlussveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 08./09. Oktober 2024, Frankfurt am Main.

Krebs P. und Schalk T. (2023). Med-zeroSolvent - Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement. Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffiziente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstellung. Vortrag. Statusseminar der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Februar 2023, Frankfurt am Main.

Krebs P. und Schalk T. (2021). Med-zeroSolvent - Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement. Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffiziente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstellung. Vortrag. Auftaktveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Juli 2021 (online).

Weitere Vorträge

Schalk T., Sievers-Liebschner J., Schubert S., Freitag-Stechl D., Siebdrath N., Dutczak S., Karpf C., Waschull J., Krebs P. (2024). Das Projekt Med-zeroSolvent. Biologische und weitergehende Aufbereitung lösungsmittelhaltiger Abwässer aus der Herstellung von Dialysemembranen. Symposium Hygiene & Nachhaltigkeit bei der Nierenersatztherapie. Lutherstadt Wittenberg, Tagungszentrum Stiftung Leucorea, 12./13. April 2024. Deutsche Gesellschaft für Angewandte Hygiene in der Dialyse e.V.

Schalk T., Rollberg A., Schubert S., Koch C., Freitag-Stechl D., Krebs P. (2023). Naturnahe Verfahren zur biologischen Lösungsmittelbehandlung. 15. Aachener Tagung Wassertechnologie, 25.-26.10.2023, Eurogress Aachen. Tagungsband, S. 436-445.

Schalk T. und Schubert S. (2022). Med-zeroSolvent: Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement - Siedlungswasserwirtschaftliche und Ökotoxikologische Lösungsansätze. Hydrobiologisches Seminar. 06.01.2022. Technische Universität Dresden, Institut für Hydrobiologie.

Schalk T. (2021). Med-ZeroSolvent - Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement – Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffiziente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstellung. Vortrag. 8. IndustrieTage Wassertechnik. 22./23.November 2021. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA).

Poster

Ahnert M., Schalk T., Krebs P. (2024). Respirationsbasierte Analyse und Modellentwicklung für den Abbau von DMAc. Poster. Abschlussveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 08./09. Oktober 2024, Frankfurt am Main.

Schalk T. (2021). Einsatz technischer und natürlicher biologischer Verfahren zur Behandlung lösungsmittelhaltiger Abwässer. Poster. Auftaktveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Juli 2021 (online).

Schalk T. Karpf C., Krebs P. (2024). Aerober und anaerober Abbau organischer Lösungsmittel. Poster. Abschlussveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 08./09. Oktober 2024, Frankfurt am Main.

Schalk T., Schubert S., Rollberg A., Freitag-Stechl D., Koch C., Krebs P. (2023). Abbau von Dimethylacetamid (DMAc) mit biologischen Verfahren.Poster. Statusseminar der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Februar 2023, Frankfurt am Main.

Schubert S., Jungmann D., Schalk T., Koch C., Brückner H., Rollberg A., Schnelle M., Freitag-Stechl D. (2023). Einsatz von effektbasierten und chemischen Methoden zur Bewertung Lösungsmittel- und Bisphenol-haltiger Abwässer aus der medizintechnischen Industrie. Poster, Statusseminar der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Februar 2023, Frankfurt am Main.

Siebdrath N. und Schalk T. (2024). Abbau von Lösungsmitteln in Prozessabwässern. Poster. Abschlussveranstaltung der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 08./09. Oktober 2024, Frankfurt am Main.

Siebdrath N. und Schalk T. (2023). Behandlung lösungsmittelhaltiger Prozessabwässer in einer Pilotanlage zur Etablierung effizienter Wasserkreisläufe in der Dialysemembranherstellung. Poster, P16. Industrietage Wassertechnik, 14.-15.11.2023, Frankfurt am Main.

Waschull J., Hernschier W., Ahnert M., Krebs P. (2023). Entwicklung eines Steuerungssystems für eine Pilotanlage zum DMAc-Abbau. Poster. Statusseminar der BMBF-Fördermaßnahme "Wassertechnologien: Wiederverwendung (WavE II), 07./08. Februar 2023, Frankfurt am Main.

Weise K., Isler J., Schalk T., Rollberg A., Freitag-Stechl D., Kienle C., Vermeirssen E., Stolte S., Berendonk T., Jungmann D., Schubert S. (2023). Industry related wastewater of dialysis membrane production containing N,N-Dimethylacetamid and N,N-Dimethylamin: Screening combined toxicity using Daphnia magna and Raphidocelis subcapitata. SETAC Europe 33rd Annual Meeting, 30.04. – 04.05.2023, Dublin, Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC).