Implementeringsanalys av steriliseringsmetoder för GE

Nr. 60

Självständigt arbete i miljö‐ och vattenteknik 15 hp, 1TV017

Juni 2017

Implementeringsanalys av steriliseringsmetoder för GE Healthcares distribution av purified water

Ylva Geber, Niclas Grünewald, Felix Johansson, Gabriella Rullander, Marcus Sigfridson och Jonas Westin Handledare: Mattias Winterdahl Institutionen för geovetenskaper, UU I Samverkan med Stuns Energi

Rapporttyp Dokumentkod [1] Dokumentnamn [2] Datum [3] Ersätter [4] Författare [5]Beskrivning Ange rapportens kod

Programkod-År-Projektnummer/Rapporttyp-löpnummer

Skriv i text vad rapporten är.

Datum då rapporten blev färdig.

Om rapporten ersätter en tidigare rapport ange dess dokumentkod.

Ange namnet/namnen på den/de som har skrivit rapporten.

Exempel: W-10-01/ L-01 T.ex. Labbrapport, projektgruppsprotokoll, teknisk rapport etc.

Slutrapport S [6] W-17-60/S-01 Slutrapport 12/5-2017 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och FelixW-17-60/S-02 17/5-2017 W-17-60/S-01 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och FelixW-17-60/S-03 30/5- 2017 W-17-60/S-02 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och FelixW-17-60/S-04 1/6-2017 W-17-60/S-03 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och Felix

Administrativa rapporter: A [7] W-17-60/A-01 Arbetsform 29/3-2017 JonasProjektplaner, beslut om arbetsformer, W-17-60/A-02 Mötesstruktur 29/3-2017 Niclasmötesstruktur inom projektet etc. W-17-60/A-03 Projektplan 29/3-2017 Gabriella

Projektgruppsprotokoll med P [8] W-17-60/P-01Projektgruppsprotokoll med ärendelogg 30/5-2017 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och Felix

ärendelogg (se flik nedan).

Grupp/aktivitetsrapport: G [9] W-17-60/G-01 Litteraturstudie 10/4-2017 Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och Felix

Här redovisas resultatet från en W-17-60/G-02

Mini-litteraturstudie om att skriva en populärvetenskaplig sammanfattning 8/4-2017 Marcus, Ylva

grupp/aktivitet (vanligen en milstolpe).

Arbetsrapport: L [10] W-17-60/L-07Alternativa vattenreningsmetoder 30/3-2017 Felix

W-17-60/L-02 Omvänd osmos Marcus

W-17-60/L-03Inledande möte med Stuns Energi 30/3-2017 Ylva

W-17-60/L-04 Ozonsterlisering JonasW-17-60/L-05 EDI Marcus

Allt "underarbete" inom en aktivitetsom delrapporteras i en rapport kallas W-17-60/L-06 RO som produktionsmetod för WFI 31/3-2017 Niclasför en arbetsrapport. W-17-60/L-01 internprotokoll 31/3-2017 GabriellaDet kan bestå beräkningar, försök, W-17-60/L-08 internprotokoll V2 07/4-2017 Gabriellaprogramkod, ritningar osv. W-17-60/L-09 Endotoxin 03/4-2017 MarcusHit räknas även interna protokoll W-17-60/L-10 Ultrafiltrering 04/4-2017 Marcus och Ylva

mm för gruppen/aktiviteten. W-17-60/L-11

Endotoxin-neutraliserande protein 7/4 -2017 Ylva

W-17-60/L-12 Mikrobiologisk tillväxt 4/4-2017 Ylva

W-17-60/L-13

Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar Niclas

W-17-60/L-14 Kromatografi 04/4-2017 Marcus

W-17-60/L-15Hur distruberar andra företag rent vatten Felix Johansson

W-17-60/L-16

Sammanställning av besök på GE Healthcare 5/4-2017 Ylva

W-17-60/L-17 GE Healthcare's Bakgrund 6/4-2017 NiclasW-17-60/L-18 Internprotokoll V 3 24/4-2017 Gabriella

W-17-60/L-19Risker med ozonsterilisering 5/4-2017 Felix

W-17-60/L-20UV-ljus för destruktion av ozon 26/5-2017 Ylva

W-17-60/L21Metoder för prodkution av ozon 15/4-2017 Marcus

W-17-60/L-22 Ultrafiltrering utan driftstopp20/5-2017 YlvaW-17-60/L-23 Avstämning med GE 20/4-2017 MarcusW-17-60/L-24 Internprotokoll V5 24/4-2017 GabriellaW-17-60/L-25 Internprotokoll v6 2/5-2017 YlvaW-17-60/L-26 Möte med Ozonetech 8/5-2017 YlvaW-17-60/L-27 Skype med Anders Widov 8/5-2017 YlvaW-17-60/L-28 Internprotokoll v7 12/5-2017 YlvaW-17-60/L-29 Internprotokoll v8 19/5-2017 MarcusW-17-60/L-30 Lista över "egen" rapport 26/5-2017 YlvaW-17-60/L-31 Hantering av kritik från opponering26/5-2017 Ylva

Självständigt arbete i miljö- och vattenteknik 15 hp

ÄrendeloggÄrendeloggen innehåller alla arbetsuppgifter som utförs inom projektet. De som avrapporteras med en rapport ingår även i rapportloggen.

Projekt:Energiebesparingsprojekt för produktion av destilleratvatten vid GE Healthcare Uppsala

Nr. Datum [1] Ärende / uppgift [2] Resultat [3] Ansvarig person [4] Övriga medverkande personer

Ärendet slutfört [5] Kommentarer

Beskrivning Ange datum då ärendet/uppgiften beslutades om.

Skriv i text vad ärendet uppgiften handlar om. T.ex. beräkna värdet på x, ta kontakt med person NN, göra presentation till ... osv.

Om ärendet/uppgiften är tänkt att resultera i en rapport ange tilltänkt rapportnummer. Annars ange kort resultatet av ärendet/uppgiften.

Ange vem som är ansvarig för att ärendet/uppgiften blir genomfört.

Ange datum då ärendet/uppgiften blev slutfört.

1 28/3-2017 Arbetsform W-17-60/A-01 Jonas 29/3-20172 28/3-2017 Mötesstruktur W-17-60/A-02 Niclas 29/3-2017

3 28/3-2017 Projektplan W-17-60/A-03 GabriellaMarcus, Jonas, Niclas, Ylva 31/3-2017

28/3-2017 Ganttschema Marcus 30/3-201728/3-2017 Studiebesök 5/4-2017

5 28/3-2017 Internt protokoll W-17-60/L-01 Gabriella 31/3-20176 28/3-2017 Litteraturstudie W-17-60/G-01 10/4-2017

7 28/3-2017Projektgruppsprotokoll med

ärendelogg W-17-60/P-01

Ylva, Gabriella, Jonas, Niclas, Marcus och Felix

29/3-2017 Möte med Mattias (Handledare) 29/3-2017

29/3-2017Informationssökning och

referenshantering 29/3-2017 Skriv ihop frågor till Stuns Energi Felix Ylva 29/3-2017

29/3-2017Skicka ut frågor till Stuns via

mejl Gabriella 29/3-201729/3-2017 Beslut kring typsnitt 29/3-2017

30/3-2017 Presentation projektplan Ylva

Felix, Gabriella, Marcus, Jonas, Niclas 3/4-2017

30/3-2017 Kontaktat Hans.H ang Artikel Niclas

8 30/3-2017 Reverse Osmosi W-17-60/L-02 Marcus 6/4-2017

9 30/3-2017Alternativa

vattenreningsmetoder W-17-60/L-07 Felix

10 30/3-2017Inledande möte med Stuns

Energi W-17-60/L-03 Ylva Gabriella 30/3-201730/3-2017 Kontaktark Ylva 30/3-2017

11 30/3-2017 Ozonsterlisering W-17-60/L-04 Jonas Gabriella 06/04-2017

30/3-2017Skicka mejl med frågor till GE till

Emma Gabriella 30/3-201712 31/3-2017 EDI W-17-60/L-05 Marcus Ylva 7/4-2017

31/3-2017 Referenshantering Zotero Marcus Ylva 31/3-201713 31/3-2017 RO som produktionsmetod för WFI W-17-60/L-06 Niclas 4/4-2017

31/3-2017Projektplan skickad till Mattias Winterdahl Gabriella

14 31/3-2017 Endotoxin-neutraliserande protein w-17-60/L-11 Ylva15 3/4-2017 Internprotokoll V2 w-17-60/L-08 Gabriella16 03/4-2017 Endotoxin W-17-60/L-09 Marcus 6/4-2017

03/4-2017 Mejl till Primozone Gabriella17 03/4-2017 Ultrafiltrering W-17-60/L-10 Marcus Ylva 4/4-201718 3/4-2017 Mikrobiologisk tillväxt W-17-60/L-12 Ylva 6/4-2017

19 4/4-2017Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar W-17-60/L-13 Niclas 6/4-2017

4/4-2017Telefonsamtal med mikrobiolog, livsmedelsverket Ylva 4/4-2017

20 4/4-2017 Kromatografi W-17-60/L-14 Marcus 6/4-20174/4 Kontaktat Nissan Cohen Jonas 4/4-2017 inget svar

22 5/4-2017Sammanställning av besök på GE Healthcare W-17-60/L-16 Ylva 6/4-2017

23 5/4-2017Hur distruberar andra företag rent vatten W-17-60/L-15 Felix

6/4-2017Mejl till Pall Corporation om ultrafiltrering Ylva

24 6/4-2017 GE Healthcare's Bakgrund W-17-60/L-17 Niclas 6/4-20176/4-2017 Samtal med Jürgen Bischhaus,primozone Gabriella6/4-2017 Mejl till Bert Karlsson Gabriella6/4-2017 Litteratursammanställning Gabriella 10/4 -2017

26 7/4-2017 Mini-litteraturstudie W-17-60/G-02 Marcus, Ylva 8/4 -2017

6/4-2017

Mejl till Fernando Battaglini (artikelförfattare) om Au/Cys/CMDex elektrod Ylva 7/4-2017

7/4-2017 Mejl till Lenntech om bild (EDI) Ylva

7/4-2017Mejl till relevanta företag (distribution) Felix 7/4-2017

27 10/4-2017 Internprotokoll V 3 W-17-60/L-18 Gabriella 24/4-201710/4-2017 Mittredovisning Gabriella och Ylva 24/4 -201710/4-2017 Presentation till GE påbörjas Niclas och Felix10/4-2017 Uppladdning av arbetsrapporter Marcus

28 10/4-2017 Risker med ozonsterilisering W-17-60/L-19

10/4 -2017

Mejl till Xylem och Infraserv Höchst angående "ozonization"

Ylva

11/4 -2017Mejl till Xylem Germany, Spartan Enviornmental Technologies Ylva

29 11/4- 2017 UV-strålning för destruktion av ozon W-17-60/L-20 Ylva30 11/4-2017 Metoder för prodkution av ozon W-17-60/L21 Marcus

12/4-2017 Tänkbara frågor från GE Ylva, Niclas, Felix,Marcus12/4 -2017 Mejl till Ozonetech och Biotek Ozone Ylva12/4-2017 Möte med Mattias Ylva, Niclas, Felix,Marcus12/4-201712/4-2017 Mejl till BWT Marcus

31 13/4 -2017 Ultrafiltrering utan driftstopp W-17-60-L22 Ylva 20/5-201713/4 -2017 Mejl till Pentair om ultrafiltrering Ylva13/4 -2017 Utveckla litteraturstudie Ylva18/4-2017 Förbereda möte med GE 19/4 Jonas, Niclas, Marcus 18/4-201719/4-2017 Möte med GE Jonas, Niclas, Marcus 19/4-2017

32 19/4-2017 Avstämning med GE (A-rapport) W-17-60-L-23 Marcus 20/4-201724/4-2017 Mejl till Anders Widov Jonas,Niclas 24/4-2017

33 24/4-2017 Internprotokoll V 5 w-17-60-L-24 Gabriella24/4-2107 Möte med Mattias Ylva 25/4-2017

34 24/4-2017 Slutrapport w-17-60/S-01

Ylva, Niclas, Felix, Marcus, Gabriella, Jonas 12/5-2017

24/4-2017 studiebesök Ozonetech Niclas, Ylva, Gabriella, Jonas 5/5-201725/4-2017 Förbereda Möte med Anders Niclas25/4-2017 Mejl till Mikael på GE Ylva

24/4 Mittredovisning Ylva, GabriellaFelix, Marcus, Niclas, Jonas 24/4-2017

25/4-2017 Möte med MattiasYlva, Niclas, Felix, Marcus, Gabriella, Jonas 25/4-2017

26/4-2017 Mejl om ultrafiltrering Ylva35 2/5- 2017 Internprotokoll v6 w-17-60/L-2536 8/5-2017 Möte med Ozonetech w-17-60/L-26 Ylva 8/5-2017

8/5-2017 Skype med Anders Widov Niclas, Gabriella, Jonas 8/5-201737 8/5-2017 Möte med Anders Widov w-17-60/L-27 Ylva 8/5-201738 12/5-2017 Internprotokoll v7 w-17-60/L-28 Ylva 12/5-2017

17/5-2017 Presentationsövning på Stuns Jonas, Niclas, Gabriella, Ylva 17/5-2017

39 16/5-2017 Slutrapport w-17-60/S-02


40 17/5-2017 Internprotokoll v8 W-17-60/L-29 Marcus 19/5-201726/5 -2017 Lista över "egen" rapport W-17-60/L-30 Ylva 26/5-2017

26/5 -2017 Hantering av kritik från opponering W-17-60/L-31 YlvaNiclas, Gabriella, Marcus, Felix, Jonas 26/5-2017

41 Internprotokoll v9

42 25/5-2017 Slutrapport w-17-60/S-03


43 30/5-2017 StunsredovisningNiclas, Gabriella, Jonas, Ylva, Felix, Marcus 30/5-2017

44 1/6-2017 Slutrapport W-17-60/S-04


Implementeringsanalys av steriliseringsmetoder för

GE Healthcares distribution av purified water


Institutionen för geovetenskap

VT 2017

Självständigt arbete miljö- ochvattenteknik 15 hp

DokumenttypSlutrapport

DokumentkodW-17-60/S-04

Datum1 juni 2017

ErsätterW-17-60/S-03

FörfattareGeber Ylva, Grünewald Niclas, Johansson Felix,Rullander Gabriella, Sigfridson Marcus, Westin Jonas

HandledareMattias Winterdahl

RapportnamnImplementeringsanalys av steriliseringsmetoder förGE Healthcares distribution av purified water

SammanfattningGE Healthcare i Boländerna, Uppsala producerar årligen 88 000 m3 vatten för medicinskanvändning. Särskilda krav på hög kvalitet ställs på vattnet, internationellt klassificeratsom purified water, PW. Utöver gränsvärden för en bakteriell halt ställer GE krav på hal-ter av endotoxin, giftiga ämnen genererade från fettämnen hos gramnegativa bakterier.Under en längre period har det rena vattnet producerats genom destillation, en processdär den utgående produkten har en temperatur på 90 –95 ◦C, varpå de höga tempera-turerna håller vattnet steriliserat från mikrobiell tillväxt. I huvudslingor på upp till 300m distribueras vattnet ut till olika byggnader på anläggningen, varpå vattnet kyls nedtill 20 ◦C, där 7 l dricksvatten går åt för att kyla 1 l PW. Från och med år 2018 kom-mer GE att börja producera PW genom omvänd osmos och elektriska jonbytare, vilketmedför den stora skillnaden att kallt vatten på 20 ◦C bildas. Syftet med det här projek-tet var att hitta ett energibesparande sätt att sterilisera distributionssystemet för kalltrenat vatten, vilket uppfyller kriterier för implementering i GE:s anläggning. Projektetgenomfördes i huvudsak som en litteraturstudie av vetenskapliga artiklar från en rad oli-ka databaser. Av tillgängliga metoder som analyserats, rekommenderades ozon i GE:sdistributionssystem. Detta eftersom ozon är ett starkt oxiderande ämne som lämpar sigväl i PW-system samt inte kräver något stopp i GE:s produktion. Ozon kan bildas di-rekt från syret i luften alternativt från vattnet själv. De starka oxiderande egenskapernagör att endast en liten mängd ozon behövs för steriliseringen, vilket genererar låga drift-kostnader. Halveringstiden på ungefär 20 minuter i PW gör att det mesta ozonet brytsned naturligt under distributionen, varpå den resterande delen kan omvandlas tillbakatill syrgas genom strålning med UV-ljus. Ozon är en säker metod som enkelt kan imple-menteras i GE:s nuvarande distributionssystem, med endast ett fåtal ombyggnationer ochskulle vid planerad utbyggnad i framtiden spara in ytterligare kostnader genom enklarerörkonstruktioner. Om GE väljer att använda ozon som steriliseringsmetod uppskattasinvesteringskostnaden vara intjänad på mindre än ett år.

Innehåll1 Problembeskrivning och syfte 1

1.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Teori och bakgrund 12.1 Bakgrund till GE Healthcare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1.1 Om företaget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Anläggning för destillerat vatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.3 Nuvarande distribution av PW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.4 Övergång till RO och EDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.5 Planerad distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Mikroorganismer i PW-system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Tekniken bakom planerad PW-produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3.1 Omvänd osmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.2 Elektriska jonbytare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.3 Ultrafiltrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4 Rörsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.5 Rouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Metod 103.1 Bedömningskriterier för urval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Fördjupning av vald metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Steriliseringstekniker 124.1 Hetvattenspolning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Ultrafiltrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3 Klor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.4 Ozonsterilisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.5 Urval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5 Fördjupning inom ozonsterilisering 155.1 Egenskaper hos ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.2 Effektivitet hos ozon för mikrobiell kontroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.3 Ultraviolett ljus för nedbrytning av ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.4 Typer av ozongeneratorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.4.1 Koronaurladdning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.4.2 Elektrolys av purified water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.5 Säkerhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.6 Implementering av ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.6.1 Distributionssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.6.2 Ozondosering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.6.3 Val av generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.7 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.7.1 Destruktion med UV-ljus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.8 Investeringsförslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.9 Ozonsterilisering i storskaligt PW-system, Infraserv Höchst . . . . . . . . . 29

5.10 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk industri, fallstudie . . 30

6 Diskussion 35

7 Slutsats 40

8 Referenser 41

9 Appendix 469.1 Planskiss över distributionssystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469.2 Kostnader årligen för sterilisering av PW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.3 Beräkning av energiåtgång vid hetvattenspolning . . . . . . . . . . . . . . 489.4 Distributionssystem för Infraserv Höchst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499.5 Distributionssystem för experimentell prototyp . . . . . . . . . . . . . . . 509.6 Relevanta sökord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509.7 Flödesuträkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519.8 Beräkning av k, antaget första ordningens kinetik . . . . . . . . . . . . . . 52

1 Problembeskrivning och syfteGE Healthcare planerar att expandera sin produktion av purified water (PW) genom attbland annat byta produktionsmetod från destillation till omvänd osmos (RO) och elekt-riska jonbytare (EDI) kombinerat med ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Vid produktiongenom destillation genereras PW med så pass höga temperaturer att distributionssyste-met steriliseras via direktkontakt med det varma vattnet under transportsträckan. Vattnetkyls sedan ned med värmeväxlare vid respektive fabrik för att kunna användas vid pro-duktion av läkemedelsprodukter (Wall, 2017). Den nya produktionsmetoden kommer tillskillnad från destillation att generera kallt vatten direkt från produktionskällan och GEhar som avsikt att värma upp vattnet efter produktion för att fortsätta sterilisera rörsy-stemen på samma sätt som innan ombyggnaden. Att värma upp vattnet efter produktionför att sedan kylas ned är kostsamt och förbrukar en stor andel av Uppsalas vattenförråd.Den planerade lösningen kan i längden bli ohållbar för företaget, både ur en ekonomiskoch miljömässig synvinkel varpå en revidering av nuvarande steriliseringsmetod för distri-butionssystemet kan vara nödvändig. GE är själva medvetna om deras systems kommandebrister och har därför visat intresse för att hitta andra lösningar (Pantefors, 2017).

1.1 Syfte

Syftet med rapporten är att utvärdera möjliga steriliseringsmöjligheter för rörsystem uti-från ett flertal kriterier som är nödvändiga för företaget. GE producerar PW dygnet runtoch ett produktionstopp skulle innebära större inkomstförluster. Det är även av hög rele-vans att PW är fritt från kemikalier när det når fabrikerna, eftersom det skall användasvid bland annat läkemedelsproduktion. Dessutom bör steriliseringsmetoden ge sammagoda sanering av rörsystemen som hetvattenspolningen och inte vara dyrare i drift. Deviktigaste kriterierna inför urval av steriliseringsmetod är så ledes:

1. Inget produktionsstopp

2. Kemikaliefritt PW inför produkttillverkning

3. Effektiv rening med avseende på mikrober och endotoxin

4. Ekonomisk hållbar metod

En stor fördel är även om den funna metoden visar sig vara mer miljövänlig än hetvattens-polning. Målet är att den steriliseringsmetod som anses mest lämpad för GE ska undergåen djupgående analys för att sedan löpa ut i ett implementeringsförslag för företaget.

2 Teori och bakgrund

2.1 Bakgrund till GE Healthcare

2.1.1 Om företaget

General Electric (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av Edi-son General Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företagets hu-vudsakliga verksamhet var då belysning, järnvägar och gruvarbete (Healthcare, 2012).

1

Sammanslagningen blev en succé och företaget blev snabbt känt för att ge hög produk-tionskvalitet till en låg kostnad.

GE:s första innovationer inom sjukvård var genom utvecklingen av röntgenstrålar. År 1964började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var starten tillden del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare (Healthcare, 2012). Internatio-nellt sett är GE verksamma i över 100 länder. Anläggningen i Uppsala har idag cirka 1200anställda, varav en betydande andel arbetar inom forskning och utveckling av nuvarandetekniker (Åström m. fl., 2016).

Nästan all produktion på anläggningen kräver vatten av väldigt hög kvalitet, något sominternationellt kallas purified water (PW) (Pantefors, 2017). I snitt förbrukar GE88 000 m3 PW varje år. Vattnet produceras av GE genom destillation och distribuerassedan över hela anläggningen. Det finns olika krav definierade för när ett vatten får klassassom PW. Enligt United States Pharmacopeia Systems (USP), vilket är de riktlinjer somGE valt att gå efter (Linder, 2017), krävs en bakteriehalt på under 100 CFU/ml (CFU=colony forming units) (Pharmasystems, 2017). USP har dessutom krav på en maximalmängd totalt organiskt kol (TOC) på under 500 µg/l (Cohen och Hanley-Onken, 2013).För PW ställer European Pharmacopoeias, (Ph Eur) samma krav på en maximal bakte-riehalt på 100 CFU/ml (Penne m. fl., 2009) respektive den högsta tillåtna mängden TOCpå 500 µg/l (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

Utöver detta ställer GE specifika krav för endotoxin, giftiga ämnen bestående av lipo-polysackarider genererade från fettämnen i det yttre cellmembranet hos bakterier. Endo-toxin kan ha olika negativa hälsoeffekter såsom feber eller sepsis beroende på halt ochintag (Nationalencyklopedin, 2017), varpå GE:s krav går ut på att halterna ska sänkastill nivåer på under 0.5 EU/ml (EU=endotoxin units) (Linder, 2017).

2.1.2 Anläggning för destillerat vatten

GE Healthcares anläggning för produktion och distribution av PW i Boländerna, Upp-sala (se Figur 7 i Appendix) består av rör i rostfritt stål. Medan delar av rörsystemethar tillkommit under de senaste åren, byggdes andra delar av systemet redan på 60-talet(Karlsson, 2017). Vissa mindre delar av distributionssystemet kan bestå av rör i plast.Genom ett antal huvudslingor på uppemot 300 m, distribueras producerat PW till sam-manlagt 15 olika byggnader på anläggningen (Karlsson, 2017).

Vattenflödet i rörsystemet är i genomsnitt vid normalproduktion 20 m3/h, men i anlägg-ningen kan variationer av flödet förekomma på mellan 1 m3/h och 40 m3/h under dygnet.Rören i distributionssystemet har i genomsnitt en diameter på 51 mm. Utifrån flödet ge-nom systemet ligger hastigheten genom rören mellan 0.14 m/s och 5.56 m/s (se ekvation24 och 25 i Appendix).

2.1.3 Nuvarande distribution av PW

För tillfället produceras det destillerade vattnet på GE genom destillation där vattnetvärms upp till kokpunkten för att sedan kondenseras till vätskefas, en process som verkar

2

steriliserande med avseende på mikrober (Pantefors, 2017). Vattnet förvaras i tankar ochdistribueras sedan varmt längs huvudslingorna för att sedan förgrenas i mindre rörsysteminnan det anländer till olika fabriker i anläggningen. Vid fabrikerna kyls vattnet med vär-meväxlare då deras produktion kräver en vattentemperatur på 20 ◦C (Pantefors, 2017).Det varma vattnet som flödar genom huvudledningen motverkar mikrobiell tillväxt ochGE kontrollerar vattenkvaliteten genom kontinuerlig provtagning (Linder, 2017). I led-ningarna efter att vattnet har kylts ned krävs en genomspolning av det heta vattnet engång i veckan för att hålla rören steriliserade (Pantefors, 2017).

2.1.4 Övergång till RO och EDI

GE Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer därför att göraen uppgradering av sina vattenreningsmetoder. Istället för destillering av vattnet kommerreningsprocessen istället ske genom omvänd osmos (RO) och elektriska jonbytare (EDI),vilket följs av ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Installationen av det nya systemet beräknasvara färdigt till år 2018 och den största skillnaden från destillationsprocessen är att denfärdiga produkten är kall, med en temperatur på 20 ◦C.

2.1.5 Planerad distribution

GE Healthcare har i nuläget planer på att efter den nya installationen av RO och EDIvärma upp det kalla PW som producerats till 90 – 95 ◦C (Sjöstedts, 2017) och därige-nom fortsätta att distribuera vattnet varmt genom samma steriliseringsprocess som underdestillationen (Pantefors, 2017). I Appendix (Figur 7) finns en schematisk skiss över dis-tributionssystemet för PW i GE Healthcares anläggning i Boländerna i Uppsala.

I anslutning till varje hus kommer det varma vattnet från huvudslingan att kylas nerigen till 20 ◦C genom att kallt dricksvatten tillförs. För nedkylningen åtgår en ungefärligmängd på 7 l vatten för varje l producerat PW (Wall, 2017). Utifrån uppskattningen omen kostnad för kylvattnet på 14 kr/m3 (Wall, 2017), skulle nuvarande årliga produktionav 88 000 m3 PW medföra kostnader för nedkylning på 8.6 miljoner kr. Dricksvattnetsom använts till nedkylningen förs sedan ut i Uppsala Vattens dagvattensystem. UppsalaVatten har satt en gräns på en maximal vattentemperatur på 45 ◦C för att inte slita påledningarna (Wall, 2017). Det har visat sig vara problematiskt att hålla dessa gränsvärdendå det dricksvatten som används till kylningen värms av det heta renade vattnet och vidvissa tillfällen uppnått temperaturer uppemot 70 ◦C.

För att hindra bakteriell tillväxt i PW kommer dessutom en hetvattenspolning att ske avdet kalla vattnet i distributionssystemet en gång i veckan (Pantefors, 2017).

2.2 Mikroorganismer i PW-system

Förekomsten av mikroorganismer i PW-system är inte ovanlig trots näringsfattiga för-hållanden. Då bakterieceller har lätt att fästa på i stort sett alla sorts ytor i akvatiskamiljöer medför det en risk för bildning av biofilm (Lappin-Scott m. fl., 2003). Biofilm ärett sorts aggregat som bildas på ytor och består av en mängd olika mikrobiella stammar.

3

Biofilmen fungerar som ett ekosystem av bakterier och gynnar tillväxt och näringsupptag.Mikrober som lever i biofilmen försämrar vattenkvalitén när de släpps ut i vattenflödet(Outi m. fl., 2000). Bildning av biofilm är den huvudsakliga källan till de flesta bakteriellaproblem som uppstår inom diverse vattensystem.

Majoriteten bakterier som förekommer i PW-system är heterotrofa gramnegativa bak-terier (Lappin-Scott m. fl., 2003). Heterotrofa bakterier är de bakterier som konsumerarorganiskt kol som energikälla. Både gramnegativa och grampositiva bakterier innehållerdet fettämne som ger upphov till endotoxin (Nationalencyklopedin, 2017). En skillnad ärdock att grampositiva bakterier har en cellvägg som till största del består av flera lager avden stora sockermolekylen peptidoglykan, till skillnad från gramnegativa bakteriers cell-vägg som bara har ett enkelt lager av peptidoglykan. Denna skillnad i uppbyggnad medföratt de grampositiva bakterierna är mer motståndskraftiga. Dessa förekommer dock van-ligtvis inte i PW-system.

Organiskt kol är den enda tillgängliga näringen för mikrober i PW-system då det intetillförs några ickeorganiska energikällor via vattnet. Detta är anledningen till att mångaPW-industrier regelbundet mäter TOC i systemet (Sandle, 2015).

2.3 Tekniken bakom planerad PW-produktion

2.3.1 Omvänd osmos

Osmos innebär diffusion av vatten över ett semipermeabelt membran, vilket låter vissaatomer och molekyler passera samtidigt som andra blockeras. Flödet styrs av det osmotis-ka trycket som arbetar efter att utjämna en koncentrationsgradient. Vattnet flödar såledesöver membranet mot den sida där vattnets initiala koncentration av lösta ämnen är högst(Crittenden m. fl., 2005). Omvänd osmos, på engelska reverse osmosis (RO), innebär attvattnet diffunderar från den högre koncentrationen till den lägre, till exempel från detinkommande matarvattnet (med fler partiklar) till rent vatten. Vid RO ligger membranetparallellt med matarvattnet. På så sätt separeras vattnet från de lösta ämnena. Detta skerdock inte naturligt, utan ett yttre tryck motsvarande det osmotiska tycket måste applice-ras (Glater, 1998). Detta tryck appliceras på den sida av membranet där koncentrationenav lösta ämnen är som störst, vilket tvingar vattnet att diffundera över membranet.

Membranen som används till RO består av flera lager. Dessa kan variera mellan olikamembrantyper men innefattar vanligen ett lager som utgörs av polyvinyl alkohol, vilketmedför att membranet blir mer hydrofilt vilket i sin tur påskyndar transporten av vattnetgenom membranet (Saraf m. fl., 2014). Membranet innehåller dessutom polyamid vilketutgör det selektiva lager som blockerar oönskade ämnen från att passera tillsammans medvattnet.

Av det inkommande vatten till systemet passerar 10 – 15 % membranet och blir till rentvatten (Xu och Chellam, 2005). Detta utbyte går att effektivisera genom att användafilter tidigare i systemet, vilket filtrerar ut sand- och lerpartiklar samt kolfilter för attgrovt avlägsna det mesta av bland annat klorid. Ytterligare faktorer som effektiviserarprocessen är att öka vattentemperaturen och ingångstrycket, vilket påskyndar flödet över

4

membranet men samtidigt kräver en större mängd tillförd energi (Crittenden m. fl., 2005).Genom RO avlägsnas generellt över 90 % av jonerna samt de flesta organiska föroreningar-na (Kornboonraksa, 2016). Metoden har dock svårigheter att rena vattnet från lösta gaser.

2.3.2 Elektriska jonbytare

EDI är en metod som huvudsakligen är uppbyggd av jonbytare och jonselektiva membran.Jonbytare är en teknik som används för att byta ut oönskade joner i en vattenström motvätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker genom att låta matarvatten passeragenom olika filterkolonner innehållandes jonbytarmassa. I första steget passerar vattnetgenom en filterkolonn där de positiva jonerna separeras från vattnet (byts ut mot väte-joner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa jonerna vid passage genom en andrafilterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte och hydroxidjoner som tillkommitvid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten (Wang m. fl., 2000). Det jonselektiva mem-branet är ett membran som har har till uppgift att släppa genom vissa joner medan andrajoner inte kan passera, ett urval som bestäms bland annat av jonernas laddning.

Under EDI-processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyll-da med jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet avmatarvattnet sker i huvudsak till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 1.De oönskade jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kana-lerna som inte innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salteroch kontaminationer som successivt avskiljs. Över membranpaketet läggs, via elektroder-na, en likspänning som resulterar i att positiva respektive negativa joner dras åt olikahåll och transporteras genom de jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler(Avfall Sverige, 2012). Det elektriska fält som bildas då potentialen läggs över elektroder-na bidrar till att en liten del vattenmolekyler delas upp i hydroxid- och vätejoner. Dessaproducerade joner är väsentliga för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenereradetillstånd (Wang m. fl., 2000). Dessutom kan hydroxidjonerna och vätejonerna reagera medämnen så som koldioxid, kiseldioxid och ammoniak, vilka då kan transporteras ut direktgenom de jonselektiva membranen. För att förhindra att för höga halter av bland annatsalter och diverse partiklar påverkar EDI:n negativt används med fördel omvänd osmos,som ett försteg till EDI-processen (”Electrodeionization Process” 2017).

5

Figur 1: En principskiss över EDI processen (Avfall Sverige, 2012).

EDI-processen kan inte användas för vatten med en hårdhet högre än 1 ◦E. Detta haratt göra med att hårt vatten innehåller höga halter kalciumkarbonat vilket kan orsakaavlagringar som hindrar den jonselektiva processen (Lenntech, 2017). På GE Healthcaresanläggningar förkommer dock mjukgörande processer av vattnet vilket sänker vattnetshårdhet (Brolin, 2017).

2.3.3 Ultrafiltrering

Ett sista steg under själva produktionen av PW innan vattnet är redo att distribueras tillolika företag i anläggningen är ultrafiltrering. I likhet med övriga filtreringsmetoder pas-serar vattnet ett poröst membran, i detta fall ett så kallat ultrafilter, som fungerar som enselektiv barriär för olika ämnen i vattnet (Cheryan, 1998). Strömningen över membranetsker till följd av att matarvattnet trycksätts. Vid passagen genom de vanligaste filterty-perna reduceras vätskans innehåll på makromolekylerna och partiklar större än 0.001 –0.02 µm (Cheryan, 1998). För att filtrera ut endotoxin, vilka har en storleksordning på10 – 20 kDa (1Da = 1.661 · 10−27kg), krävs ett ultramembran som filtrerar ut molekylermed en molekylvikt ned till 10 kDa (Saxena, 2009). Nackdelen med denna metod är blandannat att filtreringshastigheten är relativt långsam, vilket gör processen tidskrävande.

Även om membranets porstorlek vanligen bestäms av vikten på det som ska filtreras bort,kan dock dess geometri ha en avgörande betydelse. Samtidigt som sfäriska molekyler fast-nar i membranet kan linjära molekyler med samma molekylmassa ta sig igenom porerna(Pall Coporation, 2017). Laddningen på molekylerna är ytterligare än faktor som påverkarom de fastnar i membranet eller inte.

6

2.4 Rörsystem

Dead-legs definieras som delar av rören som inte är aktiva och där flödet är stillastående(Habib m. fl., 2005). I rörsystem utgörs dead-legs ofta av T-formande ventiler med tvåutlopp (Austen, 2005) eller förekommer i förgreningar ut från huvudslingan (Habib m. fl.,2005). För att avgöra i vilken utsträckning dead-legs förväntas kontaminera systemet,måste hänsyn tas till så väl flödet i huvudslingan som proportionen L:D, det vill sägalängden ut till huvudslingan från slutet på det förgrenade röret, L, i förhållande till hu-vudslingans diameter, D (se Figur 2, där L motsvarar längden på det förgrenade röretfrån mitten av huvudslingan) (Austen, 2005).

Figur 2: Rörsystem med dead-leg där diametern hos huvudslingan definieras som D ochdiametern hos det förgrenade röret som d. I figuren motsvarar sträckan markerad meden pil längden på det förgrenade röret ut från huvudslingan, vanligen definierad som L.(Austen, 2005), Licens: CC BY-NC-ND 3.0.

I rörsystem kan exempelvis klorgas, vilket är ett vanligt kemiskt steriliseringsmedel, hasvårt att diffundera ned i dead-legs. Detta leder i sin tur till att mikrobiell tillväxt kan skeenklare i de delar av rörsystemet där dead-legs förekommer, vilket senare kan spridas uti hela systemet (Austen, 2005). Dessutom kan de kemikalier som når fram till dead-legslätt ansamlas utan att avlägsnas från systemet. Dead-legs kan även orsaka problem vidtermisk sterilisering eftersom värmen som leds genom vattnet kan ha svårt att komma helavägen ut genom ett dead-leg, varpå områden med lägre temperatur kan förekomma därmikroorganismer enklare växer till (Austen, 2005). För att undvika detta kan ytterligaresteriliseringsåtgärder, exempelvis i form av hetvattenspolning, krävas direkt i anslutningtill aktuellt dead-leg.

Även i rörsystem med material som vanligtvis är relativt motståndskraftiga mot kor-rosion, är dead-legs med stillastående vatten eller vatten med låg hastighet, områden medförhöjd risk för korrosion (Habib m. fl., 2005).

För vattenvolymer större än 100 ml har US Food & Drug Administration (FDA) satt uppspecifika riktlinjer, så kallade Large volume parenterals (LVP:s) (FDA, 1982). En sådanriktlinje från 1982, men som fortfarande gäller i många system idag, är att dead-legs intefår förekomma med en längd på över sex gånger diametern på det ursprungliga röret,

7

dvs L:D på över 6:1. Riktlinjen syftar till att stillastående ska undvikas i vattensystemet.Denna design på rörsystemet gäller då temperaturen på vattnet hålls över 75 ◦C (FDA,1993). Vid lägre temperaturer bör dead-legs undvikas helt, alternativt att steriliseringsker i direkt anslutning dessa. Många rörsystem idag konstrueras så att proportionen L:Där maximalt 2:1, vilket gör att stationärt vatten i förgreningarna undviks så länge flödeti huvudslingan är tillräckligt (ASME, 2013).

Från och med år 2016 har GE Healthcare börjat ställa strängare krav (Healthcare, 2016)vad det gäller dead-legs i sitt distributionssystem för PW. Kraven är definierade i före-tagets egna User Requirement Specification (URS) och berör samtliga ombyggnationer,tillbyggnader och byte av delar inom anläggningen i Boländerna, Uppsala. Gällande dead-legs bör dessa inte överstiga L:D på 3:1. Om detta inte är möjligt rent konstruktionsmäs-sigt, kan i vissa fall dead-legs på längder upp till L:D 6:1 tillåtas. Ett sätt att undvikadead-legs är att montera in så kallade Zero Dead Leg (ZDL)-ventiler. Ventilen har somfunktion att, då en fabrik inte tar emot PW, hindra vattnet från att flöda ut i det förgre-nade röret (om detta utgör ett dead-leg) i anslutning till fabriken.

Materialet på rörsystemet har stor betydelse för de bakteriella förutsättningarna. Rör iplast har exempelvis större chans att ackumulera biofilm, än exempelvis rostfritt stål ochkoppar (Zhang m. fl., 2017). Studier av ett antal vanligt förekommande material i rörsy-stem, utförda av Zhang m. fl. (2017), har visat på färre arter av bakterier hos rör i rostfrittstål än både segjärn (DI) och polyeten (PE, det vill säga en sorts plast), (EncyclopaediaBritannica, 2013)). Undantag gäller dock den gramnegativa proteobakterien Acidovorax(Marin, 2011), vilken i studier av Zhang m.fl. (2017) uppmätts till flera gånger högrehalter i rör av rostfritt stål jämfört med rör av DI och PE. En följdeffekt av de högrehalterna av bakterien Acidovorax är ökad risk för korrosion av rören (Zhang m. fl., 2017).

För att öka resistensen mot korrosion hos det rostfria stålet kan stål med en andel mo-lybden användas (Percival, 1999). Exempelvis är rostfritt stål av grad 316, med 2 %molybden (United Performande Metals, 2017) mer motståndsbenäget mot korrosion ängrad 304, utan molybden. Grad 316 finns vidare i varianten 316L, vilken innehåller en läg-re halt kol och därmed stärker resistensen mot korrosion ytterligare och höjer materialetsbrottsgräns. Plaster är överlag betydligt mer känsliga mot oxiderande ämnen än rostfrittstål, men graden av resistens kan variera mellan olika sorters plast (Lindam, 2017). Nitril(Lindam, 2017) är exempelvis mycket känsligt mot oxiderande ämnen, medan flourpoly-mererna polyvinylidenfluorid, PVDF, teflon och viton är betydligt mer motståndsbenägnaäven mot starkt oxiderande ämnen (Harrison m. fl., 2012).

Mikroorganismer ackumuleras enklare på ojämna ytor hos rören (FDA, 1993). Rostfrittstål poleras ofta för att undvika ojämnheter på ytorna vilket gör att risken för bakte-riell tillväxt minskar (Austen, 2005). Ventiler och svetsningar är ytterligare en källa tillmikrobiell tillväxt i rörsystemet (Linder, 2017). I rörsystem är i regel rören hopsvetsadeeller hopmonterade med så kallade Sanitary fittings, hygieniska kopplingar i sekvenserdär rören övergår i tankar eller ventiler. Sanitary fittings är lätta att göra rent och hartill skillnad från gängor inga skåror där mikroorganismer enkelt kan fastna (Austen, 2005).

8

I GE Healthcares anläggning i Boländerna finns 5 tankar, vilka alla är sammankopplademed varandra och har en total volym på 230 m3 (Karlsson, 2017). Enligt GE:s URSfrån 2016 finns även riktlinjer över krav på att samtliga tankar är vakuumklassade samtdessutom försedda med spraybollar, vilka har som syfte att genomskölja hela tanken meddet innevarande vattnet (Healthcare, 2016). Detta underlättar för sterilisering av helatankytorna.

2.5 Rouge

Rouge-bildning är ett fenomen som är vanligt förekommande inom branscher där PW pro-duceras, till exempel inom den farmaceutiska industrin (Mathiesen och Frantsen, 2007).Rouge-bildning innebär att det ansamlas en röd-brun järnbeläggning (järnoxid) på insi-dan av förvaringstankarna och distributionssystemet av rostfritt stål, i vilket varmt (>60◦C) PW flödar. Utöver distributionssystemen och tankarna bildas rouge även i destillato-rerna. Rouge-bildningen tenderar dock att vara kraftigare vid destillatorerna på grund avde höga temperaturerna som råder här. Rouge-bildning förekommer även i kalla distribu-tionssystem där rören består av rostfritt stål, men inte i lika stor utsträckning (Widov,2017). För att helt undvika rouge kan rör i form av plast användas, vilket är möjligtom distributionen av vattnet sker vid rumstemperaturer (Cohen, 2017). Eftersom rougenär uppbyggd av små partiklar kan de i viss mån följa med vattenflödet och ge upphovtill ett homogent lager av rouge i hela distributionssystemet (Mathiesen och Frantsen,2007) (Roll och Kilkeary, 2001). Huruvida ett PW system behöver ”avrougas” beror påhur mycket rouge som finns för tillfället och hur snabbt denna tillväxer, något som kanvariera kraftigt mellan olika anläggningar. På vissa anläggningar kan en rougebeläggningbildas på ett par månader medan det kan ta uppemot ett par år på andra anläggningar.Orsaken till denna höga variation är ännu oklar och ytterligare studier behövs inom dettaområde. Avlägsnande av rouge är något som förekommer på många farmaceutiska indu-strier. Vanligtvis används olika typer av syror, så som citronsyra, fosforsyra eller oxalsyraberoende på till vilken grad systemet är drabbat (Mathiesen och Frantsen, 2007).

9

3 MetodProjektet genomfördes som en litteraturstudie. I första hand analyserades vetenskapligaartiklar, men som komplement användes specifikationer om olika produkter från tekniskaföretag för att undersöka möjligheter till implementering i GE Healthcares egna anlägg-ning. En bedömning över relevansen hos samtliga källor gjordes. Experter inom branschenkontaktades via mejl och telefon då den information som fanns tillgänglig på internet ochi bibliotek var bristfällig.

Under första arbetsveckan genomfördes en pilotsökning av databaserna Scopus, Web ofScience, SpringerLink, Science direct, PubMed Central och Nationalencyklopedin. Dettagjordes för att få en överblick av forskningsläget inom det undersökta området. Denna in-ledande pilotsökning medförde att sökord och söktekniker kunde raffineras inför framtidasökningar. Under pilotsökningen låg fokus på träffsäkerheten istället för selektivitet, föratt på så vis fånga in så många relevanta referenser som möjligt.

Samtliga databaser som undersöktes i pilotsökningen visade sig vara intressanta för er-hållandet av relevanta referenser. Litteratur har sökts från olika källor för att undvikapublikationsbias. Vid databassökningarna användes ett stort antal ämnesspecifika sökordi olika konstellationer (för relevanta sökord se Tabell 10 i Appendix). Olika sökoperatorerså som AND, OR och ∗ användes för att öka träffsäkerheten i sökningarna. SökoperatornAND användes för att skapa kombinationer av olika sökord, OR möjliggjorde för träffarinom samtliga sökord och ∗ användes för att söka referenser med en ordstam vars ändelsekan variera.

Ytterligare kompletterande sökningar, utöver de elektroniska databaserna, utfördes påGoogle Scholar. Även referenslistor och ledande forskares publiceringar genomsöktes re-spektive söktes. Forskare vars namn återkom i flera artiklar samt forskare vars artiklarvar mycket citerade kontaktades via mejl. Muntlig information erhölls framförallt frånGE Healthcares tekniker, andra relevanta företag samt experter inom vattensystem ochozonsterilisering. Med GE:s tekniker hölls två möten där specifik information om an-läggningen erhölls. GE rekommenderade även en konsult, Anders Widov, välkänd inomozonrening samt med insikt i GE:s anläggning. Widov kontaktades via Skype även härmed syfte att erhålla anläggningsspecifik information samt expertutlåtanden om ozonre-ningsteknik i helhet. Från Widov erhölls ytterligare kontaktinformation till bland annatNissan Cohen, expert inom ozonrening på PW-system, och Phil Sumner, manager på Phi-zer Global engeneering.

Studier som inkluderades direkt och således genomgick vidare granskning var studier somberörde sterilisering av distributionssystem. Utöver detta inkluderades även studier somkunde ge en helhetsbeskrivande bild av de problem som GE Healthcare kan tänkas ståinför vid implementering av diverse steriliseringstekniker. Samtidigt exkluderades studierskrivna på annat språk än svenska eller engelska. Ytterligare en aspekt för exkludering varom studierna märkbart beskrev föråldrade tekniker, det vill säga tekniker inom områdendär utvecklingen varit omfattande. Slutligen exkluderades studier med nya obeprövadetekniker, vars samhällsimplementering inte är aktuell inom en snar framtid.

10

3.1 Bedömningskriterier för urval

För att kunna bedöma om respektive undersökt teknik skulle kunna implementeras i GE:sdistributionssystem, hölls under hela projektet kontinuerlig kontakt med en projektgrupppå företaget. Vid urvalet togs i beaktande vilka möjligheter det fanns att implementerarespektive metod i GE:s anläggning. En avgörande faktor för detta var om metoden kräv-de produktionsstopp i systemet, vilket för en så stor anläggning som den hos GE leder tillenorma kostnader för företaget (Pantefors, 2017). Dessutom måste tekniken rent fysisktkunna installeras i systemet utifrån storleken och materialet hos distributionssystemet.Stort fokus lades på säkerhet och risker med metoden samt effektiviteten på reningen ochkostnader för investering och drift.

Ytterligare faktorer som undersöktes var behovet av kemikalietillsatser och vilka eventu-ella restprodukter som kan bildas, detta eftersom inga kemiska tillsatser får finnas kvari slutprodukten. Hos den teknik som bedömdes uppfylla ovanstående kriterier bäst, upp-skattades dessutom energi- och vattenåtgång så väl som tillgängligheten på marknaden.

3.2 Fördjupning av vald metod

Fördjupningen av den valda metoden genomfördes också primärt som en litteraturstudie.Större fokus lades dessutom på att komma i kontakt med företag som installerat tekni-ken på motsvarande anläggningar som GE:s. Denna fördjupning innebar att den utvaldatekniken granskades djupare utifrån ett flertal aspekter såsom teknikens steriliserandeegenskaper, vilka typer av tekniska moduler som kan bli aktuella vid implementering,hur steriliseringsmetoden i fråga opererar på liknande anläggningar samt vilka för- ochnackdelar som finns ur hälso- och säkerhetsaspekter.

11

4 Steriliseringstekniker

4.1 Hetvattenspolning

En metod för att sterilisera distributionssystem från endotoxin och biofilm är genom upp-värmning av vattnet till över 75 ◦C (Sandle, 2013). Denna temperatur måste bibehållasför att mikrobiell tillväxt inte ska ske. Vid lägre temperaturer krävs hetvattenspolningunder en längre tid för att eliminera de nödvändiga halterna av mikroorganismer. Urenergisynpunkt är exempelvis en hetvattenspolning med temperaturen 80 ◦C mer ener-gieffektiv än temperaturen 60 ◦C (Atila, 2016). Om temperaturen understiger 50 ◦C fårtemperaturökningen av vattnet omvänd effekt och halten endotoxin kan öka (Forssbladoch Annadotter, 2008).

Uppvärmningen av vattnet liksom nedkylningen till 20 ◦C, vilket är en vanlig temperaturpå vattnet vid produktionsanläggningar, är dock mycket energikrävande. Utifrån vatt-nets specifika värmekapacitet kan energiåtgången för en uppvärmning från 20 ◦C till 80◦C beräknas till cirka 70 kWh/m3 (se Appendix 9.3). Till själva nedkylningen åtgår förfarmaceutiska system flera liter dricksvatten för varje liter producerat rent vatten (Wall,2017), vilket medför stora driftkostnader. Dessutom medför uppvärmningen tillsammansmed nedkylningen en sammantaget lång steriliseringscykel på många timmar (Harrisonm. fl., 2012).

För att kunna använda hetvattenspolning som steriliseringsmetod ställs krav på att dis-tributionssystemet klarar de höga temperaturerna. I regel används extra isolering på röroch tankar (Harrison m. fl., 2012).

4.2 Ultrafiltrering

Utöver att användas tillsammans med RO och EDI vid produktionen av PW kan ultrafilteräven nyttjas till att filtrera bort mikrober och endotoxin i distributionssystemet. För attreningen ska vara effektiv krävs noggrant dimensionerade membran. Genom experimen-tella mätningar i distributionssystem för PW, har ultrafiltrering resulterat i bakteriellanivåer på mindre än 2 CFU/ml (Collentro, 2016). Ultrafiltreringen kan sålunda vid rättdesign och val av membran få ned bakteriella nivåer till långt under USP:s gränsvärdenpå 100 CFU/ml (US Pharmacopeial Convention, 2017).

Membranen som används till ultrafiltreringen kan antingen bestå av spiralvridna skivoreller av tätt sittande ihåliga fibrer (se Figur 3 (Collentro, 2016)). De ihåliga fibrerna kanvara gjorda av olika material vilket har betydelse för membranets permeabilitet. En högpermeabilitet hos membranet effektiviserar i sin tur den i övrigt långsamma filtrerings-processen. Genom att den totala kontaktytan hos membranen är tio gånger så stor hos deihåliga fibrerna jämfört med de spiralvridna membranen är dessa effektivare ur renings-synpunkt (Toyobo, 2017). En fördel med denna spiralvridna ultrafiltrering är dock attmembranen är relativt enkla att byta ut (Dow, 2017).

12

Figur 3: Två olika membran till ultrafiltrering. Tv: Membran med spiralvridna plattor.Th: Membran med ihåliga fibrer (NETL, 2017).

En nackdel med samtliga metoder som innefattar filter är att partiklar fastnar på mem-branytan, varpå rengöring krävs med jämna mellanrum. Ett sätt att rengöra membranetär genom så kallad dead end procedur, vilket innebär att man låter vatten snabbt flöda ge-nom membranet i motsatt riktning och rensa bort partiklarna som fastnat (WET GmbH,2005). Nackdelen är att driftsystemet måste stoppas under rengöringen (WET GmbH,2005). För att undvika produktionsstopp kan istället den så kallade cross flow procedurenanvändas. Metoden går ut på att en stor del av vattnet leds runt längs med membranet ien krets. En del av detta vatten går igenom membranet och det resterande vattnet följermed ut som avloppsvatten (WET GmbH, 2005). Nackdelen med processen är att denkräver mer energi jämfört med dead end proceduren. Oavsett hur ultrafiltret dimensio-neras verkar det lokalt genom att rena bort mikrober och endotoxin på en specifik plats.Efter vattnets passage genom membranet kommer all eventuell förorening att stanna kvari systemet, varpå en mikrobiellt tillväxt kan ske (Knops, 2017). För att använda ultrafil-treringen som steriliseringsmetod i distributionssystemet krävs ytterligare behandlingarsom hetvattenspolning eller tillsatser av olika kemikalier (Madaeni och Sharifnia, 2000).

4.3 Klor

Klor (Cl) hör till halogenerna i det periodiska systemet (Eldnig och Stenberg, 2017).Ämnet är mycket reaktivt och oxiderande vilket gör det användbart till bland annatdricksvattendesinfektion.

När klor alternativt aktiva klorföreningar används för desinfektion av vatten kallas detklorering. Dessa klor-ämnen har då till uppgift att åstadkomma en mikrobiell rening avvatten alternativt oxidera olika vattenkontaminationer så att de lättare kan avskiljas (Eld-nig och Stenberg, 2017). Inom klorering är det vanligt att använda sig av klorgas, vilkeni vattnet ger upphov till en jämvikt mellan föreningarna underklorsyrlighet (HClO), ochhypokloritjoner (ClO−). Användning av klorgas kan dock få icke önskvärda effekter omvattnet innehåller relativt höga halter av organiskt material, till exempel kan hälsofarligaorganiska klorföreningar bildas. Detta kan motverkas genom att använda sig av klordioxid(ClO2) (Eldnig och Stenberg, 2017). Fördelen med att använda klordioxid är att den ärmiljövänlig relativt klor, samtidigt som den fortfarande är mycket effektiv mot mikroor-

13

ganismer. Utöver rening av vatten används klordioxid även till sterilisering av medicinskapparatur, laboratorieutrustning samt för att sanera renrum. Viktiga faktorer som avgörklordioxidens steriliserade förmåga, vilka varierar beroende på vad som ska steriliseras ochhur kontaminerade de är, är koncentration, kontakttid och ytmaterial. I allmänhet verkarklordioxid effektivt på rostfritt stål, papper och epoxy (Sandle, 2013).

Klordioxid kan produceras genom att blanda klorgas med natriumklorit. Gasen får då enklorlik odör och en grön-gul färg, vilket gör läckage lätta att detektera med såväl luktsom UV-spektrofotometrar. Då gasen inte är tillräckligt stabil för att tillverkas och trans-porteras till en anläggning, produceras gasen direkt på anläggningen. Gasens instabilitettillsammans med dess hälsofarliga och explosiva effekter har gjort den mindre populärför storskaligt industriellt bruk (Sandle, 2013). Ytterligare nackdelar uppstår då gasenavses användas för sterilisering av PW-distributionssystem, detta eftersom rester av ga-sen måste spolas ur systemet innan ytterligare distribution av PW kan förekomma, vilketresulterar i produktionsstopp.

4.4 Ozonsterilisering

Ozon (O3) är en naturligt förekommande gas som bland annat finns i stratosfären. Ozonär en instabil molekyl bestående av tre syreatomer som strävar till att återgå till syrgas(O2). Den instabila egenskapen gör ozon till ett starkt oxiderande ämne, cirka 20 gångerstarkare än klorgas (Stucki m. fl., 2005). Oxidationsegenskaperna hos ozonet gör den tillett starkt steriliserande ämne som angriper både bakterier och endotoxin (Viera m. fl.,1999). Utöver att angripa biofilm, bakterier och andra levande organismer, påverkar ävenozonsterilisering mängden löst kol i vattnet (Florjanič och Kristl, 2006). Ozon sönderfallertill syre med en halveringstid på ungefär 20 minuter i PW (Stucki m. fl., 2005). En endarätt dimensionerad ozongenerator har kapaciteten att sterilisera distributionssystem förPW på uppemot 900 m (Widov, 2017). För riktigt storskaliga system kan enkelt ytterli-gare generatorer installeras längs med rören.

Överblivet ozon som ej hunnit sönderfalla kan tas bort med UV-strålning med våglängden254 nm (Cohen, 2013). Ozon går att producera på plats via ozongeneratorer. Det finnsen mängd olika generatorer som producerar ozon på olika sätt. Vissa generatorer behöverexterna syrgastuber medan andra producerar egen syrgas direkt från luften. Dessutomfinns generatorer som kan producera ozonet direkt från vattnet i PW-systemet. Genera-torerna kräver olika mycket energi men elförbrukningen brukar generellt resultera i enmindre driftkostnad än många andra steriliseringsmetoder (Stucki m. fl., 2005).

Ozonets oxiderande egenskaper ställer vissa krav på materialvalet i vattensystemet. Rost-fritt stål är ett av de mest korrosionsbeständiga materialen mot ozon (Cohen, 2013). Ozonär skadligt för människan vid halter över 2 ppm (Ozonetech, 2017). De halter som finns iPW-system varierar oftast mellan 20 till 50 ppb (Harrison m. fl., 2012).

14

4.5 Urval

I tabell 1 sammanställdes hur väl de olika metoderna för sterilisering av PW uppfyllerkriterier på inget produktionsstopp, möjlighet till implementering, hög reningseffektivitetav distributionssystemet samt låg kostnad. Dessutom togs eventuella övriga faktorer, somkunde bidra till urvalet, upp för respektive metod.

Tabell 1: Sammanställning över hur olika metoder för vattenrening uppfyller ett antalbedömningskriterier för att kunna appliceras i GE:s driftsystem för PW

Metod Fördelar NackdelarHetvattenspolning • Inga kemikalier

• Sanerar kontinuerligt• Hög underhållskostnad• Kräver nedkylning vid varje

förbrukningspunktUltrafiltrering • Inga kemikalier

• Relativt låg kostnad• Produktionsstopp• Låg reningseffektivitet av dis-

tributionssystemetKlor • Relativt hög reningseffektivi-

tet• Produktionsstopp• Hantering av restprodukter

från kemikalier• Höga underhållskostnader

Ozonsterilisering • Hög reningseffektivitet• Låg underhållskostnad• Sanerar kontinuerligt

• Kräver ozondestruktorer• Materialkrav

Hetvattenspolning är den metod som GE i dagsläget använder sig av vilken har lett tillhöga underhållskostnader samt en enorm förbrukning av kylvatten i form av dricksvatten(Wall, 2017). Ultrafiltrering har ingen sanerande effekt på hela rörsystemet och fungerari stort sett som ett hinder för mikroorganismer att ta sig från punkt A till punkt B (Che-ryan, 1998) och är därmed inte en helhetslösning. Klor är generellt en väldigt opassandemetod för PW-system då det kräver produktionsstopp, svårhanterliga kemikalier (Eld-nig och Stenberg, 2017) samt en risk för överblivna kemikalier i systemet (Sandle, 2013).Ozonsterilisering har krav på design, materialval och ozondestruktorer men uppfyller allaandra behov (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozon anses både effektivt, billigt, lätthan-terligt och är den metod utöver hetvattenspolning som storskaligt används i PW-system(Widov, 2017).

5 Fördjupning inom ozonsterilisering

5.1 Egenskaper hos ozon

Ozon bildas i stratosfären när syrgas träffas av UV-strålning med en våglängd på 185 nmeller mindre, syrgasmolekylen delas upp i två fria syreatomer som i sin tur åter kan reageramed syrgas (Sivasakthivel och Reddy, 2011). Reaktionen kallas för fotolys, se ekvation 1.

O3 + UV 185 → O +O2 → O3 (1)

I stratosfären förekommer ozonet naturligt i det så kallade ozonskiktet, där koncentra-tionen är mycket högre än i andra delar av atmosfären, cirka 10 ppm (Sivasakthivel och

15

Reddy, 2011). Ozonskiktet skyddar livet på jorden från skadlig ultraviolett strålning frånsolen. Cirka 90 % av jordens totala ozonförråd befinner sig i ozonskiktet. Nedbrytning avozon i ozonskiktet är en naturlig process. Ozonet reagerar med solljus samt olika före-ningar av kväve, klor och väte. Alla dessa föreningar förekommer naturligt i atmosfären ilåga koncentrationer. Nedbrytningen och bildningen av ozon är i jämvikt i en oförorenadatmosfär. Till följd av ökat utsläpp av kväve, klor och väteföreningar stimuleras nedbryt-ningen av ozon vilket kan leda till en minskning av ozonskiktet (Sivasakthivel och Reddy,2011).

Ozon kan även bildas vid marknivå till följd av att solljus reagerar med flyktiga organiskaföreningar eller kväveoxider (Sivasakthivel och Reddy, 2011). Ozon vid marknivå är tillskillnad från ozon i stratosfären skadligt för människor, djur och växter. Marknära luft-föroreningar till följd av mänsklig påverkan kan ge högre halter av marknära ozon.

I och med att ozon är en gas reverserar den till ett mer stabilt tillstånd som syrgas. Föratt ozon ska återgå till syrgas behöver det reagera med ett annat ämne. Ozon klassas somett oxidationsmedel (Cohen, 2013) och kan förbrukas direkt via oxidering av organisktmaterial eller brytas ned i en kedjereaktion som även leder till bildandet av bl.a hydrox-ylradikaler (OH•). Benämningen • innebär att ämnet är en radikal. En radikal är merreaktiv än en vanlig molekyl då den har en oparad elektron i sin yttersta orbital. Hydrox-ylradikaler är starkare oxiderare än ozon. Många studier har gjorts över hur ozon naturligtsönderfaller när det är löst i vatten, men en universellt accepterad reaktionsformel finnsinte (Gardoni m. fl., 2012). Hur stabilt ozon är löst i vatten beror på pH, temperatur, an-delen hydroxylradikaler, alkalinitet, ozonkoncentration och andra tillgängliga ämnen. Enuppdaterad kedjereaktionsformel, gjordes 2012 av Gardoni (Gardoni m. fl., 2012), enligtekvation 2 - 10. Gardonis kedjereaktion inleds med ekvation 2 och 3, vilket motsvarar detprimära sönderfallet av ozonet.

O3 +OH− → O2 +HO−2 (2)

O3 +HO−2 → HO−

5 (3)

Existensen av jonen HO−5 har ej bevisats experimentellt men anses vara en viktig kortli-

vad intermediär i kedjereaktionen och reagerar snabbt vidare i ekvation 4 och 5. Underreaktionens gång bildas en mängd andra radikaler och intermediärer som snabbt förbrukasenligt ekvationerna 6 - 10.

HO−5 ↔ HO•

2 +O•−3 (4)

HO−5 → 2O2 +OH− (5)

HO•2 ↔ O•−

2 +H+ (6)

O•−2 +O3 → O•−

3 +O2 (7)

O•−3 ↔ O•− +O2 (8)

16

O•− +H2O ↔ OH• +OH− (9)

OH• +O3 → O2 +HO•2 (10)

Då reaktionen i ekvation 10 har skett och radikalen hydroperoxyl, HO•2 bildats kan re-

aktionen börja om (ekvation 6). I kedjereaktionen är ekvation 4 den tidsbegränsandereaktionen. Ämnen som direkt kan reagera med ozon för att starta kedjereaktion kallasinitierare. I rent vatten är hydroxidjoner (OH−) den enda kända initieraren. Man kan till-sätta andra ämnen som väteperoxid (H2O2) eller använda UV-stålning för att påskyndakedjereaktionen som bryter ned ozon (Gardoni m. fl., 2012).

Ozon har olika halveringstid beroende på om det förekommer i luften eller löst i vatten. Dåozon tillsätts till vatten förbrukas det generellt i två steg. Beroende på vattnets kvalitetförbrukas först en del av ozonet väldigt snabbt följt av ett långsammare sönderfall (Parkm. fl., 2001). Det första steget då ozonet snabbt förbrukas kallas instantaneous ozonedemand (ID). ID mäts genom att beräkna skillnaden på ozonkoncentrationen ett parsekunder efter tillsatsen av ozon och enheten är mg/l. I ett experiment utfört av Park(2001) bestämde man ID i vatten med olika halter av TOC och kom fram till att värdet påID ökade då TOC ökade. De kunde däremot inte fastställa att värdet på ID och TOC hadeett linjärt samband vilket innebär att det sannolikt finns fler parametrar som påverkarvattnets ID. Staehlin och Hoigné’s (Park m. fl., 2001) beskrev ozonets nedbrytning medekvation 11.

−d[O3]

dt= {kd[TOCd] + ki[TOCi](1 +

kp[TOCp]

ks[TOCs])}[O3] (11)

I ekvation 11 är beteckningarna kd, ki, kp, ks reaktionskonstanter för direkt reaktion, ini-tierare, promotor och termineringssteget. En promotors uppgift är att få reaktionen attfortlöpa, en terminerare har motsatt effekt och bromsar reaktionens gång. Ekvation 11antyder att det finns olika typer av organiskt material i vattnet som alla har olika påverkani nedbrytningen av ozonet. Som tidigare har beskrivits i ekvation 3 sker nedbrytningenav ozon i flera steg och bildningen av hydroxylradikaler sker främst i den snabba delenav nedbrytningsprocessen (Park m. fl., 2001). Ekvation 11 tyder på att vattnets samman-sättning av organiska initierare, terminerare, promotorer och möjliga direkta reaktanterbestämmer till stor del hur snabbt ozon bryts ned.

Då ID-fasen har skett sker nedbrytningen av ozonet betydligt långsammare och bestämtsav vattnets egenskaper. Ozonets sönderfall beskrivs av första ordningen eller pseudo-första ordningens kinetik. Då vattnets kemi bestämmer ozonets nedbrytning kan ingenexplicit halveringstid ges. I vatten som har betydande mängder organiskt material skernedbrytningen av ozon snabbare än i PW då det kan innehålla flera olika initierare vilketpåskyndar nedbrytningen (Elovitz m. fl., 2000).

Vattnets temperatur påverkar också nedbrytningen av ozon. I varmt vatten bryts ozonned snabbare än i kallt vatten. Steriliseringskapaciteten från ozon reduceras betydandevid högre temperatur (Elovitz m. fl., 2000). Vattnets pH ger även effekt på nedbrytningen,högre pH-värden ger snabbare nedbrytning av ozon. Högre pH i vattnet medför att ozonet

17

blir mer reaktivt med deprotonerade syror och fenoler i det organiska materialet i vattnetvilket resulterar i högre omsättning av ozon. Bildningen av intermediärer i kedjereaktio-nen (se ekvation 3) gynnas vid högre pH och leder till högre konsumtion av ozon.

Vattnets alkalinitet, även kallat buffertförmåga har också påverkan på ozonets nedbryt-ning. Bikarbonat (HCO−

3 ) och karbonat (CO2−3 ) fungerar som hämmare i kedjereaktionen

(se ekvation 3). Som hämmare terminerar de OH• som vidare hindrar bildningen av su-peroxid (O•−

2 ) som ingår i ozonnedbrytningens kedjereaktion (Elovitz m. fl., 2000).

5.2 Effektivitet hos ozon för mikrobiell kontroll

Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt i mätbara nivåer, underdess sönderfall eller under dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts istor utsträckning för sterilisering, sanering och rengöring (Gottschalk m. fl., 2010). Ozonhar visat sig ha god effekt att inaktivera endotoxin i vatten. Framförallt gramnegativabakterier är särskilt känsliga för ozon i jämförelse med grampositiva bakterier (Moorem. fl., 2000). I PW-system är de grampositiva bakterierna i allmänhet ytterst sällsynta(Sandle, 2015).

Majoriteten av studier som undersökt ozons påverkan på bakterier har utförts på stan-dardstammar inom läkemedels-, livsmedel-, och avfallsindustrier medan ytterst få studierutförts på heterotrofa bakterier som förekommer i PW-system (Florjanič och Kristl, 2006).Det förekommer dock inga studier om tillväxt av heterotrofa bakterier i PW-system för-sedda med ozonsterilisering.

Figur 4 visar resultatet av en studie som gjordes i samband med implementeringen av ozoni industriområdet i Frankfurt, Tyskland, via företaget Infraserv Höchst år 2005 (Stuckim. fl., 2005). Efter implementeringen visade studien att en ozon-koncentration lägre än0.02 mg/l räckte för att sanera vattensystemet. Försöket i Figur 4 behandlar även dengramnegativa bakterien Pseudomonas aeruginosa som är en av de vanligaste bakteriernai PW-system (Sandle, 2015 och Kulakov m. fl., 2002).

18

Figur 4: Den sanerande effekten av ozon mot olika mikroorganismer plottat mot kontakt-tiden. Originally published in Pharmaceutical Engineering 25, no. 1 (January-February2005). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted with permission.

5.3 Ultraviolett ljus för nedbrytning av ozon

Ozon är en instabil molekyl och har en halveringstid på cirka 20 minuter i PW (Cohen,2013). Trots detta kan det vara viktigt att säkerställa att allt kvarvarande ozon som intehunnit sönderfalla under distributionstiden snabbt förstörs innan slutprodukten är klarför leverans. Huruvida ozonet helt måste avlägsnas beror på användningsområdet för detPW som produceras. Avlägsnandet kan göras med hjälp av UV-ljus med våglängden 254nm (Cohen, 2013), vilket motsvarar ozonets absorptionsmaximum (Harrison m. fl., 2012).UV-ljuset bryter bindningen mellan syreatomerna i ozonmolekylen, vilket resulterar i attsyrgas och en fri syreatom bildas. Detta sker enligt reaktionsformeln i ekvation 12.

O3 + UV 254 → O +O2 (12)

Avlägsnandet av ozon beror på ozonkoncentrationen, vattnets flödeshastighet, uppehålls-tiden i bestrålningskammaren samt UV-dosen. För att beräkna vilken UV-dos vattnetbestrålas med kan ekvation 13 användas:

UVdos = (UV intensiteten) · (exponeringstid) · (transmittansfaktor)

= (UV intensiteten) · (Vkärl

Q) · (transmittansfaktor)

(13)

där UV-intensiteten motsvarar medelintensiteten av UV-strålningen som detekteras innei strålningskärlet, Vkärl beskriver volymen av strålningskärlet och Q anger flödeshastig-heten genom strålningskärlet. Transmittansen, som är en materialegenskap och beskrivervattnets genomskinlighet, erhålls genom spektrometriska undersökningar av vattnet i frå-ga. Summerfelt m.fl. (2004) bestämde transmittansen för det kontaminerade vattnet somundersöktes till 90 %.

19

Summerfelt m.fl. (2004) påvisades att ozon under påverkan av UV-strålning approximativtsönderfaller enligt första ordningens kinetik, utformad enligt ekvation 14:

dC

dt= −kC (14)

som efter integrering ger ekvation 15:

C = C0e−kt (15)

där C är koncentrationen ozon vid tiden t, C0 är den initiala ozonkoncentrationen ochk symboliserar hastighetskonstanten. I den undersökta studien (Summerfelt m. fl., 2004)antogs även att hastighetskonstanten är en potensfunktion av bestrålningsintensiteten.Denna kan beskrivas enligt följande formel: k = a+bIm, där a beskriver ozonets sönderfallvid avsaknad av UV-strålning och I motsvarar bestrålningsintensiteten. Koefficienternaa, b och m kan bestämmas experimentellt utifrån data på C0, C, t och I. I Summerfeltm.fl. (2004) bestämdes parametrarna till:

a = 0.0343 b = 6.34·10−4 m = 2

Under antagandet att första ordningens kinetik gäller kan ekvation 16 ställas upp (Sum-merfelt m. fl., 2004):

C = C0e−(a+bIm)·t (16)

Alternativt kan det ozonhaltiga vattnets exponeringstid för UV-strålning, för att erhålla enönskvärd ozonkoncentration, beräknas med hjälp av följande omskrivning enligt ekvation17:

t =ln(C/C0)

−(a+ bIm)(17)

Dessa ekvationer och parametervärdena är dock framtagna för ett vatten av betydligt hög-re kontamineringsgrad än det som gäller för PW. I vatten av lägre kontaminationsgradfås en långsammare nedbrytningshastighet samt halveringstid av ozon (Sörensen m. fl.,2016). Därför kan det antas att avlägsnandet av ozon kommer ske långsammare i ett re-nare vatten.

Vidare undersökningar utförda av Summerfelt m.fl. (2004) har visat att 100% av ozonetförsvinner vid strålning med 49.3 ± 0.6 mW s/cm2 UV-ljus, om den ursprungliga haltenozon är som högst 0.1 mg/l samt bestrålas under 3.3 sekunder. För halter av ozon upptill 0.3 mg/L krävs en strålning med UV-ljus som ungefär motsvarar den dubbla effekten.Dessa värden är uppmätta för vatten med temperaturer på 13 – 15 ◦C. Vid högre tem-peraturer på vattnet blir övergången från ozon till syrgas ännu mer effektiv, vilket medandra ord kräver en lägre effekt på det tillförda UV-ljuset. Åter igen gäller Summerfeltsresultat för vatten som är mer kontaminerat än PW.

Vid UV-bestrålning av vatten innehållandes ozon finns risk att H2O2 bildas (Sörensenm. fl., 2016, Harrison m. fl., 2012) då den fria syreatomen som bildas i ekvation 12 reage-rar med en vattenmolekyl. Väteperoxid är den enklaste varianten av peroxid och består av

20

två väte- och två syreatomer. Likt ozon är även denna kemikalie ett starkt oxidationsme-del. Studier från ett pilotförsök (Stucki m. fl., 2005), som producerar PW, har dock visatatt den producerade väteperoxiden inte utgör något problem eftersom halterna i allmän-het är under detektionsgränsen. En förenklad reaktionen av den som sker då väteperoxidbildas sker enligt följande steg (Harrison m. fl., 2012):

O3 +H2O + UV254 → H2O2 +O2 (18)

vilket sedan reagerar vidare enligt reaktionsstegen i ekvation 19, 20 och 21, för att slutligenbilda O2 och H2O.

H2O2 + UV254 → 2OH• (19)

H2O2 +OH• → H2O +HO•2 (20)

2HO•2 +H2O2 → 2O2 + 2H2O (21)

En UV-anläggning består i stora drag av en UV-kammare i vilket det ozonhaltiga vatt-net flödar genom. I UV-kammaren finns en eller flera lampor placerade i kvartsrör, somskyddar lamporna från vattnet. I kammarväggarna finns UV-sensorer som mäter ljusin-tensiteten (Eriksson, 2009). Bland UV-lampor väljs vanligtvis så kallade lågtryckslampor,där den ultravioletta strålningen i princip endast avger ljus i våglängden 254 nm. I jäm-förelse finns de så kallade medeltryckslamporna vilka har en högre intensitet men avgerljus i ett bredare spektrum av våglängder (Eriksson, 2009). Generellt gäller att lågtryck-slampor omvandlar 35 % av energin till ljus i den önskvärda våglängdsområdet vilket kanjämföras med 15 % för medeltryckslamporna. Utöver detta har lågtryckslampor en längrelivslängd än medeltryckslampor (Eriksson, 2009). En lågtryckslampas brukbarhet är cirka9 000 timmar, angivet med god säkerhetsmarginal (Harrison m. fl., 2012). I farmaceutiskavattensystem är lågtryckslampor att föredra, eftersom vattnet är rent (har låg koncentra-tion av lösta och partikulära ämnen) samt att ozonkoncentrationen ligger mellan 0.2 ppmtill 0.5 ppm då det når UV-anläggningen (Harrison m. fl., 2012).

Vid drift och underhåll är det framförallt viktigt att övervaka att UV-dosen håller önsk-värd intensitet. Detta kan göras genom att mäta UV-intensiteten med de sensorer somfinns placerade i UV-kamrarna i kombination med ekvation 13. UV-lamporna bör bytasvar tolfte månad (Harrison m. fl., 2012). Faktorer som påverkar lampans livslängd är tem-peratur, hur ofta lampan stängs av och på och vattenflödet genom strålningskammaren.Om temperaturen i strålningskammaren inte håller leverantörens riktlinjer kan lampanshållbarhet minskas drastiskt. Temperaturen påverkas i sin tur av vattenflödet som såledesblir en indirekt faktor på lampans livslängd (Harrison m. fl., 2012). Om distributionssy-stemet tenderar att bilda rougebeläggning behövs regelbunden rengöring av kvartsrören.Som tidigare nämnts varierar rougebildning mycket mellan olika anläggningar, såledeskommer även behovet av rengöring att variera. Rengöring av kvartsrören är dock intealltid nödvändig för anläggningar som hanterar rent vatten (Harrison m. fl., 2012).

21

5.4 Typer av ozongeneratorer

Då ozon är en instabil molekyl som snabbt sönderfaller måste ozonet produceras i direktanslutning till det system den är avsedd att användas i (Gottschalk m. fl., 2010). Genomatt tillsätta någon form av energikälla kan ozon produceras från luft, syrgas och direktfrån vatten. Då luft alternativt ren syrgas används för att producera ozon är energikäl-lans uppgift att dela upp syrgasmolekylen i två stycken fria syreatomer. Dessa syreatomerreagerar sedan vidare med andra syrgasmolekyler och bildar på så vis ozon. Om vattenistället används som primär källa för ozonproduktion, får den tillförda energin till uppgiftatt slå loss syreatomen från vattenmolekylerna, varpå syreatomerna sedan kan reageraoch bilda ozon (Gottschalk m. fl., 2010).

Ozon har god löslighet i vatten och kan lämpligtvis injiceras med hjälp av en venturi-injektor (Lindam, 2017) En venturi-injektor har avsmalnande diameter på mitten vilketger upphov till ett tryck och på så sätt underlättar för injiceringen av ozon. Det är viktigtatt effektiviteten på systemet som används för att injicera ozon i vattnet är hög, då ozo-nets nedbrytning kan vara väldigt snabb beroende på vattnets innehåll, vilket kan ledatill en lägre koncentration än önskat.

De två vanligaste och mest gynnsamma metoderna för att producera ozon i en industri-ell skala är elektrisk och elektrokemisk. Dessa bygger på principerna ”koronaurladdning”respektive ”elektrolys av PW” (Gottschalk m. fl., 2010).

5.4.1 Koronaurladdning

Koronaurladdning, CD (Corona Discharge, även kallat dielectric barrier discharge) är denmest använda metoden bland farmaceutiska företag i USA för att producera ozon somsedermera löses i vattnet. Teknikerna hur en koronagenerator fungerar varierar mycketberoende på mängden ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras. Grundtek-niken är dock i princip densamma och bygger på att luft alternativt ren syrgas pressasförbi två elektriskt laddade plattor som tillsammans genererar ett elektriskt fält, där fältetorsakar en separation av syremolekyler varpå ozon bildas. Då luft används som mediumbildar cirka 2 % av syret i luften ozon, vilken sedan löses i vattnet med någon typ avblandare (Cohen, 2013).

Vid produktion av ozon enligt denna princip åtgår 25 % av den tillförda energin till attproducera ozon, medan resterande bildar värme (Gottschalk m. fl., 2010). Detta är någotsom har blivit ett problem då ozon sönderfaller snabbare under förhöjda temperaturer.Lösningen har blivit att installera effektiva kylsystem som håller temperaturen nere på 5– 10 ◦C. Små generatorer är luftkylda medan de större är vattenkylda.

Fördelen med denna metod är att den överlag kan generera högre koncentrationer av ozonän generatorer med elektrolys av vatten. Det finns dock risker vid användande av luft somkälla till ozon (Cohen, 2013). Luft innehåller andra gaser, till exempel kvävgas som efterpassagen genom de elektriska plattorna kan orsaka bildning av kväveoxider (Gottschalkm. fl., 2010). Dessa kväveoxider är bland annat mycket toxiska och cancerogena. Utöver

22

detta ställer metoden även krav på att luften som tillförs ska vara torr, för att undvikabildning av salpetersyra (HNO3) vilket kan uppnås genom att installera en lufttorkare. Ivissa generatorer finns denna redan installerad.

Att torka luften är energikrävande men också ett måste för att undvika korrosion avgeneratorns ingående komponenter samt bildningen av salpetersyra. De ovan nämndanackdelarna, samt att ren syrgas som primärkälla genererar cirka fem gånger så mycketozon än om vanlig luft används som källa, är orsaken till att industrier allt mer övergårtill att använda ren syrgas för produktion av ozon. Syrgas kan antingen produceras direktpå plats från omgivande luft, alternativt fraktas dit i form av flytande syre. Dock är ävenproduktion av syrgas från omgivande luft en energikrävande process. Överlag gäller attden specifika energikonsumtionen är två gånger så hög om luft används som gaskälla tillgeneratorn istället för ren syrgas (Gottschalk m. fl., 2010).

5.4.2 Elektrolys av purified water

Ozon kan även bildas direkt från PW, genom metoder som fått samlingsnamnet ”elektroly-tiska metoder”. Vid dessa metoder används en spänning som läggs över ett par elektrodersom tillsammans formar en cell (Cohen, 2013). I cellen delas vattnet upp i väte och syre,som sedermera bildar vätgas, syrgas samt ozon (Gottschalk m. fl., 2010). Alternativt bil-das ozon direkt från det syre som redan finns löst i vattnet. En cell kan producera mellan0,05 – 4 g/h av ozon, beroende på temperatur, spänning och strömstyrka (Gottschalkm. fl., 2010). Cellens effektivitet ökar med ökad ström och spänning samt med minskadtemperatur. Detta innebär att likt metoder som bygger på koronaprincipen behövs ävenhär ett kylsystem, något som kan upprätthållas med ett högt vattenflöde genom cellen.

Det finns en typ av cell som består av bland annat ett protonbytarmembran kallat PEM(proton exchange membran), och har därmed fått namnet PEM-cell. Denna cell har ut-nyttjats med gott resultat i ett pilotprojekt i Tyskland där ozon använts för att skydda detrenade vattnet mot mikrobiologisk kontamination (Stucki m. fl., 2005). Cellen utmärkersig genom en blydioxid-anod som klarar att bära mycket höga laddningar samt att denär mycket motståndskraftig mot korrosion då elektroderna integreras med ett PEM. Enförutsättning för att anoden ska motstå korrosion är att det inte finns några fria anjoneri det använda mediet. Cellen bör alltså användas i vatten som är renat med avseende påfria joner. Vanligt för denna typ av cell är ett mycket litet avstånd mellan katod och anod,inte mer än 100 – 200 µm. Det korta avståndet leder till minskad elektrisk resistans ochdärmed kan höga laddningar passera.

För att öka produktionen av ozon kan flera celler kombineras i en generator. Eftersomendast PW används som källa till ozonet finns inga risker för kontaminationer från and-ra kemikalier, något som givit denna metod fördelar inom mat- och läkemedelsindustrin.Ozonet som bildas löses direkt i vattnet och endast ett fåtal gasbubblor bildas (Gottschalkm. fl., 2010). Gasbubblor kan skapa ett övertryck i tanken vilket i värsta fall kan leda tillläckage av ozon (Lindam, 2017).

Fördelarna med denna metod är att det inte bildas några biprodukter i form av kväveox-

23

ider, vilket kan vara fallet för koronaurladdningsmetoder, samt att ingen extern tillförselav vare sig luft eller syrgas krävs (Stucki m. fl., 2005). Det behövs inte heller någon ex-tern blandare för att lösa ozonet i vattnet. Nackdelen är att processen är energikrävande.Generellt sett är metoder som bygger på elektrolys av PW ungefär tio gånger så energikrä-vande som metoder baserade på principen koronaurladdning (Cohen, 2013). Den specifikaenergiförbrukningen har uppmätts till 200 kWh/kg ozon (Gottschalk m. fl., 2010).

5.5 Säkerhet

För en människa kan långvarig exponering av höga halter ozon orsaka uttorkning av hu-den samt åldrande av exponerade vävnader. Exponering kan ge symtom som huvudvärk,torrhet i halsen, slemhinnorna samt ögon och näsa. Resultat från undersökningar visardock på att en tolerans kan utvecklas över tid, då exponering för ozon har visat sig hamindre effekt efter de första exponeringstillfällena. Vid högre koncentrationer av ozon(>2,0 ppm) har ozonet visat sig vara skadligare (Ozonetech, 2017). Dessa koncentrationerkan ge svåra effekter på lungorna och ger symtom som lungödem, vilket innebär att detansamlas vätska i luftblåsor i lungorna, vilket i sin tur orsakar andnöd (Ozonetech, 2017).

Studier om ozonexponering som gjorts på djur har visat att en exponering för en haltöver 10 – 20 ppm under en timme eller kortare tid kan vara dödligt för människor (Ozo-netech, 2017). Trots detta har inte ett enda dödsfall konstaterats bero på ozonexponering(Ozonetech, 2017). Det finns nationella riktlinjer för exponering av ozon bestämda av ar-betsmiljöverket. Vid korttidsexponering av ozon är gränsvärdet 0.3 ppm och mäts underett 15 minuters intervall. Vid längre tids exponering är gränsen 0.1 ppm och mäts underett åtta timmars intervall (Arbetsmiljöverket, 2015). Dessa gränsvärden är framtagna föratt eliminera risken för långvariga besvär i samband med ozonexponering. Ozonsterilise-ring i vatten är generellt relativt riskfritt på grund av de låga koncentrationer av ozonsom används (Stucki m. fl., 2005). Det finns ändå faktorer som bör tas hänsyn till föratt produktionen ska kunna ske på ett riskfritt och effektivt sätt samt att det finns enåtgärdsplan ifall olyckan är framme, exempelvis i form av läckage av ozon.

Vid produktion av ozon med koronaurladdning kan inte allt producerat ozon lösas i vatt-net, vilket leder till ett överskott av ozongas (Lindam, 2017). Denna gas är skadlig ochbör tas om hand förslagsvis genom att leda bort den från ozontanken där inblandningensker till en ozondestruktor. Det kan vara lämpligt att placera ozongeneratorn i utrymmendär människor ej behöver vistas. För personlig säkerhet på arbetsplatsen bör sensorerinstalleras i miljöer där människor vistas för att kunna varna vid ozonkoncentrationersom överstiger rekommenderade säkerhetsvärden. Vid ett ozonläckage är det viktigt attha ett system som snabbt kan agera, ozonläckan måste åtgärdas direkt parallellt med enventilering av rummet. I anslutning till ventilationen bör det därför finnas någon typ avozondestruktor för att ej släppa ut höga halter av ozon i luften (Harrison m. fl., 2012)då det kan skada både närliggande material och personal i anslutningen till ventilations-systemet. Ventilationen av ozon bör klassas som ett direkt utsläpp trots att destruktionav ozonet finns planerat då även detta system kan avstanna. Detta måste ske utan attvattnets kvalité försämras, därför behövs ett avlastande system som kan täcka den konti-nuerliga ozoneringen av vattnet.

24

5.6 Implementering av ozon

5.6.1 Distributionssystem

Dead-legs i rörsystemet och den därpå ökade risken för mikrobiell tillväxt, fungerar påmotsvarande sätt för ozon som för sterilisering med hetvatten. Dit värmen inte kan ledaspå grund av stillastående vattenmassor, kan även ozon ha problem att effektivt eliminerabakterier och endotoxin (Harrison m. fl., 2012). Ozon har dock i farmaceutiska vattensy-stem noterats kunna diffundera lite längre in i dead-legs jämfört med värmen, om än medmarginell skillnad (Widov, 2017).

I och med ozonets starkt oxiderande egenskaper, ställs höga krav på att materialet i dis-tributionssystemet är motståndskraftig mot korrosion. Det rekommenderas vanligen attmaterialet består av den mest tåliga typen av rostfritt stål, 316L (Harrison m. fl., 2012),vilken definieras enligt ISPE (International Society for Pharmaceutical Engineering) haobegränsad livslängd tillsammans med ozon. I distributionssystemet är utöver det rostfriastålet vissa komponenter ofta bestående av någon sorts polymer. En viktig aspekt är attolika polymerer har olika resistens mot ozon. Generellt sett är flourpolymerer resistentamot ozon, och exempelvis är PVDF applicerbart i rörsystem där ozonsterilisering före-kommer (Harrison m. fl., 2012). Ytterligare ett exempel på en flourpolymer som är vanligtförekommande i distributionssystem för ozonvatten är teflon, ofta i form av ventiler ochluftfilter på förvaringstankarna. I allmänhet är luftfilter byggda för system med höga tem-peraturer mer tåliga mot ozon, jämfört med luftfilter enbart anpassade för kalla system(Harrison m. fl., 2012). Teflon kan dessutom förekomma i form av packning i rörsystemet,men bör undvikas specifikt för kuvertformade packningar i kalla distributionssystem. Bätt-re ozonresistenta alternativ är viton och etenpropendienmonomer (EPDM) vilket är ettsorts gummimaterial.

Vid tillsättning av ozon i förvaringstankarna, får det inte ske något utsläpp av ozon tillluften. I och med att en liten andel av ozonet i vattnet övergår till gasfas, finns en risk attozonet släpps ut ur tanken om denna inte är stängd. I och med att förhöjda halter ozoni luften kan vara hälsoskadligt för de som arbetar i närheten samt bidra till dålig lukt,bör ozon-destruktorer installeras i anslutning till eventuella öppna tankar (Widov, 2017).Om tankarna är stängda vakuumsätts utrymmet. I och med att stängda tankar som des-infekteras med varmt vatten har ett övertryck, bör de därigenom automatiskt även klaraav klassificeringen för fullt vakuum (Widov, 2017).

5.6.2 Ozondosering

Beräkningarna för dimensioneringen av ozongeneratorer varierar för olika system. Dimen-sioneringen beror på hur effektivt det producerade ozonet löses i vattnet, storleken påförvaringstankar och ledningar, samt flödeshastigheter och tryck. Tillräckligt med ozonmåste produceras för att hela systemet ska steriliseras. Därför är det viktigt att ta hänsyntill alla flöden i beräkningarna, inkluderat eventuella kompensationsflöden samt återcir-kulationsflöden (Harrison m. fl., 2012).

25

De vanligaste ozonkoncentrationerna som används i PW-system i tankar och distribu-tionssystem varierar mellan 20 – 50 ppb (Harrison m. fl., 2012, Stucki m. fl., 2005). Vissasystem har visat effektiv sterilisering vid koncentratitioner mindre än 20 ppb. En expert(Widov, 2017) inom PW-system vittnar om önskvärd sterilisering vid bara 0.4 – 0.5 ppbi ett distributionssystem för PW. Den optimala koncentrationen för ett system brukarbestämmas empiriskt på plats. I Figur 5 simulerades ozonkoncentrationen genom distri-butionssystemet för två olika vattenhastigheter, baserade på GE:s högsta och lägsta flöde.Simuleringen har i huvudsyfte att visa hur mycket flödeshastigheten påverkar mängdenozon som tar sig fram i distributionssystemet men kan enbart ses som en första uppskatt-ning då första ordningens kinetik samt en konstant tvärsnittsarea i rören har antagits, seAppendix 9.8.

sträcka [m]0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Ko

nce

ntr

atio

n [

pp

b]

0

10

20

30

40

50

60

v=0.14 m/sv=5.56 m/s

Figur 5: Relationen mellan koncentration ozon och rörlängd vid två olika vattenhastigheteri GE:s distributionssystem. Graferna är framtagna ur antagandet om att ozon sönderfallerenligt första ordningens kinetik.

För att konstruera grafen antogs första ordningens kinetik samt en halveringstid på 20minuter. Därigenom kunde ozonkoncentrationens samband med färdsträckan simulerasför de två hastigheterna.

[A] = [A0] · e−k·t (22)

Halveringstiden på 20 minuter ger k = −5.776∗10−4, se Appendix 9.8. Då k har bestämtskan sambandet v=s/t ⇒ t=s/v implementeras i ekvation 23.

[A] = [Ao] · e−k·sv (23)

5.6.3 Val av generator

Inför ett val av ozongenerator bör hänsyn tas till främst ozonets användningsområde ochvilken produktionskapacitet som krävs. Även energiaspekter och ekonomiska aspekter börvägas in, vilka i sin tur beror på ursprungskällans kvalité, det vill säga gasen alternativt

26

vattnet (Gottschalk m. fl., 2010).

Systemets storlek har i vissa fall också betydelse för valet av generator. Ett system sombygger på koronaurladdning kräver ofta, som nämnt under 5.4.1, någon typ av lufttorkare,kylare samt blandare. Dessa är faktorer som tenderar att öka systemets storlek och gördärför att denna metod kan kräva fler installationer, ökade investeringskostnader samt merutrymme än installation av ett system som bygger på elektrolys av PW (Harrison m. fl.,2012). En koronagenerator kan installeras direkt i anslutning till lagringstanken (Widov,2017). För att säkerställa en korrekt koncentration av ozon i det utgående vattnet frångeneratorn återkopplas reaktionstanken, där omblandningen sker, till ozongeneratorn somdå automatiskt reglerar produktionen beroende på det inkommande vattnets koncentra-tion (Lindam, 2017).

Då ozon antas ha en halveringstid på 20 minuter i PW, är en tumregel att en ny generatorbör sättas in efter 15 minuters transportsträcka för att på så sätt säkerställa att koncent-rationen av ozon är tillräcklig i hela systemet (Widov, 2017). Om vattnet transporterasmed en hastighet på 1 m/s behövs alltså en ny generator efter 900 m. I system av störrestorlek används därför med fördel elektrolysgeneratorer då dessa lättare kan installerasmitt i distributionssystemet eftersom denna generator producerar ozon direkt från detrenade vattnet och vattenflödet kan utnyttjas för att kyla generatorn (Harrison m. fl.,2012). En kombination av de båda systemen kan också användas genom att en korona-generator installeras i anslutning till lagringstanken och en elektrolysgenerator placerasefter 15 minuters transporttid (Widov, 2017).

5.7 Installation

Under själva installationen av ozonsystemet är det vanligt att det krävs ett produktions-stopp i produktionen av PW (Widov, 2017). Beroende på hur systemet ska dimensionerasmed generatorer och UV-lampor, kan i regel den största delen av systemet förberedasinnan själva installationen sker. Vid installation av ozongenerator i anslutning till för-varingstanken bör alla nödvändiga kopplingar finnas klara för att kunna installera ge-neratorn. Efter installation och kalibrering av samtliga komponenter behöver systemetvalideras för att säkerställa att vattnets kvalitet uppfyller kraven. Valideringen bestårbland annat av att undersöka hur lång tid det tar för systemet att uppnå och bibehållaönskad koncentration av ozon i hela systemet samt säkerställa att UV-destruktionen ärtillräcklig under samtliga möjliga förhållanden (Harrison m. fl., 2012).

5.7.1 Destruktion med UV-ljus

UV-destruktorerna placeras så nära point of use som möjligt, det vill säga innan det ozon-exponerade vattnet ska användas och kan komma i kontakt med människor (Widov, 2017).Vid dimensionering av en UV-destruktor tas hänsyn till den maximala flödeshastighetensom kan uppstå på den specifika lokalen. Historiskt sett har UV-doser motsvarande90 000 µWs/cm2 använts som riktlinjer för att avlägsna ozonkoncentrationer motsvarande1 ppm (Harrison m. fl., 2012), vilket är cirka 20 gånger högre än den koncentration sombrukar rekommenderas för PW-system. En tumregel är också att det ozonexponerade

27

vattnet behöver exponeras för UV-strålning i 6 – 10 dm (Widov, 2017), vilket återigenberor på UV-dosen. UV-tillverkare har mer specifik information om hur mycket UV-dossom krävs för avlägsnande av ozon.

När man väljer UV-lampa som avses användas i UV-destruktorerna, väljs lämpligtvis enlampa vars strålningsintensitet i slutet av dess livslängd ligger över den UV-dos som krävsför att avlägsna ozonet (Widov, 2017). Detta eftersom UV-lampor har en högre initial be-strålningsintensitet än den som råder i slutet av dess livslängd. Således kan man garanteraatt vattnet bestrålas med en tillräckligt hög UV-dos. Utöver lampans åldrande kan ävenkvartsbehållaren som omsluter lampan åldras på grund av lampans UV-strålning. Dettaorsakar en förändring i transmittansen och således en ändrad UV-dos. Av dessa anled-ningar uppskattar ISPE lampans livslängd till 12 månader (Harrison m. fl., 2012). Dettakan dock variera mellan leverantörer och lamptyper.

För att säkerställa att UV-destruktorn avger den önskvärda UV-dosen installeras moni-torer anpassade för att mäta UV-intensiteten (Harrison m. fl., 2012). UV-destruktorernaär oftast anpassade för att en monitor kan inrymmas i UV-destruktorn och således konti-nuerligt mäta UV-intensiteten. Utöver UV-intensiteten larmar även monitorerna för högatemperaturer samt om lampan av någon anledning skulle sluta fungera.

För anläggningar som har mindre distributionsslingor efter UV-destruktorn, det vill sägadär det vanligtvis ska förekomma ozonfritt vatten och således finns risk för mikrobielltillväxt, kan en ”ozon-chock” utföras (Widov, 2017). Denna ”chock” genomförs genom attstänga av UV-destruktorn under cirka en timme. Detta görs vanligtvis en gång i veckan.

5.8 Investeringsförslag

För att ge en en approximativ bild av investering samt driftkostnader för GE har ettföretag kontaktats angående priser på deras produkter. Deras produkter har implemen-terats i liknande anläggningar och har ett gott rykte. För vissa enheter kan antalet intebestämmas utan en djupare inblick i GE:s anläggning krävs. Investeringskostnaderna sompresenteras är därför approximativa.

Priset på ozongeneratorer samt UV-lampor för destruktion av ozon beror på vilka kravman ställer på produktionskapacitet samt i vilken utsträckning man vill kunna säkerställatotal destruktion av överblivet ozon. Då det finns flera företag på marknaden kan prisetäven skilja sig mellan de olika företagen. Vi har haft kontakt med ett företag och enoberoende expert för att få en prisbild. Kostnaderna har skilt sig relativt mycket då vipratat med experter som implementerar lösningarna och företag som säljer produkterna.Då vi frågat experten vad som är en rimlig investeringskostnad för en ozongenerator somkan användas kunde han inte svara exakt men påstod att man kan räkna med ett pris påcirka 250 000 kr (Widov, 2017). Vi vet inget om dessa generatorer men väljer ändå att hamed dessa i beräkningarna då experten i fråga anses trovärdig, tack vare dennes opartiskeyrkesroll och långvariga erfarenhet. Genom mejlkontakt med ett företag som säljer bådegeneratorer och lampor föreslogs en generator som kan producera 8 g O3/h och kostar

28

cirka 120 000 kr. Om GE önskar redundans kostar dessa generatorer självklart mer, kost-naden för dessa bör dock vara under 250 000 kr. Eftersom vi i vårt förslag till GE villanvända oss av en generator per tank och det finns fem tankar innebär det att vi kommerbehöva fem generatorer som vardera kostar mellan 120 000 – 250 000 kr. Detta innebären investeringskostnad mellan 600 000 kr och 1.25 miljoner kr. Underhåll av generatorerbestår främst av byte av luftfilter. Hur ofta luftfiltret behövs bytas beror på hur smut-sig luften är (Berg, 2017). Energiförbrukningen för generatorn är 0.7 kWh. Detta skulleinnebära en total energiförbrukning för 5 stycken generatorer på 3.5 kWh (Berg, 2017).Något pris på sensorer för ozonläckage samt för återkoppling för att säkerställa vattnetsozonkoncentration har ej kunnat tas fram, däremot kan de i sammanhanget antas varabetydligt billigare än generatorer och UV-lampor.

Företaget säljer även UV-destruktorer som klarar av att destruera all ozon då vi förut-spår att vattnet som GE producerar har en hög transmittans. Investeringskostnader fördessa är ca 100 000 kr per aggregat och innehåller två lampor som kostar 4750 kr var-dera (Berg, 2017). Om man antar att 30 UV-destruktorer räcker för att tillgodose tvådestruktionsenheter per byggnad blir den totala investeringskostnaden ca 3 miljoner kr.Byte av lamporna en gång om året skulle innebära en kostnad på ca 285 000 kr per årexklusive energi. Energiförbrukningen för dessa UV-destruktorer uppges vara 0.85 kWh(Berg, 2017), detta skulle innebära en total energiförbrukning för samtliga UV-enheter på25.50 kWh.

Eftersom installationen av systemet kan kräva produktionsstopp om planering ej utförs välinnebär det ytterligare kostnad vid implementering av systemet i form av förlust i produk-tion. Vissa delar av systemet kan i regel monteras separat i förväg innan själva hydrauliskainstallationen samt valideringen. Detta innebär att ett fullskaligt produktionsstopp börkunna undvikas om god planering inför installationen genomförs.

Vår uppskattade investeringskostnad för generatorer och UV-destruktorer har beräknatsligga mellan 3.6 – 4.25 miljoner kr. I denna beräkning ingår fem generatorer och 30 UV-destruktorer. Energiförbrukningen för förslaget utvärderas till ca 29 kWh vilket med GE:saktuella elpris skulle innebära en årlig elkostnad på knappt 148 000 kr (se tabell 9 iAppendix). Ytterligare driftkostnad för systemet tillkommer i form av underhåll och ser-vice, exempelvis krävs det ett årligt byte av UV-lampor för uppskattningsvis ca 285 000 kr.

5.9 Ozonsterilisering i storskaligt PW-system, Infraserv Höchst

För att ge en överblick hur ett storskaligt PW-system kan använda sig av ozon som ste-riliseringsmetod har företaget Infraserv Höchst studerats.

Företaget som är lokaliserat i Frankfurt, Tyskland, har producerat PW sedan mars år2000 (Stucki m. fl., 2005). Vattnet skall tillgodose ett tjugotal fabriker som inriktar sig påproduktion av läkemedel. Industriparken omfattar en area på 4 km2 med ett sammanlagtdistributionssystem på 14 km, vilket gör det till världens största distributionssystem avPW (Siemens, 2006). (Se planskiss för distributionssystemet i Figur 8 i Appendix)

29

Efter tillverkning förs PW via en huvudled till fyra tankar som kan lagra antingen 75eller 200 m3 vatten (Stucki m. fl., 2005). Tankarna är utrustade med speciella ozonin-jektorer som garanterar en steril förvaringsmiljö. Vattnet förs sedan till fabrikerna viacirkulationssystem utrustade med 13 stycken sterila pumpar som garanterar att vattnethålls i konstant rörelse, detta för att motverka mikrobiell tillväxt i systemet. Tillsammanskonsumerar fabrikerna ca 250 m3 PW per timme.

För att garantera sterila miljöer inom distributionsslingorna ozoneras vattnet av 15 styc-ken ozongeneratorer placerade längst med rören (Klauer, 2011). Generatorerna bestårsammanlagt av 34 stycken parallella elektrolytiska ozongeneratorer av den tidigare nämn-da PEM-principen som ozonerar vattnet via direktkontakt när det passerar cellerna. Dessagaranterar en ozonkoncentration på 20 ppb även vid maximalproduktion av PW, men harkapaciteten att generera upp till 200 ppb vid behov (Stucki m. fl., 2005). När produktenanländer till fabrikerna måste PW vara rent från ozon, därför bryts ozon ner till syremed hjälp av UV-strålning vid varje fabrik. Företaget har även installerat ytterligare 13ozongeneratorer vid fabrikerna för att garantera en lokal sterilisering av systemen (Stuckim. fl., 2005).

Systemet kontrolleras kontinuerligt varje månad. Detta görs med hjälp av provtagningarav mikrober från uppsamlingar som varje vecka görs på 34 olika provtagningspunkterinom systemet (Stucki m. fl., 2005). Sedan systemet installerats har det inte påvisatsnågon problematik att hålla riktlinjerna satta av Ph. Eur för PW som nämnts tidigare(Stucki m. fl., 2005). Det har senare visat sig att det endast krävts ca 20 – 30 % avozonproduktionen för att underhålla systemet vid normalproduktion, detta tros bero påden låga halt organiskt material som finns tillgängligt i PW (Stucki m. fl., 2005). Vidareprovtagning har även visat att halveringstiden för ozonet var längre än de 20 minuter somde tidigare räknat med, exakt hur mycket har ännu ej fastställts. Sedan installation år2000 har produktionsstopp orsakat av ozonsystemet aldrig skett (Widov, 2017).

5.10 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk indu-stri, fallstudie

Det är svårt att finna fallstudier som representerar ozonanvändning i ett PW system medliknande kvaliteter som GE:s. Den nedan beskrivna fallstudien ger en inblick i hur effek-tivt ozon kan eliminera mer resistenta bakterier i ett PW-system.

Fallstudien utgår från ett produktions- och leveranssystem för PW, enligt USP:s krav,som ska utgöras av ett system i rostfritt stål av typen 316L vilket kan användas inombiofarmaceutiska företag, se Figur 6 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Cirkulationssyste-met utsattes för tester med 106 CFU E.coli (Escherichia coli) bakterier, en gramnegativbakterieart som ofta används som en indikatorbakterie vid rutinundersökningar av vattenför att påvisa eventuella föroreningar av avföring (Folkhälsomyndigheten, 2015). Två tes-ter utfördes med bakterierna, test A och test B. Vid test A injicerades bakterierna i detcirkulerande vattensystemet i form av plankton, medan de i test B etablerades i form avbiofilm på ”kuponger” (mindre bitar av rostfritt stål) (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

30

Figur 6: Närbild av distributionssystemet med kuponghylla Originally published in Phar-maceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rightsreserved. Reprinted with permission.

Distributionssystemet, se Figur 9 i Appendix, består bland annat av ett automatiseratozoneringssystem som installerats inom slingan, en 200 l sluten förvaringstank som ärutrustad med en ozondestruktionsenhet, en pump i rostfritt stål och en hylla för stål-kupongerna (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozonhalten i slingan övervakades med enozonkoncentrationsmonitor med ett intervall på 0 – 10 ppm och konduktiviteten mättesmed en separat konduktivitetmätare. Med en ozongenerator matad med syrgas kundesystemet leverera upp till 113.6 l/min ozonerat PW (Cohen och Hanley-Onken, 2013).Innan testerna inleddes dränerades PW-systemet två gånger och fylldes med nytt avjonise-rat vatten för att rena systemet från eventuella föroreningar och ozonmätarna nollställdes.Hela systemet utsattes för en timmes exponering av en 5 ppm ozonhalt för en grundlig ste-rilisering (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Sedan stängdes ozonet av och UV strålningenaktiverades under 30 minuter till dess att ozonmätaren nått den lägsta mätpunkten på40 ppb (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Därefter mättes konduktiviteten i vattnet föratt säkerställa att det höll USP:s kriterier för PW.

Test A inleddes och för att kontrollera att injiceringen givit en bakteriemängd på minst106 CFU/ml E.coli samlades 120 ml av systemvattnet upp vid dräneringsporten efter denså kallade kuponghyllan, se Figur 9, och analyserades. Enbart tester som gav utslag förminst 106 CFU/ml E.coli accepterades (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Därefter kördessystemet med en ozonkoncentration på 2 ppm under 2, 5, 10 respektive 30 minuter. Förvarje tidsintervall samlades vattenprover på 120 ml vid dräneringsporten för analys avbakterieinnehållet. Samtidigt mättes ozonkoncentrationen vid varje provtagning.

Förändringen i bakteriehalt angavs som en logaritmisk reduktion, där resultaten subtra-herades från det logaritmiska värdet för referensprovtagningen (Cohen och Hanley-Onken,2013). Vid referensprovtagningen för test A, där vattnet fick cirkulera i systemet underfem minuter utan närvaro av ozon, mättes den initiala bakteriehalten till 2.6·106 CFU/ml,se Tabell 2, vilket gav det logaritmerade värdet 6.4. Vid de mikrobiologiska provtagning-arna som utfördes var den lägsta utspädningen från kupongerna 1:10. Om det inte fannsnågon tillväxt på plattan skulle den därför rapporteras som < 10 CFU med ett logaritme-

31

rat värde på 1 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). För att korrigera för utspädningen tillätsdärför endast en total loggreduktion på ≥ 5.4 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Resulta-ten för test A, efter att 2 ppm ozonhalt introducerats i systemet visas i Tabell 3. Dessavisar tydligt att en 30 minuters exponering av 2 ppm ozonhalt ger en total reducering avE.coli kontamineringen på 106 CFU/ml (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

Tabell 2: Referensprovtagning för test A, Mängden bakterier efter injicering av E.colimen före ozonbehandling. Originally published in Pharmaceutical Engineering 33, no. 6(November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted with permission.

Recirkulationstid Ozonkoncentration Uppmätt bakteriemängd5 min 0 ppm 2.6 · 106 CFU/ml

Tabell 3: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5, 10 och 30minuters exponering av en 2 ppm ozonkoncentration Originally published in Pharmaceuti-cal Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved.Reprinted with permission.

Exponeringstid Ozonkoncentration Log ReduktionVid ozongeneratorn Vid provtagningpunkten2 min 0.825 ppm 0.17 ppm 0.05 min 1.651 ppm 0.73 ppm 0.010 min 1.790 ppm 1.56 ppm 1.030 min 2.112 ppm 0.31 ppm 6.0

Test B utgick från rostfria stålkuponger vilka hade etablerat biofilm av minst 106 CFUE.coli per kupong. Experiment B innehöll fyra försök med olika ozonkoncentrationer på0, 0.5, 2 och 5 ppm (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Kupongerna placerades vertikalt ikuponghyllan och samlades upp för analys efter tre olika exponeringstider på 2, 5 och 10minuter per koncentration. Sammanlagt användes 6 kuponger per koncentration, därav2 kuponger per tidsintervall. Körningen med 0 ppm ozonkoncentration utfördes först ochanvändes sedan som ett blanktest, vid jämförelse med övriga resultat (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Mellan varje försök kördes systemet med konstant vattencirkulation ochUV-strålning till dess att ozonhalten var mindre än 40 ppb och vattnet höll USP:s kravför PW.

Tabell 4 representerar blanktestet för de rostfria stålkupongerna med biofilm vid 0 ppmozon. Resultatet visar att medelvärdet av den logaritmerade bakteriehalten, vid de treolika exponeringstiderna, låg på 4.3 för E.Coli-kupongerna. Det har därmed skett en lo-greduktion på 2 under de första två minuterna då systemet kördes. Detta beror troligtvispå att vattnets flöde och tryck har påverkat och reducerat biofilmen initialt (Cohen ochHanley-Onken, 2013). Tabell 5 visar bakterieinnehållet efter 2, 5 och 10 minuters expone-ring av en ozonhalt på 0.5 ppm. Resultaten visar att en 2 minuters exponering leder till ettlogaritmerat reducerat värde på 4.9 vilket är otillräcklig för en önskad sterilisering. Efter5 – 10 minuter planar effekten ut och den totala log reduktionen landar på ≥ 5.4. Tabell6 visar att det efter 2 minuter av en ozon exponering på 2 ppm fanns en viss antydan

32

av bakterier kvar på kupongerna, men att detta reducerats totalt efter 5 minuter (Cohenoch Hanley-Onken, 2013). För de kuponger som utsattes för 5 ppm ozonhalt räckte detmed 2 minuter för att all biofilm skulle ha sanerats, vilket tydlig framgår från Tabell 7.

Tabell 4: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier efter 2, 5 och 10 minuters expone-ring av en 0 ppm ozonkoncentration Originally published in Pharmaceutical Engineering33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted withpermission.

Exponeringstid Ozonkoncentration Logaritmiskt medelvärde av E.colibakterier Log Reduktion2 min 0 ppm 4.4 2.05 min 0 ppm 4.3 2.110 min 0 ppm 4.2 2.2

Tabell 5: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5 och10 minuters exponering av en 0.5 ppm ozonkoncentration. Originally published in Phar-maceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rightsreserved. Reprinted with permission.

ExponeringstidOzonkoncentration vid

kuponghylla vid start av ozonering (ppm)Ozonkoncentration vid

kuponghylla vid slutet av ozonering (ppm) Total Log ReduktionOIP PP OIP PP

2 min 0.472 0.54 0.486 0.55 4.95 min 0.480 0.58 0.470 0.58 ≥ 5.410 min 0.491 0.58 0.498 0.59 ≥ 5.4

OIP - Ozon injiceringspunktPP - provtagningspunktNotera: Log Reduktion = Logvärde (Utan ozonering) - Logvärde(Efter ozonering)

Tabell 6: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier efter 2, 5, och 10 minuters expone-ring av en 2 ppm ozonkoncentration. Originally published in Pharmaceutical Engineering33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted withpermission.




2 min 1.941 1.77 1.939 1.80 5.45 min 1.930 1.75 1.895 1.83 ≥ 5.410 min 1.958 1.86 1.993 1.85 ≥ 5.4

OIP - Ozon injiceringspunktPP - provtagningspunkt

33





2 min 5.215 4.92 4.909 4.75 ≥ 5.45 min 4.636 4.81 4.912 5.01 ≥ 5.410 min 4.912 4.92 4.782 4.92 ≥ 5.4


Experimenten har visat att ozon är effektiv som steriliseringsmetod mot biofilm och mi-krobiell kontaminering vid olika koncentrationer och tidsintervall. Inom några minuter kanozon i högre halter helt eliminera biofilm av E.coli bakterier. Bakterierna som användsi experimentet är dessutom mer resistenta mot sterilisering än de mikroorganismer somvanligtvis existerar i PW system (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

34

6 DiskussionDå forskning om vattenrening med ozon oftast är inriktad på livsmedelsindustrin, re-ning av dricksvatten eller kontaminerat avfallsvatten har fakta om ozonets egenskaperi PW varit svårfunnet. Mycket forskning har ändå bedömts som relevant, men det börhas i åtanke att ozonets egenskaper, exempelvis halveringstid varierar med vattenkvali-teten (Park m. fl., 2001). En stor del av bakgrundsarbetet har därför utförts genom attkontakta experter inom tillämpning av ozon. I och med att experterna i regel har varitkonsulter eller forskare, har dessa i allmänhet haft en mindre partisk inställning till olikaozon-tekniker jämfört med företag. Med dessa experter som referens har vissa riktlinjerför ozon antagits, exempelvis halveringstiden för ozon i PW. Dessa riktlinjer har blivitempiriskt framtagna utifrån lång tids erfarenhet och anses därför vara trovärdiga.

Vid jämförelse mellan olika steriliseringsmetoder var ozon den enda metod som uppfylldeGE:s krav. Flera fördelar med ozon kunde urskiljas och de nackdelar som finns anses varalätta att åtgärda och ses därför mer som riktlinjer. Klorering av vattnet är inte ett alter-nativ för GE då tillsatser av kemikalier i PW inom läkemedelsbranschen kan vara riskfyllt(Linder, 2017). Detta eftersom det krävs en avancerad hantering av kemikalierester föratt kunna garantera att produkterna inte påverkas (Sandle, 2013). Hanteringen leder i sintur till produktionsstopp vilket är kostnadsmässigt ohållbart för en så stor produktions-anläggning som den hos GE (Pantefors, 2017). Ultrafiltrering är en metod som används imindre system då endast vattnet inom en begränsad sträcka efter filtret klassas som rentoch är därför inte en pålitlig metod för GE då det lämnar stora delar av systemet frittför mikrobiell tillväxt (Knops, 2017). Ultrafiltrering ger därför inte en helhetslösning dåden kräver kompletterande reningsmetoder som exempelvis hetvattenspolning (Madaenioch Sharifnia, 2000). Ozon kan däremot sterilisera hela distributionssystemet utan var-ken tillförsel av kemikalier eller orsakande av produktionsstopp (Widov, 2017), varpå detansågs vara den enda relevanta lösningen.

Sterilisering av rörsystem med ozon anses ge samma resultat som med varmvatten. I självarörsystemet är dead-legs en vanlig orsak till ofullständig sterilisering av distributionssyste-met då framkomligheten för olika steriliseringsmedel kan begränsas (Habib m. fl., 2005). Inuläget när varmvatten använts som steriliseringsmetod, har eventuella dead-legs i GE:sdistributionssystem inte genererat några noterbara problem med gränsvärdena för mikro-ber och endotoxin (Linder, 2017). I och med att ozon antas nå minst lika långt som värme(Widov, 2017), bör dead-legs i GE:s system inte heller orsaka några problem vid ozonste-riliseringen. Företagets egna riktlinjer från 2016, i form av URS, är ytterligare något somtalar för att långa dead-legs inte bör förekomma i särskilt stor utsträckning (Healthcare,2016). Närvaron av ZDL-ventilerna i anslutning till förgrenade rör är ytterligare ett sättatt eliminera stillastående vattenvolymer från GE:s sida (Sjöstedt, 2017)

I och med ozonets oxiderande egenskaper och dess förmåga att reagera kraftigt med mångaämnen är materialvalet hos distributionssystemet av högsta vikt för att kunna garanterasäkerheten hos de som vistas i närheten (Harrison m. fl., 2012). Då rostfritt stål av gra-den 316L benämns ha en obegränsad livslängd i närvaro av ozon bör detta utgöra denstörsta delen av utrustningen, för att undvika att delar av utrustningen behöver bytas ut

35

med tiden. I och med att GE på senare tiden har ställt krav på rostfritt stål av just 316L(Healthcare, 2016), bör åtminstone den största delen av systemet vara särskilt motstånds-kraftigt mot ozon. Även andra typer av rostfritt stål är klassade som motståndskraftigamot oxiderande medel och bör klara kontakten med ozonhaltigt vatten. Dock kan delar avsystemet med dessa alternativa typer av rostfritt stål ha mer begränsad livslängd och där-för kräva en mer noggrann uppsikt för att kunna bytas ut vid behov. I och med att delarav GE:s distributionssystem härstammar från 60-talet, är ett fåtal delar av systemet avplast. Så länge dessa är korrosionsresistenta, vilket gäller för exempelvis många flourpoly-merer (Karlsson 2017; Harrison m. fl., 2012), klarar dessa närvaron av ozon i vattnet. Omrör, ventiler, luftfilter, packningar eller övrigt material är gjort av nitril (Lindam, 2017),bör dessa först ersättas med annat material innan ozon injiceras i distributionssystemet.

I nuläget är GE:s förvaringstankar för PW öppna (Karlsson, 2017), varpå åtgärder, såsom UV-destruktorer, skulle krävas för att kunna förvara ozoniserat vatten. Dessa åt-gärder behöver dock inte vara särskilt omständiga då GE:s fem nuvarande tankar antasklara av klassificeringen för fullt vakuum (Widov, 2017), och därmed kan förslutas. Ettalternativ är att fortsätta att hålla tankarna öppna och att koppla tankarna direkt till enozondestruktor med UV via en avluftningsventil, så att skadligt ozon i gasform inte kanorsaka hälsorisker (Widov, 2017). Rouge, vilket med tiden har bildats på förvaringstan-karna, kommer heller inte att orsaka problem i ett ozonsystem då ozonet i likhet medhetvattnet inte kommer att avlägsna rougen och förorena vattnet (Widov, 2017). I ochmed att PW är så pass rent vatten finns heller inga risker för att UV-lamporna skullekunna påverkas av rougen, då de mängder som eventuellt skulle avlägsnas från tankarnaförmodlingen skulle vara försumbart små (Harrison m. fl., 2012).

Ozonet ställer lägre krav på komponenterna i rörsystemet jämfört med sterilisering medhetvatten. Till skillnad från många andra steriliseringsmetoder har ozon inga problematt ta sig in i små utrymmen i bland annat gängor (Widov, 2017), så att mikrober in-te ansamlas och tillväxer där. Ozon sönderfaller ytterst snabbt i varmt vatten och kandärför bara användas i kalla system (Gottschalk m. fl., 2010). Detta bör dock inte bli nå-got problem för GE då fabrikerna efterfrågar kallt PW (Pantefors, 2017). Då ett systemsom använder sig av ozon ej behöver isolering av rören för att hindra värmeförluster kanrören dimensioneras mindre; detta kan spara kostnader men även möjliggöra utrymmenför framtida ledningar (Widov, 2017). Utbyggnad av ett system som använder ozon somsteriliseringsmetod är relativ okomplicerad jämfört med ett hetvattenspolat system, ef-tersom ingen plattvärmeväxlare behövs varpå det endast är att koppla ihop nya rör medbefintliga vid installation (Harrison m. fl., 2012). Eftersom delar av GE:s system är från60-talet (Karlsson, 2017) kan byte av enstaka delar vara troliga på sikt. Utöver detta harGE nämnt att de planerar att bygga ut systemet ytterligare under de kommande åren(Karlsson, 2017).

Från fallstudien av Cohen och Hanley-Onken, (2013) har ozon visat sig kompetent att in-aktivera även väldigt resistenta bakterier (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Den optimalahalten ozon som krävs för att sanera GE:s system kommer sannolikt uppskattas empirisktmed tiden. Då de vanligaste koncentrationerna i PW-system ligger på 20 – 50 ppb (Harri-son m. fl., 2012; Stucki m. fl., 2005) borde en koncentration inom dessa ramar vara ett bra

36

startvärde för GE. En expert (Widov, 2017) med inblick i GE:s system rekommenderadeen koncentration på 1 ppb i systemet. Efter kontinuerlig provtagning av mikroorganis-mer och endotoxin har många distributionssystem valt att minska ozonhalten i systemet.Exempelvis visade PW-anläggningen i Höchst att bara 20 – 30 % av deras ozonhalt på20 ppb förbrukades under distributionen (Stucki m. fl., 2005). Med tanke på att GE bådevill undvika risk för produktionsstopp samt ha en redundans i systemet kan en startkon-centration på 50 ppb vara passande trots att den förmodligen kommer minska i framtiden.

Den viktigaste faktorn vid val av koncentration i tankarna är att behålla önskvärd kon-centration genom hela distributionssystemet. Den längsta sträckan det ozonerade vattnetbehöver transporteras i GE:s system är 300 m. Mängden ozon som når fram efter 300 mberor på vattenhastigheten, se Figur 5. Då GE:s vattenhastighet varierar mellan 0.14 och5.56 m/s, se ekvation 24 och 25, varierar även mängden ozon som når fram efter 300 m be-roende på vilken hastighet flödet har. GE har ett flöde mellan 20 – 40 m3/h under normalproduktion (Pantefors, 2017) och når sina lägsta flöden på natten då ca 30 % av ozonetkvarstår efter 300 m se Figur 5. Hastigheterna som GE håller under normal produktionär så pass stora att nästan allt ozon återstår efter 300 m medan de lägsta hastigheternaleder till att ca 15 ppb återstår, se Figur 5. En koncentration på 15 ppb kan tolkas somnågot lågt. Men utifrån pilotstudien i Höchst samt rekommendationen på 1 ppb (Widov,2017) antas koncentrationen vara tillräcklig under de få timmar som minimiflöde råder.

För att förse distributionssystem och förvaringstankar med ozon finns två aktuella varian-ter av ozongeneratorer, korona- och elektrolytiska generatorer. Elektrolytiska generatorerär mindre i sin konstruktion, vilket möjliggör för implementering längs med långa distri-butionsslingor. Av denna anledning lämpar sig elektrolytiska generatorer bäst för störresystem där ozonkoncentrationen riskera sjunka under de gränsvärden som krävs för attuppnå steriliserande förmåga. Denna generatortyp var en väl lämpad lösning för den tys-ka anläggningen Höchst (Stucki m. fl., 2005). GE:s distributionssystem sträcker sig cirka300 m (Sjöstedt, 2017) och är således betydligt mindre än den tyska anläggningen. Avdenna anledning är koronageneratorer att föredra. Eftersom de kan producera högre kon-centrationer ozon, som i kortare distributionsslingor, klarar av att distribueras till deyttersta delarna av en anläggning. Således kan ett mindre antal ozongeneratorer, än vadfallet hade varit med de elektrolytiska generatorerna, implementeras i direkt anslutningtill förvaringstankarna. Ett mindre antal generatorer implicerar en kortare implemente-ringsperiod. Utifrån ovan nämnda aspekter anser vi att ozongeneratorer grundade påkoronaurladdning är bäst lämpade för implementering i GE:s anläggning (Widov, 2017).

En syrgasgenerator bör installeras för att förse ozongeneratorn med syrgas. Då GE, viduttnytjande av ozonsterilisering, är i behov av att kontinuerligt förse ozongeneratorn medsyrgas anser vi att producera gasen på plats är det bästa alternativet jämfört med attden fraktas till anläggningen. Vid användning av syrgas istället för luft minskar riskernaför bildning av kväveoxider samt salpetersyra. Dessutom kan en högre koncentration ozonproduceras vid användning av syrgas (Cohen, 2013).

Enligt USP:s kriterier för PW måste ozonet avlägsnas innan point of use. Detta är ävenviktigt för att garantera en säker arbetsmiljö för personal och görs lämpligtvis med UV-

37

ljus. UV-strålning med våglängd 254 nm är mycket effektiv för destruktion av ozon i PW,vilket är rimligt då ozonet har sitt absorptionsmaximum vid denna våglängd. Enligt enstudie (Summerfelt m. fl., 2004) bryts ozon i vatten ner enligt första ordningens kinetiknär det utsätts för UV-strålning, se ekvation 14. Detta med en hastighetskonstant somär en potensfunktion av UV-strålningsintensiteten. Utifrån detta samband tillsammansmed empiriska resultat konstaterades att 49.3 ± 0.6 mW/cm2 kunde avlägsna upp till0.1 mg/l på 3.3 sekunder. Huruvida detta stämmer överens med avlägsnandet av ozon iPW kan vara svårt att säga då hastighetskonstantens parametrar är empiriskt framtagnafrån ett vatten av högre kontamineringsgrad än PW. Det ger dock indikationer på UV-strålningens effekt mot det ozonerade vattnet.

Vid bestrålning av ozonexponerat vatten kan väteperoxid bildas. De koncentrationer sombildas är i sammanhanget så låga att koncentrationerna i allmänhet är under detektions-gränsen. Således utgör väteperoxiden inte något hot enligt utsago från en expert inomområdet (Widov, 2017). Den väteperoxid som bildas sönderfaller snabbt till vatten.

För UV-destruktorer anpassade till ozondestruktion är det framförallt aktuellt med tvåolika typer av lampor, nämligen lågtryckslampor och medeltryckslampor. Då lågtryck-slamporna primärt avger våglängder i 254 nm, till skillnad från medeltryckslampor somavger våglängder i ett bredare spektrum, är det lågtryckslamporna som framförallt an-vänds som åtgärd mot ozonexponerat vatten. Lågtryckslampans livslängd kan påverkas avhur mycket lamporna stängs av och på. UV-destruktorer stängs vanligtvis ner temporärtför att sterilisera de yttersta delarna av en distributionsslinga, som distribuerar ozonfrittvatten (Widov, 2017). Dock är detta något som är medräknat i lampans säkerhetsmargi-nal. Även förhöjda temperaturer kan påverka lampans livslängd negativt, men detta utgörgenerellt inte något problem så länge vattnet inte är stationärt i strålningskammaren dåUV-destruktorn är i drift.

Det kan vara problematiskt att på förhand dimensionera de UV-destruktorer som avsesimplementeras i en given anläggning. Detta eftersom UV-dosen som vattnet behöver be-strålas med beror på UV-lampan, vars intensitet varierar mellan olika tillverkare. Utöverlampans intensitet inverkar även vattnets flödeshastighet på den plats där UV-destruktorplaceras samt transmittansen för PW.

UV-lampor och övriga ozondestruktorer är de viktigaste säkerhetskomponenterna i ettdistributionssystem med ozonsterilisering. Trots att riskerna är minimala (Stucki m. fl.,2005) med tanke på de små koncentrationer ozon som används kan det vara en fördelatt installera sensorer som en extra säkerhetsåtgärd för att kunna detektera eventuellaozonutsläpp (Lindam, 2017). Även ventilation bör anpassas så att utsatta utrymmen ianläggningen ska kunna ventileras vid ett eventuellt ozonläckage (Harrison m. fl., 2012).Ozon är trots allt en gas som kan orsaka hälsoskador vid höga koncentrationer men ocksåvid en längre tids exponering för lägre koncentrationer (Ozonetech, 2017). Utrymmen in-till ozongeneratorerna är de mest utsatta vid eventuellt läckage då ozonkoncentrationen isystemet här är som högst. Även på de ställen där ozonet bryts ned för att sedan lämnasystemet kan ses som riskområden eftersom det finns risk för exponering om destruk-torerna skulle sluta fungera. Sensorer och ventilationsmöjligheter bör därför framförallt

38

finnas i dessa delar av systemet (Harrison m. fl., 2012). Det kan även vara en fördel attinstallera sensorer i utrymmen och lokaler där många personer vistas även om områdetinte är ett riskområde. Att sensorer finns installerade i dessa lokaler kan bidra till attpersonalen känner en trygghet i att eventuella utsläpp av ozon kan detekteras innan detutgör en hälsorisk. Att personalen kan känna sig trygga och arbeta ostört är i regel positiv.

Utifrån resultat och tidigare diskussion har ett möjligt implementeringsförslag för GE:sanläggning i Boländerna sammanställts. En koronagenerator ska kopplas till varje slutenlagringstank vilket medför en investering i fem stycken generatorer. Efter installation kanen 50 ppb ozonhalt garanteras inom varje tank (Lindam, 2017). Med vald ozonhalt ga-ranteras en sterilisering från produktion fram till anläggning (Cohen, 2017). För en säkerhantering av ozon föreslås en installation av en UV-destruktor intill varje uttagspunkt.För att övervaka ozonhalten installeras en ozonsensor efter varje tank samt två sensorerper UV-lampa, en som kontrollerar halten innan destruktorn och en som kontrollerar attvattnet är ozonfritt inför produktanvändning. En gång i veckan har GE tidigare hetvat-tenspolat de interna systemen vid varje fabrik vilket har räckt för att hålla kraven på mi-krobiell tillväxt och endotoxin. Genom att en gång i veckan stänga av UV-destruktorernaoch låta det ozonerade vattnet cirkulera i systemen under loppet av en timme kommersamma effekt att kunna uppnås (Widov, 2017). Vi uppmuntrar även inmontering av sen-sorer som kontrollerar ozonhalten i luften. En rekommendation är att placera en luftsensorvid varje generator, om inte dessa är placerade tillräckligt nära varandra, då det kan kom-ma att krävas färre. För att främja en trygg arbetsmiljö kan det även vara aktningsvärtav företaget att investera i luftsensorer vid arbetsytor som ofta är bemannade av personal.

Ozonbranschen är en växande industri. Ozon har sedan länge varit en vanlig sterilise-ringsmetod inom exempelvis livsmedelsindustrin men har sedan 90-talet expanderat inomläkemedelsbranschen (Cohen, 2017). Varför övergången till ozonsterilisering inom läkeme-delsindustrin har etablerats långsammare kan bero på att industrin lägger större värde isäkra och väl utvärderade metoder, såsom hetvattenspolning, än på innovativa lösning-ar. Ozon har dock varit etablerat i många år och med dess framgång kan metoden intelängre anses som riskfylld. Ett exempel på att ozon är en framtidsinvestering är företagetInfraserv Höchst, lokaliserat i Tyskland (Stucki m. fl., 2005). De står för världens störstaproduktion av PW och har sedan 2000-talet, utan komplikationer, steriliserat sitt distribu-tionssystem med ozon (Widov, 2017). GE förbrukar i nuläget stora mängder av Uppsalasvatten vilket kan komma att bli bekymmersamt med tanke på de sjunkande grundvat-tennivåerna. Det kan därför inte anses vara miljömässigt hållbart för företag att användasig av hetvattenspolning i framtiden. GE kan i framtiden, beroende på efterfrågan, be-höva bygga ut sin anläggning för ökad produktion. Med ozon som steriliseringsmetodkommer en eventuell expansion bli både billigare och enklare. Övergång till ozonsterilise-ring skulle likaledes ge positiva effekter för Uppsala Vatten som tidigare fått levererat förhöga vattentemperaturer från GE, vilket genererar slitage på ledningarna. GE:s planeradeuppvärmning- och nedkylningsmetod beräknas kosta företaget omkring 15.5 miljoner omåret (se tabell 8 i Appendix). Om GE väljer att använda ozon som steriliseringsmetod såskulle detta, med rådande implementeringsförslag, innebära att investeringen är intjänadpå mindre än ett år.

39

7 SlutsatsEn övergång till ozonsterilisering skulle för GE innebära en möjlighet att distribuera PWkallt, vilket skulle vara såväl energi- och kostnadseffektivt som hållbart ur miljösynpunktdå det minskar vattenförbrukningen. Ozon är en säker metod som enkelt kan implemen-teras i GE:s nuvarande distributionssystem, med endast ett fåtal ombyggnationer ochskulle vid framtida planerad utbyggnad spara in ytterligare kostnader genom enklare rör-konstruktioner.

40

8 Referenser

ReferenserArbetsmiljöverket (2015). Gränsvärden - Arbetsmiljöverket. url: https://www.av.se/

halsa- och- sakerhet/luftfororeningar- och- kemiska- risker/gransvarden/(hämtad 2017-05-08).

ASME (2013). ASME - STANDARDS - Branch Leg Study for Bioprocessing Equipment.ASME Standards Technology LLC. isbn: 978-0-7918-6916-1.

Atila, Funda (2016). ”Effect of Different Substrate Disinfection Methods on the Productionof Pleurotus Ostreatus (PDF Download Available)”. I: 4. doi: 10.5296/jas.v4i4..

Austen, Benjamin L. (2005). ”Pharmaceutical Water Systems: A Thermal-Fluid Analy-sis of Pipe Dead-Legs”. Masters. Dublin City University. School of Mechanical andManufacturing Engineering.

Avfall Sverige (2012).Markvatten för avfallseldade kraft- och värmeverk. F2012:07. Malmö,s. 19.

Cheryan, Munir (1998). Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. Google-Books-ID:LpiuJVxJS_AC. CRC Press. 550 s. isbn: 978-1-56676-598-5.

Cohen, Nissan (2013). ”Understanding Dissolved Ozone and Its Use in PharmaceuticalWater Systems”. I: Pharmaceutical Engineering. May.

Cohen, Nissan och Erika Hanley-Onken (2013). ”The Efficacy of Ozonated Water in Bio-film Control in USP Purified Water Circulation and Storage”. I: Water Storage andDistribution Systems.

Collentro, William V. (2016). Pharmaceutical Water: System Design, Operation, and Va-lidation, Second Edition. CRC Press. 490 s. isbn: 978-1-4200-7783-4.

Crittenden, John, Rhodes Trussell, David Hand, Kerry Howe och George Tchobanoglous(2005). Water Treatment Principles and Design. 2. utg. New Jersey: John Wiley andSons. isbn: 0-471-11018-3.

Dow (2017). About Ultrafiltration | Dow Water & Process Solutions. url: http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/products/ultrafiltration/about-ultrafiltration (hämtad 2017-04-04).

Eldnig, Lars Ivar och Börje Stenberg (2017). Klor - Uppslagsverk - NE. I: url: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/klor (hämtad 2017-04-26).

”Electrodeionization Process” (2017). Gaston De Los Reyes, Linda M Denoncourt ochBienvenido Garcis.

Elovitz, Michael S., Urs von Gunten och Hans-Peter Kaiser (2000). ”Hydroxyl Radi-cal/Ozone Ratios During Ozonation Processes. II. The Effect of Temperature, pH,Alkalinity, and DOM Properties”. I: Ozone: Science & Engineering 22.2, s. 123–150.issn: 0191-9512, 1547-6545. doi: 10.1080/01919510008547216.

Encyclopaedia Britannica (2013). ”Polyethylene (PE) | Chemical Compound | Britanni-ca.Com”. I: url: https://global.britannica.com/science/polyethylene (häm-tad 2017-05-03).

41

https://www.av.se/halsa-och-sakerhet/luftfororeningar-och-kemiska-risker/gransvarden/


http://dx.doi.org/10.5296/jas.v4i4.

http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/products/ultrafiltration/about-ultrafiltration



http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/klor


http://dx.doi.org/10.1080/01919510008547216

https://global.britannica.com/science/polyethylene

Eriksson, Ulf (2009). Råd och riktlinjer för UV-ljus och vattenverk. Stockholm. url: http://www.svensktvatten.se/globalassets/dricksvatten/rad-och-riktlinjer/rad-och-riktlinjer-for-uv-ljus-vid-vattenverk-dec-2009.pdf (hämtad2017-05-02).

FDA (1982). Compliance Policy Guides - CPG Sec 635100 Large Volume Parenterals(LVP) for Animal Use. url: https://www.fda.gov/ICECI/ComplianceManuals/CompliancePolicyGuidanceManual/ucm074669.htm (hämtad 2017-05-02).

FDA (1993). Inspection Guides - High Purity Water System (7/93). url: https: / /www.fda.gov/iceci/inspections/inspectionguides/ucm074905.htm (hämtad2017-05-02).

Florjanič, M. och J. Kristl (2006). ”Microbiological Quality Assurance of Purified Water byOzonization of Storage and Distribution System”. I: Drug Development and IndustrialPharmacy 32.10, s. 1113–1121. doi: 10.1080/03639040600920614.

Folkhälsomyndigheten (2015). Escherichia Coli-Infektioner i Tarmen — Folkhälsomyn-digheten. url: http://www.folkhalsomyndigheten.se/smittskydd-beredskap/smittsamma- sjukdomar/escherichia- coli- infektioner- i- tarmen/ (hämtad2017-05-08).

Forssblad, Johan och Heléne Annadotter (2008). Endotoxin i Svenskt Kranvatten. 2008-20.Gardoni, D., A. Vailati och R. Canziani (2012). ”Decay of Ozone in Water: A Review”.

I: Ozone: Science & Engineering 34.4, s. 233–242. doi: 10.1080/01919512.2012.686354.

Glater, Julius (1998). ”The Early History of Reverse Osmosis Membrane Development”.I: doi: 10.1016/S0011-9164(98)00122-2.

Gottschalk, C., J. A. Libra och A. Saupe (2010). Ozonation of Water and Waste Water:A Practical Guide to Understanding Ozone and Its Applications. 2nd completely rev.and updated ed. OCLC: ocn496229622. Weinheim: Wiley-VCH. 362 s. isbn: 978-3-527-31962-6.

Habib, M. A., H. M. Badr, S. a. M. Said, E. M. A. Mokheimer, I. Hussaini och M. Al-Sanaa (2005). ”Characteristics of Flow Field and Water Concentration in a HorizontalDeadleg”. I: Heat and Mass Transfer 41.4. WOS:000226357200004, s. 315–326. doi:10.1007/s00231-004-0548-y.

Harrison, Tony, Joe Manfreid, Teri C Soil och Philip E. Sumner (2012). Good Practice Gui-de: Ozone Sanitization of pharmaceutical Wayer Systems. ISPE. isbn: 978-1-936379-45-3.

Healthcare, GE (2012). GE Healthcare: 63 Years of History, Countless Advances in He-althcare. url: http://newsroom.gehealthcare.com/ge-healthcare-63-years-of-history-countless-advances-in-healthcare/ (hämtad 2017-04-24).

Healthcare, GE (2016). URS För PW/DV-System i Boländerna.Klauer, Jörg (2011). ”Use of Ozone in Pharmaceutical Water”.Kornboonraksa, Thipsuree (2016). ”Using Tertiary-Treated Municipal Wastewater as Ma-

keup Water by Reverse Osmosis Membrane”. I: Desalination and Water Treatment57.16. WOS:000373352500030, s. 7422–7431. doi: 10.1080/19443994.2015.1024937.

Kulakov, Leonid A., Morven B. McAlister, Kimberly L. Ogden, Michael J. Larkin ochJohn F. O’Hanlon (2002). ”Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water inIndustrial Systems”. I: Applied and Environmental Microbiology 68.4, s. 1548–1555.

42

http://www.svensktvatten.se/globalassets/dricksvatten/rad-och-riktlinjer/rad-och-riktlinjer-for-uv-ljus-vid-vattenverk-dec-2009.pdf



https://www.fda.gov/ICECI/ComplianceManuals/CompliancePolicyGuidanceManual/ucm074669.htm


https://www.fda.gov/iceci/inspections/inspectionguides/ucm074905.htm


http://dx.doi.org/10.1080/03639040600920614

http://www.folkhalsomyndigheten.se/smittskydd-beredskap/smittsamma-sjukdomar/escherichia-coli-infektioner-i-tarmen/


http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00122-2

http://dx.doi.org/10.1007/s00231-004-0548-y

http://newsroom.gehealthcare.com/ge-healthcare-63-years-of-history-countless-advances-in-healthcare/


http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2015.1024937

doi: 10.1128/AEM.68.4.1548-1555.2002. pmid: 11916667. url: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/ (hämtad 2017-04-04).

Lappin-Scott, Hillary M., J. William Costerton och Marc W. Mittelman (2003). MicrobialBiofilms. Cambridge University Press. 328 s.

Lenntech (2017). Electrodeionization (EDI) - Lenntech. url: http://www.lenntech.com/library/edi/edi.htm (hämtad 2017-04-07).

Madaeni, S. S. och S. Sharifnia (2000). ”Chemical Cleaning of Ultrafiltration MembranesFouled by Whey”. I: Iranian Polymer Journal 9.3. WOS:000165578600002, s. 143–151.

Marin, Prof Irma (2011). ”Proteobacteria”. I: Encyclopedia of Astrobiology. Utg. av MurielGargaud, Prof Ricardo Amils, José Cernicharo Quintanilla, Henderson James (Jim)Cleaves II, William M. Irvine, Prof Daniele L. Pinti och Michel Viso. Springer BerlinHeidelberg, s. 1350–1350. isbn: 978-3-642-11271-3 978-3-642-11274-4. doi: 10.1007/978-3-642-11274-4_1288.

Mathiesen, Troels och Jan Elkjaer Frantsen (2007). Rouging Of Stainless Steel In WfiSystems - Examples And Present Understanding.

Moore, Ginny, Chris Griffith och Adrian Peters (2000). ”Bactericidal Properties of Ozoneand Its Potential Application as a Terminal Disinfectant”. I: Journal of Food Protection63.8, s. 1100–1106. doi: 10.4315/0362-028X-63.8.1100.

Nationalencyklopedin (2017). Endotoxiner - Uppslagsverk - NE. I: url: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/endotoxiner (hämtad 2017-04-26).

NETL (2017). Novel-Polymer-Membrane-Mtr | Netl.Doe.Gov. url: https://www.netl.doe.gov/research/coal/carbon- capture/pre- combustion/novel- polymer-membrane-mtr (hämtad 2017-04-27).

Outi, M. Zacheus, Eila K. Iivanainen, Tarja K. Nissinen, Markku J. Lehtola och Pertti J.Martikainen (2000). ”Bacterial Biofilm Formation On Polyvinyl Chloride, Polyethyleneand Stainless Steel Exposed to Ozonated Water”. I: doi: 10.1016/S0043-1354(99)00113-X.

Ozonetech (2017). Ozonsäkerhet | Ozonetech. url: http://www.ozonetech.com/sv/om-ozon/ozons%C3%A4kerhet (hämtad 2017-05-04).

Pall Coporation (2017). Ultrafiltration Fundamentals - Id-35486.Pdf. url: https://laboratory.pall.com/content/dam/pall/laboratory/literature-library/non-gated/id-35486.pdf (hämtad 2017-04-04).

Park, Hoon-Soo, Tae-Mun Hwang, Joon-Wun Kang, Heechul Choi och Hyun-Je Oh (2001).”Characterization of Raw Water for the Ozone Application Measuring Ozone Con-sumption Rate”. I:Water Research 35.11, s. 2607–2614. doi: 10.1016/S0043-1354(00)00564-9.

Penne, E. Lars, Linda Visser, Marinus A. Van Den Dorpel, Neelke C. Van Der Weerd,Albert HA Mazairac, Brigit C. Van Jaarsveld, Marion G. Koopman, Pieter Vos, GeertW. Feith, Ton K. Kremer Hovinga m. fl. (2009). ”Microbiological Quality and QualityControl of Purified Water and Ultrapure Dialysis Fluids for Online Hemodiafiltrationin Routine Clinical Practice”. I: Kidney international 76.6, s. 665–672. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0085253815540325 (hämtad2017-05-16).

Percival, SL (1999). ”The Effect of Molybdenum on Biofilm Development”. I: Journal ofIndustrial Microbiology & Biotechnology, s. 112–117. doi: 10.1038/sj.jim.2900712.

43

http://dx.doi.org/10.1128/AEM.68.4.1548-1555.2002

11916667

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/


http://www.lenntech.com/library/edi/edi.htm


http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.4315/0362-028X-63.8.1100

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/endotoxiner


https://www.netl.doe.gov/research/coal/carbon-capture/pre-combustion/novel-polymer-membrane-mtr



http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X

http://www.ozonetech.com/sv/om-ozon/ozons%C3%A4kerhet


https://laboratory.pall.com/content/dam/pall/laboratory/literature-library/non-gated/id-35486.pdf



http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0085253815540325


http://dx.doi.org/10.1038/sj.jim.2900712

Pharmasystems (2017). USP Standards for Purifed Water. url: http://www.pharmatesystems.com/usp-standards-for-purifed-water/ (hämtad 2017-04-24).

Roll, Daryl L. och John J. Kilkeary (2001). ”Rouge Detection & Control”. I: ChemicalEngineering 108.8, s. 101–101.

Sandle, Tim (2013). Sterility, Sterilisation and Sterility Assurance for Pharmaceuticals:Technology, Validation and Current Regulations. Woodhead Publishing series in biome-dicine number 32. OCLC: ocn834416834. Oxford ; Philadelphia: Woodhead PublishingLimited. 339 s. isbn: 978-1-907568-38-1.

Sandle, Tim (2015). ”Characterizing the Microbiota of a Pharmaceutical Water System-A Metadata Study”. I: SOJ Microbiology & Infectious Diseases 3.2, s. 01–08. doi:10.15226/sojmid/3/2/00133.

Saraf, Aditi, Kaitlin Johnson och Mary Laura Lind (2014). ”Poly(Vinyl) Alcohol Coatingof the Support Layer of Reverse Osmosis Membranes to Enhance Performance inForward Osmosis”. I: Desalination 333.1, s. 1–9. doi: 10.1016/j.desal.2013.11.024.

Saxena, Valencio Salema Priyabrata Pattnaik Lalit (2009). Removing Endotoxin fromBiopharmaceutical Solutions. url: http://www.pharmtech.com/removing-endotoxin-biopharmaceutical-solutions (hämtad 2017-04-04).

Sivasakthivel, T. och KK Siva Kumar Reddy (2011). ”Ozone Layer Depletion and Its Ef-fects: A Review”. I: International Journal of Environmental Science and Development2.1, s. 30.

Stucki, Samuel, Dirk Schulze, Dieter Schuster och Christian Stark (2005). ”Ozonizationof Purified Water Systems”. I: The Official Journal of ISPE Vol 25.1.

Summerfelt, Steven T., Mark J. Sharrer, Jennifer Hollis, Lauren E. Gleason och Scott R.Summerfelt (2004). ”Dissolved Ozone Destruction Using Ultraviolet Irradiation in aRecirculating Salmonid Culture System”. I: Aquacultural Engineering 32.1, s. 209–223.doi: 10.1016/j.aquaeng.2004.06.004.

Sörensen, Martin, Paramasivam Satish och Jürgen Weckenmann (2016). State of the ArtSanitisation of Purified Water (PFW) UV.

Toyobo (2017). TOYOBO Water Treatment Membranes: HOLLOSEP FEATURES. url:http://www.toyobo-global.com/seihin/ro/tokucho.htm (hämtad 2017-04-06).

United Performande Metals (2017). 316 Stainless Steel Sheet, Coil & Plate - AMS 5524,AMS 5507 - 316L SS. url: https://www.upmet.com/products/stainless-steel/316316l (hämtad 2017-05-03).

US Pharmacopeial Convention (2017). Frequently Asked Questions: Water for Pharma-ceutical and Analytical Purposes. url: http://www.usp.org/frequently-asked-questions/water- pharmaceutical- and- analytical- purposes#question%201(hämtad 2017-04-25).

Wang, Jianyou, Shichang Wang och Manrong Jin (2000). ”A Study of the Electrodeioni-zation Process — High-Purity Water Production with a RO/EDI System”. I: Desali-nation 132 (1-3), s. 349–352. doi: 10.1016/S0011-9164(00)00171-5.

WET GmbH (2005). WET_UFAllgemein_e.Indd - Ultrafiltration_en.Pdf. url: http://www.wet-gmbh.com/assets/ultrafiltration_en.pdf (hämtad 2017-04-12).

Viera, M. R., P. S. Guiamet, M. F. L. De Mele och H. A. Videla (1999). ”Use of DissolvedOzone for Controlling Planktonic and Sessile Bacteria in Industrial Cooling Systems”.I: International biodeterioration & biodegradation 44.4, s. 201–207.

44

http://www.pharmatesystems.com/usp-standards-for-purifed-water/


http://dx.doi.org/10.15226/sojmid/3/2/00133

http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2013.11.024

http://www.pharmtech.com/removing-endotoxin-biopharmaceutical-solutions


http://dx.doi.org/10.1016/j.aquaeng.2004.06.004

http://www.toyobo-global.com/seihin/ro/tokucho.htm

https://www.upmet.com/products/stainless-steel/316316l


http://www.usp.org/frequently-asked-questions/water-pharmaceutical-and-analytical-purposes#question%201


http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(00)00171-5

http://www.wet-gmbh.com/assets/ultrafiltration_en.pdf


Xu, Wendong och Shankararaman Chellam (2005). ”Initial Stages of Bacterial Fouling du-ring Dead-End Microfiltration”. I: Environmental Science & Technology 39.17, s. 6470–6476. doi: 10.1021/es0500862.

Zhang, C., C. Li, X. Zheng, J. Zhao, G. He och T. Zhang (2017). ”Effect of Pipe Materialson Chlorine Decay, Trihalomethanes Formation, and Bacterial Communities in Pilot-Scale Water Distribution Systems”. I: International Journal of Environmental Scienceand Technology 14.1, s. 85–94. doi: 10.1007/s13762-016-1104-2.

Åström, Jonas, Saara Nordenström och Erik Forsberg (2016). GE Healthcare and UppsalaBIO Form a New Partnership. url: http://www.genewsroom.com/press-releases/ge-healthcare-and-uppsala-bio-form-new-partnership-282933 (hämtad2017-04-24).

Ickepublicerat materialBerg, Claes, GE Healthcare, 2017-05-10.Brolin, Magnus, GE Healthcare, 2017-04-05.Cohen, Nissan, GE Healthcare, 2017-05-11.Karlsson, Bert, GE Healthcare, 2017-04-05.Knops, Frans, Pentair, 2017-04-25Lindam, John, Ozonetech, 2017-05-05 .Linder, Helena, GE Healthcare, 2017-04-05 .Pantefors Per, GE Healthcare, 2017-04-05.Sjöstedt Mikael, GE Healthcare, 2017-04-05.Wall, Erik, GE Healthcare, 2017-04-05.Widov, Anders, Widov Pharmaceutical Engineering AB, 2017-05-08.

45

http://dx.doi.org/10.1021/es0500862

http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-1104-2

http://www.genewsroom.com/press-releases/ge-healthcare-and-uppsala-bio-form-new-partnership-282933


9 Appendix

9.1 Planskiss över distributionssystemet

Figur 7: Planskiss över distributionssystemet för purified water, PW på GE Healthcare,Boländerna, Uppsala.

46

9.2 Kostnader årligen för sterilisering av PW

Den approximativa årliga kostnaden vid hetvattensterilisering på GE Healtcare redovisasi tabell 8.

Tabell 8: Årliga kostnader för uppvärmning med hjälp av ånga samt nedkylning av PWi GE Healthcares distributionssystem. Kostnaderna är dels beräknade för produktion avPW med destillation, dels för produktion med RO och EDI. Samtliga kostnaderna gällerför en årlig produktion av 88 000 m3 PW.

Årlig kostnad Destillering + hetvattenspolning RO, EDI + hetvattenspolningUppvärmning 10.2 milj kr 6.9 milj krNedkylning 8.6 milj kr 8.6 milj krTotalt 18.8 milj kr 15.5 milj kr

Den uppskattade årliga energikostnaden vid sterilisering med ozon redovisas i tabell 9.

Tabell 9: Uppskattad årlig energikostnad för 5 ozongeneratorer med koronaurladdningsamt 30 stycken UV-destruktorer. Kostnaden utgår från ett elpris på 0.58 kr/kWh (Pan-tefors, 2017).

Energiförbrukning Kostnad årligenGenerator 3.5 kWh 18 000 krUV-destruktorer 25.5 kWh 130 000 krTotalt 29 kWh 148 000 kr

47

9.3 Beräkning av energiåtgång vid hetvattenspolning

Vattnets specifika värmekapacitet, c: 4.18 kJ/kg·K.1 kJ = 1/3600 kWh.1 kg vatten approximeras till 1 lvilket medför att 1000 kg vatten approximeras till 1 m3.∆ T = (80 - 20 = 60) K.

E = c · m ∆ T

Energin per m3 blir därmed:4.18 · kJ/kg· K · 1 l/kg · 1 kJ/3600 kWh · 60 K · 1000 l/m3 == 69.67 kWh/m3

48

9.4 Distributionssystem för Infraserv Höchst

Figur 8: Schematisk skiss över distributionssystemet för Infraserv Höchst med PEMozongeneratorer. Originally published in Pharmaceutical Engineering 25, no. 1 (January-February 2005). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted with permission.

49

9.5 Distributionssystem för experimentell prototyp

Följande information användes för att beräkna energiåtgången för uppvärmningen avvatten från 20 -80◦C, vilket utgör en vanlig temperaturövergång vid hetvattenspolning.

Figur 9: Schematisk bild av pilotförsöket för förvaring och distributionssystem av PWOriginally published in Pharmaceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013).© ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted with permission.

9.6 Relevanta sökord

Tabell 10: Huvudsökord som används vid sökning i respektive databas och sökmotor.

Databas SökmotorScopus Web of Science SpringerLink Science direct PubMed Central Nationalencyklopedin Google ScholarWFI WFI

Water for Injection Water for InjectionPW PW

Purified Water Purified Water Purified Water Purified Water Purified Water Purified WaterEndotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin

RO ROReverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis

EDI EDIKlor

KloreringChlorine Chlorine

Chlorine gas Chlorine gasOzonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation

Water for Injection Water for InjectionOzone Ozone Ozone Ozone Ozone Ozone

Sanitization for Purified Water Sanitization for Purified WaterHetvattenspolning

UV UV UV

50

9.7 Flödesuträkning

GE:s rörsystems snittdiameter: 51 mm⇒ radien= 25, 5 mm = 0, 255 dmTvärsnittsarean=πr2 = π · 0, 2552 = 0, 20428 ≈ 0, 2 dm2

Flödet varierar mellan 1 till 40 m3/h

1 m3/h = 1000 dm3/h = 16, 67 l/min40 m3/h = 40000 dm3/h = 666, 67 l/min

16, 67

0, 2= 83, 35 dm/min = 8, 335 m/min = 0, 14 m/s (24)

666, 67

0, 2= 3333, 35 dm/min = 333, 335 m/min = 5, 56 m/s (25)

51

9.8 Beräkning av k, antaget första ordningens kinetik

Antag ozonhalveringstid: 20 min = 1200 s = t

Första ordningens kinetik ger:[A] = [A0] · e−k·t (26)

Antag [A] = 1000 ppb samt [A0] = 500

1000 = 500·e−k·1200 ⇒ 2 = e−k·1200 ⇒ ln2 = −k ·1200⇒ −k =ln2

1200⇒ k = −5.776∗10−4

(27)

52

Energibesparingsprojekt för produktion av purified

water vid GE Healthcare Uppsala



VT 2017




Datum12 maj 2017

Ersätter-


HandledareMattias Winerdahl

RapportnamnEnergibesparingsprojekt för produktion avpurified water vid GE Healthcare Uppsala

SammanfattningGE Healthcare i Boländerna, Uppsala producerar årligen 88 000 m3 vatten för medicinskanvändning med särskilda krav på hög kvalitet, internationellt klassificerat som purifiedwater, PW. Utöver gränsvärden för en bakteriell halt ställer GE krav på halter av endotox-in, giftiga ämnen genererade från fettämnen hos gramnegativa bakterier. Under en längreperiod har det rena vattnet producerats genom destillation, en process där den utgåendeprodukten har en temperatur på 90◦C, varpå de höga temperaturerna håller vattnet des-infekterat från mikrobiell tillväxt. I huvudslingor på upp till 300 m distribueras vattnet uttill olika byggnader på anläggningen varpå vattnet kyls ned till 20◦C, där 7 l dricksvattenåtgår för att kyla 1 l PW. Från och med år 2018 kommer GE att börja producera PWgenom omvänd osmos och elektriska jonbytare, vilket medför den stora skillnaden att kalltvatten på 20◦C bildas. Syftet med det här projektet var att hitta ett energibesparandesätt att sterilisera distributionssystemet för kallt renat vatten, vilket uppfyller kriterierför implementering i GE:s anläggning. Projektet genomfördes i huvudsak som en littera-turstudie av vetenskapliga artiklar från en rad olika databaser. Av tillgängliga metodersom analyserats, rekommenderades ozon i GE Healthcares distributionssystem eftersomozon varken kräver tillsatta kemikalier i och med att det starkt oxiderande ämnet bildasdirekt från syre i luften eller vattnet eller orsakar driftstopp i systemet. De starka oxide-rande egenskaperna gör att endast en liten mängd ozon behövs för desinfektionen, vilketgenererar låga driftkostnader. Halveringstiden på ungefär 20 minuter i PW gör att detmesta ozonet bryts ned naturligt under distributionen, varpå den resterande delen kanomvandlas tillbaka till syrgas genom strålning med UV-ljus. Ozon är en säker metod somenkelt kan implementeras i GE:s nuvarande distributionssystem, med endast ett fåtal om-byggnationer och skulle vid framtida planerad utbyggnad spara in ytterligare kostnadergenom mer simpelt konstruerade rör. Om GE Healthcare väljer att använda ozon somsteriliseringsmetod så skulle investeringen uppskattas vara intjänad på mindre än ett år.

Innehåll1 Inledning 1

1.1 Bakgrund till GE Healthcare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Om företaget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Anläggning för destillerat vatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.3 Mikroorganismer i PW-system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.4 Nuvarande vattenrening och distribution . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.5 Övergång till omvänd osmos och elektriska jonbytare . . . . . . . . 5

1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8



4 Fördjupning inom ozonsterilisering 154.1 Egenskaper hos ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Typer av ozongeneratorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18


4.3 Effektivitet hos ozon för mikrobiell kontroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.4 Ultraviolett ljus för nedbrytning av ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.5 Ozonsterilisering i storskaligt PW-system, Infraserv Höchst . . . . . . . . . 244.6 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk industri, fallstudie . . 244.7 Säkerhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.8 Implementering av ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.8.1 Distributionssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.8.2 Ozondosering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.8.3 Val av generatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31


5 Diskussion 34

6 Slutsats 40

7 Appendix 477.1 Planskiss över distributionssystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.2 Distributionssystem för Infraserv Höchst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.3 Distributionssystem för experimentell prototyp . . . . . . . . . . . . . . . 48

7.4 Flödesuträkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.5 Beräkning av k, antaget första ordningens kinetik . . . . . . . . . . . . . . 49

1 Inledning


1.1.1 Om företaget

General Electric (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av EdisonGeneral Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företaget höll då påmed belysning, järnvägar och gruvarbete (Healthcare, 2012). Sammanslagningen var enfullträff och företaget blev snabbt känt för att ge hög produktionskvalité till en låg kostnad.

GE började sina innovationer inom sjukvård genom utvecklingen av röntgenstrålar. År1964 började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var star-ten till den del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare (Healthcare, 2012).Internationellt sett är GE verksamma i över 100 länder. Anläggningen i Uppsala har idagcirka 1200 anställda, därav en betydande andel arbetar inom forskning och utveckling avnuvarande tekniker (Åström m. fl., 2016).

Nästan all produktion på anläggningen kräver vatten av väldigt hög kvalité, något sominternationellt kallas purified water, (PW) (Pantefors, 2017). Det finns olika krav definie-rade för när ett vatten får klassas som PW. Enligt United States Pharmacopeia Systems,vilket är de riktlinjer som GE Healthcare valt att gå efter (Linder, 2017) , krävs en bak-teriell halt på under 100 CFU/ml (CFU= colony forming units) (Pharmasystems, 2017).USP har dessutom krav på en konduktivitet på vattnet på under 1,3 µS/cm samt entotalmängd löst organiskt, (TOC) material på under 500 ppb (Cohen och Hanley-Onken,2013). European Pharmacopoeias (Ph Eur) alternativa gränsvärden för den bakteriellahalten hos PW är 10 CFU/100 ml medan gränsvärdet för konduktiviteten är 4.3 µS/cmPh Eur har samma krav på högsta tillåtna mängden TOC.

Utöver detta ställer GE Healthcare specifika krav för endotoxin, giftiga ämnen bestå-ende av lipopolysackarider genererade från fettämnen hos bakterier. Endotoxin kan haolika negativa hälsoeffekter såsom feber eller sepsis beroende på halt och intag (Natio-nalencyklopedin, 2017), varpå GE:s krav går ut på att halterna ska elimineras till nivåerpå under 0.5 EU/ml (EU= endotoxin units) (Linder, 2017). I snitt förbrukar GE 88 000m3 PW varje år (Pantefors, 2017). Vattnet produceras av GE genom destillation ochdistribueras sedan över hela anläggningen.


GE Healthcares anläggning för produktion och distribution av PW i Boländerna, Uppsalabestår av rör i rostfritt stål. Medan delar av rörsystemet har tillkommit under de senasteåren, byggdes andra delar av systemet redan på 60-talet (Karlsson, 2017). Vissa mindredelar av distributionssystemet kan bestå av rör i plast.

I systemet finns både manuella ventiler samt gängade ventiler av typen Union InsertValve, (UV i GE:s planskiss över distributionssystemet, se Figur 7 i Appendix. (Bör inteförväxlas med förkortningen för ultraviolett strålning, UV.)) (Sjöstedt, 2017). Dessa ven-

1

tiler kan produceras av många olika material, exempelvis av rostfritt stål (CheckAll Valve,2017). Dessutom finns ventiler som är specifikt anpassade för att eliminera stillaståendevattenvolymer, så kallade Zero Dead Leg, (ZDL-ventiler) (Sjöstedt, 2017). Genom ett an-tal huvudslingor på uppemot 300 m, distribueras producerat PW till sammanlagt 15 olikabyggnader på anläggningen (Karlsson, 2017).

Vattenflödet i rörsystemet är i genomsnitt 20 m3/h, men i anläggningen kan under dygnetvariationer av flödet förekomma på mellan 1 m3/h och 40 m3/h. Rören i distributions-systemet har i genomsnitt en diameter på 51 mm. Utifrån flödet genom systemet liggerhastigheten genom rören mellan 0.14 m/s till 5.56 m/s (se ekvation 24 och 25 i Appendix).

1.1.3 Mikroorganismer i PW-system

Förekomsten av mikroorganismer i PW-system är inte ovanlig trots näringsfattiga för-hållanden. Då bakterieceller har lätt att fästa på i stort sett alla sorts ytor i akvatiskamiljöer medför det en risk för bildning utav biofilm (Lappin-Scott m. fl., 2003). Biofilmär ett sorts aggregat som bildas på ytor beståendes av en mängd olika mikrobiella stam-mar. Biofilmen fungerar som ett sorts ekosystem åt bakterierna och gynnar tillväxt ochnäringsupptag. Mikrober som lever i biofilmen försämrar vattenkvalitén när de släpps uti vattenflödet (Outi m. fl., 2000). Bildning av biofilm är den huvudsakliga källan till deflesta bakteriella problem som uppstår inom diverse vattensystem.

Majoriteten bakterier som förekommer i PW system är heterotrofa gramnegativa bak-terier (Lappin-Scott m. fl., 2003). Heterotrofa bakterier är de bakterier som syntetiserarorganiskt bundet kol som energikälla. Grampositiva bakterier har en cellvägg som tillstörsta del består av flera lager av den stora sockermolekylen peptidoglykan, till skillnadfrån gramnegativa bakteriers cellvägg som bara har ett enkelt lager av peptidoglykan menockså innehåller det fettämne som ger upphov till endotoxin (Nationalencyklopedin, 2017).

Organiskt bundet kol är den enda tillgängliga näringen för mikrober i PW system dådet inte tillförs några ickeorganiska energikällor via vattnet. Detta är anledningen tillatt många PW industrier regelbundet mäter den totala mängden organiskt kol (TOC) isystemet (Sandle, 2015).

1.1.4 Nuvarande vattenrening och distribution

För tillfället produceras det destillerade vattnet genom destillation där ånga värmer uppvattnet som ska renas till 90◦C vilket verkar steriliserade med avseende på mikrober ochendotoxin (Pantefors, 2017). Vattnet förvaras i tankar och distribueras sedan varmt längsden 300 m långa huvudslingan för att sedan förgrenas i mindre rörsystem innan det an-länder till olika fabriker i anläggningen. Vid fabrikerna kyls vattnet med värmeväxlare dåderas produktion kräver en vattentemperatur på 20◦C (Pantefors, 2017).Det varma vatt-net som flödar genom huvudledningen motverkar mikrobielltillväxt och GE Healthcarekontrollerar vattenkvaliten genom kontinuerlig provtagning (Linder, 2017). I ledningarnaefter att vattnet har kylts ned krävs en hetvattenspolning en gång i veckan för att hållarören steriliserade (Pantefors, 2017).

2

RörsystemDead-legs definieras som delar av rören som inte är aktiva och där flödet är stillastående(Habib m. fl., 2005). I rörsystemet utgörs dead-legs ofta av T-formande ventiler med tvåutlopp (Austen, 2005) eller förekommer i förgreningar ut från huvudslingan (Habib m. fl.,2005). Även i rörsystem med material som vanligtvis är relativt motståndskraftiga motkorrosion, är dead-legs med stillastående vatten eller vatten i låg hastighet, områden medförhöjd risk för korrosion. För att avgöra hur mycket dead-legs förväntas kontaminerasystemet, måste hänsyn tas till så väl flödet i huvudslingan som proportionen L:D, detvill säga längden ut till huvudslingan från ändan på det förgrenade röret, L, i förhållandetill huvudslingans diameter, D (Austen, 2005).

Figur 1: Rörsystem med dead-leg (Austen, 2005), Licens: CC BY-NC-ND 3.0.

För vattenvolymer större än 100ml har US Food & Drug Administration, FDA satt uppspecifika riktlinjer, så kallade Large volyme parenterals, LVP:s (FDA, 1982). En sådanriktlinje från 1982, men som fortfarande gäller i många system idag är att dead-legs intefår förekomma med en längd på över sex gånger diametern på det ursprungliga röret,dvs L:D på över 6:1. Riktlinjen syftar till att stillastående ska undvikas i vattensystemet.Denna design på rörsystemet gäller då temperaturen på vattnet hålls över 75◦C (FDA,1993). Vid lägre temperaturer bör dead-legs undvikas helt, alternativt att sanering skeri anslutning. Många rörsystem idag designas så att proportionen L:D är maximalt 2:1,vilket gör att stationärt vatten i förgreningarna undviks så länge flödet i huvudslingan ärtillräckligt (ASME, 2013). Från och med år 2016 har GE Healthcare börjat ställa sträng-are krav (Healthcare, 2016) vad det gäller dead-legs i sitt distributionssystem för PW.Kraven är definierade i företagets egna User Requirement Specification, URS och berörsamtliga ombyggnationer, tillbyggnader och byte av delar inom anläggningen i Boländer-na i Uppsala. Gällande dead-legs bör dessa inte överstiga L:D på 3:1. Enbart om dettainte är möjligt i delar av systemet tillåts dead-legs på längder upp till L:D 6:1.

Vid dead-legs i rörsystemet kan exempelvis klor, vilket är ett vanligt kemiskt sterilise-ringsmedel, ha svårt att diffundera ned. Detta leder i sin tur till att mikrobiell tillväxtkan ske enklare i de berörda delarna av rörsystemet, vilket senare kan spridas ut i helasystemet (Austen, 2005). Dessutom kan de kemikalier som når fram till dead-legs i syste-met lätt ansamlas utan att avlägsnas från systemet. Dead-legs kan även orsaka problemvid termisk sterilisering. Värmen som leds genom vattnet kan ha svårt att komma helavägen ut genom ett dead-leg varpå områden med lägre temperatur kan förekomma därmikroorganismer enklare växer till (Austen, 2005). För att undvika detta kan ytterligare

3

steriliseringsåtgärder, exempelvis i form av hetvattenspolning krävas direkt i anslutningtill aktuellt dead-leg.

Ett sätt att undvika dead-legs är att distribuera vattnet i ett cirkulerande system. Genomatt alla förgreningar av huvudslingan går tillbaka till förvaringstanken i en loop elimine-ras områden med stillastående vatten (Denoncourt, 2007). Det finns fler olika typer avcirkulerande system och dessa kan bestå antingen av enkla eller dubbla rör. I systemetmed dubbla rör, leds vatten från de loopar där en uppvärmning skett tillbaka direkt tillförvaringstanken, till skillnad från det enkla cirkulationssystemet där vattnet leds direkttillbaka till huvudslingan (Austen, 2005). För system som kräver flera olika temperaturer iolika delar av distributionen, är dubbla rör i loopen mer fördelaktigt. En anledning är attdet dubbla cirkulationssystemet är lättare att kontrollera utan krav på extra reglerings-instrument, vilka behövs för att styra flödet i det enkla systemet där de samtidigt utgörkällor till bakteriell tillväxt. Å andra sidan krävs fler rör i det dubbla cirkulationssystemetvilket kan vara mer kostsamt.

Materialet på rörsystemet har stor betydelse för de bakteriella förutsättningarna. Röri plast har exempelvis större chans att ackumulera biofilm, än exempelvis rostfritt ståloch koppar (Zhang m. fl., 2017). Studier av ett antal vanligt förekommande material irörsystem, utförda av (Zhang m. fl., 2017), har visat på färre arter av bakterier hos röri rostfritt stål än både segjärn, DI, och polyeten, PE (en sorts plast), (EncyclopaediaBritannica, 2013)). Undantag gäller dock den gramnegativa proteobakterien Acidovorax(Marin, 2011), vilken uppmätts i studier av (Zhang m. fl., 2017) till halter på flera gångerstörre i rören av rostfritt stål jämfört med DI och PE rören. En följdeffekt av de högrehalterna av bakterien Acidovorax är ökad risk för korrosion av rören (Zhang m. fl., 2017).

För att öka resistensen mot korrosion hos det rostfria stålet kan stål med en andel mo-lybdenum användas (Percival, 1999). Exempelvis är rostfritt stål av grad 316, med 2%molybden (United Performande Metals, 2017) mer motståndsbenäget mot korrosion ängrad 304. Grad 316 finns vidare i varianten 316L, vilken innehåller en lägre halt kol vilketstärker resistensen mot korrosion ytterligare, så väl som höjer materialets brottsgräns.Plaster är överlag betydligt mer känsliga mot oxiderande ämnen än rostfritt stål, mengraden av resistens kan variera mellan olika sorters plast (Lindam, 2017). Nitril (Lindam,2017) är exempelvis mycket känsligt mot oxiderande ämnen, medan flourpolymererna po-lyvinylidenfluorid, PVDF, teflon och viton är betydligt mer motståndsbenägna även motstarkt oxiderande ämnen (Harrison m. fl., 2012).

Mikroorganismer ackumuleras enklare på ojämna ytor hos rören (FDA, 1993). Rostfrittstål kan poleras för att undvika dessa ojämnheter och därmed minska risken för bakterielltillväxt (Austen, 2005). Ventiler är ytterligare en källa till mikrobiell tillväxt i rörsystemet(Linder, 2017). Vid rörledningarna är rören i regel hopsvetsade eller hopmonterade medså kallade Sanitary fittings i sekvenser där rören övergår i tankar eller ventiler. Sanitaryfittings är lätt att göra rent och har till skillnad från gängor inga skåror där mikroorga-nismer enkelt kan fastna i skårorna (Austen, 2005).

I GE Healthcares anläggning i boländerna finns 5 tankar, vilka alla är sammankopplade

4

med varandra och vardera tank har en volym på 230 m3 (Karlsson, 2017). Enligt GE:sURS från 2016 finns även riktlinjer över krav på att samtliga tankar är vakuumklassadesamt dessutom försedda med spraybollar, vars syfte är att hela tanken genomsköljs av detinnevarande vattnet (Healthcare, 2016). Detta underlättar för av hela tankytorna.

RougeRouge-bildning är ett fenomen som är vanligt förekommande inom branscher där water forinjection (WFI) produceras, till exempel inom den farmaceutiska industrin (Mathiesenoch Frantsen, 2007). Rouge-bildning innebär att det ansamlas en röd-brun järnbelägg-ning (järnoxid) på insidan av förvaringstankarna och distributionssystemet av rostfrittstål, i vilket varmt (>60 ◦C) WFI flödar. Utöver distributionssystemen och tankarna bil-das rouge även i destillatorerna. Rouge-bildningen tenderar dock att var kraftigare viddestillatorerna på grund av de höga temperaturerna som råder här. Eftersom rougen äruppbyggd av små partiklar kan de i viss mån följa med vattenflödet och ge upphov tillett homogent lager av rouge i hela distributionssystemet (Mathiesen och Frantsen, 2007)(Roll och Kilkeary, 2001). Huruvida ett WFI system behöver ”avrougas” beror på hurmycket rouge som finns för tillfället och hur snabbt denna tillväxer, något som kan va-riera kraftigt mellan olika anläggningar. På vissa anläggningar kan en rougebeläggningbildas på ett par månader medan det kan ta uppemot ett par år på andra anläggningar.Orsaken till denna höga variation är ännu oklar och ytterligare studier behövs inom dettaområde. Avlägsnande av rouge är något som förekommer på många farmaceutiska indu-strier. Vanligtvis används olika typer av syror, så som citronsyra, fosforsyra eller oxalsyraberoende på hur hårt systemet är drabbat (Mathiesen och Frantsen, 2007).

1.1.5 Övergång till omvänd osmos och elektriska jonbytare

GE Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer därför att göraen uppgradering av sina vattenreningsmetoder. Istället för destillering av vattnet kommerreningsprocessen istället ske genom omvänd osmos, RO och elektriska jonbytare, EDI vil-ket följs av ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Installationen av det nya systemet beräknasvara färdigt till år 2018 och den största skillnaden från destillationsprocessen är att denfärdiga produkten är kall, med temperaturer på 20◦C.

Omvänd osmosOsmos innebär diffusion av vatten över ett semipermeabelt membranen, vilket låter vissaatomer och molekyler passera samtidigt som att andra blockeras. Medan osmosen skerspontant till följd av koncentrationsskillnader måste ett tryck appliceras för att vattnetska röra sig i motsatt riktning genom membranet samtidigt som att föroreningar stannarkvar på andra sidan membranet. Denna process kallas omvänd osmos, på engelska reverseosmosis (RO)(Glater, 1998).

Membranen som används till RO består i regel av tre lager. Ett lager utgörs av polyvinylalkohol, vilket medför att membranet blir mer hydrofilt vilket i sin tur påskyndar trans-porten av vattnet genom membranet (Saraf m. fl., 2014). Membranet innehåller dessutompolyamid vilket utgör det selektiva lager som blockerar passagen för oönskade ämnen attpassera tillsammans med vattnet.

5

Det vatten som transporteras genom membranet kallas matarvatten. Vid RO ligger mem-branet parallellt med matarvattnet. Av detta inkommande vatten till systemet passerar10-15% membranet och blir till rent vatten (Xu och Chellam, 2005). Detta utbyte gåratt effektivisera genom att använda filter tidigare i systemet vilket filtrerar ut sand- ochlerpartiklar samt kolfilter för att grovt avlägsna de största delarna av bland annat klo-rid. Ytterligare faktorer som effektiviserar processen är att anpassa vattentemperaturenoch ingångstrycket. Genom RO avlägsnas generellt över 90% av jonerna samt de flestaorganiska föroreningarna (Kornboonraksa, 2016). Metoden har dock svårigheter att renavattnet från lösta gaser.

Elektriska jonbytareEDI är en metod som till huvudsak är uppbyggd av jonbytare och jonselektiva membran.Jonbytare är en teknik som används för att byta ut oönskade joner i en vattenström motvätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker genom att låta matarvatten passeragenom olika filterkolonner innehållandes jonbytarmassa. I första steget passerar vattnetgenom en filterkolonn där de positiva jonerna separeras från vattnet (byts ut mot väte-joner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa jonerna vid passage genom en andrafilterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte och hydroxidjoner som tillkommitvid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten (Wang m. fl., 2000). Det jonselektiva mem-branet är ett membran som har har till uppgift att släppa genom vissa joner medan andrajoner inte kan passera, ett urval som bestäms bland annat av jonernas laddning.

Under EDI-processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyll-da med jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet avmatarvattnet sker i huvudsak till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 2.De oönskade jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kana-lerna som inte innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salteroch kontaminationer som successivt avskiljs. Över membranpaketet läggs via elektrodernaen likspänning som resulterar i att positiva respektive negativa joner dras sig åt olika hålloch transporteras genom de jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler (Av-fall Sverige, 2012). Det elektriska fält som bildades då potentialen lades över elektrodernabidrar till att en liten del vattenmolekyler delas upp i hydroxid- och vätejoner. Dessaproducerade joner är väsentliga för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenereradetillstånd (Wang m. fl., 2000). Dessutom kan hydroxidjonerna och vätejonerna reagera medsvagare ämnen så som koldioxid, kiseldioxid och ammoniak , vilka då kan transporteras utdirekt genom de jonselektiva membranen. För att förhindra att för höga halter av blandannat salter och diverse partiklar påverkar EDI:n negativt används med fördel omvändosmos, som ett försteg till EDI-processen. (De Los Reyes m. fl., 2017).

6


Likt samtliga metoder för avjonisering så finns det såväl för- som nackdelar med EDI me-toden. Fördelarna med metoden är att den är bra relativt andra metoder ur miljösynpunktsamt att inga kemiska tillsatser behövs för regenerering av jonbytarmassan. Bristerna imetod är dels att den inte kan säkerställa ultrarent vatten, då den endast avlägsnar ettbegränsat antal av de laddade organiska ämnena. Utöver detta krävs att matarvatten ärav god kvalitet, viket kan uppnås genom att installera ett första reningssteg beståendeav RO-enheter (AB Lenntech, 2017). EDI processen kan inte användas för vatten med enhårdhet högre än 1. Detta har att göra med att hårt vatten innehåller höga halter kal-ciumkarbonat vilket kan orsaka avlagringar som hindrar den jonselektiva processen (ABLenntech, 2017). På Ge Healthcares anläggningar förkommer dock mjukgörande processerav vattnet vilket sänker vattnets hårdhet (Brolin, 2017).

UltrafiltreringEtt sista steg under själva produktionen av PW innan vattnet är redo att distribueras tillolika företag i anläggningen är ultrafiltrering. I likhet med övriga filtreringsmetoder pas-serar vattnet ett poröst membran, i detta fall ett så kallat ultrafilter, som fungerar som enselektiv barriär för olika ämnen i vattnet (Cheryan, 1998). Strömningen över membranetsker till följd av att matarvattnet trycksätts. Vid passagen genom de vanligaste filterty-perna reduceras vätskans innehåll på makromolekylerna och partiklar större än 0,001 -0,02 µm (Cheryan, 1998). För att filtrera ut endotoxin vilka har en storleksordning på10 - 20 kDa (1Da = 1, 661 · 10−27kg) krävs ett ultramembran som filtrerar ut molekylermed en molekylvikt ned till 10 kDa (Saxena, 2009). Nackdelen med denna metod är blandannat att filtreringshastigheten är relativt långsam, vilket gör processen tidskrävande.

Även om membranets porstorlek vanligen bestäms av vikten på det som ska filtreras bort,kan dock dess geometri ha en avgörande betydelse. Samtidigt som sfäriska molekyler fast-nar i membranet kan linjära molekyler med samma molekylmassa ta sig igenom porerna

7

(Pall Coporation, 2017b). Laddningen på molekylerna är ytterligare än faktor som påver-kar om de fastnar i membranet eller inte.

Planerad distributionGE Healthcare har i nuläget planer på att efter den nya installationen av RO och EDIvärma upp det kalla PW som producerats till 90-95◦C (Sjöstedts, 2017) och därigenomfortsätta att distribueras vattnet varmt genom samma saneringsprocess som under destil-lationen (Pantefors, 2017). I Appendix finns en schematisk skiss över distributionssystemetför PW i GE Healthcares anläggning i Boländerna i Uppsala (se Figur 7).

I anslutning till varje hus kommer det varma vattnet från huvudslingan att kylas ner igentill 20◦C, genom att kallt dricksvatten tillförs. För nedkylningen åtgår en ungefärlig mängdpå 7 liter vatten för varje liter producerat PW (Wall, 2017). Utifrån uppskattningen omen kostnad för kylvattnet på 14kr/m3 (Wall, 2017), skulle nuvarande årliga produktionav 88 000 m3 PW medföra kostnader för nedkylning på 8.6 miljoner kr. Dricksvattnetsom använts till nedkylningen förs sedan ut i Uppsala Vattens dagvattensystem. UppsalaVatten har satt en gräns på en maximal vattentemperatur på 45◦C för att inte slitna påledningarna (Wall, 2017). Det har visat sig vara problematiskt att hålla dessa gränsvärdendå det dricksvattnet som används till kylningen värms av det heta renade vattnet och vidvissa tillfällen uppnått temperaturer uppemot 70◦C.

För att hindra bakteriell tillväxt i det producerade PW kommer dessutom en hetvattens-polning att ske av det kalla vattnet i distributionssystemet en gång i veckan (Pantefors,2017).

1.2 Syfte

Projektets syfte var att analysera och ge förslag på nya energibesparande sätt att steriliseradistributionssystemet för kallt destillerat vatten. Utifrån resultaten var målsättningenatt göra ett urval över vilken teknik som bäst uppfyller ett antal kriterier, bland annatvad gäller möjlig implementering i GE:s anläggning, kostnader samt energiförbrukning.Slutligen planerades en fördjupad analys att genomföras av den utvalda tekniken.

8

2 MetodProjektet genomfördes som en litteraturstudie. I första hand analyserades vetenskapligaartiklar, men som komplement användes specifikation om olika produkter från tekniskaföretag för att undersöka möjligheter till implementering i GE Healthcares egna anlägg-ning. En bedömning över relevansen hos samtliga källor gjordes. Experter inom branschenkontaktades via mejl och telefon då den information som fanns tillgänglig på internet ochi bibliotek var bristfällig.

Under första arbetsveckan genomfördes en pilotsökning av databaserna Scopus, Web ofScience, SpringerLink, Science direct, PubMed Central, Nationalencyklopedin. Detta ge-nomfördes för att få en överblick av forskningsläget inom det undersökta området. Dennainledande pilotsökning medförde att sökord och söktekniker kunde raffineras inför annal-kande sökningar. Under pilotsökningen låg fokus på sensitivitet istället för selektivitet,för att på så vis fånga in så många relevanta referenser som möjligt.

Samtliga av de databaser som undersöktes i pilotsökningen visade vara intressanta för atterhålla relevanta referenser. Litteratur har sökts från olika källor för att undvika publika-tionsbias. Vid databassökningarna användes ett stort antal ämnesspecifika sökord i olikakonstellationer.Olika sökoperatorer så som AND, OR och asterix användes för att ökasensitiviteten i sökningarna. Sökoperatorn AND användes för att skapa kombinationer avolika sökord, OR möjliggör för träffar inom samtliga sökord och astrixen användes för attsöka referenser med en ordstam vars ändelse kan variera.

Ytterligare kompletterande sökningar, utöver de elektroniska databaserna, utfördes påGoogle Scholar. Även referenslistor och ledande forskares publiceringar genomsöktes re-spektive söktes. Forskares vars namn återkom på flera artiklar samt forskare vars artiklarvar mycket citerade kontaktades via mejl. Muntlig information har framförallt erhållitsfrån GE Healthcares tekniker, andra relevanta företag samt en expert inom vattensystem(med insikt i GE:s anläggning) (Widov, 2017).

Studier som direkt inkluderats och således genomgick vidare granskning var studier somberörde sterilisering av distributionssystem. Utöver detta inkluderades även studier somkunde ge en helhetsbeskrivande bild av de problem som GE Healthcare kan tänkas ståinför vid implementering av diverse steriliseringstekniker.

Samtidigt exkluderades studier om de föll sig vara skrivna på annat språk än svenska ellerengelska. Ytterligare en aspekt för exkludering var om studierna märkbart beskrev föråld-rade tekniker, det vill säga tekniker inom områden där utvecklingen gått framåt. Slutligenexkluderades studier med nya obeprövade tekniker, vars samhällsimplementering inte äraktuell inom en snar framtid.

9


För att kunna bedöma om respektive undersökt teknik skulle kunna implementeras i GEHealthcares distributionssystem, hölls under hela projektet kontinuerlig kontakt med enprojektgrupp på företaget. Urvalet av den bäst anpassade tekniken gjordes genom att ettantal bedömningskriterier sammanställdes och jämfördes (se Tabell 1). Vid urvalet togs ibeaktande vilka möjligheter det fanns att implementera respektive metod i GE Helthcaresanläggning. En avgörande faktor för detta var om metoden krävde driftstopp i systemet,vilket för en så stor anläggning som den hos GE leder till enorma kostnader för företaget(Pantefors, 2017). Dessutom måste tekniken rent fysiskt kunna installeras i systemet uti-från storleken och materialet hos distributionssystemet. Stort fokus lades på säkerhet ochrisker med metoden samt effektiviteten på reningen och kostnader för investering och drift.

Ytterligare faktorer som undersöktes var behov av tillsatser av kemikalier och eventuel-la restprodukter samt om metoden riskerar att slita på ledningarna i rörsystemen. Hosden teknik som bedömdes uppfylla ovanstående kriterier bäst, uppskattades dessutomenergiåtgång och vattenåtgång så väl som tillgängligheten på marknaden.


Fördjupningen av den valda metoden genomfördes också primärt som en litteraturstudie.Större fokus lades dessutom på att komma i kontakt med företag som redan i nuläget in-stallerat tekniken på motsvarande anläggningar till GE:s. Denna fördjupning innebar attden utvalda tekningen granskades djupare utifrån ett flertal aspekter, så som tekningenssteriliserade egenskaper, vilka typer av tekniska moduler som kan bli aktuellt vid im-plementering, hur steriliseringsmetoden i fråga opererar på andra liknande anläggningarsamt vilka för- och nackdelar som finns ur hälsa- och säkerhetsaspekter.

10



En metod för att sterilisera distributionssystem från endotoxin och biofilm är genom attvärma upp det 20◦C kalla vattnet till över 75◦C (Sandle, 2013). Denna temperatur måstebibehållas för att mikrobiell tillväxt inte ska ske. Vid lägre temperaturer krävs hetvattens-polning under en längre tid för att eliminera de nödvändiga halterna med mikroorganis-mer. Ur energisynpunkt är exempelvis en hetvattenspolning med temperaturen 80◦C merenergieffektiv än temperaturen 60◦C (Atila, 2016). Om temperaturen understiger 50◦Cfår temperaturökningen av vattnet omvänd effekt och halten endotoxin kan komma attöka (Forssblad och Annadotter, 2008).

Uppvärmningen av vattnet så väl som nedkylningen tillbaka till 20◦C, i de delar av pro-duktionsanläggningen som kräver kallt vatten, är dock mycket energikrävande. För 100m3 PW åtgår 7000 kWh (Kearney, 2013). Till själva nedkylningen åtgår för farmaceu-tiska system ungefär 7 gånger som mycket dricksvatten som volymen producerat rentvatten (Wall, 2017), vilket medför stora driftkostnader. Dessutom medför uppvärmningentillsammans med nedkylningen, en sammantaget lång saneringscykel på många timmar(Harrison m. fl., 2012).

För att kunna använda hetvattenspolning som steriliseringsmetod ställs krav på distribu-tionssystemet klarar de höga temperaturerna. I regel används extra isolering på rör ochtankar (Harrison m. fl., 2012).

3.2 Ultrafiltrering

Utöver att användas tillsammans med RO och EDI vid produktionen av PW kan ultrafilteräven nyttjas till att filtrera bort mikrober och endotoxin i distributionssystemet. För attreningen ska vara effektiv krävs noggrant dimensionerade membran. Genom experimen-tella mätningar i distributionssystem för PW, har ultrafiltrering resulterat i bakteriellanivåer på mindre än 2 CFU/ml (Collentro, 2016). Ultrafiltreringen kan sålunda vid rättdesign och val av membran få ned bakteriella nivåer till långt under US Pharmacopeial,USP:s gränsvärden på 100 CFU/ml (US Pharmacopeial Convention, 2017). Dessa gräns-värden är standardiserade och används i ett hundratal länder.

Porstorleken hos membranet är en viktig aspekt vid dimensioneringen. I pilotstudier ge-nomförda av William Collentro år 1993 där hollow fiber ultrafiltration användes med enporstorlek på 0,005 µm hos membranet, visade sig membranet släppa igenom vissa sortersbakterier (Collentro, 2016). I Collentros studier lyckades däremot porstorleken 0.001 µmeliminera samtliga bakteriehalter efter vattnets passage genom filtret.

Det finns två typer av membran till ultrafiltrering (se figur 3); Spiral wound ultrafiltrationoch Hollow fiber ultrafiltration (Collentro, 2016). Spiral wound ultrafiltration har mem-bran som är hopklistrade två och två till tunna skivor med en ett genomträngligt lageri mellan dem. Dessa skivor är i sin tur rullade runt ett rör i genomträngbart material(Dow, 2017b). En fördel med denna spiralvridna ultrafiltrering är att membranen är re-

11

lativt enkla att byta ut. För hollow fiber ultrafiltration är själva membranet uppbyggt avtätt sittande ihåliga fibrer (Dow, 2017a). Dessa kan vara gjorda av olika material vilketha betydelse för dess permeabilitet. En hög permeabilitet på membranet effektiviserar isin tur den i övrigt långsamma filtreringsprocessen. Genom att den totala kontaktytanhos membranen är tio gånger så stor hos de ihåliga fibrerna jämfört med de spiralvridnamembranen är dessa effektivare ur reningssynpunkt (Toyobo, 2017).

Figur 3: Två olika membran till ultrafiltrering. Tv: Spiral wound membrane. Th: Hollowfiber membrane (NETL, 2017).

Ultrafiltret kan placeras på två olika sätt. Vid direktflödesfiltrering (DFF) placeras filtretvinkelrätt med flödesriktningen. Vid tangentiell flödesfiltrering (TFF) placeras membra-net istället tangentiellt med flödesriktningen (Pall Coporation, 2017a). En nackdel medsamtliga metoder som innefattar filter är att bland annat bakterier och protein fastnar påmembranytan och inuti porerna och bildar en beläggning (Marshall m. fl., 1993). Belägg-ningen medför att flödet genom membranet hämmas varpå en rengöring krävs med jämnamellanrum. Genom att använda tangentiellt flöde reduceras mängden partiklar som fast-nar på membranet till en viss del, då stora delar av vattnet som inte passerat membranetenbart följer med ut i spillvattnet (Pall Coporation, 2017a).

Ett sätt att rengöra membranet är genom så kallad dead end procedure vilket innebäratt man låter vatten snabbt flöda genom membranet i motsatt riktning och rensa bortpartiklarna som fastnat (WET GmbH, 2005). Detta sätt fördelaktigt ur aspekten att dethar låga energikostnader och att det i princip inte kräver någon annan utrustning försjälva rengöringen. Nackdelen är att driftsystemet måste stannas upp under rengöringen(WET GmbH, 2005). Dessutom är de makromolekyler som fastnat inuti membranets po-rer betydligt svårare att få bort jämfört med de som lagt sig utanpå membranet (Marshallm. fl., 1993).

För att undvika driftstopp kan istället den så kallade cross flow procedure användas. Me-toden går ut på att en stor del av vattnet leds runt längs med membranet i en loop.En del av detta vatten går igenom membranet och den resterande vattnet följer med utsom avloppsvatten (WET GmbH, 2005). Nackdelen med processen är att den kräver merenergi jämfört med dead end procedure. I RO används i regel alltid cross flow filtration,då dead end filtration riskerar hög grad av beläggning i och med att RO oftast utgör det

12

första steget i vattenreningen och därför möts av det vatten som innehåller mest partiklar(Xu och Chellam, 2005).

Oavsett hur ultrafiltret dimensioneras verkar det lokalt genom att rena bort mikroberoch endotoxin på en specifik plats. Efter vattnets passage genom membranet kommerall eventuell förorening att stanna kvar i systemet, varpå en mikrobiellt tillväxt kan ske(Knops, 2017). För att använda ultrafiltreringen som steriliseringsmetod i distributions-systemet krävs ytterligare behandlingar som hetvattenspolning eller tillsatser av olikakemikalier (Madaeni och Sharifnia, 2000).

3.3 Klor

Klor, Cl, hör till halogenerna i det periodiska systemet. Ämnet är giftigt och förekommersom gas i rumstemperatur (Eldnig och Stenberg, 2017). Klor är mycket reaktivt ochoxiderande vilket gör ämnet användbart till bland annat dricksvattendesinfektionNär klor alternativt aktiva klorföreningar används för desinfektion av vatten kallas detklorering. Dessa klor-ämnen har då till uppgift att åstadkomma en mikrobiell rening avvatten alternativt för att oxidera olika vattenkontaminationer så att de lättare kan av-skiljas (Eldnig och Stenberg, 2017). Inom klorering är det vanligt att använda sig avklorgas, vilket i vattnet ger upphov till en jämvikt mellan föreningarna underklorsyrlighet, HClO, och hypokloritjoner, ClO−. Användning av klorgas kan dock få icke önskvärdaeffekter om vattnet innehåller relativt höga halter av humusföreningar, till exempel kanhälsofarliga organiska klorföreningar bildas. Detta kan motverkas genom att använda sigav klordioxid, ClO2 (Eldnig och Stenberg, 2017). Fördelen med att använda klordioxidär att den är miljövänlig relativt klor, samtidigt som den fortfarande är mycket effektivmot mikroorganismer. Utöver rening av vatten används klordioxid även till steriliseringav medicinska apparatur, laboratorieutrustning samt för att sanera renrum. Likt mångaandra steriliseringsmetoder förlitar sig denna metod på en hög relativ luftfuktighet för attfungera effektivt. Andra viktiga faktorer som avgör klordioxidens steriliserade förmågapresenteras nedan, vilka varierar beroende på vad som ska steriliseras och hur kontamine-rade de är koncentration, koncentration, kontakttid och ytmaterial (effektivt på rostfrittstål, papper och epoxy) (Sandle, 2013).

Gasen kan genereras genom att blanda klorgas med natriumklorit. Gasen får då en klorlikodör och en grön-gul färg, vilket gör läckage lätta att detektera med såväl lukt som UV-spektrofotometrar. Då gasen inte är tillräckligt stabil för att tillverkas och transporterastill en anläggning, genereras gasen direkt på anläggningen. Gasens instabilitet tillsammansmed dess hälsofarliga och explosiva effekter har gjort den mindre populär för storskaligtindustriellt bruk (Sandle, 2013). Ytterligare nackdelar uppstår då gasen avses användasför sterilisering av PW-distributionssystem, detta eftersom rester av gasen måste spo-las ur systemet innan ytterligare distribution av PW kan förekomma, vilket resulterar iproduktionsstopp.

13


Ozon, O3 är en naturligt förekommande gas som bland annat finns i stratosfären. Ozonär en ostabil molekyl bestående av tre syreatomer som hela tiden vill återgå till vanligtsyrgas, O2. Den ostabila egenskapen gör ozon till ett av nutidens starkaste oxiderande äm-nen ca 20 gånger starkare än klor (Stucki m. fl., 2005). Oxidationsegenskaperna hos ozonetgör den till ett väldigt starkt saneringsämne som angriper både bakterier och endotoxin(Viera m. fl., 1999). Utöver att angripa biofilm, bakterier och andra levande organismer,påverkar även ozonsanering mängden löst kol i vattnet (Florjanič och Kristl, 2006). Enav de största fördelarna med ozon är att det naturligt sönderfaller till syre med en hal-veringstid på ungefär 20 minuter i PW (Stucki m. fl., 2005). En enda rätt dimensioneradozongenerator har kapaciteten att sterilisera distributionssystem för PW på uppemot 900m (Widov, 2017). För riktigt storskaliga system kan enkelt ytterligare generatorer instal-leras längs med rören.

Överblivet ozon som ej hunnit sönderfalla kan tas bort med UV-strålning med våglängden254 nm (Cohen, 2013a). Ozon går att producera på plats via ozongeneratorer. Det finnsen mängd olika generatorer som producerar ozon på olika sett. Vissa generatorer behöverexterna syrgastuber medan andra producerar egen syrgas direkt från luften. Dessutomfinns generatorer som kan producera ozonet direkt från vattnet i PW-systemet. Genera-torerna kräver olika mycket energi men elförbrukningen brukar generellt resultera i enmycket mindre driftkostnad än många andra saneringsmetoder (Stucki m. fl., 2005).

Ozon är väldigt korrosionsbenägen och sätter vissa krav på materialvalet i vattensystemet.Rostfritt stål är ett av de mest korrosionsbeständiga materialen mot ozon som användsi vattensystem (Cohen, 2013a). Ozon är skadligt för människan men bara vid betydligthögre halter än de som används i PW-system.

3.5 Urval

I tabell 1 sammanställdes hur väl de olika metoderna för sterilisering av PW uppfyllerkriterier på inget driftstopp, möjlighet till implementering, hög reningseffektivitet samtlåg kostnad. Dessutom togs eventuella övriga faktorer, som kunde bidra till urvalet, uppför respektive metod.

14

Tabell 1: Sammanställning över hur olika metoder för vattenrening uppfyller ett antalbedömningskriterier för att kunna appliceras i GE Healthcares driftsystem för PW

Fördelar NackdelarHetvattenspolning • Inga kemikalier • Hög underhållskostnad

• Kräver nedkylning vid varjeförbrukningspunkt

Ultrafiltrering • Inga kemikalier• Relativt billigt

• Produktionsstopp• Renar bara lokalt

Klor • Produktionsstopp• Hantering av restprodukter


Ozonsterilisering • Starkt sanerande• Låg underhållskostnad• Sanerar kontinuerligt


Hetvattenspolning är den metoden som GE använder idag och har lett till höga under-hållskostnader samt en enorm förbrukning av kylvatten i form av dricksvatten (Wall,2017). Ultrafiltrering har ingen sanerande effekt på hela rörsystemet och fungerar i stortsett som ett hinder för mikroorganismer att ta sig från punkt A till punkt B (Cheryan,1998) och är därmed inte en helhetslösning. Klor är generellt en väldigt opassande me-tod för PW-system då det kräver produktionsstopp, svårhanterliga kemikalier (Eldnig ochStenberg, 2017) samt en risk för överblivna kemikalier i systemet (Sandle, 2013). Ozonste-rilisering har krav på design, materialval och ozondestruktorer men uppfyller alla andrabehov (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozon anses både effektivt, billigt, lätthanterligtoch är den metod utöver hetvattenspolning som storskaligt används i PW system (Widov,2017).



Ozon, O3 är en naturligt förekommande triatomär gas. Ozon bildas i stratosfären närsyrgas träffas av UV-strålning med en våglängd på 185nm eller mindre, syrgasmolekylendelas upp i två fria syreatomer som i sin tur åter kan reagera med syrgas (Sivasakthiveloch Reddy, 2011). Reaktionen kallas för fotolys, se ekvation 1.

2O3 + UV 185 → O +O + 2O2 → 2O3 (1)

I stratosfären, förekommer ozonet naturligt i det så kallade ozonskiktet, där koncentratio-nen är mycket högre än andra delar av atmosfären, ca 10 ppm (Sivasakthivel och Reddy,2011). Ozonskiktet skyddar livet på jorden från skadlig ultraviolett strålning från solen.Ca 90% av jordens totala ozonförråd befinner sig i ozonskiktet. Nedbrytning av ozon iozonskiktet är en naturlig process som sker konstant. Ozonet reagerar med solljus samtolika föreningar av kväve, klor och väte. Alla dessa föreningar förekommer naturligt i at-mosfären i låga koncentrationer. Nedbrytningen och bildningen av ozon är i jämvikt enoförorenad atmosfär. Ökat utsläpp av dessa föreningar stimulerar nedbrytningen av ozon

15

vilket har lett till att ozonskiktet har minskat (Sivasakthivel och Reddy, 2011).

Ozon kan även bildas vid marknivå till följd av att solljus reagerar med flyktiga organis-ka föreningar eller kväveoxider (Sivasakthivel och Reddy, 2011). Ozon vid marknivå ärtill skillnad från ozon i stratosfären skadligt för människor,djur och växter. Ökade mark-nära luftföroreningar till följd av mänsklig påverkan kan ge högre halter av marknära ozon.

I och med att ozon är en ostabil gas försöker den hela tiden reversera till ett mer stabilttillstånd som O2. För att ozon ska återgå till syrgas behöver det reagera med ett annat äm-ne. Ozon klassas som en oxiderare (Cohen, 2013b) och kan förbrukas direkt via oxideringav organiskt material eller en brytas ned i en kedjereaktion som även leder till bildandetav bl.a hydroxylradikaler, OH•. Hydroxylradikaler är starkare oxiderare än ozon. Mångastudier har gjorts över hur ozon naturligt sönderfaller när det är löst i vatten, men enuniversellt accepterad reaktionsformel finns inte. Hur stabilt ozon löst i vatten är berorpå flera faktorer som pH, temperatur, andelen hydroxylradikaler, alkalinitet, ozonkoncent-ration och andra tillgängliga ämnen. En uppdaterad kedjereaktionsformel, gjordes 2012av Gardoni (Gardoni m. fl., 2012), enligt ekvation 2 - 10. Gardonis kedjereaktion tar ut-gångspunkt å ena sidan Staehelin och Hoigné’s kedjereaktion från 1982, för syraneutralaförhållanden, å andra sidan kedjereaktionen av Tomiyasu et al från 1985, vilken gäller förbasiska lösningar. Gardonis kedjereaktion inleds med ekvation 2 och 3, vilket motsvarardet primära sönderfallet av ozonet.

O3 +OH− → O2 +HO−2 (2)

O3 +HO−2 → HO−

5 (3)

existensen av jonen HO−5 har ej bevisats experimentellt men anses vara en viktig kortlivad

intermediär i kedjereaktionen och reagerar snabbt vidare i ekvation 4 och 5. Benämningen• innebär att det är en radikal. En radikal är mer reaktiv än en vanlig molekyl då den haren oparad elektron i sin yttersta orbital. Under reaktionens gång bildas en mängd andraradikaler och intermediärer som snabbt förbrukas enligt ekvationerna 6 - 10.

HO−5 ↔ HO•

2 +O•−3 (4)

HO−5 → 2O2 +OH− (5)

HO•2 ↔ O•−

2 +H+ (6)

O•−2 +O3 → O•−

3 +O2 (7)

O•−3 ↔ O•− +O2 (8)

O•− +H2O ↔ OH• +OH− (9)

16

OH• +O3 → O2 +HO•2 (10)

Då reaktionen i ekvation 10 har skett och radikalen hydroperoxyl, HO•2 bildats kan reak-

tionen börja om då den snabbt ombildas till en icke-radikal via elektrontransfer(Gardonim. fl., 2012). I kedjereaktionen är ekvation 4 den tidsbegränsande reaktionen. Ämnen somdirekt kan reagera med ozon för att starta kedjereaktion kallas initierare. I rent vatten ärhydroxidjoner, OH− den enda kända initieraren. Man kan tillsätta andra ämnen som vä-teperoxid, H2O2 eller använda UV-stålning för att påskynda kedjereaktionen som bryterned ozon (Gardoni m. fl., 2012).

Ozon har olika halveringstid beroende på om det förekommer i luften eller löst i vatten.Då ozon tillsätts till vatten förbrukas det generellt i två steg. Beroende på vattnets kvalitéförbrukas först en del av ozonet väldigt snabbt följt av ett långsammare sönderfall (Parkm. fl., 2001). Det första steget då ozonet snabbt förbrukas kallas instantaneous ozone de-mand, ID. ID mäts genom att beräkna skillnaden på ozonkoncentrationen ett par sekunderefter tillsatsen av ozon och enheten är mg/l. I ett experiment utfört av Park m.fl. somutfördes 2001 bestämde man ID i vatten med olika halter av organiskt material, TOC ochkom fram till att värdet på ID ökade då TOC ökade. De kunde däremot inte fastställa attvärdet på ID och TOC hade ett linjärt samband vilket innebär att det sannolikt finns flerparametrar som påverkar vattnets ID. Staehlin och Hoigné’s (Park m. fl., 2001) beskrevozonets nedbrytning med ekvation 11.

−d[O3]

dt= {kd[NOMd] + ki[NOMi](1 +

kp[NOMp]

ks[NOMs])}[O3] (11)

I ekvation 11 är beteckningarna kd, ki, kp, ks reaktionskonstanter för direkt reaktion,initierare, promotor och termineringssteget. NOM innebär naturligt organiskt material.Ekvation 11 antyder om att det finns olika typer av organiskt material i vattnet som allahar olika påverkan i nedbrytningen av ozonet. Som tidigare har beskrivits i ekvation 3 m.fl.sker nedbrytningen av ozon i flera steg och bildningen av hydroxylradikaler sker främsti den snabba delen av nedbrytningsprocessen (Park m. fl., 2001). Ekvation 11 tyder påatt vattnets sammansättning av organiska initierare, terminerare, promotorer och möjligadirekta reaktanter bestämmer till stor del hur snabbt ozon bryts ned.

Då ID-fasen har skett sker nedbrytningen av ozonet betydligt långsammare och följeroftast första ordningens kinetik. Vilken reaktionsordning sönderfallet sker beror på vatt-nets egenskaper men det vanligaste är första ordningen eller pseudo-första ordningensreaktion. Då vattnets kemi bestämmer ozonets nedbrytning kan ingen explicit halverings-tid ges. I vatten som har betydande mängder organiskt material sker nedbrytningen avozon snabbare än i PW då det kan innehålla flera olika initierare vilket påskyndar ned-brytningen (Elovitz m. fl., 2000).

Vattnets temperatur påverkar nedbrytningen av ozon. I varmare vatten bryts ozon nedsnabbare än i kallare vatten. Beroende på vattnets temperatur reagerar ozon olika medmikrober i vattnet. Enligt en studie utförd av Elovitz utförd 2000 (Elovitz m. fl., 2000)spelar ej vattnets temperatur en betydande roll för oxidation av mikrober via OH• då enhögre temperatur endast innebär ett snabbare sönderfall av ozon som i sin tur kommer

17

ge ett snabbare utfall av OH•. Den totala steriliseringskapaciteten från ozon reducerasbetydande vid högre temperatur. Vattnets pH ger liknande resultat som vattnets tempe-ratur för nedbrytningen, vilket innebär att högre pH värden ger snabbare nedbrytning avozon. Högre pH i vattnet medför att ozonet blir mer reaktivt med deprotonerade syroroch fenoler i det organiska materialet i vattnet vilket resulterar i högre omsättning av ozon.

Bildningen av intermediärer i kedjereaktionen (se ekvation 3 m.fl) gynnas vid högre pHoch leder till högre konsumption av ozon. Även i fallet med pH-beroende så kunde detbestämmas att oxidationen via OH• är oförändrad oavsett pH. Totala ozon-exponeringenför mikrober minskades vid högre pH precis som i fallet med högre vattentemperaturer.Vattnets alkalinitet, även kallat buffertförmåga har också påverkan på ozonets nedbryt-ning. Bikarbonat, HCO−

3 och karbonat, CO2−3 fungerar som hämmare i kedjereaktionen

(se ekvation 3 m.fl). Som hämmare terminerar dem OH• som vidare hindrar bildningenav superoxid, O•−

2 som ingår i ozonnedbrytningens kedjereaktion. (Elovitz m. fl., 2000)

Vattnets kemiska egenskaper är den främsta bestämmande faktorn hur länge ozonet kom-mer finnas kvar i vattnet. Organiskt material är det första som ozonet reagerar med ochger upphov till en snabb koncentrationssänkning som följs av en långsammare nedbrytningsom ofta beskrivs med första eller pseudo-första ordningens kinetik.


Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt i mätbara nivåer, underdess sönderfall eller under dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts istor utsträckning för sterilisering, sanering och rengöring. Då ozon är en instabil molekylsom snabbt sönderfaller måste ozonet produceras i direkt anslutning till det system den äravsedd att användas i (Gottschalk m. fl., 2010). Genom att tillsätta någon form av ener-gikälla kan ozon produceras från luft, syrgas och direkt från vatten. Då luft alternativtren syrgas används för att producera ozon är energikällans uppgift att dela upp syrgas-molekylen till två stycken fria syreatomer. Dessa syreatomer reagerar sedan vidare medandra syrgasmolekyler och bildar på så vis ozon. Om vatten istället används som primärkälla för ozonproduktion, får den tillförda energin till uppgift att slå loss syreatomen frånvattenmolekylerna, varpå syreatomerna sedan kan reagera och bilda ozon (Gottschalkm. fl., 2010). De två vanligaste och mest gynnsamma metoderna för att producera ozoni en industriell skala är elektrisk och elektrokemisk. Dessa bygger på principerna ”koro-naurladdning” respektive ”elektrolys av PW” (Gottschalk m. fl., 2010).

Ozon har god löslighet i vatten och kan lämpligtvis injiceras med hjälp av en venturi-injektor (Lindam, 2017). Det är viktigt att effektiviteten på systemet som används för attinjicera ozon i vattnet är hög, då ozonets nedbrytning kan vara väldigt snabb beroendepå vattnets innehåll, vilket kan leda till en lägre en önskad koncentration.


Koronaurladdning, CD (Corona Discharge, även kallat dielectric barrier discharge) är denmest använda metoden bland farmaceutiska företag i USA för att producera ozon somsedermera löses i vattnet. Teknikerna hur en koronagenerator fungerar varierar mycket

18

beroende på mängden ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras. Grundtek-niken är dock i princip densamma och bygger på att luft alternativt ren syrgas pressasförbi två elektriskt laddade plattor som tillsammans genererar ett elektriskt fält, där fältetorsakar en separation av syremolekyler varpå ozon bildas. Då luft används som mediumbildar cirka 2% av syret i luften ozon, vilken sedan löses i vattnet med någon typ avblandare (Cohen, 2013b).

Vid produktion av ozon enligt denna princip åtgår 25% av den tillförda energin till attproducera ozon, medan resterande bildar värme (Gottschalk m. fl., 2010). Detta är någotsom har blivit ett problem då ozon sönderfaller snabbare under förhöjda temperaturer.Lösningen har blivit att installera effektiva kylsystem som håller temperaturen nere på5-10◦C. Små generatorer är luftkylda medan de större är vattenkylda.

Fördelen med denna metod är att den överlag kan generera högre koncentrationer avozon än generatorer med elektrolys av vatten. Det finns dock risker vid användande avluft som källa till ozon (Cohen, 2013b). Detta eftersom luft innehåller andra gaser, tillexempel kvävgas som efter passagen genom de elektriska plattorna kan orsaka bildning avkväveoxider (Gottschalk m. fl., 2010). Dessa kväveoxider är bland annat mycket toxiskaoch cancerogena. Utöver detta ställer metoden även krav på att luften som tillförs skavara torr, för att undvika bildning av salpetersyra, HNO3, vilket kan uppnås genom attinstallera en lufttorkare. I vissa generatorer finns denna redan installerad.



Ozon kan även bildas direkt från PW, genom metoder som fått samlingsnamnet ”elektroly-tiska metoder”. Vid dessa metoder används en spänning som läggs över ett par elektrodersom tillsammans formar en cell (Cohen, 2013b). I cellen delas vattnet upp i väte och syre,som sedermera bildar vätgas, syrgas samt ozon (Gottschalk m. fl., 2010). Alternativt bil-das ozon direkt från det syre som redan finns löst i vattnet. En cell kan producera mellan0,05 - 4 g/h av ozon, beroende på temperatur, spänning och strömstyrka (Gottschalkm. fl., 2010). Cellens effektivitet ökar med ökad ström och spänning samt med minskadtemperatur. Detta innebär att likt metoder som bygger på koronaprincipen behövs ävenhär ett kylsystem, något som kan upprätthållas med ett högt vattenflöde genom cellen.

Ett exempel på en cell är en så kallad PEM (proton exchange membran) cell. Denna cellhar utnyttjats med gott resultat i ett pilotprojekt i Tyskland där ozon använts för att

19

skydda det renade vattnet mot mikrobiologisk kontamination (Stucki m. fl., 2005). Cellenutmärker sig genom en blydioxid-anod som klarar att bära mycket höga laddningar samtatt den är mycket motståndskraftig mot korrosion då elektroderna integreras med ettPEM. En förutsättning för att anoden ska motstå korrosion är att det inte finns någrafria anjoner i det använda mediet. Cellen bör alltså användas i vatten som är renat medavseende på fria joner. Vanligt för denna typ av cell är ett mycket litet avstånd mellankatod och anod som inte är mer än 100 - 200 µm. Det korta avståndet leder till minskadelektrisk resistans och därmed kan höga laddningar passera.


Fördelarna med denna metod är att det inte bildas några biprodukter i form av kväveox-ider, vilket kan vara fallet för koronaurladdningsmetoder, samt att ingen extern tillförselav vare sig luft eller syrgas krävs (Stucki m. fl., 2005). Det behövs inte heller någon externblandare för att lösa ozonet i vattnet. Nackdelen är att processen är energikrävande. Denspecifika energiförbrukningen har uppmätts till 200kWh/kg ozon (Gottschalk m. fl., 2010).


Ozon har visat sig ha en väldigt kraftig effekt att inaktivera endotoxin i vatten. Fram-förallt gramnegativa bakterier är särskilt känsliga för ozon i jämförelse med grampositivabakterier (Moore m. fl., 2000). I PW-system är de grampositiva bakterierna i allmänhetytterst sällsynta (Sandle, 2015).

Majoriteten av studier som undersökt bakteriers påverkan av ozon har utförts på stan-dardstammar inom sjukdom, mat, och avfallsindustrier medans ytterst få studier utförtspå naturligt förekommande heterotrofa bakterier (Florjanič och Kristl, 2006). Det före-kommer dock inga studier om tillväxt av heterotrofa bakterier i PW-system försedda medozonsanering.

Figur 4 visar resultatet av en studie som gjordes i samband med implementeringen av ozoni industriområdet i Frankfurt, Tyskland via företaget Infraserv Höchst år 2005 (Stuckim. fl., 2005). Efter implementeringen visade även studien att en ozon-koncentration lägreän 0.02 mg/l räckte för att sanera vattensystemet Försöket i Figur 4 behandlar även dengramnegativa bakterien Pseudomonas aeruginosa som är en av de vanligaste bakteriernai PW-system (Sandle, 2015) (Kulakov m. fl., 2002).

20



Ozon är en mycket instabil molekyl som har en snabb halveringstid på cirka 20 minuteri PW (Cohen, 2013a). Trots detta kan det vara viktigt att säkerställa att allt kvarva-rande ozon som inte hunnit sönderfalla under distributionstiden snabbt förstörs innanslutprodukten är klar för leverans. Huruvida ozonet helt måste avlägsnas beror på använd-ningsområdet för det PW som produceras. Avlägsnandet kan görs med hjälp av UV-ljusvid våglängden 254 nm (Cohen, 2013a), vilket motsvarar ozonets absorptionsmaximum(Harrison m. fl., 2012). UV-ljuset bryter bindningen mellan syreatomerna i ozonmoleky-len vilket resulterar i att syrgas och en fri syreatom bildas. Detta sker enligt följandereaktionsformel:

O3 + UV254 → O +O2 (12)





(13)

där UV-intensiteten motsvarar medelintensiteten av UV-strålningen som detekteras inne istrålningskärlet, Vkärl beskriver volymen av strålningskärlet och Q anger flödeshastighetengenom strålningskärlet. Transmittansen, som är en materialegenskap och beskriver vatt-nets genomskinlighet, erhålls genom spektrometiska undersökningar av vattnet i fråga. Istudien (Summerfelt m. fl., 2004) bestämdes transmittansen till 90%.

Enligt samma studie (Summerfelt m. fl., 2004) påvisades att ozon under påverkan avUV-strålning approximativt sönderfaller enligt första ordningens kinetik, utformad enligt

21

ekvation 14:dC

dt= −kC (14)


C = C0e−kt (15)

där C är koncentrationen ozon vid tiden t, C0 är den initiala ozonkoncentrationen ochk symboliserar hastighetskonstanten. I den undersökta studien (Summerfelt m. fl., 2004)antogs även att hastighetskonstanten är en potensfunktion av bestrålningsintensiteten.Denna kan beskrivas enligt följande formel: k = a+bIm, där a beskriver ozonets sönderfallvid avsaknad av UV-strålning och I motsvarar bestrålningsintensiteten. Koefficienternaa, b och m kan bestämmas experimentellt utifrån data på C0, C, t och I. Parametrarnasvärden bestämdes till:

a = 0.0343 b = 6.34·10−4 m = 2


C = C0e−(a+bIm)·t (16)

Alternativt kan det ozonhaltiga vattnets exponeringstid av UV-strålning, för att erhålla enönskvärd ozonkoncentration, beräknas med hjälp av följande omskrivning enligt ekvation17:

t =ln(C/C0)

−(a+ bIm)(17)


Vidare undersökningar utförda av (Summerfelt m. fl., 2004) har visat att 100% av ozonetförsvinner vid strålning med 49.3 +/- 0.6 mW s/cm2 UV-ljus, om den ursprungliga haltenozon är som högst 0.1 mg/L samt bestrålas under 3.3 sekunder. För halter av ozon upptill 0.3 mg/L krävs en strålning med UV-ljus som ungefär motsvarar den dubbla effekten.Dessa värden är uppmätta för vatten med temperaturer mellan 13 - 15 ◦C. Vid högre tem-peraturer på vattnet blir övergången från ozon till syrgas ännu mer effektiv, vilket medandra ord kräver en lägre effekt på det tillförda UV-ljuset. Åter igen gäller Summerfeltsresultat för vatten som är mer kontaminerat än PW.

Vid UV-bestrålning av vatten innehållandes ozon, finns det risk att låga (inte mätbara(Harrison m. fl., 2012)) halter väteperoxid, H2O2 bildas (Sörensen m. fl., 2016). Vätepe-roxid är den enklaste varianten av peroxid och består av två väte- och två syreatomer.Likt ozon är även denna kemikalie ett starkt oxidationsmedel. Studier från ett pilotförsök

22

(Stucki m. fl., 2005), som producerar PW, har dock visat att den producerade väteperox-iden inte utgör något problem. En förenklad reaktionen av den som sker då väteperoxidbildas sker enligt följande steg (Harrison m. fl., 2012):

O3 +H2O + UV254 → H2O2 (18)


H2O2 + UV254 → 2OH• (19)

H2O2 +OH• → H2O +HO•2 (20)

HO•2 +H2O2 → O2 +H2O (21)

En UV-anläggning består i stora drag av en UV-kammare i viket det ozonhaltiga vattnetflödar genom. I vardera UV-kammare finns en eller flera lampor placerade i kvartsrör, somskyddar lamporna från vattnet. I kammarväggarna finns UV-sensorer som mäter ljusin-tensiteten (Eriksson, 2009). Bland UV-lampor väljs vanligtvis så kallade lågtryckslampor,där den ultravioletta strålningen i princip endast avger ljus i våglängden 254nm. I jäm-förelse finns de så kallade medeltryckslamporna vilka har en högre intensitet men avgerljus i ett bredare spektrum av våglängder (Eriksson, 2009). Generellt gäller att lågtryck-slampor omvandlar 35% av energin till ljus i den önskvärda våglängdsområdet vilket kanjämföras med 15% för medeltryckslamporna. Utöver detta har lågtryckslampor en längrelivslängd än till exempel medeltryckslampor (Eriksson, 2009). I farmaceutiska vattensy-stem är lågtryckslampor att föredra, detta eftersom vattnet är rent (har låg koncentrationav fasta ämnen) samt att ozonkoncentrationen ligger mellan 0,2 ppm till 0,5 ppm då detnår UV-anläggningen (Harrison m. fl., 2012).

Vid drift och underhåll är det framförallt viktigt att övervaka så att UV-dosen håller önsk-värd prestanda. Detta kan göras med hjälp av att mäta UV-intensiteten med de sensorersom finns placerade i UV-kamrarna i kombination med ekvation 12. UV-lamporna börbytas var tolfte månad (Harrison m. fl., 2012). Faktorer som påverkar lampans livslängdär temperatur, hur ofta lampas stängs av och på och vattenflödet genom strålningskam-maren. Om temperaturen i strålningskammaren inte håller leverantörens riktlinjer kanlampans hållbarhet minskas drastiskt. Dessa riktlinjer kan variera mycket mellan olika le-verantörer. Temperaturen påverkas i sin tur vattenflödet som således blir en indirekt faktorpå lampans livslängd. Även då lampan stängs av samt sätts på, till exempel vid sterilise-ring av mindre distributionsslingor, finns det risk att lampans livslängd påverkas negativt(Harrison m. fl., 2012). Om distributionssystemet tenderar att bilda rougebeläggning be-hövs regelbunden rengöring av kvartsrören. Som tidigare nämnts varierar rougebildningmycket mellan olika anläggningar, således kommer även behovet av rengöring att variera.Enligt ISPE (Harrison m. fl., 2012) är rengöring av kvartsrören inte alltid nödvändig föranläggningar som hanterar rent vatten.

23


Företaget Infraserv Höchst lokaliserat i Tyskland, Frankfurt, började producera PW imars år 2000 (Stucki m. fl., 2005). Vattnet skulle tillgodose ett tjugotal fabriker som in-riktar sig på produktion av läkemedel. Industriparken omfattar en area på 4 km2 medett sammanlagt distributionssystem på 14 km, vilket gör det till världens största distri-butionssystem av PW (Siemens, 2006). Se planskiss för distributionssystemet i Figur 8 iAppendix)

Efter tillverkning förs PW via en huvudled till fyra tankar som kan lagra antingen 75 eller200 m3 vatten (Stucki m. fl., 2005). Tankarna är utrustade med speciella ozoninjektorersom garanterar en steril förvaringsmiljö. Vattnet förs sedan till fabrikerna via loopsystemutrustade med 13 stycken sterila pumpar som garanterar att vattnet hålls i konstantrörelse, detta för att motverka mikrobiell tillväxt i systemet. Tillsammans konsumerarfabrikerna ca 250 m3 PW per timme.

För att garantera sterila miljöer inom distributionsslingorna ozoneras vattnet av 15 styc-ken ozongeneratorer placerade längst med rören (Klauer, 2011). Generatorerna bestårsammanlagt av 34 stycken parallella elektrolytiska ozongeneratorer av den tidigare nämn-da PEM principen som ozonerar vattnet via direktkontakt när det passerar cellerna. Dessagaranterar en ozonkoncentration på 20 ppb även vid maximalproduktion av PW, men harkapaciteten att generera upp till 200 ppb vid behov (Stucki m. fl., 2005). När produktenanländer till fabrikerna måste PW vara rent från ozon, därför bryts ozon ner till syremed hjälp av UV-strålning vid varje fabrik. Företaget har även installerat ytterligare 13ozongeneratorer vid fabrikerna för att garantera en lokal sterilisering av systemen (Stuckim. fl., 2005).

Systemet kontrolleras kontinuerligt varje månad. Detta görs med hjälp av provtagningarav mikrober från uppsamlingar som varje vecka görs på 34 olika provtagningspunkter inomsystemet (Stucki m. fl., 2005). Sedan systemet installerats har det inte påvisats någonproblematik att hålla riktlinjerna satta av European Pharmacopeia (EP) för PW somnämnts tidigare (Stucki m. fl., 2005). Men det har senare visat sig att det endast krävtsca 20-30% av ozonproduktionen för att underhålla systemet vid normalproduktion, dettatros bero på den låga halt organiskt material som finns tillgängligt i PW (Stucki m. fl.,2005). Vidare provtagning har även visat att halveringstiden för ozonet var längre än de20 minuter som de tidigare räknat med, exakt hur mycket har ännu ej fastställts. Sedaninstallation år 2000 har det aldrig skett ett produktionsstopp orsakat av ozonsystemet(Widov, 2017).

4.6 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk industri,fallstudie

Fallstudien utgår från ett designat pilot produktions- och leveranssystem för PW enligtUSP:s krav, som ska representera ett 316 L rostfritt system vilket kan användas inom bio-farmaceutiska företag, se Figur 5 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Cirkulationssystemetutsattes för tester med 106 UFC E.coli (Escherichia coli) bakterier, en gramnegativ bak-terieart som ofta används som en indikatorbakterie vid rutinundersökningar av vatten,

24

för att undersöka föroreningar med avföring (Folkhälsomyndigheten, 2015). Två testerutfördes med bakterierna, test A och test B. Vid test A injicerades bakterierna i det cir-kulerande vattensystemet i form av plankton, medan de i test B etablerades i form avbiofilm på ”kuponger”(mindre bitar av rostfritt stål) (Cohen och Hanley-Onken, 2013).


Distributionssystemet, se Figur 9 i Appendix, består bland annat av ett automatiseratozoneringssystem som installerats inom slingan, en 200 liter sluten förvaringstank somär utrustad med en ozondestruktionsenhet, en pump i rostfritt stål och en hylla för stål-kupongerna (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozonhalten i slingan övervakades med enozonkoncentrationsmonitor med ett intervall på 0-10 ppm och konduktiviteten mättesmed en separat konduktivitetmätare. Med en ozongenerator matad med syrgas kundesystemet leverera upp till 113.6 l/min ozonerat PW (Cohen och Hanley-Onken, 2013).Innan testerna inleddes dränerades PW-systemet två gånger och fylldes med nytt avjonise-rat vatten för att rena systemet från eventuella föroreningar och ozonmätarna nollställdes.Hela systemet utsattes för en timmes exponering av en 5 ppm ozonhalt för en grundligsanering (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Sedan stängdes ozonet av och UV strålningenaktiverades och kördes under 30 minuter till dess att ozonmätaren nått den lägsta mät-punkten på 40 ppb (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Därefter mättes konduktivitetenvattnet för att säkerställa att det höll USP:s kriterierna för PW.


Förändringen i bakteriehalt angavs som en logaritmisk reduktion, där resultaten subtra-herades från det logaritmiska värdet för referensprovtagningen (Cohen och Hanley-Onken,

25

2013). Vid referensprovtagningen för test A, där vattnet fick cirkulera i systemet underfem minuter utan närvaro av ozon, mättes den initiala bakteriehalten till 2.6·106 CFU/ml,se Tabell 2, vilket gav det logaritmerade värdet av 6.4. Vid de mikrobiologiska provtag-ningarna som utfördes var den lägsta utspädningen från kupongerna 1:10. Om det intefanns någon tillväxt på plattan skulle den därför rapporteras som < 10 CFU med ettlogaritmerat värde på 1 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). För att korrigera för utspäd-ningen tilläts därför endast en total loggreduktion av ≥ 5.4 (Cohen och Hanley-Onken,2013). Resultaten för test A, efter att 2ppm ozonhalt introducerats i systemet visas iTabell 3. Dessa visar tydligt att en 30 minuters exponering av 2ppm ozonhalt ger en totalreducering av E.coli kontamineringen på 106


Recirculation Time Ozone concentration Population Recovered5 min 0 ppm 2.6 · 106 CFU/ml

Tabell 3: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5, 10 och 30minuters exponering av en 2ppm ozonkoncentration Originally published in Pharmaceuti-cal Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved.Reprinted with permission.

Exposture Time Ozone Concentration Log ReductionOzone Generation System Exit Test Skid2 min 0.825 ppm 0.17 ppm 0.05 min 1.651 ppm 0.73 ppm 0.010 min 1.790 ppm 1.56 ppm 1.030 min 2.112 ppm 0.31 ppm 6.0

Test B utgick från rostfria stålkuponger vilka hade etablerat biofilm av minst 106 CFUE.coli per kupong. Experiment B innehöll fyra försök med olika ozonkoncentrationer på0, 0.5, 2 och 5 ppm (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Kupongerna placerades vertikalt ikuponghyllan och samlades upp för analys efter tre olika exponeringstider på 2, 5 och 10minuter per koncentration. Sammanlagt användes 6 kuponger per koncentration, därav2 kuponger per tidsintervall. Körningen med 0 ppm ozonkoncentration utfördes först ochanvändes sedan som ett blanktest, vid jämförelse med övriga resultat (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Mellan varje försök kördes systemet med konstant vattencirkulation ochUV strålning till dess att ozonhalten var mindre än 40 ppb och vattnet höll USP:s kravför PW.

Tabell 4 representerar blanktestet för de rostfria stålkupongerna med biofilm vid 0 ppmozon och resultatet visar att medelvärdet av den logaritmerade bakteriehalten, vid de treolika exponeringstiderna, låg på 4.3 för E.Coli kupongerna. Det har därmed skett en lo-greduktion på 2 under de första två minuterna då systemet kördes. Detta beror troligtvispå att vattnets flöde och tryck har påverkat och reducerat biofilmen initial (Cohen och

26

Hanley-Onken, 2013). Tabell 5 visar bakterieinnehållet efter 2, 5 och 10 minuters expo-nering av en ozonhalt på 0.5ppm. Resultaten visar att en 2 minuters exponering leder tillett logatimerat reducerat värde på 4,9 vilket är otillräcklig för en önskad sanering. Efter5-10 minuter planar effekten ut och den totala log reduktionen landar på ≥ 5.4. Tabell 6visar att det efter 2 minuter av en ozonhalts exponering på 2ppm fanns en viss antydanav bakterier kvar på kupongerna, men att detta reducerats totalt efter 5 minuter (Cohenoch Hanley-Onken, 2013). För de kuponger som utsattes för 5ppm ozonhalt räckte detmed 2 minuter för att all biofilm skulle ha sanerats, vilket tydlig framgår från Tabell 7.

Tabell 4: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier efter 2, 5 och 10 minuters expone-ring av en 0ppm ozonkoncentration Originally published in Pharmaceutical Engineering33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rights reserved. Reprinted withpermission.

Exposure Time Ozone concentration Average Log Recovered Log Reduction2 min 0 ppm 4.4 2.05 min 0 ppm 4.3 2.110 min 0 ppm 4.2 2.2

Tabell 5: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5 och10 minuters exponering av en 0,5 ppm ozonkoncentration. Originally published in Phar-maceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rightsreserved. Reprinted with permission.

Exposture TimeOzone Concentration atCoupon Placement (ppm)

Ozone Concentration atCoupon Removal (ppm) Total Log Reduction

OGSI PC OGSI PC2 min 0.472 0.54 0.486 0.55 4.95 min 0.480 0.58 0.470 0.58 ≥ 5.410 min 0.491 0.58 0.498 0.59 ≥ 5.4

OGSI - Ozone Generation System InputPC - Post-Coupon measurment pointNote: Adjusted Log Reduction = Log Recovered (no ozone time point) - Log Recovered(ozone time point)

27




OGSI PC OGSI PC2 min 1.941 1.77 1.939 1.80 5.45 min 1.930 1.75 1.895 1.83 ≥ 5.410 min 1.958 1.86 1.993 1.85 ≥ 5.4

OGSI - Ozone Generation System InputPC - Post-Coupon measurment point




OGSI PC OGSI PC2 min 5.215 4.92 4.909 4.75 ≥ 5.45 min 4.636 4.81 4.912 5.01 ≥ 5.410 min 4.912 4.92 4.782 4.92 ≥ 5.4

OGSI - Ozone Generation System InputPC - Post-Coupon measurment point

Experimenten har visat att ozon är effektiv som saneringsmetod mot biofilm och mikrobi-ell kontaminering vid olika koncentrationer och tidsintervall. Inom några minuter kan ozoni högre halter helt eliminera biofilm av E.coli bakterier. Bakterierna som används i expe-rimentet är dessutom mer resistenta mot sanering än de mikroorganismer som vanligtvisexisterar i PW system (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

4.7 Säkerhet

För en människa kan långvarig exponering av höga halter ozon orsaka uttorkning av hu-den samt åldrande av exponerade vävnader. Exponering kan ge symtom som huvudvärk,torrhet i halsen, slemhinnorna samt ögon och näsa. Resultat från undersökningar visardock på att en tolerans kan utvecklas över tid, då exponering av ozon har visat sig hamindre effekt efter de första exponeringstillfällena. Vid högre koncentrationer av ozon,som överstiger 2,0 ppm, har dock ozonet visat sig vara skadligare. Dessa koncentrationerkan ge svåra effekter på lungorna och ger symtom som lungödem, vilket innebär att detansamlas vätska i luftblåsor i lungorna, som orsakar andnöd (Ozonetech, 2017).

Efter en studie om ozonexponering som gjorts på djur anses att en exponering av en haltöver 10-20 ppm under en timme eller kortare tid kan vara dödligt för människor. Trots

28

detta har inte ett enda dödsfall kunnat konstaterats bero på ozonexponering (Ozonetech,2017). Det finns nationella riktlinjer för exponering av ozon bestämda av arbetsmiljö-verket. Vid korttidsexponering av ozon är gränsvärdet 0,3 ppm och mäts under ett 15minuters intervall. Vid längre tids exponering är gränsen 0,1 ppm och mäts under ettåtta timmars intervall (Arbetsmiljöverket, 2015). Dessa gränsvärden är framtagna för atteliminera risken för långvariga besvär i samband med ozonexponering. Ozonsteriliseringi vatten är generellt relativt riskfritt på grund av de låga koncentrationer av ozon somanvänds (Stucki m. fl., 2005). Det finns ändå faktorer som bör tas hänsyn till för att pro-duktionen ska kunna ske på ett riskfritt och effektivt sätt samt att det finns en åtgärdsplanifall olyckan är framme, exempelvis i form av ett läckage av ozon.

Vid produktion av ozon finns det som tidigare nämnt en risk för bildning av salpetersyrasamt kväveoxider då luft används som gaskälla till koronageneratorer (Gottschalk m. fl.,2010). För att förhindra att salpetersyra bildas installeras en lufttorkare och det är ocksåen stor fördel att använda koncentrerad syrgas istället för luft för att förhindra bildningenav kväveoxider. Det finns också en risk för att generatorn blir överhettad då generatornproducerar mycket värme. För att undvika överhettning av generatorn samt oönskad upp-värmning av vattnet i anslutning till generatorn är det viktigt att installera ett kylsystemi form av ett kylaggregat eller vattenkylning (Gottschalk m. fl., 2010).

Vid produktion av ozon med koronaurladdning kan inte allt producerat ozon lösas i vatt-net, vilket leder till ett överskott av ozongas. Denna gas är skadlig och bör tas om handförslagsvis genom att leda bort den från ozontanken där inblandningen sker till en ozon-destruktor. Det kan vara lämpligt att placera ozongeneratorn i utrymmen där människorej behöver vistas. För personlig säkerhet på arbetsplatsen bör sensorer installeras i mil-jöer där människor vistas för att kunna varna vid ozonkoncentrationer som överstigerrekommenderade säkerhetsvärden. Vid ett ozonläckage är det viktigt att ha ett systemsom snabbt kan agera, ozonläckan måste åtgärdas direkt parallellt med en ventilering avrummet. I anslutning till ventilationen bör det därför finnas någon typ av ozondestruktorför att ej släppa ut höga halter av ozon i luften (Harrison m. fl., 2012) då det kan skadabåde närliggande material och personal i anslutningen till ventilationssystemet. Ventila-tionen av ozon bör klassas som ett direkt utsläpp trots att destruktion av ozonet finnsplanerat då även detta system kan avstanna. Detta måste ske utan att vattnets kvalitékan ifrågasättas, därför behövs ett avlastande system som kan täcka den kontinuerligaozoneringen av vattnet.



Dead-legs i rörsystemet och den därpå ökade risken för mikrobiell tillväxt, fungerar påmotsvarande sätt får ozon som för sterilisering med hetvatten. Dit värmen inte kan ledaspå grund av stillastående vattenmassor, kan även ozon ha problem att effektivt eliminerabakterier och endotoxin (Harrison m. fl., 2012). Ozon har dock i farmaceutiska vatten-system noterats kunna nå lite längre in i dead-legs jämfört med värmen, om än medmarginell skillnad (Widov, 2017).

29

I och ozonets starkt oxiderande egenskaper, jämfört med de flesta kemiska steriliserings-medel, ställs höga krav på att materialet i distributionssystemet är motståndskraftigamot korrosion. För att garantera att materialet inte förstörs av ozonet rekommenderasvanligen att detta består av den mest tåliga typen av rostfritt stål, 316L (Harrison m. fl.,2012), vilken enligt ISPE definieras ha obegränsad livslängd tillsammans med ozon. I dis-tributionssystemet är utöver det rostfria stålet vissa komponenter ofta bestående av någonsorts polymer. En viktig aspekt är att olika polymerer har olika resistens mot såväl ozonsom övriga oxiderande ämnen. Generellt sett är flourpolymerer resistenta mot ozon, ochexempelvis är PVDF applicerbart i rörsystem där ozonsterilisering förekommer (Harrisonm. fl., 2012). Ytterligare ett exempel på en flourpolymer som är vanligt förekommandei ozonvatten är teflon, ofta i form av ventiler och luftfilter på förvaringstankarna. I all-mänhet är luftfilter byggda för system med höga temperaturer mer tåliga även mot ozon,jämfört med luftfilter enbart anpassade för kalla system (Harrison m. fl., 2012). Teflonkan dessutom förekomma i form av packning i rörsystemet, men bör undvikas specifiktför kuvertformade packningar i kalla distributionssystem. Bättre ozonresistenta alternativär viton och för etenpropendienmonomer, EPDM, vilket är ett sorts gummimaterial.

Vid tillsättning av ozon i förvaringstankarna till distributionssystemet, får det inte skenågot utsläpp av ozon till luften. I och med att en liten andel av ozonet i vattnet övergåråter till gasfas, finns en risk att ozonet släpps ut ur tanken om denna inte är stängd.I och med att förhöjda halter ozon i luften kan vara hälsoskadligt för de som arbetari närheten samt bidra till dålig lukt, bör ozon-destruktorer installeras i anslutning tilleventuella öppna tankar (Widov, 2017). Om tankarna är stängda vakuumsätts utrymmet.I och med att stängda tankar som desinfekteras med varmt vatten har ett övertryck, börde därigenom automatiskt även klara av klassificeringen för fullt vakuum (Widov, 2017).

4.8.2 Ozondosering

Beräkningarna för dimensioneringen av ozongeneratorer är olika för varje specifikt system.Dimensioneringen beror på hur effektivt det producerade ozonet löses i vattnet, storlekenpå förvaringstankar och ledningar, samt flödeshastigheter och tryck. Tillräckligt med ozonmåste produceras för att hela systemet ska saneras. Därför är det viktigt att ta hänsyntill alla flöden i beräkningarna inkluderat eventuella kompensationsflöden samt återcirku-lationsflöden. Designfaktorer behövs för att ta hänsyn till förhållanden som kan varierai olika system. Dessa förhållanden inkluderar vattentemperatur, ofullständig blandning,förbrukning av ozon, gasförlust i tank, ökad mängd ozon för sanering av loopar samt pla-cering av ozonsensorer (Harrison m. fl., 2012).

De vanligaste ozonkoncentrationerna i PW-system i tankar och distributionssystem liggermellan 20-50 ppb (Harrison m. fl., 2012) (Stucki m. fl., 2005). Även vissa system har visateffektiv sanering vid koncentratitioner mindre än 20 ppb. Ett PW-system lyckades behållaönskvärd sanering vid bara 0.4-0.5 ppb i distributionssystemet (Widov, 2017). Den opti-mala koncentrationen för vardera system tas oftast ut empiriskt på plats för respektivesystem. Figur 6 visar relationen över hur koncentrationen ozon förändras längs med röreti distributionssystemet beroende på hastigheten vattnet färdas i.

30

sträcka [m]0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Kon

ce

ntr

atio

n [p

pb

]

0

10

20

30

40

50

60

Ozonkoncentration plottat mot sträckan på röret via första ordningens kinetik

v=0.14 m/sv=5.56 m/s

Figur 6: Relationen mellan koncentration ozon och rörlängd med två olika hastigheter

Genom att anta första ordningens kinetik samt en halveringstid på 20 minuter kundeozonkoncentrationens korrelation mot färdsträckan simuleras för två olika hastigheter.

[A] = [A0] · e−k·t (22)

Halveringstiden på 20 minuter ger k = −5.776 ∗ 10−4, se Appendix. Då k har bestämtskan sambandet v=s/t ⇒ t=s/v implementeras i ekvationen

[A] = [Ao] · e−k·sv (23)

4.8.3 Val av generatorer

Inom läkemedelsindustrin är det huvudsakligen koronaurladdning samt elektrolys av PWsom används vid ozonproduktion för sanering av vattendistributionssystem (Harrisonm. fl., 2012). Inför ett val av ozongenerator bör hänsyn tas till främst ozonets använd-ningsområde och vilken produktionskapacitet som krävs. Även energiaspekter och ekono-miska aspekter bör vägas in, vilka i sin tur beror på kvalitén av ursprungskällan, det villsäga gasen alternativt vattnet (Gottschalk m. fl., 2010). Enligt (Widov, 2017) går det inteatt säga att den ena metoden är bättre än den andra, utan valet av generator beror påvissa förhållanden i distributionssystemet.

Generellt sett är metoder som bygger på elektrolys av PW ungefär tio gånger så energikrä-vande som metoder baserade på principen koronaurladdning (Cohen, 2013a). Koronage-neratorer kan dessutom producera högre koncentrationer av ozon . Dock kan elektrolys avPW vara billigare vid produktion av små mängder ozon trots de högre energikostnaderna(Gottschalk m. fl., 2010).

Systemets storlek har i vissa fall också betydelse. Ett system som bygger på koronaurladd-ning kräver ofta, som nämnt under "koronaurladdning", någon typ av lufttorkare, kylaresamt blandare. Dessa är faktorer som tenderar att öka systemets storlek och gör därför attdenna metod kan kräva fler installationer, ökade investeringskostnader samt mer utrymmeän installation av ett system som bygger på elektrolys av PW (Harrison m. fl., 2012). En

31

koronagenerator kan med fördel installeras direkt i anslutning till lagringstanken (Widov,2017). För att säkerställa en korrekt koncentration av ozon i det utgående vattnet frångeneratorn återkopplas reaktionstanken, där omblandningen sker, till ozongeneratorn somdå automatiskt reglerar produktionen beroende på det inkommande vattnets koncentra-tion (Lindam, 2017).

Då ozon har en halveringstid på 20 minuter i PW, är en tumregel att en ny generatorbör sättas in efter 15 minuters transportsträcka för att på så sätt säkerställa att koncent-rationen av ozon är tillräcklig i hela systemet (Widov, 2017). Om vattnet transporterasmed en hastighet på 1 m/s så behöver alltså en ny generator sättas in efter 900 m. Isystem av större storlek används därför med fördel elektrolysgeneratorer då dessa lättarekan installeras mitt i distributionssystemet. Detta eftersom denna generator producerarozon direkt från det renade vattnet och vattenflödet kan utnyttjas för att kyla generatorn(Harrison m. fl., 2012). En kombination av dessa båda kan också användas genom att enkoronagenerator installeras i anslutning till lagringstanken och en elektrolysgenerator kandå placeras efter 15 minuters transporttid (Widov, 2017).

4.9 Installation

Under själva installationen av ozonsystemet krävs ett driftstopp i produktionen av PW(Widov, 2017). Beroende på hur systemet ska dimensioneras med generatorer och UV-lampor, kan i regel den största delen av systemet förberedas innan själva installationensker rent hydrauliskt. Vid installation av ozongenerator i anslutning till bufferttanken böralla nödvändiga kopplingar finnas klara för att kunna installera generatorn direkt. Efterinstallation och kalibrering av samtliga komponenter behöver systemet valideras för attsäkerställa att vattnets kvalitet kommer att hållas. Valideringen består bland annat av attundersöka hur lång tid det tar för systemet att uppnå och bibehålla önskad koncentrationav ozon i hela systemet samt säkerställa att UV-destruktionen är tillräcklig under samtligamöjliga förhållanden (Harrison m. fl., 2012).


UV-destruktorerna placeras så nära point of use som möjligt, det vill säga innan detozonexponerade vattnet ska användas och kan komma i kontakt med människor (Widov,2017) . Typiskt sett är UV-destruktorer inte specificerade efter en UV-dos. UV-dosen ären funktion av vattnet exponeringstid för UV-strålning och transmittansen. Exponerings-tiden beror i sin tur på vattnets flödeshastighet. Vid dimensionering av en UV-destruktortas därför hänsyn till den maximala flödeshastigheten som kan uppstå på den specifikalokalen. Historiskt sett har UV-doser motsvarande 90 000 µWs/cm2 används som riktlinjerför att avlägsna ozonkoncentrationer motsvarande 1 ppm (Harrison m. fl., 2012), vilketär cirka 1000 gånger än den koncentration som är aktuell för PW. En tumregel är ocksåatt det ozonexponerade vattnet behöver exponeras för UV-strålning i 6 dm till 10 dm(Widov, 2017), vilket återigen beror på UV-dosen. Hos respektive UV-tillverkare, finnsmer specifik information om hur mycket UV-dos som krävs för avlägsnandet av ozonet.

32

När man väljer UV-lampa som avses användas i UV-destruktorerna, väljs lämpligtvis enlampa vars strålningsintensitet i slutet av dess livslängd ligger över den UV-dos som krävsför att avlägsna ozonet (Widov, 2017). Detta eftersom UV-lampor har en högre initial be-strålningsintensitet än den som råder i slutet av dess livslängd. Således kan man garanteraatt vattnet bestrålas men en tillräckligt hög UV-dos. Utöver lampans åldrade kan ävenkvartsbehållaren som omsluter lampan åldras på grund av lampans UV-strålning, vilketförändrar transmittansen och således UV-dosen. Av dessa anledningar uppskattas lam-pans livslängd till 12 månader (Harrison m. fl., 2012). Detta kan dock variera mellanleverantörer och lamptyper. Den UV-lamptyp som är aktuella vid destruktion av ozonär så kallade lågtryckslampor, vilket nämnts i tidigare avsnitt. Dessa lampor lämpar sigväl för avlägsnandet av ozon i koncentrationer upp till 0,5 ppm då de primärt avger ljusi våglängder som motsvarar ozonets adsorptionsmaximum (254nm) (Harrison m. fl., 2012).

För att säkerställa att UV-destruktorn avger den önskvärda UV-dosen som tidigare fast-ställts installeras monitorer anpassade för att mäta UV-intensiteten (Harrison m. fl., 2012).UV-destruktorerna är oftast anpassade på ett sådant vis att en monitor kan inrymmas iUV-destruktorn och således kontinuerligt mäta UV-intensiteten. Utöver UV-intensitetenlarmar även monitorerna för höga temperaturer samt om lampan av någon okänd anled-ning skulle sluta fungera.


33

5 DiskussionGE Healthcare planerar att använda en konservativ metod för att sanera sitt distributions-system. Lösningen kommer i längden att vara ohållbar för företaget, både ur en ekonomiskoch miljömässig synvinkel. GE Healthcare är själva medvetna om deras systems komman-de brister och har därför visat intresse för att hitta andra lösningar (Pantefors, 2017).

Då forskning inom ozon oftast är inriktad på livsmedelsindustrin, rening av dricksvatteneller kontaminerat avfallsvatten har fakta om ozonets egenskaper i PW varit svårfunnet.Mycket forskning har ändå bedömts som relevant, men det bör has i åtanke att ozonetsegenskaper, exempelvis halveringstid varierar med vattenkvaliteten (Park mfl 2001). Enstor del av bakgrundsarbetet har därför gått ut på att nå ut till experter inom tillämpningav ozon. I och med att experterna i regel har varit konsulter eller forskare, har dessa iallmänhet haft en betydligt mindre partisk inställning till olika ozon-tekniker. Med dessaexperter som referens har vissa riktlinjer för ozon antagits, exempelvis halveringstidenför ozon i PW. Dessa tumregler har blivit empiriskt framtagna och utvärderats för andrasystem och anses därför vara trovärdiga.

Vid jämförelse mellan olika saneringsmetoder var ozon den enda metoden som höll al-la kraven satta av GE Healthcare. Flera tydliga fördelar med ozon kunde urskiljas ochde nackdelar som uppkommit längst vägen har visat sig vara lätta att åtgärda och sesdärför mer som riktlinjer. Klorering av vattnet är inte ett alternativ för GE då tillsatserav kemikalier i PW inom läkemedelsbranschen kan vara riskfyllt (Linder, 2017). Dettaeftersom det krävs en avancerad hantering av kemikalierester för att kunna garantera attprodukterna inte påverkas (Sandle, 2013). Hanteringen leder i sin tur till driftstopp vil-ket är kostnadsmässigt ohållbart för en så stor produktionsanläggning som den hos GE(Pantefors, 2017). Ultrafiltrering är en metod som används i mindre system då endastvattnet inom en begränsad sträcka efter filtret klassas som rent och är därför inte enpålitlig metod för GE då det lämnar stora delar av systemet fritt för mikrobiell tillväxt(Knops, 2017). Ultrafiltrering ger därför inte en helhetslösning då den kräver komplette-rande reningsmetoder som exempelvis hetvattenspolning (Madaeni och Sharifnia, 2000).Ozon kan däremot sterilisera hela distributionssystemet utan varken tillförsel av kemika-lier eller orsakande av driftstopp (Widov, 2017), varpå det ansågs vara den enda relevantalösningen.

Sterilisering av rörsystem med ozon anses ge samma resultat som med varmvatten. I självarörsystemet är dead-legs en vanlig orsak till ofullständig sterilisering av distributionssyste-met då framkomligheten för olika steriliseringsmedel kan begränsas (Habib m. fl., 2005). Inuläget när varmvatten använts som steriliseringsmetod, har eventuella dead-legs i GE:sdistributionssystem inte genererat några noterbara problem med gränsvärdena för mikro-ber och endotoxin (Linder, 2017). I och med att ozon har egenskapen att nå minst likalångt om inte längre in dead-legs som värme (Widov, 2017), bör dead-legs i GE:s systeminte heller orsaka några problem för ozonsteriliseringen. Företagets egna riktlinjer från2016, i form av URS, är ytterligare något som talar för att långa dead-legs inte bör före-komma i särskilt stor utsträckning (Healthcare, 2016).

34

I och med ozonets oxiderande egenskaper och dess förmåga att reagera kraftigt med mångaämnen är materialvalet hos distributionssystemet av högsta vikt för att kunna garanterasäkerheten hos de som vistas i närheten (Harrison m. fl., 2012). Då rostfritt stål av graden316L benämns ha en obegränsad livslängd i närvaro av ozon bör detta utgöra den störstadelen av utrustningen, för att undvika att delar utrustningen behöver bytas ut med tiden.I och med att GE på senare tiden har ställt krav på rostfritt stål av just 316L (Healthcare,2016), bör åtminstone den största delen av systemet vara helt resistent mot ozon. Ävenandra typer av rostfritt stål är klassade som motståndskraftiga mot oxiderande medel ochbör klara av kontakten med ozonhaltigt vatten. Dock kan delar av systemet med dessaalternativa typer av rostfritt stål ha en något mer begränsad livslängd och därför krävaen mer noggrann uppsikt för att kunna bytas ut vid behov. I och med att delar av GE:sdistributionssystem härstammar från 60-talet, är ett fåtal delar av systemet av plast.Så länge dessa är korrosionsresistenta, vilket gäller för exempelvis många flourpolymerer(Karlsson, 2017)(Harrison m. fl., 2012), klarar dessa av närvaron av ozon i vattnet. Omrör, ventiler, luftfilter, packningar eller övrigt material är gjort av nitril (Lindam, 2017),bör dessa först ersättas med annat material innan ozon injiceras i distributionssystemet.

I och med att GE Healthcares förvaringstankar av PW, i nuläget är öppna (Karlsson,2017), skulle åtgärder krävas för att kunna förvara ozoniserat vatten. Dessa åtgärder be-höver dock inte vara särskilt omständiga då GE:s fem nuvarande tankar antas klara avklassificeringen för fullt vakuum (Widov, 2017), och därmed enkelt kan förslutas. Ett al-ternativ är att fortsätta att hålla tankarna öppna och att koppla tankarna direkt till enozondestruktor med UV via en avluftningsventil, så att skadligt ozon i gasform inte kanorsaka hälsorisker (Widov, 2017). Rouge, vilket med tiden har bildats på förvaringstan-karna, kommer heller inte att orsaka problem i ett ozonsystem då ozonet i likhet medhetvattnet inte kommer att avlägsna rougen och förorena vattnet (Widov, 2017). I ochmed att PW är så pass rent vatten finns heller inga risker för att UV-lamporna skullekunna påverkas av rougen, då de små mängder som eventuellt skulle avlägsnas från tan-karna skulle vara marginellt små (Harrison m. fl., 2012).

I övrigt ställer ozonet snarare lägre krav på komponenterna i rörsystemet. Till skillnad frånmånga andra steriliseringsmetoder har ozon inga problem att ta sig in i små utrymmen ibland annat gängor (Widov, 2017), så att mikrober inte ansamlas och tillväxer där. Ozonsönderfaller ytterst snabbt i varmt vatten och kan därför mer eller mindre endast baraanvändas i kalla system (Gottschalk m. fl., 2010). Detta bör dock inte bli något problemför GE Healthcare, då fabrikerna efterfrågar kallt PW (Pantefors, 2017). Då ett systemsom använder sig av ozon ej behöver isolering av rören för att hindra värmeförluster kanrören dimensioneras mindre, detta kan spara stora kostnader men även möjliggöra ut-rymmen för framtida ledningar då lediga ytor kan vara en brist i en stor utvecklad fabrik(Widov, 2017). Utbyggnad av ett system som använder ozon som steriliseringsmetod ärrelativ okomplicerad jämfört med ett hetvattenspolat system, eftersom det inte behövsnågon plattvärmeväxlare varpå det endast är att koppla ihop nya rören med befintligavid installation (Harrison m. fl., 2012). I och med att delar av GE:s system kommer från60-talet (Karlsson, 2017) kan byte av enstaka delar vara troliga på sikt. Utöver detta harGE nämnt att de planerar att bygga ut systemet ytterligare under de kommande åren(Karlsson, 2017).

35

Då ozon har visat sig kompetent att inaktivera även väldigt resistenta bakterier(Cohen ochHanley-Onken, 2013) vid en given kontakttid kan en konstant exponering av ozon bedö-mas som ytterst effektivt. Den optimala halten ozon som krävs för att sanera GE’s systemlär precis som de flesta anläggningarna tas fram empiriskt med tiden. Då de vanligastekoncentrationerna i PW-system ligger på 20-50 ppb (Harrison m. fl., 2012), (Stucki m. fl.,2005) så borde en koncentration inom dessa ramar vara ett bra startvärde för GE. En ex-pert (Widov, 2017) med inblick i GE’s system rekommenderade endast en koncentrationpå 1 ppb i systemet. Efter kontinuerlig provtagning av mikroorganismer och endotoxinhar många distributionssystem valt att korrigera ozonhalten till att lägre mängder istäl-let injiceras i systemet. Exempelvis visade PW-anläggningen i Höchst att bara 20-30%av deras ozonhalt på 20 ppb förbrukades under distributionen (Stucki m. fl., 2005). Detfinns fall då koncentrationer så låga som 0.4-0.5 ppb behövts för att sanera PW-system(Widov, 2017). Med tanke på att GE både vill undvika risk för produktionsstopp samt haen redundans i systemet kan en startkoncentration 50 ppb vara passande trots att myckettalar för att den kommer minska i framtiden.

I Figur 6 simulerades ozonkoncentrationen genom distributionssystemet för två olika has-tigheter, baserade på GE’s högsta och lägsta flöde. Simuleringen har i huvudsyfte att visahur mycket flödeshastigheten påverkar mängden ozon som tar sig fram i distributionssy-stemet men går inte att anse som en exakt approximation då första ordningens kinetiksamt en konstant tvärsnittsarea i rören har antagits,se Appendix 7.4.

Den viktigaste faktorn vid val av koncentration i tankarna är att behålla önskvärd kon-centration genom hela distributionssystemet. Den längsta sträckan det ozonerade vattnetkommer behöva ta sig är 300 m långt. Mängden ozon som når fram efter 300 m berorpå hastigheten, se Figur 6. Då GE’s vattenhastighet varierar mellan 0.14 till 5.56 m/s,se ekvation 24 och 25, varierar även mängden ozon som når fram efter 300 m beroendepå vilken hastighet flödet har. GE har ett flöde mellan ungefär 20-40 m3/h under normalproduktion (Pantefors, 2017) och når sina lägsta flöden på natten då ca 20% av ozonetnår fram se Figur 6. Hastigheterna som GE håller under normal produktion är så passstora att nästan allt ozon tar sig hela vägen medans de lägsta hastigheterna leder till attca 15 ppb når fram, se Figur 6. En koncentration på 15 ppb kan tolkas som något lågt menmed bland annat resultatet av mängden förbrukat ozon i Höchst samt rekommendationenpå 1 ppb antas koncentrationen vara tillräcklig under de få timmar med minimiflöde.

För att förse distributionssystem och förvaringstankar med ozon finns två aktuella varian-ter av ozongeneratorer, korona- och elektrolytiska generatorer. Elektrolytiska generatorerär mindre i sin konstruktion, vilket möjliggör för implementering längs med långa distri-butionsslingor. Av denna anledning lämpar sig elektrolytiska generatorer bäst för störresystem där ozonkoncentrationen riskera sjunka under de gränsvärden som krävs för attuppnå steriliserande förmåga. Denna generatortyp var en väl lämpad lösning för den tyskaanläggningen Höchst (Stucki m. fl., 2005).

GE:s distributionssystem sträcker sig cirka 300 m (Sjöstedt) och är således betydligt mind-re relativt den tyska anläggningen. Av denna anledning är koronageneratorer att föredra.

36

Detta eftersom koronageneratorer kan producera högre koncentrationer ozon, som i korta-re distributionsslingor, klarar av att distribueras till de yttersta delarna av en anläggning.Således kan ett mindre antal ozongeneratorer, än vad fallet hade varit med de elektroly-tiska generatorerna, implementeras i direkt anslutning till förvaringstankarna. Ett mindreantal generatorer implicerar i en kortare implementeringsperiod.

Utifrån ovan nämnda aspekter anser vi att ozongeneratorer grundade på koronaurladdningär bäst lämpade för implementering i GE:s anläggning (Widov, 2017).Det inte får finnas mätbara koncentration av tillsatta kemikalier enligt USP:s kriterier förPW samt ur personalens säkerhetsaspekter, av dessa anledningar måste ozonet avlägsnasi anslutning till ”point of use”. Detta görs lämpligtvis med hjälp av UV-destruktorer, dådessa inte tillför ytterligare kontaminationer i vattnet.

UV-strålning med våglängd 254 mn är mycket effektiv för destruktion av ozonexponeratPW. Vilket är rimligt då ozonet har sitt absorptionsmaximum vid denna våglängd. Enligten studie (Summerfelt m. fl., 2004) så bryts ozonet i vatten ner enligt första ordningenskinetik när det utsätts för UV-strålning, se ekvation 14. Detta med en hastighetskonstantsom är en potensfunktion av UV-strålningsintensiteten. Utifrån detta samband tillsam-mans med empiriska resultat konstaterades att 49.3 +/- 0.6 mW/cm2 kunde avlägsnaupp till 0.1 mg/l på 3.3 sekunder. Huruvida detta stämmer överens med avlägsnandetav ozon i PW kan vara svårt att säga då hastighetskonstantens parametrar är empirisktframtagna från ett vatten av högre kontamineringgrad än PW. Det ger dock indikationerpå UV-strålningens effekt mot det ozonerade vattnet.

Vid bestrålning av ozonexponerat kan väteperoxid bildas. De koncentrationer som bildasär i sammanhanget så låga att koncentrationerna inte går att uppmäta. Således utgörväteperoxiden inte något hot enligt utsago från en expert inom området (Widov, 2017).Den väteperoxiden som bildas sönderfaller snabbt till vatten.

För UV-destruktorer anpassade till ozondestruktion är det framförallt aktuellt med tvåolika typer av lampor, nämligen lågtryckslampor och medeltryckslampor. Då lågtryck-slamporna primärt avger våglängder i 254 mn, till skillnad från medeltryckslampor somavger våglängder i ett bredare spektrum, är det lågtryckslamporna som framförallt an-vänds som åtgärd mot ozonexponerat vatten. En lågtryckslampas brukbarhet är cirka 9000 timmar, angivet med god säkerhetsmarginal. Detta kan dock påverkas av hur mycketlamporna stängas av och på. Dock är detta något som är medräknat i lampans säkerhets-marginal, då UV-destruktorer vanligtvis stängs ner temporärt för att sterilisera de yt-tersta delarna av en distributionsslinga, som distribuerar ozonfritt vatten (Widov, 2017).Även förhöjda temperaturer kan påverka lampans livslängd negativt, men detta utgörgenerellt inte något problem så länge vattnet inte är stationärt i strålningskammaren dåUV-destruktorn är i drift.

Det kan vara problematiskt att på förhand dimensionera de UV-destruktorer som avsesimplementeras i en given anläggning. Detta eftersom UV-dosen som vattnet behöver be-strålas med beror på UV-lampan, vars intensitet variera mycket mellan olika tillverkare.Utöver detta behövs även flödeshastigheten för den lokal där UV-destruktorn är placerad

37

samt PW transmittans.

Uv-lampor och övriga ozondestruktorer är de viktigaste säkerhetskomponenterna i ett dis-tributionssystem med ozonsanering. Trots att riskerna är minimala (Stucki m. fl., 2005)med tanke på de små koncentrationer ozon som ofta används så kan det vara en fördelatt installera sensorer som en extra säkerhetsåtgärd för att kunna detektera eventuellaozonutsläpp (Lindam, 2017). Även ventilation bör anpassas så att utsatta utrymmen ianläggningen ska kunna ventileras vid ett eventuellt ozonläckage (Harrison m. fl., 2012).Ozon är trots allt en gas som kan orsaka hälsoskador vid höga koncentrationer men ocksåvid en längre tids exponering av lägre koncentrationer (Ozonetech, 2017). Utrymmen in-till ozongeneratorerna är de mest utsatta vid eventuellt läckage då ozonkoncentrationen isystemet här är som högst. Även på de ställen där ozonet bryts ned för att sedan lämnasystemet kan ses som riskområden eftersom det här finns risk för exponering om destruk-torerna skulle sluta fungera. Sensorer och ventilationsmöjligheter bör därför framföralltfinnas i dessa delar av systemet (Harrison m. fl., 2012). Det kan även vara en fördel attinstallera sensorer i utrymmen och lokaler där många personer vistas även om områdetinte är ett riskområde. Att sensorer finns installerade i dessa lokaler kan bidra till attpersonalen känner en trygghet i att eventuella utsläpp av ozon kan detekteras innan detutgör en hälsorisk. Att personalen kan känna sig trygga och arbeta ostört är i regel värtmycket.

Utifrån resultat och tidigare diskussion har ett möjligt implementerings förslag för GEHealthcares anläggning i Uppsala, Boländerna, sammanställts. En koronagenerator skakopplas till varje sluten lagringstank vilket medför en investering på fem stycken gene-ratorer. Efter installation kan en 50 ppb ozonhalt garanteras inom varje tank (Lindam,2017). Med vald ozonhalt garanteras en sterilisering från produktion fram till anläggning(Cohen, 2017). För en säker hantering av ozon föreslås en installation av en UV-destruktorintill varje uttagspunkt. För att övervaka ozonhalten installeras en ozonsensor efter varjetank samt två sensorer per UV-lampa, en som kontrollerar halten innan destruktorn ochen som kontrollerar att vattnet är ozonfritt inför produktanvändning. En gång i veckanhar GE tidigare hetvatten spolat de interna systemen vid varje fabrik vilket har räckt föratt hålla kraven på mikrobiell tillväxt och endoxoin. Genom att en gång i veckan stängaav UV-destruktorerna och låta det ozonerade vattnet cirkulera i systemen under loppetav en timme kommer samma effekt att kunna uppnås (Widov, 2017). Vi uppmuntrar äveninmontering av sensorer som kontrollerar ozonhalten i luften. En rekommendation är attplacera en luftsensor vid varje generator, om inte dessa är placerade inom tillräckligt kor-ta distanser från varandra, då det kan komma att krävas färre. För att främja en tryggarbetsmiljö kan det även vara aktningsvärt av företaget att investera i luftsensorer vidarbetsytor som ofta är bemannat av personal.

För att ge en en approximativ bild av investering samt driftkostnader för GE har ettföretag tagits i kontakt med angående priser på deras produkter. Deras produkter har im-plementerats i liknande anläggningar och har ett gott rykte. För vissa enheter kan antaletinte bestämmas utan en djupare inblick i GE’s anläggning krävs. Investeringskostnadernasom presenteras är därför väldigt approximativa och kan endast ge ett grovt beräknat pris.

38

Priset på ozongeneratorer samt UV-lampor för destruktion av ozon beror på vilka kravman ställer i produktionskapacitet samt till vilken grad man vill kunna säkerställa totaldestruktion av överblivet ozon. Då det finns flera företag på marknaden kan priset ävenskilja sig mellan de olika företagen. Vi har haft kontakt med olika företag och en oberoendeexperter för att få en prisbild. Kostnaderna har skilt sig relativt mycket då vi pratat medexperter som implementerar lösningarna och företag som säljer produkterna. Då vi frågatexperten vad som är en rimlig investeringskostnad för en ozongenerator som kan användasi vårt fall kunde han inte svara exakt men påstod att man kan räkna med ett pris på ca250 000 kr (Widov, 2017), vi vet inget om dessa generatorer men väljer ändå att ha meddessa i beräkningarna då experten i fråga anses trovärdig. Genom mejlkontakt med ettföretag som säljer både generatorer och uv-lampor föreslogs en generatorer som kan pro-ducera 8g/h som kostar ca 120 000 kr. Om GE önskar redundans kostar dessa generatorersjälvklart mer, kostnaden för dessa bör dock vara under 250 000kr. Eftersom vi i vårtförslag till GE vill använda oss av en generator per tank och det finns fem tankar innebärdet att vi kommer behöva fem generatorer som kostar mellan 120-250 000 kr/styck. Dettainnebär en investeringskostnad mellan 600 000 SEK till 1.25 miljoner SEK. Underhållav generatorer består främst av byte av luftfilter. Hur ofta luftfiltret behövs bytas berorpå hur smutsig luften är i rummet generatorn står (Berg, 2017). Energiförbrukningen förgeneratorn är 0.7 kWh. Detta skulle innebära en total energiförbrukning för 5 st gene-ratorer ca 3.5 kWh (Berg, 2017). Något pris på sensorer både för ozonläckage samt föråterkoppling har ej kunnat tas fram, däremot kan de i sammanhanget antas vara betydligtbilligare än generatorer och UV-lampor.

Företaget säljer även UV-destruktorer som klarar av att destruera all ozon då vi förutspåratt vattnet som GE producerar har en hög transmittans. Investeringskostnader för dessaär ca 100 000 kr per aggregat och innehåller två lampor som kostar 4750 SEK vardera(Berg, 2017). Om man antar att 30 UV-destruktorer räcker för att tillgodose två destruk-tionsenheter per byggnad blir den totala investeringskostnaden ca 3 miljoner SEK. Byteav lamporna en gång om året skulle innebära en kostnad på ca 285 000 kronor om årexklusive energi. Energiförbrukningen för dessa UV-destruktorer uppges vara 0.85 kWh(Berg, 2017), detta skulle innebära en total energiförbrukning för samtliga UV-enheter på25.50kWh.

Eftersom att installationen av systemet kräver driftstopp innebär det ytterligare kost-nad för implementering av systemet i form av förlust i produktionen. Vid installation ochvalidering av systemet bör det tas i beaktande att det troligtvis kan ske i vissa delar av sy-stemet separat. Detta innebär att ett fullskaligt produktionsstopp bör kunna undvikas omgod planering inför installationen genomförs vid installation av främst UV-destruktorer.

Vår uppskattade investeringskostnad för generatorer och UV-destruktorer har beräknatsligga mellan 3.6-4.25 miljoner. I denna beräkning ingår fem generatorer och 30 UV-destruktorer. Energiförbrukningen för förslaget utvärderas till ca 29 kWh. Ytterligaredriftkostnad för systemet tillkommer i form av underhåll och service, exempelvis krävsdet ett årligt byte av UV-lampor för ca 285 000 kr.Ozonbranschen är en växande industri. Ozon har sedan länge varit en vanlig steriliserings-metod inom exempelvis livsmedelsindustrin men har sedan 90-talet tagit stora kliv in på

39

läkemedelsbranschen (Cohen, 2017). Varför övergången till ozonsterilisering inom läkeme-delsindustrin har etablerats långsammare kan bero på att industrin lägger större värde isäkra och väl utvärderade metoder, så som hetvattenspolning, än på innovativa lösningar.Utvecklingen har däremot gått snabbare i USA, detta beror sannolikt på landets syn påekonomi och företagsamhet (Cohen, 2017). I verkligheten har dock ozon varit etablerat imånga år och med dess framgång kan metoden inte längre anses som riskfylld. Ett riktigtpraktexempel på att ozon är en framtidsinvestering är företaget Infraserv Hörchst, lokali-serat i Tyskland. De står för världens största produktion av PW och har sedan 2000-talet,utan komplikationer, steriliserat sitt distributionssystem med ozon (Widov, 2017).

GE Healthcare förbrukar i nu läget stora mängder av Uppsalas vatten vilket kan kommaatt bli bekymmersamt med tanke på de sjunkande grundvattennivåerna. Det kan därförinte anses vara miljömässigt hållbart för företag att använda sig av hetvattenspolning iframtiden. GE Healthcare har stora planer på framtiden och kan, beroende på efterfrå-gan, behöva bygga ut sin anläggning för ökad produktion. Med ozon som saneringsmetodkommer en eventuell expansion bli både billigare och enklare. Övergång till ozonsane-ring skulle likaledes ge positiva effekter för Uppsala Vatten som tidigare fått levererat förhöga vattentemperaturer från GE, vilket genererar slitage på ledningarna.GE:s planeradeuppvärmning- och nedkylningsmetod beräknas kosta företaget omkring 15,5 miljoner omåret. Om GE Healtchare väljer att använda ozon som steriliseringsmetod så skulle detta,med rådande implementerings förslag, innebära att investeringen är intjänad på mindreän ett år.

6 SlutsatsEn övergång till ozonsterilisering skulle för GE Healthcare innebära en möjlighet attdistribuera PW kallt, vilket skulle vara så väl energi- och kostnadseffektivt som hållbartur miljösynpunkt då det drar ner på vattenförbrukningen. Ozon är en säker metod somenkelt kan implementeras i GE:s nuvarande distributionssystem, med endast ett fåtalombyggnationer och skulle vid framtida planerad utbyggnad spara in ytterligare kostnadergenom mer simpelt konstruerade rör.

40

ReferenserAB Lenntech (2017). Electrodeionization (EDI) - Lenntech. url: http://www.lenntech.

com/library/edi/edi.htm (hämtad 2017-04-07).Arbetsmiljöverket (2015). Gränsvärden - Arbetsmiljöverket. url: https://www.av.se/


ASME (2013). ASME - STANDARDS - Branch Leg Study for Bioprocessing Equipment.ASME Standards Technology LLC. isbn: 978-0-7918-6916-1. url: https://www.asme.org/products/codes- standards/stppt065- 2013- branch- leg- study-bioprocessing (hämtad 2017-05-02).

Atila, Funda (2016). ”Effect of Different Substrate Disinfection Methods on the Productionof Pleurotus Ostreatus (PDF Download Available)”. I: url: https://www.researchgate.net/publication/309596170_Effect_of_Different_substrate_Disinfection_Methods_on_the_Production_of_Pleurotus_ostreatus (hämtad 2017-05-02).

Austen, Benjamin L. (2005). ”Pharmaceutical Water Systems: A Thermal-Fluid Analysisof Pipe Dead-Legs”. Masters. Dublin City University. School of Mechanical and Ma-nufacturing Engineering. url: http://doras.dcu.ie/17237/ (hämtad 2017-05-04).

Avfall Sverige (2012). Markvatten för avfallseldade kraft- och värmevärk. F2012:07. Mal-mö, s. 19. url: file:///C:/Users/Marcus/AppData/Roaming/Zotero/Zotero/Profiles/zl499czd.default/zotero/storage/N55XBFZB/F2012-07.pdf (hämtad2017-04-03).

CheckAll Valve (2017). Union Insert Valve (UV)/Check-All Valve Mfg., Co. url: http://www.checkall.com/valvestyles/UIV/UIV.htm (hämtad 2017-05-04).


Cohen, Nissan (2013a). ”Understanding Dissolved Ozone and Its Use in PharmaceuticalWater Systems”. I: Pharmaceutical Engineering. May. url: http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceutical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf (hämtad 2017-04-27).

Cohen, Nissan (2013b). ”Understanding Dissolved Ozone and Its Use in PharmaceuticalWater Systems”. I: Pharmaceutical Engineering. May. url: http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceutical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf (hämtad 2017-04-25).

Cohen, Nissan och Erika Hanley-Onken (2013). ”The Efficacy of Ozonated Water in Bio-film Control in USP Purified Water Circulation and Storage”. I: Water Storage andDistribution Systems. url: https://www.mksinst.com/docs/R/BiofilmControl-TechPap.pdf.

Collentro, William V. (2016). Pharmaceutical Water: System Design, Operation, and Va-lidation, Second Edition. Google-Books-ID: CQLMBQAAQBAJ. CRC Press. 490 s.isbn: 978-1-4200-7783-4.

De Los Reyes, Gaston, Linda M Denoncourt och Bienvenido Garcis (2017). Electrodeio-nization Process. url: http : / / www . google . com / patents / US6365023 (hämtad2017-04-25).

Denoncourt, Jeffery (2007). ”Best Practices for Water Purification System Design”. I:Plumbing Systems & Design. url: https://www.google.se/url?sa=t&rct=j&q=

41





https://www.asme.org/products/codes-standards/stppt065-2013-branch-leg-study-bioprocessing



https://www.researchgate.net/publication/309596170_Effect_of_Different_substrate_Disinfection_Methods_on_the_Production_of_Pleurotus_ostreatus



http://doras.dcu.ie/17237/

file:///C:/Users/Marcus/AppData/Roaming/Zotero/Zotero/Profiles/zl499czd.default/zotero/storage/N55XBFZB/F2012-07.pdf

file:///C:/Users/Marcus/AppData/Roaming/Zotero/Zotero/Profiles/zl499czd.default/zotero/storage/N55XBFZB/F2012-07.pdf

http://www.checkall.com/valvestyles/UIV/UIV.htm

http://www.checkall.com/valvestyles/UIV/UIV.htm

http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceutical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf






https://www.mksinst.com/docs/R/BiofilmControl-TechPap.pdf

https://www.mksinst.com/docs/R/BiofilmControl-TechPap.pdf

http://www.google.com/patents/US6365023

https://www.google.se/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0ahUKEwjxotyqudHTAhXROSwKHcSACpsQFggnMAA&url=https%3A%2F%2Faspe.org%2Fsites%2Fdefault%2Ffiles%2Fwebfm%2FArchivedIssues%2F2007%2F20070102%2FBestPracticesforWater.pdf&usg=AFQjCNH7L8mrfLgvrleyRZ3n6SzO44gNEw&sig2=I-mxnjOmjDZGLErGHyTWwg



&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0ahUKEwjxotyqudHTAhXROSwKHcSACpsQFggnMAA&url=https%3A%2F%2Faspe.org%2Fsites%2Fdefault%2Ffiles%2Fwebfm%2FArchivedIssues%2F2007%2F20070102%2FBestPracticesforWater.pdf&usg=AFQjCNH7L8mrfLgvrleyRZ3n6SzO44gNEw&sig2=I-mxnjOmjDZGLErGHyTWwg.

Dow (2017a). About Ultrafiltration | Dow Water & Process Solutions. url: http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/products/ultrafiltration/about-ultrafiltration (hämtad 2017-04-04).

Dow (2017b). Dow Water and Process Solutions Answer Center. url: https://dowwater.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/2378 (hämtad 2017-04-06).

Eldnig, Lars Ivar och Börje Stenberg (2017). Klor - Uppslagsverk - NE. I: url: sandle_sterility_2013 (hämtad 2017-04-26).

Elovitz, Michael S., Urs von Gunten och Hans-Peter Kaiser (2000). ”Hydroxyl Radi-cal/Ozone Ratios During Ozonation Processes. II. The Effect of Temperature, pH,Alkalinity, and DOM Properties”. I: Ozone: Science & Engineering 22.2, s. 123–150.issn: 0191-9512, 1547-6545. doi: 10.1080/01919510008547216. url: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919510008547216 (hämtad 2017-05-03).


Eriksson, Ulf (2009). Råd och riktlinjer för UV-ljus och vattenverk. Stockholm.FDA (1982). Compliance Policy Guides - CPG Sec 635100 Large Volume Parenterals

(LVP) for Animal Use. url: https://www.fda.gov/ICECI/ComplianceManuals/CompliancePolicyGuidanceManual/ucm074669.htm (hämtad 2017-05-02).


Florjanič, M. och J. Kristl (2006). ”Microbiological Quality Assurance of Purified Waterby Ozonization of Storage and Distribution System”. I: Drug Development and In-dustrial Pharmacy 32.10, s. 1113–1121. issn: 0363-9045, 1520-5762. doi: 10.1080/03639040600920614. url: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/03639040600920614 (hämtad 2017-04-26).


Forssblad, Johan och Heléne Annadotter (2008). 2008-20.Pdf. 2008-20. url: http://vav.griffel.net/filer/2008-20.pdf (hämtad 2017-04-29).

Gardoni, D., A. Vailati och R. Canziani (2012). ”Decay of Ozone in Water: A Review”.I: Ozone: Science & Engineering 34.4, s. 233–242. issn: 0191-9512, 1547-6545. doi:10.1080/01919512.2012.686354. url: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919512.2012.686354 (hämtad 2017-04-26).

Glater, Julius (1998). ”The Early History of Reverse Osmosis Membrane Development”. I:url: http://ac.els-cdn.com/S0011916498001222/1-s2.0-S0011916498001222-main.pdf?_tid=fabdab94-29ae-11e7-a562-00000aab0f26&acdnat=1493121896_eee19879d582ebb385c599ab06641a46 (hämtad 2017-04-25).

42










https://dowwater.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/2378

https://dowwater.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/2378

sandle_sterility_2013

sandle_sterility_2013

http://dx.doi.org/10.1080/01919510008547216

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919510008547216

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919510008547216






http://dx.doi.org/10.1080/03639040600920614

http://dx.doi.org/10.1080/03639040600920614

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/03639040600920614

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/03639040600920614



http://vav.griffel.net/filer/2008-20.pdf

http://vav.griffel.net/filer/2008-20.pdf

http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919512.2012.686354

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01919512.2012.686354

http://ac.els-cdn.com/S0011916498001222/1-s2.0-S0011916498001222-main.pdf?_tid=fabdab94-29ae-11e7-a562-00000aab0f26&acdnat=1493121896_eee19879d582ebb385c599ab06641a46




Habib, M. A., H. M. Badr, S. a. M. Said, E. M. A. Mokheimer, I. Hussaini och M. Al-Sanaa (2005). ”Characteristics of Flow Field and Water Concentration in a HorizontalDeadleg”. I: Heat and Mass Transfer 41.4. WOS:000226357200004, s. 315–326. issn:0947-7411. doi: 10.1007/s00231-004-0548-y.



Healthcare, GE (2016). URS För PW/DV-System i Boländerna.Kearney, Mike (2013). PowerPoint Presentation - ISPE_CA Chapter Storage DistrPhar-

maH2O. url: https://www.ispe.org/casa/kearney-storage-distribution-pharmaceutical-water.pdf (hämtad 2017-04-27).

Klauer, Dr. Jörg (2011). ”Use of Ozone in Pharmaceutical Water”.Kornboonraksa, Thipsuree (2016). ”Using Tertiary-Treated Municipal Wastewater as Ma-

keup Water by Reverse Osmosis Membrane”. I: Desalination and Water Treatment57.16. WOS:000373352500030, s. 7422–7431. issn: 1944-3994. doi: 10.1080/19443994.2015.1024937.

Kulakov, Leonid A., Morven B. McAlister, Kimberly L. Ogden, Michael J. Larkin ochJohn F. O’Hanlon (2002). ”Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water inIndustrial Systems”. I: Applied and Environmental Microbiology 68.4, s. 1548–1555.issn: 0099-2240. doi: 10.1128/AEM.68.4.1548-1555.2002. pmid: 11916667. url:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/ (hämtad 2017-04-04).

Lappin-Scott, Hillary M., J. William Costerton och Marc W. Mittelman (2003). MicrobialBiofilms. Cambridge University Press. 328 s. url: https://books.google.se/books?hl=sv&lr=&id=opTs2ufPizMC&oi=fnd&pg=PA133&ots=35w8DuXiKH&sig=DIxURbtArdeDQIVkZuxdz8x_uug&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.

Madaeni, S. S. och S. Sharifnia (2000). ”Chemical Cleaning of Ultrafiltration MembranesFouled by Whey”. I: Iranian Polymer Journal 9.3. WOS:000165578600002, s. 143–151.issn: 1026-1265.

Marin, Prof Irma (2011). ”Proteobacteria”. I: Encyclopedia of Astrobiology. Utg. av MurielGargaud, Prof Ricardo Amils, José Cernicharo Quintanilla, Henderson James (Jim)Cleaves II, William M. Irvine, Prof Daniele L. Pinti och Michel Viso. Springer BerlinHeidelberg, s. 1350–1350. isbn: 978-3-642-11271-3 978-3-642-11274-4. doi: 10.1007/978-3-642-11274-4_1288. url: http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-642-11274-4_1288 (hämtad 2017-05-03).

Marshall, A. D., P. A. Munro och G. Trägårdh (1993). ”The Effect of Protein Foulingin Microfiltration and Ultrafiltration on Permeate Flux, Protein Retention and Se-lectivity: A Literature Review”. I: Desalination 91.1, s. 65–108. issn: 0011-9164. doi:10.1016/0011-9164(93)80047-Q. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/001191649380047Q (hämtad 2017-04-26).

43

http://dx.doi.org/10.1007/s00231-004-0548-y



https://www.ispe.org/casa/kearney-storage-distribution-pharmaceutical-water.pdf

https://www.ispe.org/casa/kearney-storage-distribution-pharmaceutical-water.pdf

http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2015.1024937

http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2015.1024937


11916667


https://books.google.se/books?hl=sv&lr=&id=opTs2ufPizMC&oi=fnd&pg=PA133&ots=35w8DuXiKH&sig=DIxURbtArdeDQIVkZuxdz8x_uug&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false



http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.1016/0011-9164(93)80047-Q

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/001191649380047Q

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/001191649380047Q

Mathiesen, Troels och Jan Elkjaer Frantsen (2007). Rouging Of Stainless Steel In WfiSystems - Examples And Present Understanding. url: https://www.researchgate.net/publication/242573330_Rouging_Of_Stainless_Steel_In_Wfi_Systems_-_Examples_And_Present_Understanding (hämtad 2017-05-05).

Moore, Ginny, Chris Griffith och Adrian Peters (2000). ”Bactericidal Properties of Ozoneand Its Potential Application as a Terminal Disinfectant”. I: Journal of Food Protection63.8, s. 1100–1106. issn: 0362-028X. doi: 10.4315/0362-028X-63.8.1100. url:http://jfoodprotection.org/doi/abs/10.4315/0362-028X-63.8.1100 (hämtad2017-04-25).



Outi, M. Zacheus, Eila K. Iivanainen, Tarja K. Nissinen, Markku J. Lehtola och Pertti J.Martikainen (2000). ”Bacterial Biofilm Formation On ...” I: url: http://ac.els-cdn.com/S004313549900113X/1-s2.0-S004313549900113X-main.pdf?_tid=1242495a-2a77-11e7-a377-00000aacb361&acdnat=1493207835_0392259a957b4863470e9eed2d930b98.


Pall Coporation (2017a). Tangential Flow Filtration. url: https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html (hämtad 2017-04-04).

Pall Coporation (2017b). Ultrafiltration Fundamentals - Id-35486.Pdf. url: https://laboratory.pall.com/content/dam/pall/laboratory/literature- library/non-gated/id-35486.pdf (hämtad 2017-04-04).

Park, Hoon-Soo, Tae-Mun Hwang, Joon-Wun Kang, Heechul Choi och Hyun-Je Oh (2001).”Characterization of Raw Water for the Ozone Application Measuring Ozone Con-sumption Rate”. I: Water Research 35.11, s. 2607–2614. issn: 0043-1354. doi: 10.1016/S0043-1354(00)00564-9. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135400005649 (hämtad 2017-05-02).

Percival, SL (1999). ”The Effect of Molybdenum on Biofilm Development”. I: Journal ofIndustrial Microbiology & Biotechnology, s. 112–117. doi: 10.1038/sj.jim.2900712.url: http://apps.webofknowledge.com.ezproxy.its.uu.se/full_record.do?product=WOS&search_mode=GeneralSearch&qid=12&SID=P29XNXPFVX2Vs6s6YEN&page=2&doc=13 (hämtad 2017-05-03).


Roll, Daryl L. och John J. Kilkeary (2001). ”Rouge Detection & Control”. I: ChemicalEngineering 108.8, s. 101–101. issn: 00092460. url: http://go.galegroup.com/ps/i.do?p=AONE&sw=w&issn=00092460&v=2.1&it=r&id=GALE%7CA77748374&sid=googleScholar&linkaccess=abs (hämtad 2017-05-05).


44

https://www.researchgate.net/publication/242573330_Rouging_Of_Stainless_Steel_In_Wfi_Systems_-_Examples_And_Present_Understanding



http://dx.doi.org/10.4315/0362-028X-63.8.1100

http://jfoodprotection.org/doi/abs/10.4315/0362-028X-63.8.1100






http://ac.els-cdn.com/S004313549900113X/1-s2.0-S004313549900113X-main.pdf?_tid=1242495a-2a77-11e7-a377-00000aacb361&acdnat=1493207835_0392259a957b4863470e9eed2d930b98






https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html

https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html




http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9




http://apps.webofknowledge.com.ezproxy.its.uu.se/full_record.do?product=WOS&search_mode=GeneralSearch&qid=12&SID=P29XNXPFVX2Vs6s6YEN&page=2&doc=13





http://go.galegroup.com/ps/i.do?p=AONE&sw=w&issn=00092460&v=2.1&it=r&id=GALE%7CA77748374&sid=googleScholar&linkaccess=abs



Sandle, Tim (2015). ”Characterizing the Microbiota of a Pharmaceutical Water System-A Metadata Study”. I: SOJ Microbiology & Infectious Diseases 3.2, s. 01–08. issn:23720956. doi: 10.15226/sojmid/3/2/00133. url: http://www.symbiosisonlinepublishing.com/microbiology-infectiousdiseases/microbiology-infectiousdiseases33.php (hämtad 2017-04-04).

Saraf, Aditi, Kaitlin Johnson och Mary Laura Lind (2014). ”Poly(Vinyl) Alcohol Coatingof the Support Layer of Reverse Osmosis Membranes to Enhance Performance inForward Osmosis”. I: Desalination 333.1, s. 1–9. issn: 0011-9164. doi: 10.1016/j.desal.2013.11.024. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916413005493 (hämtad 2017-04-25).


Sivasakthivel, T. och KK Siva Kumar Reddy (2011). ”Ozone Layer Depletion and Its Ef-fects: A Review”. I: International Journal of Environmental Science and Development2.1, s. 30. url: http://search.proquest.com/openview/c3b68b9566be5f3230e2c156f1f3022b/1?pq-origsite=gscholar&cbl=2027401 (hämtad 2017-04-25).

Stucki, Samuel, Dirk Schulze, Dieter Schuster och Christian Stark (2005). ”Ozonizationof Purified Water Systems”. I: The Official Journal of ISPE Vol 25.1. url: http:/ / apaco . ch . futura . ch - meta . net / xp _ wysiwyg _ media / jspe2005vol25no1 _ozonization-of-purified-water-systems.pdf (hämtad 2017-04-25).

Summerfelt, Steven T., Mark J. Sharrer, Jennifer Hollis, Lauren E. Gleason och Scott R.Summerfelt (2004). ”Dissolved Ozone Destruction Using Ultraviolet Irradiation in aRecirculating Salmonid Culture System”. I: Aquacultural Engineering. 2003 Aquacul-tural Engineering Society Issues Forum 32.1, s. 209–223. issn: 0144-8609. doi: 10.1016/j.aquaeng.2004.06.004. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144860904000561 (hämtad 2017-04-28).

Sörensen, Martin, Paramasivam Satish och Jürgen Weckenmann (2016). State of the ArtSanitisation of Purified Water (PFW) UV. url: http://www.enviolet.com/fileadmin/DAM/PDFs/Desinfektion/UV-Disinfection_of_Purified_Pharma_Water.pdf.




Wang, Jianyou, Shichang Wang och Manrong Jin (2000). ”A Study of the Electrodeioni-zation Process — High-Purity Water Production with a RO/EDI System”. I: Desali-nation 132 (1-3), s. 349–352. issn: 00119164. doi: 10.1016/S0011-9164(00)00171-5.url: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0011916400001715 (häm-tad 2017-04-25).


45


http://www.symbiosisonlinepublishing.com/microbiology-infectiousdiseases/microbiology-infectiousdiseases33.php









http://search.proquest.com/openview/c3b68b9566be5f3230e2c156f1f3022b/1?pq-origsite=gscholar&cbl=2027401

http://search.proquest.com/openview/c3b68b9566be5f3230e2c156f1f3022b/1?pq-origsite=gscholar&cbl=2027401

http://apaco.ch.futura.ch-meta.net/xp_wysiwyg_media/jspe2005vol25no1_ozonization-of-purified-water-systems.pdf







http://www.enviolet.com/fileadmin/DAM/PDFs/Desinfektion/UV-Disinfection_of_Purified_Pharma_Water.pdf

http://www.enviolet.com/fileadmin/DAM/PDFs/Desinfektion/UV-Disinfection_of_Purified_Pharma_Water.pdf






http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(00)00171-5

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0011916400001715



Viera, M. R., P. S. Guiamet, M. F. L. De Mele och H. A. Videla (1999). ”Use of Dis-solved Ozone for Controlling Planktonic and Sessile Bacteria in Industrial CoolingSystems”. I: International biodeterioration & biodegradation 44.4, s. 201–207. url:http : / / www . sciencedirect . com / science / article / pii / S0964830599000785(hämtad 2017-04-25).

Xu, Wendong och Shankararaman Chellam (2005). ”Initial Stages of Bacterial Fouling du-ring Dead-End Microfiltration”. I: Environmental Science & Technology 39.17, s. 6470–6476. issn: 0013-936X. doi: 10.1021/es0500862. url: http://dx.doi.org/10.1021/es0500862 (hämtad 2017-04-26).

Zhang, C., C. Li, X. Zheng, J. Zhao, G. He och T. Zhang (2017). ”Effect of Pipe Materialson Chlorine Decay, Trihalomethanes Formation, and Bacterial Communities in Pilot-Scale Water Distribution Systems”. I: International Journal of Environmental Scienceand Technology 14.1, s. 85–94. issn: 1735-1472, 1735-2630. doi: 10.1007/s13762-016-1104-2. url: https://link-springer-com.ezproxy.its.uu.se/article/10.1007/s13762-016-1104-2 (hämtad 2017-05-03).



46





http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-1104-2

http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-1104-2

https://link-springer-com.ezproxy.its.uu.se/article/10.1007/s13762-016-1104-2

https://link-springer-com.ezproxy.its.uu.se/article/10.1007/s13762-016-1104-2



7 Appendix



47





48


GE’s rörsystems snittdiameter: 51 mm⇒ radien= 25, 5 mm = 0, 255 dmTvärsnittsarean=πr2 = π · 0, 2552 = 0, 20428 ≈ 0, 2 dm2



16, 67

0, 2= 83, 35 dm/min = 8, 335 m/min = 0, 14 m/s (24)

666, 67

0, 2= 3333, 35 dm/min = 333, 335 m/min = 5, 56 m/s (25)




Antag [A] = 1000 ppb samt [A0] = 500

1000 = 500·e−k·1200 ⇒ 2 = e−k·1200 ⇒ ln2 = −k ·1200⇒ −k =ln2

1200⇒ k = −5.776∗10−4

(27)

49





VT 2017




Datum17 maj 2017

Ersätter-


HandledareMattias Winerdahl


SammanfattningGE Healthcare i Boländerna, Uppsala producerar årligen 88 000 m3 vatten för medicinskanvändning med särskilda krav på hög kvalitet, internationellt klassificerat som purifiedwater, PW. Utöver gränsvärden för en bakteriell halt ställer GE krav på halter av endotox-in, giftiga ämnen genererade från fettämnen hos gramnegativa bakterier. Under en längreperiod har det rena vattnet producerats genom destillation, en process där den utgåendeprodukten har en temperatur på 90-95◦C, varpå de höga temperaturerna håller vattnetsteriliserat från mikrobiell tillväxt. I huvudslingor på upp till 300 m distribueras vattnetut till olika byggnader på anläggningen varpå vattnet kyls ned till 20◦C, där 7 l dricks-vatten åtgår för att kyla 1 l PW. Från och med år 2018 kommer GE att börja produceraPW genom omvänd osmos och elektriska jonbytare, vilket medför den stora skillnadenatt kallt vatten på 20◦C bildas. Syftet med det här projektet var att hitta ett energibe-sparande sätt att sterilisera distributionssystemet för kallt renat vatten, vilket uppfyllerkriterier för implementering i GE:s anläggning. Projektet genomfördes i huvudsak som enlitteraturstudie av vetenskapliga artiklar från en rad olika databaser. Av tillgängliga me-toder som analyserats, rekommenderades ozon i GE:s distributionssystem. Detta eftersomozon är ett starkt oxiderande ämne som lämpar sig väl i PW-system samt inte kräver nå-got produktionsstopp. Ozon kan bildas direkt från syret i luften alternativt från vattnetsjälv, De starka oxiderande egenskaperna gör att endast en liten mängd ozon behövs försteriliseringen, vilket genererar låga driftkostnader. Halveringstiden på ungefär 20 minu-ter i PW gör att det mesta ozonet bryts ned naturligt under distributionen, varpå denresterande delen kan omvandlas tillbaka till syrgas genom strålning med UV-ljus. Ozonär en säker metod som enkelt kan implementeras i GE:s nuvarande distributionssystem,med endast ett fåtal ombyggnationer och skulle vid framtida planerad utbyggnad spara inytterligare kostnader genom enklare rörkonstruktioner. Om GE väljer att använda ozonsom steriliseringsmetod uppskattas investeringen vara intjänad på mindre än ett år.






2.4 Rörsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Rouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8








5.8 Investeringsförslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.9 Ozonsterilisering i storskaligt PW-system, Infraserv Höchst . . . . . . . . . 295.10 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk industri, fallstudie . . 30

6 Diskussion 34

7 Slutsats 39


1 Problembeskrivning och syfteGE Healthcare har planer att expandera sin produktion av purified water (PW) genom attbland annat byta produktionsmetod från destillation till omvänd osmos (RO) och elektris-ka jonbytare (EDI) kombinerat med ultrafiltrering Pantefors, 2017. Vid produktion genomdestillation genereras PW med så pass höga temperaturer att distributionssystemet ste-riliseras via direktkontakt med det varma vattnet under transportsträckan. Vattnet kylssedan ned med värmeväxlare vid respektive fabrik för att kunna användas vid produktionav läkemedelsprodukter (Wall, 2017). Den nya produktionsmetoden kommer till skillnadfrån destillation att generera kallt vatten direkt från produktionskällan och GE har somavsikt att värma upp vattnet efter produktion för att fortsätta sterilisera rörsystemen påsamma sätt som innan ombyggnaden. Att värma upp vattnet efter produktion för attsedan kylas ned är kostsamt och förbrukar en stor andel av Uppsalas vattenförråd. Denplanerade lösningen kan i längden bli ohållbar för företaget, både ur en ekonomisk ochmiljömässig synvinkel varpå en revidering av nuvarande steriliseringsmetod för distribu-tionssystemet kan vara nödvändig. GE är själva medvetna om deras systems kommandebrister och har därför visat intresse för att hitta andra lösningar (Pantefors, 2017). Syf-tet med rapporten är att utvärdera möjliga steriliseringsmöjligheter för rörsystem utifrånett flertal kriterier. Målet är att den steriliseringsmetod som anses mest lämpad för GEska undergå en djupgående analys för att sedan löpa ut i ett implementeringsförslag förföretaget.



2.1.1 Om företaget

General Electric (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av Edi-son General Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företagets hu-vudsakliga verksamhet var då belysning, järnvägar och gruvarbete (Healthcare, 2012).Sammanslagningen blev en succé och företaget blev snabbt känt för att ge hög produk-tionskvalité till en låg kostnad.

GE:s första innovationer inom sjukvård genom utvecklingen av röntgenstrålar. År 1964började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var starten tillden del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare (Healthcare, 2012). Internatio-nellt sett är GE verksamma i över 100 länder. Anläggningen i Uppsala har idag cirka 1200anställda, varav en betydande andel arbetar inom forskning och utveckling av nuvarandetekniker (Åström m. fl., 2016).

Nästan all produktion på anläggningen kräver vatten av väldigt hög kvalité, något sominternationellt kallas purified water, (PW) (Pantefors, 2017). I snitt förbrukar GE 88 000m3 PW varje år. Vattnet produceras av GE genom destillation och distribueras sedan överhela anläggningen. Det finns olika krav definierade för när ett vatten får klassas som PW.Enligt United States Pharmacopeia Systems, (USP), vilket är de riktlinjer som GE valtatt gå efter (Linder, 2017) , krävs en bakteriehalt på under 100 CFU/ml (CFU= colony

1

forming units) (Pharmasystems, 2017). USP har dessutom krav på en maximal mängdtotalt organiskt kol, (TOC) material på under 500 mg/ml (Cohen och Hanley-Onken,2013). För PW ställer European Pharmacopoeias, (Ph Eur) samma krav på en maxi-mal bakteriehalt på max 100 CFU/ml (Penne m. fl., 2009) respektive den högsta tillåtnamängden TOC på 500 mg/ml (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

Utöver detta ställer GE specifika krav för endotoxin, giftiga ämnen bestående av lipo-polysackarider genererade från fettämnen hos bakterier. Endotoxin kan ha olika negativahälsoeffekter såsom feber eller sepsis beroende på halt och intag (Nationalencyklopedin,2017), varpå GE:s krav går ut på att halterna ska elimineras till nivåer på under 0.5EU/ml (EU=endotoxin units) (Linder, 2017).



Vattenflödet i rörsystemet är i genomsnitt under normalproduktion 20 m3/h, men i an-läggningen kan under dygnet variationer av flödet förekomma på mellan 1 m3/h och 40m3/h. Rören i distributionssystemet har i genomsnitt en diameter på 51 mm. Utifrånflödet genom systemet ligger hastigheten genom rören mellan 0.14 m/s till 5.56 m/s (seekvation 24 och 25 i Appendix).


För tillfället produceras det destillerade vattnet på GE genom destillation där vattnetvärms upp till kokpunkten för att sedan kondenseras till vätskefas, en process som verkarsteriliserade med avseende på mikrober (Pantefors, 2017). Vattnet förvaras i tankar ochdistribueras sedan varmt längs huvudslingorna för att sedan förgrenas i mindre rörsysteminnan det anländer till olika fabriker i anläggningen. Vid fabrikerna kyls vattnet med vär-meväxlare då deras produktion kräver en vattentemperatur på 20◦C (Pantefors, 2017).Det varma vattnet som flödar genom huvudledningen motverkar mikrobiell tillväxt ochGE kontrollerar vattenkvalitén genom kontinuerlig provtagning (Linder, 2017). I ledning-arna efter att vattnet har kylts ned krävs en hetvattenspolning en gång i veckan för atthålla rören steriliserade (Pantefors, 2017).


GE Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer därför att göraen uppgradering av sina vattenreningsmetoder. Istället för destillering av vattnet kommerreningsprocessen istället ske genom omvänd osmos, RO och elektriska jonbytare, EDIvilket följs av ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Installationen av det nya systemet beräknas

2

vara färdigt till år 2018 och den största skillnaden från destillationsprocessen är att denfärdiga produkten är kall, med temperaturer på 20◦C.


GE Healthcare har i nuläget planer på att efter den nya installationen av RO och EDIvärma upp det kalla PW som producerats till 90-95◦C (Sjöstedts, 2017) och därigenomfortsätta att distribueras vattnet varmt genom samma steriliseringsprocess som underdestillationen (Pantefors, 2017). I Appendix (Figur 7) finns en schematisk skiss över dis-tributionssystemet för PW i GE Healthcares anläggning i Boländerna i Uppsala.

I anslutning till varje hus kommer det varma vattnet från huvudslingan att kylas ner igentill 20◦C, genom att kallt dricksvatten tillförs. För nedkylningen åtgår en ungefärlig mängdpå 7 liter vatten för varje liter producerat PW (Wall, 2017). Utifrån uppskattningen omen kostnad för kylvattnet på 14 kr/m3 (Wall, 2017), skulle nuvarande årliga produktionav 88 000 m3 PW medföra kostnader för nedkylning på 8.6 miljoner kr. Dricksvattnetsom använts till nedkylningen förs sedan ut i Uppsala Vattens dagvattensystem. UppsalaVatten har satt en gräns på en maximal vattentemperatur på 45◦C för att inte slitna påledningarna (Wall, 2017). Det har visat sig vara problematiskt att hålla dessa gränsvärdendå det dricksvatten som används till kylningen värms av det heta renade vattnet och vidvissa tillfällen uppnått temperaturer uppemot 70◦C.



Förekomsten av mikroorganismer i PW-system är inte ovanlig trots näringsfattiga för-hållanden. Då bakterieceller har lätt att fästa på i stort sett alla sorts ytor i akvatiskamiljöer medför det en risk för bildning av biofilm (Lappin-Scott m. fl., 2003). Biofilm ärett sorts aggregat som bildas på ytor och består av en mängd olika mikrobiella stammar.Biofilmen fungerar som ett ekosystem av bakterier och gynnar tillväxt och näringsupptag.Mikrober som lever i biofilmen försämrar vattenkvalitén när de släpps ut i vattenflödet(Outi m. fl., 2000). Bildning av biofilm är den huvudsakliga källan till de flesta bakteriellaproblem som uppstår inom diverse vattensystem.

Majoriteten bakterier som förekommer i PW-system är heterotrofa gramnegativa bak-terier (Lappin-Scott m. fl., 2003). Heterotrofa bakterier är de bakterier som konsumerarorganiskt kol som energikälla. Både gramnegativa och grampositiva bakterier innehållerdet fettämne som ger upphov till endotoxin (Nationalencyklopedin, 2017). En skillnad ärdock att grampositiva bakterier har en cellvägg som till största del består av flera lagerav den stora sockermolekylen peptidoglykan, till skillnad från gramnegativa bakterierscellvägg som bara har ett enkelt lager av peptidoglykan.

Organiskt kol är den enda tillgängliga näringen för mikrober i PW system då det intetillförs några ickeorganiska energikällor via vattnet. Detta är anledningen till att många

3

PW industrier regelbundet mäter den totala mängden organiskt kol (TOC) i systemet(Sandle, 2015).


2.3.1 Omvänd osmos

Osmos innebär diffusion av vatten över ett semipermeabelt membranen, vilket låter vissaatomer och molekyler passera samtidigt som att andra blockeras. Flödet styrs av det os-motiska trycket som arbetar efter att utjämna en koncentrationsgradient. Vattnet flödarsåldes över membranet mot den sida där vattnets initiala koncentration av lösta ämnenär högst (Crittenden m. fl., 2005). Omvänd osmos, på engelska reverse osmosis (RO), in-nebär att vattnet diffunderar från den högre koncentrationen till den lägre koncentration,till exempel från matarvattnet (med en hög koncentration av partiklar) till rent vatten.På så sätt separeras vattnet från de lösta ämnena. Detta sker dock inte naturligt, utanett yttre tryck motsvarande det osmotiska tycket måste appliceras (Glater, 1998). Dettatryck appliceras på den sida av membranet där koncentrationen av lösta ämnen är somstörst, vilket tvingar vattnet att diffundera över membranet.

Membranen som används till RO består av flera lager. Dessa kan variera mellan olikamembrantyper men innefattar vanligen ett lager som utgörs av polyvinyl alkohol, vilketmedför att membranet blir mer hydrofilt vilket i sin tur påskyndar transporten av vattnetgenom membranet (Saraf m. fl., 2014). Membranet innehåller dessutom polyamid vilketutgör det selektiva lager som blockerar oönskade ämnen att från passera tillsammans medvattnet.

Det vatten som transporteras genom membranet kallas matarvatten. Vid RO ligger mem-branet parallellt med matarvattnet. Av detta inkommande vatten till systemet passerar10-15% membranet och blir till rent vatten (Xu och Chellam, 2005). Detta utbyte går atteffektivisera genom att använda filter tidigare i systemet vilket filtrerar ut sand- och ler-partiklar samt kolfilter för att grovt avlägsna det mesta av bland annat klorid. Ytterligarefaktorer som effektiviserar processen är att öka vattentemperaturen och ingångstrycket,vilket påskyndar flödet över membranet men samtidigt kräver en större mängd tillfördenergi (Crittenden m. fl., 2005). Genom RO avlägsnas generellt över 90% av jonerna samtde flesta organiska föroreningarna (Kornboonraksa, 2016). Metoden har dock svårigheteratt rena vattnet från lösta gaser.


EDI är en metod som till huvudsak är uppbyggd av jonbytare och jonselektiva membran.Jonbytare är en teknik som används för att byta ut oönskade joner i en vattenström motvätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker genom att låta matarvatten passeragenom olika filterkolonner innehållandes jonbytarmassa. I första steget passerar vattnetgenom en filterkolonn där de positiva jonerna separeras från vattnet (byts ut mot väte-joner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa jonerna vid passage genom en andrafilterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte och hydroxidjoner som tillkommit

4

vid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten (Wang m. fl., 2000). Det jonselektiva mem-branet är ett membran som har har till uppgift att släppa genom vissa joner medan andrajoner inte kan passera, ett urval som bestäms bland annat av jonernas laddning.

Under EDI-processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyll-da med jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet avmatarvattnet sker i huvudsak till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 1.De oönskade jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kana-lerna som inte innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salteroch kontaminationer som successivt avskiljs. Över membranpaketet läggs via elektrodernaen likspänning som resulterar i att positiva respektive negativa joner dras åt olika hålloch transporteras genom de jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler (Av-fall Sverige, 2012). Det elektriska fält som bildas då potentialen läggs över elektrodernabidrar till att en liten del vattenmolekyler delas upp i hydroxid- och vätejoner. Dessaproducerade joner är väsentliga för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenereradetillstånd (Wang m. fl., 2000). Dessutom kan hydroxidjonerna och vätejonerna reagera medämnen så som koldioxid, kiseldioxid och ammoniak, vilka då kan transporteras ut direktgenom de jonselektiva membranen. För att förhindra att för höga halter av bland annatsalter och diverse partiklar påverkar EDI:n negativt används med fördel omvänd osmos,som ett försteg till EDI-processen. (”Electrodeionization Process” 2017).


Likt samtliga metoder för avjonisering så finns det såväl för- som nackdelar med EDI-metoden. Fördelarna med metoden är att den är bra relativt andra metoder ur miljö-synpunkt samt att inga kemiska tillsatser behövs för regenerering av jonbytarmassan.Bristerna i metod är dels att den inte kan säkerställa ultrarent vatten, då den endastavlägsnar ett begränsat antal av de laddade organiska ämnena. Utöver detta krävs att

5

matarvatten är av god kvalitet, viket kan uppnås genom att installera ett första renings-steg bestående av RO-enheter (AB Lenntech, 2017). EDI-processen kan inte användas förvatten med en hårdhet högre än 1 ◦E. Detta har att göra med att hårt vatten innehållerhöga halter kalciumkarbonat vilket kan orsaka avlagringar som hindrar den jonselektivaprocessen (AB Lenntech, 2017). På GE Healthcares anläggningar förkommer dock mjuk-görande processer av vattnet vilket sänker vattnets hårdhet (Brolin, 2017).


Ett sista steg under själva produktionen av PW innan vattnet är redo att distribueras tillolika företag i anläggningen är ultrafiltrering. I likhet med övriga filtreringsmetoder pas-serar vattnet ett poröst membran, i detta fall ett så kallat ultrafilter, som fungerar som enselektiv barriär för olika ämnen i vattnet (Cheryan, 1998). Strömningen över membranetsker till följd av att matarvattnet trycksätts. Vid passagen genom de vanligaste filterty-perna reduceras vätskans innehåll på makromolekylerna och partiklar större än 0,001 -0,02 µm (Cheryan, 1998). För att filtrera ut endotoxin vilka har en storleksordning på10 - 20 kDa (1Da = 1, 661 · 10−27kg) krävs ett ultramembran som filtrerar ut molekylermed en molekylvikt ned till 10 kDa (Saxena, 2009). Nackdelen med denna metod är blandannat att filtreringshastigheten är relativt långsam, vilket gör processen tidskrävande.


2.4 Rörsystem

Dead-legs definieras som delar av rören som inte är aktiva och där flödet är stillastående(Habib m. fl., 2005). I rörsystem utgörs dead-legs ofta av T-formande ventiler med tvåutlopp (Austen, 2005) eller förekommer i förgreningar ut från huvudslingan (Habib m. fl.,2005). För att avgöra hur mycket dead-legs förväntas kontaminera systemet, måste hän-syn tas till så väl flödet i huvudslingan som proportionen L:D, det vill säga längden uttill huvudslingan från ändan på det förgrenade röret, L, i förhållande till huvudslingansdiameter, D (se Figur 2, där L motsvarar längden på det förgrenade röret från mitten avhuvudslingan) (Austen, 2005).

6


I rörsystem kan exempelvis klorgas, vilket är ett vanligt kemiskt steriliseringsmedel, hasvårt att diffundera ned i dead-legs. Detta leder i sin tur till att mikrobiell tillväxt kan skeenklare i de delar av rörsystemet där dead-legs förekommer, vilket senare kan spridas uti hela systemet (Austen, 2005). Dessutom kan de kemikalier som når fram till dead-legsi systemet lätt ansamlas utan att avlägsnas från systemet. Dead-legs kan även orsakaproblem vid termisk sterilisering eftersom värmen som leds genom vattnet kan ha svårtatt komma hela vägen ut genom ett dead-leg varpå områden med lägre temperatur kanförekomma där mikroorganismer enklare växer till (Austen, 2005). För att undvika dettakan ytterligare steriliseringsåtgärder, exempelvis i form av hetvattenspolning krävas di-rekt i anslutning till aktuellt dead-leg.

Även i rörsystem med material som vanligtvis är relativt motståndskraftiga mot kor-rosion, är dead-legs med stillastående vatten eller vatten i låg hastighet, områden medförhöjd risk för korrosion (Habib m. fl., 2005).

För vattenvolymer större än 100 ml har US Food & Drug Administration (FDA) satt uppspecifika riktlinjer, så kallade Large volume parenterals (LVP:s) (FDA, 1982). En sådanriktlinje från 1982, men som fortfarande gäller i många system idag, är att dead-legs intefår förekomma med en längd på över sex gånger diametern på det ursprungliga röret,dvs L:D på över 6:1. Riktlinjen syftar till att stillastående ska undvikas i vattensystemet.Denna design på rörsystemet gäller då temperaturen på vattnet hålls över 75◦C (FDA,1993). Vid lägre temperaturer bör dead-legs undvikas helt, alternativt att steriliseringsker i direkt anslutning dessa. Många rörsystem idag konstrueras så att proportionen L:Där maximalt 2:1, vilket gör att stationärt vatten i förgreningarna undviks så länge flödeti huvudslingan är tillräckligt (ASME, 2013).

Från och med år 2016 har GE Healthcare börjat ställa strängare krav (Healthcare, 2016)vad det gäller dead-legs i sitt distributionssystem för PW. Kraven är definierade i före-tagets egna User Requirement Specification (URS) och berör samtliga ombyggnationer,tillbyggnader och byte av delar inom anläggningen i Boländerna i Uppsala. Gällandedead-legs bör dessa inte överstiga L:D på 3:1. Enbart om detta inte är möjligt i delar av

7

systemet tillåts dead-legs på längder upp till L:D 6:1. Ett sätt att undvika dead-legs ärgenom att montera in så kallade Zero Dead Leg (ZDL-ventiler). Ventilen har som funktionatt, då en fabrik inte tar emot PW, hindra vattenflödet från att flöda ut i det förgrenaderöret (om detta utgör ett dead-leg) i anslutning till fabriken.

Materialet på rörsystemet har stor betydelse för de bakteriella förutsättningarna. Rör iplast har exempelvis större chans att ackumulera biofilm, än exempelvis rostfritt stål ochkoppar (Zhang m. fl., 2017). Studier av ett antal vanligt förekommande material i rörsy-stem, utförda av Zhang m. fl. (2017), har visat på färre arter av bakterier hos rör i rostfrittstål än både segjärn (DI) och polyeten (PE, det vill säga en sorts plast), (EncyclopaediaBritannica, 2013)). Undantag gäller dock den gramnegativa proteobakterien Acidovorax(Marin, 2011), vilken uppmätts i studier av (Zhang m. fl., 2017) till halter på flera gångerstörre i rör av rostfritt stål jämfört med rör av DI och PE. En följdeffekt av de högrehalterna av bakterien Acidovorax är ökad risk för korrosion av rören (Zhang m. fl., 2017).

För att öka resistensen mot korrosion hos det rostfria stålet kan stål med en andel mo-lybdenum användas (Percival, 1999). Exempelvis är rostfritt stål av grad 316, med 2%molybden (United Performande Metals, 2017) mer motståndsbenäget mot korrosion ängrad 304. Grad 316 finns vidare i varianten 316L, vilken innehåller en lägre halt kol vilketstärker resistensen mot korrosion ytterligare och höjer materialets brottsgräns. Plaster äröverlag betydligt mer känsliga mot oxiderande ämnen än rostfritt stål, men graden avresistens kan variera mellan olika sorters plast (Lindam, 2017). Nitril (Lindam, 2017) ärexempelvis mycket känsligt mot oxiderande ämnen, medan flourpolymererna polyvinyli-denfluorid, PVDF, teflon och viton är betydligt mer motståndsbenägna även mot starktoxiderande ämnen (Harrison m. fl., 2012).

Mikroorganismer ackumuleras enklare på ojämna ytor hos rören (FDA, 1993). Rostfrittstål kan poleras för att undvika dessa ojämnheter och därmed minska risken för bakterielltillväxt (Austen, 2005). Ventiler är ytterligare en källa till mikrobiell tillväxt i rörsystemet(Linder, 2017). I rörsystem är i regel rören hopsvetsade eller hopmonterade med så kalla-de Sanitary fittings, vilket innebär hygieniska kopplingar i sekvenser där rören övergår itankar eller ventiler. Sanitary fittings är lätt att göra rent och har till skillnad från gängoringa skåror där mikroorganismer enkelt kan fastna (Austen, 2005).

I GE Healthcares anläggning i Boländerna finns 5 tankar, vilka alla är sammankoppla-de med varandra och har en total volym på 230 m3 (Karlsson, 2017). Enligt GE:s URSfrån 2016 finns även riktlinjer över krav på att samtliga tankar är vakuumklassade samtdessutom försedda med spraybollar, vars syfte är att hela tanken genomsköljs av det inne-varande vattnet (Healthcare, 2016). Detta underlättar för sterilisering av hela tankytorna.

2.5 Rouge

Rouge-bildning är ett fenomen som är vanligt förekommande inom branscher där PW pro-duceras, till exempel inom den farmaceutiska industrin (Mathiesen och Frantsen, 2007).Rouge-bildning innebär att det ansamlas en röd-brun järnbeläggning (järnoxid) på insidanav förvaringstankarna och distributionssystemet av rostfritt stål, i vilket varmt (>60 ◦C)

8

WFI flödar. Utöver distributionssystemen och tankarna bildas rouge även i destillatorer-na. Rouge-bildningen tenderar dock att var kraftigare vid destillatorerna på grund av dehöga temperaturerna som råder här. Eftersom rougen är uppbyggd av små partiklar kande i viss mån följa med vattenflödet och ge upphov till ett homogent lager av rouge i heladistributionssystemet (Mathiesen och Frantsen, 2007) (Roll och Kilkeary, 2001). Huruvi-da ett WFI system behöver ”avrougas” beror på hur mycket rouge som finns för tillfälletoch hur snabbt denna tillväxer, något som kan variera kraftigt mellan olika anläggningar.På vissa anläggningar kan en rougebeläggning bildas på ett par månader medan det kanta uppemot ett par år på andra anläggningar. Orsaken till denna höga variation är ännuoklar och ytterligare studier behövs inom detta område. Avlägsnande av rouge är någotsom förekommer på många farmaceutiska industrier. Vanligtvis används olika typer av sy-ror, så som citronsyra, fosforsyra eller oxalsyra beroende på hur hårt systemet är drabbat(Mathiesen och Frantsen, 2007).

9

3 MetodProjektet genomfördes som en litteraturstudie. I första hand analyserades vetenskapligaartiklar, men som komplement användes specifikation om olika produkter från tekniskaföretag för att undersöka möjligheter till implementering i GE Healthcares egna anlägg-ning. En bedömning över relevansen hos samtliga källor gjordes. Experter inom branschenkontaktades via mejl och telefon då den information som fanns tillgänglig på internet ochi bibliotek var bristfällig.

Under första arbetsveckan genomfördes en pilotsökning av databaserna Scopus, Web ofScience, SpringerLink, Science direct, PubMed Central, Nationalencyklopedin. Detta ge-nomfördes för att få en överblick av forskningsläget inom det undersökta området. Dennainledande pilotsökning medförde att sökord och söktekniker kunde raffineras inför fram-tida sökningar. Under pilotsökningen låg fokus på träffsäkerheten istället för selektivitet,för att på så vis fånga in så många relevanta referenser som möjligt.

Samtliga av de databaser som undersöktes i pilotsökningen visades vara intressanta för atterhålla relevanta referenser. Litteratur har sökts från olika källor för att undvika publika-tionsbias. Vid databassökningarna användes ett stort antal ämnesspecifika sökord i olikakonstellationer, för relevanta sökord (se Tabell 10 i Appendix). Olika sökoperatorer så somAND, OR och ∗ användes för att öka träffsäkerheten i sökningarna. Sökoperatorn ANDanvändes för att skapa kombinationer av olika sökord, OR möjliggör för träffar inom samt-liga sökord och ∗ användes för att söka referenser med en ordstam vars ändelse kan variera.

Ytterligare kompletterande sökningar, utöver de elektroniska databaserna, utfördes påGoogle Scholar. Även referenslistor och ledande forskares publiceringar genomsöktes re-spektive söktes. Forskares vars namn återkom på flera artiklar samt forskare vars artiklarvar mycket citerade kontaktades via mejl. Muntlig information har framförallt erhållitsfrån GE Healthcares tekniker, andra relevanta företag samt experter inom vattensystemoch ozonsterilisering. Med GE:s tekniker hölls två möten där specifik information om an-läggningen erhölls, GE rekommenderade även en konsult, Anders Widov, välkänd inomozonrening samt med insikt i GE:s anläggning, vilken kontaktades via ”skype”. Även dettamed syfte att erhålla anläggningsspecifik information samt expertutlåtanden om ozonre-ningsteknik i helhet. Från Anders erhölls ytterligare kontaktinformation till bland annatNissan Cohen, expert inom ozonrening på PW-system, och Phil Sumner, manager på Phi-zer Global engenering.

Studier som direkt inkluderats och således genomgick vidare granskning var studier somberörde sterilisering av distributionssystem. Utöver detta inkluderades även studier somkunde ge en helhetsbeskrivande bild av de problem som GE Healthcare kan tänkas ståinför vid implementering av diverse steriliseringstekniker. Samtidigt exkluderades studi-er om de föll sig vara skrivna på annat språk än svenska eller engelska. Ytterligare enaspekt för exkludering var om studierna märkbart beskrev föråldrade tekniker, det villsäga tekniker inom områden där utvecklingen varit omfattande. Slutligen exkluderadesstudier med nya obeprövade tekniker, vars samhällsimplementering inte är aktuell inomen snar framtid.

10



Ytterligare faktorer som undersöktes var behov av tillsatser av kemikalier och eventuellarestprodukter, detta eftersom inga kemiska tillsatser får finnas kvar i slutprodukten, samtom metoden riskerar att slita på ledningarna i rörsystemen. Hos den teknik som bedömdesuppfylla ovanstående kriterier bäst, uppskattades dessutom energi- och vattenåtgång såväl som tillgängligheten på marknaden.


Fördjupningen av den valda metoden genomfördes också primärt som en litteraturstudie.Större fokus lades dessutom på att komma i kontakt med företag som installerat tekni-ken på motsvarande anläggningar som GE:s. Denna fördjupning innebar att den utvaldatekniken granskades djupare utifrån ett flertal aspekter såsom teknikens steriliserandeegenskaper, vilka typer av tekniska moduler som kan bli aktuellt vid implementering,hur steriliseringsmetoden i fråga opererar på liknande anläggningar samt vilka för- ochnackdelar som finns ur hälso- och säkerhetsaspekter.

11



En metod för att sterilisera distributionssystem från endotoxin och biofilm är genom attvärma upp vatten till över 75◦C (Sandle, 2013). Denna temperatur måste bibehållas för attmikrobiell tillväxt inte ska ske. Vid lägre temperaturer krävs hetvattenspolning under enlängre tid för att eliminera de nödvändiga halterna med mikroorganismer. Ur energisyn-punkt är exempelvis en hetvattenspolning med temperaturen 80◦C mer energieffektiv äntemperaturen 60◦C (Atila, 2016). Om temperaturen understiger 50◦C får temperaturök-ningen av vattnet omvänd effekt och halten endotoxin kan komma att öka (Forssblad ochAnnadotter, 2008).

Uppvärmningen av vattnet liksom nedkylningen till 20◦C, vilket är en vanlig temperaturpå vattnet vid produktionsanläggningar, är dock mycket energikrävande. Utifrån vattnetsspecifika värmekapacitet kan energiåtgången för en uppvärmning från 20◦C till 80◦C be-räknas till 70 kWh (se Appendix 8.3). Till själva nedkylningen åtgår för farmaceutiskasystem flera liter dricksvatten för varje liter producerat rent vatten (Wall, 2017), vilketmedför stora driftkostnader. Dessutom medför uppvärmningen tillsammans med nedkyl-ningen, en sammantaget lång steriliseringscykel på många timmar (Harrison m. fl., 2012).


4.2 Ultrafiltrering


Membranen som används till ultrafiltreringen kan antingen bestå av spiralvridna skivoreller av tätt sittande ihåliga fibrer (se Figur 3 (Collentro, 2016). De ihåliga fibrerna kanvara gjorda av olika material vilket har betydelse för dess permeabilitet. En hög permea-bilitet hos membranet effektiviserar i sin tur den i övrigt långsamma filtreringsprocessen.Genom att den totala kontaktytan hos membranen är tio gånger så stor hos de ihåligafibrerna jämfört med de spiralvridna membranen är dessa effektivare ur reningssynpunkt(Toyobo, 2017). En fördel med denna spiralvridna ultrafiltrering är dock att membranenär relativt enkla att byta ut (Dow, 2017).

12


En nackdel med samtliga metoder som innefattar filter är partiklar fastar membranytanvarpå rengöring krävs med jämna mellanrum. Ett sätt att rengöra membranet är genomså kallad dead end procedur vilket innebär att man låter vatten snabbt flöda genom mem-branet i motsatt riktning och rensa bort partiklarna som fastnat (WET GmbH, 2005).Nackdelen är att driftsystemet måste stoppas under rengöringen (WET GmbH, 2005).För att undvika produktionsstopp kan istället den så kallade cross flow proceduren an-vändas. Metoden går ut på att en stor del av vattnet leds runt längs med membranet ien krets. En del av detta vatten går igenom membranet och det resterande vattnet följermed ut som avloppsvatten (WET GmbH, 2005). Nackdelen med processen är att denkräver mer energi jämfört med dead end proceduren. Oavsett hur ultrafiltret dimensio-neras verkar det lokalt genom att rena bort mikrober och endotoxin på en specifik plats.Efter vattnets passage genom membranet kommer all eventuell förorening att stanna kvari systemet, varpå en mikrobiellt tillväxt kan ske (Knops, 2017). För att använda ultrafil-treringen som steriliseringsmetod i distributionssystemet krävs ytterligare behandlingarsom hetvattenspolning eller tillsatser av olika kemikalier (Madaeni och Sharifnia, 2000).

4.3 Klor

Klor, Cl, hör till halogenerna i det periodiska systemet (Eldnig och Stenberg, 2017).Klor är mycket reaktivt och oxiderande vilket gör ämnet användbart till bland annatdricksvattendesinfektionNär klor alternativt aktiva klorföreningar används för desinfektion av vatten kallas detklorering. Dessa klor-ämnen har då till uppgift att åstadkomma en mikrobiell rening avvatten alternativt för att oxidera olika vattenkontaminationer så att de lättare kan av-skiljas (Eldnig och Stenberg, 2017). Inom klorering är det vanligt att använda sig avklorgas, vilket i vattnet ger upphov till en jämvikt mellan föreningarna underklorsyrlig-het, HClO, och hypokloritjoner, ClO−. Användning av klorgas kan dock få icke önskvärdaeffekter om vattnet innehåller relativt höga halter av organiskt material, till exempel kanhälsofarliga organiska klorföreningar bildas. Detta kan motverkas genom att använda sigav klordioxid, ClO2 (Eldnig och Stenberg, 2017). Fördelen med att använda klordioxidär att den är miljövänlig relativt klor, samtidigt som den fortfarande är mycket effektivmot mikroorganismer. Utöver rening av vatten används klordioxid även till sterilisering

13

av medicinsk apparatur, laboratorieutrustning samt för att sanera renrum.Viktiga fak-torer som avgör klordioxidens steriliserade förmåga, vilka varierar beroende på vad somska steriliseras och hur kontaminerade de är, är koncentration, kontakttid och ytmaterial.I allmänhet verkar koldioxiden effektivt på rostfritt stål, papper och epoxy (Sandle, 2013).

Klordioxid kan genereras genom att blanda klorgas med natriumklorit. Gasen får då enklorlik odör och en grön-gul färg, vilket gör läckage lätta att detektera med såväl luktsom UV-spektrofotometrar. Då gasen inte är tillräckligt stabil för att tillverkas och trans-porteras till en anläggning, genereras gasen direkt på anläggningen. Gasens instabilitettillsammans med dess hälsofarliga och explosiva effekter har gjort den mindre populärför storskaligt industriellt bruk (Sandle, 2013). Ytterligare nackdelar uppstår då gasenavses användas för sterilisering av PW-distributionssystem, detta eftersom rester av ga-sen måste spolas ur systemet innan ytterligare distribution av PW kan förekomma, vilketresulterar i produktionsstopp.


Ozon, O3 är en naturligt förekommande gas som bland annat finns i stratosfären. Ozon ären instabil molekyl bestående av tre syreatomer som strävar till att återgå till syrgas, O2.Den instabila egenskapen gör ozon till ett starkt oxiderande ämne ca 20 gånger starkareän klorgas (Stucki m. fl., 2005). Oxidationsegenskaperna hos ozonet gör den till ett väl-digt starkt steriliserande ämne som angriper både bakterier och endotoxin (Viera m. fl.,1999). Utöver att angripa biofilm, bakterier och andra levande organismer, påverkar ävenozonsterilisering mängden löst kol i vattnet (Florjanič och Kristl, 2006). Ozon sönderfallertill syre med en halveringstid på ungefär 20 minuter i PW (Stucki m. fl., 2005). En endarätt dimensionerad ozongenerator har kapaciteten att sterilisera distributionssystem förPW på uppemot 900 m (Widov, 2017). För riktigt storskaliga system kan enkelt ytterli-gare generatorer installeras längs med rören.


Ozon är en korroderar och sätter vissa krav på materialvalet i vattensystemet. Rostfrittstål är ett av de mest korrosionsbeständiga materialen mot ozon (Cohen, 2013). Ozon ärskadligt för människan vid halter över 2 ppm (Ozonetech, 2017). De halter som finns iPW-system varierar oftast mellan 20 till 50 ppb (Harrison m. fl., 2012).

4.5 Urval

I tabell 1 sammanställdes hur väl de olika metoderan för sterilisering av PW uppfyllerkriterier på inget produktionsstopp, möjlighet till implementering, hög reningseffektivitet

14

av distributionssystemet samt låg kostnad. Dessutom togs eventuella övriga faktorer, somkunde bidra till urvalet, upp för respektive metod.


Fördelar NackdelarHetvattenspolning • Inga kemikalier • Hög underhållskostnad


Ultrafiltrering • Inga kemikalier• Relativt låg kostnad

• Produktionsstopp• Låg reningseffektivitet av dis-






Hetvattenspolning är den metoden som GE använder idag och har lett till höga under-hållskostnader samt en enorm förbrukning av kylvatten i form av dricksvatten (Wall,2017). Ultrafiltrering har ingen sanerande effekt på hela rörsystemet och fungerar i stortsett som ett hinder för mikroorganismer att ta sig från punkt A till punkt B (Cheryan,1998) och är därmed inte en helhetslösning. Klor är generellt en väldigt opassande me-tod för PW-system då det kräver produktionsstopp, svårhanterliga kemikalier (Eldnig ochStenberg, 2017) samt en risk för överblivna kemikalier i systemet (Sandle, 2013). Ozonste-rilisering har krav på design, materialval och ozondestruktorer men uppfyller alla andrabehov (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozon anses både effektivt, billigt, lätthanterligtoch är den metod utöver hetvattenspolning som storskaligt används i PW system (Widov,2017).



Ozon bildas i stratosfären när syrgas träffas av UV-strålning med en våglängd på 185nmeller mindre, syrgasmolekylen delas upp i två fria syreatomer som i sin tur åter kan reageramed syrgas (Sivasakthivel och Reddy, 2011). Reaktionen kallas för fotolys, se ekvation 1.

O3 + UV 185 → O +O2 → O3 (1)

I stratosfären, förekommer ozonet naturligt i det så kallade ozonskiktet, där koncentratio-nen är mycket högre än andra delar av atmosfären, ca 10 ppm (Sivasakthivel och Reddy,2011). Ozonskiktet skyddar livet på jorden från skadlig ultraviolett strålning från solen.Ca 90% av jordens totala ozonförråd befinner sig i ozonskiktet. Nedbrytning av ozon iozonskiktet är en naturlig process. Ozonet reagerar med solljus samt olika föreningar av

15

kväve, klor och väte. Alla dessa föreningar förekommer naturligt i atmosfären i låga kon-centrationer. Nedbrytningen och bildningen av ozon är i jämvikt en oförorenad atmosfär.Till följd av ökat utsläpp av kväve, klor och väteföreningar stimuleras nedbrytningen avozon vilket kan leda till en minskning av ozonskiktet (Sivasakthivel och Reddy, 2011).


I och med att ozon är en gas reverserar den till ett mer stabilt tillstånd som syrgas. Föratt ozon ska återgå till syrgas behöver det reagera med ett annat ämne. Ozon klassas somen oxidationsmedel (Cohen, 2013) och kan förbrukas direkt via oxidering av organisktmaterial eller brytas ned i en kedjereaktion som även leder till bildandet av bl.a hydroxyl-radikaler, OH•. Hydroxylradikaler är starkare oxiderare än ozon. Många studier har gjortsöver hur ozon naturligt sönderfaller när det är löst i vatten, men en universellt accepteradreaktionsformel finns inte (Gardoni m. fl., 2012). Hur stabilt ozon löst i vatten är beror påflera faktorer som pH, temperatur, andelen hydroxylradikaler, alkalinitet, ozonkoncentra-tion och andra tillgängliga ämnen. En uppdaterad kedjereaktionsformel, gjordes 2012 avGardoni (Gardoni m. fl., 2012), enligt ekvation 2 - 10. Gardonis kedjereaktion inleds medekvation 2 och 3, vilket motsvarar det primära sönderfallet av ozonet.

O3 +OH− → O2 +HO−2 (2)

O3 +HO−2 → HO−

5 (3)

Existensen av jonen HO−5 har ej bevisats experimentellt men anses vara en viktig kortlivad

intermediär i kedjereaktionen och reagerar snabbt vidare i ekvation 4 och 5. Benämningen• innebär att det är en radikal. En radikal är mer reaktiv än en vanlig molekyl då den haren oparad elektron i sin yttersta orbital. Under reaktionens gång bildas en mängd andraradikaler och intermediärer som snabbt förbrukas enligt ekvationerna 6 - 10.

HO−5 ↔ HO•

2 +O•−3 (4)

HO−5 → 2O2 +OH− (5)

HO•2 ↔ O•−

2 +H+ (6)

O•−2 +O3 → O•−

3 +O2 (7)

O•−3 ↔ O•− +O2 (8)

O•− +H2O ↔ OH• +OH− (9)

16

OH• +O3 → O2 +HO•2 (10)


aktionen börja om (ekvation 6). I kedjereaktionen är ekvation 4 den tidsbegränsandereaktionen. Ämnen som direkt kan reagera med ozon för att starta kedjereaktion kallasinitierare. I rent vatten är hydroxidjoner, OH− den enda kända initieraren. Man kan till-sätta andra ämnen som väteperoxid, H2O2 eller använda UV-stålning för att påskyndakedjereaktionen som bryter ned ozon (Gardoni m. fl., 2012).

Ozon har olika halveringstid beroende på om det förekommer i luften eller löst i vatten.Då ozon tillsätts till vatten förbrukas det generellt i två steg. Beroende på vattnets kva-lité förbrukas först en del av ozonet väldigt snabbt följt av ett långsammare sönderfall(Park m. fl., 2001). Det första steget då ozonet snabbt förbrukas kallas instantaneous ozo-ne demand, ID. ID mäts genom att beräkna skillnaden på ozonkoncentrationen ett parsekunder efter tillsatsen av ozon och enheten är mg/l. I ett experiment utfört av Park(2001) bestämde man ID i vatten med olika halter av organiskt material, TOC och komfram till att värdet på ID ökade då TOC ökade. De kunde däremot inte fastställa attvärdet på ID och TOC hade ett linjärt samband vilket innebär att det sannolikt finns flerparametrar som påverkar vattnets ID. Staehlin och Hoigné’s (Park m. fl., 2001) beskrevozonets nedbrytning med ekvation 11.

−d[O3]


kp[TOCp]

ks[TOCs])}[O3] (11)



Vattnets temperatur påverkar också nedbrytningen av ozon. I varmt vatten bryts ozonned snabbare än i kallt vatten. Steriliseringskapaciteten från ozon reduceras betydandevid högre temperatur (Elovitz m. fl., 2000). Vattnets pH ger även effekt på nedbrytning-en, högre pH värden ger snabbare nedbrytning av ozon. Högre pH i vattnet medför attozonet blir mer reaktivt med deprotonerade syror och fenoler i det organiska materialeti vattnet vilket resulterar i högre omsättning av ozon. Effekten av pH värdet är därmed

17

beroende av mängden av organiskt material i vattnet. Bildningen av intermediärer i ked-jereaktionen (se ekvation 3) gynnas vid högre pH och leder till högre konsumption av ozon.

Vattnets alkalinitet, även kallat buffertförmåga har också påverkan på ozonets nedbryt-ning. Bikarbonat, HCO−

3 och karbonat, CO2−3 fungerar som hämmare i kedjereaktionen

(se ekvation 3). Som hämmare terminerar de OH• som vidare hindrar bildningen av su-peroxid, O•−

2 som ingår i ozonnedbrytningens kedjereaktion (Elovitz m. fl., 2000).


Ozon har visat sig ha god effekt att inaktivera endotoxin i vatten. Framförallt gramnega-tiva bakterier är särskilt känsliga för ozon i jämförelse med grampositiva bakterier (Moorem. fl., 2000). I PW-system är de grampositiva bakterierna i allmänhet ytterst sällsynta(Sandle, 2015).


Figur 4 visar resultatet av en studie som gjordes i samband med implementeringen av ozoni industriområdet i Frankfurt, Tyskland via företaget Infraserv Höchst år 2005 (Stuckim. fl., 2005). Efter implementeringen visade studien att en ozon-koncentration lägre än0.02 mg/l räckte för att sanera vattensystemet. Försöket i Figur 4 behandlar även dengramnegativa bakterien Pseudomonas aeruginosa som är en av de vanligaste bakteriernai PW-system (Sandle, 2015) (Kulakov m. fl., 2002).


18


Ozon är en instabil molekyl och har en halveringstid på cirka 20 minuter i PW (Cohen,2013). Trots detta kan det vara viktigt att säkerställa att allt kvarvarande ozon som intehunnit sönderfalla under distributionstiden snabbt förstörs innan slutprodukten är klarför leverans. Huruvida ozonet helt måste avlägsnas beror på användningsområdet för detPW som produceras. Avlägsnandet kan göras med hjälp av UV-ljus med våglängden 254nm (Cohen, 2013), vilket motsvarar ozonets absorptionsmaximum (Harrison m. fl., 2012).UV-ljuset bryter bindningen mellan syreatomerna i ozonmolekylen vilket resulterar i attsyrgas och en fri syreatom bildas. Detta sker enligt reaktionsformeln i ekvation 12.

O3 + UV254 → O +O2 (12)





(13)

där UV-intensiteten motsvarar medelintensiteten av UV-strålningen som detekteras inne istrålningskärlet, Vkärl beskriver volymen av strålningskärlet och Q anger flödeshastighetengenom strålningskärlet. Transmittansen, som är en materialegenskap och beskriver vatt-nets genomskinlighet, erhålls genom spektrometriska undersökningar av vattnet i fråga.Summerfelt m.fl. (2004) bestämdes transmittansen av vattnet till 90%.


dC

dt= −kC (14)


C = C0e−kt (15)


a = 0.0343 b = 6.34·10−4 m = 2


C = C0e−(a+bIm)·t (16)

19


t =ln(C/C0)

−(a+ bIm)(17)


Vidare undersökningar utförda av Summerfelt m.fl. (2004) har visat att 100% av ozonetförsvinner vid strålning med 49.3 +/- 0.6 mW s/cm2 UV-ljus, om den ursprungliga haltenozon är som högst 0.1 mg/L samt bestrålas under 3.3 sekunder. För halter av ozon upptill 0.3 mg/L krävs en strålning med UV-ljus som ungefär motsvarar den dubbla effekten.Dessa värden är uppmätta för vatten med temperaturer mellan 13 - 15 ◦C. Vid högre tem-peraturer på vattnet blir övergången från ozon till syrgas ännu mer effektiv, vilket medandra ord kräver en lägre effekt på det tillförda UV-ljuset. Åter igen gäller Summerfeltsresultat för vatten som är mer kontaminerat än PW.

Vid UV-bestrålning av vatten innehållandes ozon, finns det risk att väteperoxid, H2O2

bildas (Sörensen m. fl., 2016, Harrison m. fl., 2012) då den fria syreatomen som bildas iekvation 12 reagerar med en vattenmolekyl. Väteperoxid är den enklaste varianten avperoxid och består av två väte- och två syreatomer. Likt ozon är även denna kemikalie ettstarkt oxidationsmedel. Studier från ett pilotförsök (Stucki m. fl., 2005), som producerarPW, har dock visat att den producerade väteperoxiden inte utgör något problem eftersomhalterna i allmänhet är under detektionsgränsen. En förenklad reaktionen av den som skerdå väteperoxid bildas sker enligt följande steg (Harrison m. fl., 2012):

O3 +H2O + UV254 → H2O2 +O2 (18)


H2O2 + UV254 → 2OH• (19)

H2O2 +OH• → H2O +HO•2 (20)

2HO•2 +H2O2 → 2O2 + 2H2O (21)

En UV-anläggning består i stora drag av en UV-kammare i vilket det ozonhaltiga vatt-net flödar genom. I UV-kammaren finns en eller flera lampor placerade i kvartsrör, somskyddar lamporna från vattnet. I kammarväggarna finns UV-sensorer som mäter ljusin-tensiteten (Eriksson, 2009). Bland UV-lampor väljs vanligtvis så kallade lågtryckslampor,

20

där den ultravioletta strålningen i princip endast avger ljus i våglängden 254 nm. I jäm-förelse finns de så kallade medeltryckslamporna vilka har en högre intensitet men avgerljus i ett bredare spektrum av våglängder (Eriksson, 2009). Generellt gäller att lågtryck-slampor omvandlar 35% av energin till ljus i den önskvärda våglängdsområdet vilket kanjämföras med 15% för medeltryckslamporna. Utöver detta har lågtryckslampor en längrelivslängd än till exempel medeltryckslampor (Eriksson, 2009). I farmaceutiska vattensy-stem är lågtryckslampor att föredra, detta eftersom vattnet är rent (har låg koncentrationav fasta ämnen) samt att ozonkoncentrationen ligger mellan 0,2 ppm till 0,5 ppm då detnår UV-anläggningen (Harrison m. fl., 2012).

Vid drift och underhåll är det framförallt viktigt att övervaka att UV-dosen håller önsk-värd intensitet. Detta kan göras genom att mäta UV-intensiteten med de sensorer somfinns placerade i UV-kamrarna i kombination med ekvation 13. UV-lamporna bör bytasvar tolfte månad (Harrison m. fl., 2012). Faktorer som påverkar lampans livslängd är tem-peratur, hur ofta lampan stängs av och på och vattenflödet genom strålningskammaren.Om temperaturen i strålningskammaren inte håller leverantörens riktlinjer kan lampanshållbarhet minskas drastiskt. Temperaturen påverkas i sin tur vattenflödet som såledesblir en indirekt faktor på lampans livslängd(Harrison m. fl., 2012). Om distributionssy-stemet tenderar att bilda rougebeläggning behövs regelbunden rengöring av kvartsrören.Som tidigare nämnts varierar rougebildning mycket mellan olika anläggningar, såledeskommer även behovet av rengöring att variera. Rengöring av kvartsrören är dock intealltid nödvändig för anläggningar som hanterar rent vatten (Harrison m. fl., 2012).


Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt i mätbara nivåer, underdess sönderfall eller under dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts istor utsträckning för sterilisering, sanering och rengöring. Då ozon är en instabil molekylsom snabbt sönderfaller måste ozonet produceras i direkt anslutning till det system den äravsedd att användas i (Gottschalk m. fl., 2010). Genom att tillsätta någon form av ener-gikälla kan ozon produceras från luft, syrgas och direkt från vatten. Då luft alternativtren syrgas används för att producera ozon är energikällans uppgift att dela upp syrgasmo-lekylen i två stycken fria syreatomer. Dessa syreatomer reagerar sedan vidare med andrasyrgasmolekyler och bildar på så vis ozon. Om vatten istället används som primär källaför ozonproduktion, får den tillförda energin till uppgift att slå loss syreatomen från vat-tenmolekylerna, varpå syreatomerna sedan kan reagera och bilda ozon (Gottschalk m. fl.,2010).Ozon har god löslighet i vatten och kan lämpligtvis injiceras med hjälp av en venturi-injektor (Lindam, 2017). Det är viktigt att effektiviteten på systemet som används för attinjicera ozon i vattnet är hög, då ozonets nedbrytning kan vara väldigt snabb beroendepå vattnets innehåll, vilket kan leda till en lägre än önskad koncentration.


21


Koronaurladdning, CD (Corona Discharge, även kallat dielectric barrier discharge) är denmest använda metoden bland farmaceutiska företag i USA för att producera ozon somsedermera löses i vattnet. Teknikerna hur en koronagenerator fungerar varierar mycketberoende på mängden ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras. Grundtek-niken är dock i princip densamma och bygger på att luft alternativt ren syrgas pressasförbi två elektriskt laddade plattor som tillsammans genererar ett elektriskt fält, där fältetorsakar en separation av syremolekyler varpå ozon bildas. Då luft används som mediumbildar cirka 2% av syret i luften ozon, vilken sedan löses i vattnet med någon typ avblandare (Cohen, 2013).

Vid produktion av ozon enligt denna princip åtgår 25% av den tillförda energin till attproducera ozon, medan resterande bildar värme (Gottschalk m. fl., 2010). Detta är någotsom har blivit ett problem då ozon sönderfaller snabbare under förhöjda temperaturer.Lösningen har blivit att installera effektiva kylsystem som håller temperaturen nere på5-10◦C. Små generatorer är luftkylda medan de större är vattenkylda.

Fördelen med denna metod är att den överlag kan generera högre koncentrationer av ozonän generatorer med elektrolys av vatten. Det finns dock risker vid användande av luft somkälla till ozon (Cohen, 2013). Luft innehåller andra gaser, till exempel kvävgas som efterpassagen genom de elektriska plattorna kan orsaka bildning av kväveoxider (Gottschalkm. fl., 2010). Dessa kväveoxider är bland annat mycket toxiska och cancerogena. Utöverdetta ställer metoden även krav på att luften som tillförs ska vara torr, för att undvikabildning av salpetersyra, HNO3, vilket kan uppnås genom att installera en lufttorkare. Ivissa generatorer finns denna redan installerad.



Ozon kan även bildas direkt från PW, genom metoder som fått samlingsnamnet ”elektroly-tiska metoder”. Vid dessa metoder används en spänning som läggs över ett par elektrodersom tillsammans formar en cell (Cohen, 2013). I cellen delas vattnet upp i väte och syre,som sedermera bildar vätgas, syrgas samt ozon (Gottschalk m. fl., 2010). Alternativt bil-das ozon direkt från det syre som redan finns löst i vattnet. En cell kan producera mellan0,05 - 4 g/h av ozon, beroende på temperatur, spänning och strömstyrka (Gottschalkm. fl., 2010). Cellens effektivitet ökar med ökad ström och spänning samt med minskad

22

temperatur. Detta innebär att likt metoder som bygger på koronaprincipen behövs ävenhär ett kylsystem, något som kan upprätthållas med ett högt vattenflöde genom cellen.

Det finns en typ av cell som betår av bland annat ett protonbytarmembran kallat PEM(proton exchange membran), och har därmed fått namnet PEM-cell. Denna cell har ut-nyttjats med gott resultat i ett pilotprojekt i Tyskland där ozon använts för att skydda detrenade vattnet mot mikrobiologisk kontamination (Stucki m. fl., 2005). Cellen utmärkersig genom en blydioxid-anod som klarar att bära mycket höga laddningar samt att denär mycket motståndskraftig mot korrosion då elektroderna integreras med ett PEM. Enförutsättning för att anoden ska motstå korrosion är att det inte finns några fria anjoneri det använda mediet. Cellen bör alltså användas i vatten som är renat med avseende påfria joner. Vanligt för denna typ av cell är ett mycket litet avstånd mellan katod och anodsom inte är mer än 100 - 200 µm. Det korta avståndet leder till minskad elektrisk resistansoch därmed kan höga laddningar passera.


Fördelarna med denna metod är att det inte bildas några biprodukter i form av kväveox-ider, vilket kan vara fallet för koronaurladdningsmetoder, samt att ingen extern tillförselav vare sig luft eller syrgas krävs (Stucki m. fl., 2005). Det behövs inte heller någon ex-tern blandare för att lösa ozonet i vattnet. Nackdelen är att processen är energikrävande.Generellt sett är metoder som bygger på elektrolys av PW ungefär tio gånger så energikrä-vande som metoder baserade på principen koronaurladdning (Cohen, 2013). Den specifikaenergiförbrukningen har uppmätts till 200kWh/kg ozon (Gottschalk m. fl., 2010).

5.5 Säkerhet


Studier om ozonexponering som gjorts på djur har visat att en exponering för en haltöver 10-20 ppm under en timme eller kortare tid kan vara dödligt för människor (Ozone-tech, 2017). Trots detta har inte ett enda dödsfall konstaterats bero på ozonexponering(Ozonetech, 2017). Det finns nationella riktlinjer för exponering av ozon bestämda av ar-betsmiljöverket. Vid korttidsexponering av ozon är gränsvärdet 0,3 ppm och mäts under

23

ett 15 minuters intervall. Vid längre tids exponering är gränsen 0,1 ppm och mäts underett åtta timmars intervall (Arbetsmiljöverket, 2015). Dessa gränsvärden är framtagna föratt eliminera risken för långvariga besvär i samband med ozonexponering. Ozonsterilise-ring i vatten är generellt relativt riskfritt på grund av de låga koncentrationer av ozonsom används (Stucki m. fl., 2005). Det finns ändå faktorer som bör tas hänsyn till föratt produktionen ska kunna ske på ett riskfritt och effektivt sätt samt att det finns enåtgärdsplan ifall olyckan är framme, exempelvis i form av läckage av ozon.





I och ozonets starkt oxiderande egenskaper, ställs höga krav på att materialet i distri-butionssystemet är motståndskraftig mot korrosion. Det rekommenderas vanligen att ma-terialet består av den mest tåliga typen av rostfritt stål, 316L (Harrison m. fl., 2012),vilken enligt ISPE definieras ha obegränsad livslängd tillsammans med ozon. I distribu-tionssystemet är utöver det rostfria stålet vissa komponenter ofta bestående av någonsorts polymer. En viktig aspekt är att olika polymerer har olika resistens mot ozon. Gene-rellt sett är flourpolymerer resistenta mot ozon, och exempelvis är PVDF applicerbart irörsystem där ozonsterilisering förekommer (Harrison m. fl., 2012). Ytterligare ett exempelpå en flourpolymer som är vanligt förekommande i distributionssystem för ozonvatten ärteflon, ofta i form av ventiler och luftfilter på förvaringstankarna. I allmänhet är luftfilterbyggda för system med höga temperaturer mer tåliga mot ozon, jämfört med luftfilter en-

24

bart anpassade för kalla system (Harrison m. fl., 2012). Teflon kan dessutom förekomma iform av packning i rörsystemet, men bör undvikas specifikt för kuvertformade packningari kalla distributionssystem. Bättre ozonresistenta alternativ är viton och etenpropendien-monomer, EPDM, vilket är ett sorts gummimaterial.


5.6.2 Ozondosering

Beräkningarna för dimensioneringen av ozongeneratorer varierar för olika system. Dimen-sioneringen beror på hur effektivt det producerade ozonet löses i vattnet, storleken påförvaringstankar och ledningar, samt flödeshastigheter och tryck. Tillräckligt med ozonmåste produceras för att hela systemet ska steriliseras. Därför är det viktigt att ta hänsyntill alla flöden i beräkningarna inkluderat eventuella kompensationsflöden samt återcir-kulationsflöden (Harrison m. fl., 2012).

De vanligaste ozonkoncentrationerna som används i PW-system i tankar och distributions-system varierar mellan 20-50 ppb (Harrison m. fl., 2012) (Stucki m. fl., 2005). Vissa systemhar visat effektiv sterilisering vid koncentratitioner mindre än 20 ppb. En expert(Widov,2017) inom PW-system vittnar om önskvärd sterilisering vid bara 0.4-0.5 ppb i ett distri-butionssystem för PW. Den optimala koncentrationen för ett system brukar bestämmasempiriskt på plats. Figur 5 visar hur koncentrationen ozon förändras längs med ett rör iett distributionssystem beroende på vattnets hastighet.

sträcka [m]0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Kon

cen

tra

tion

[p

pb

]

0

10

20

30

40

50

60

v=0.14 m/sv=5.56 m/s

Figur 5: Relationen mellan koncentration ozon och rörlängd vid två olika vattenhastighe-ter.

25

För att konstruera grafen antogs första ordningens kinetik samt en halveringstid på 20minuter kunde ozonkoncentrationens samband med färdsträckan simuleras för två olikahastigheter.

[A] = [A0] · e−k·t (22)


[A] = [Ao] · e−k·sv (23)

I Figur 5 simulerades ozonkoncentrationen genom distributionssystemet för två olika has-tigheter, baserade på GE’s högsta och lägsta flöde. Simuleringen har i huvudsyfte att visahur mycket flödeshastigheten påverkar mängden ozon som tar sig fram i distributionssy-stemet men går inte att anse som en exakt approximation då första ordningens kinetiksamt en konstant tvärsnittsarea i rören har antagits, se Appendix 8.7.


Inför ett val av ozongenerator bör hänsyn tas till främst ozonets användningsområde ochvilken produktionskapacitet som krävs. Även energiaspekter och ekonomiska aspekter börvägas in, vilka i sin tur beror på ursprungskällans kvalité, det vill säga gasen alternativtvattnet (Gottschalk m. fl., 2010).

Systemets storlek har i vissa fall också betydelse för valet av generator. Ett system sombygger på koronaurladdning kräver ofta, som nämnt under "koronaurladdning", någon typav lufttorkare, kylare samt blandare. Dessa är faktorer som tenderar att öka systemetsstorlek och gör därför att denna metod kan kräva fler installationer, ökade investerings-kostnader samt mer utrymme än installation av ett system som bygger på elektrolys avPW (Harrison m. fl., 2012). En koronagenerator kan installeras direkt i anslutning tilllagringstanken (Widov, 2017). För att säkerställa en korrekt koncentration av ozon i detutgående vattnet från generatorn återkopplas reaktionstanken, där omblandningen sker,till ozongeneratorn som då automatiskt reglerar produktionen beroende på det inkom-mande vattnets koncentration (Lindam, 2017).

Då ozon antas ha en halveringstid på 20 minuter i PW, är en tumregel att en ny generatorbör sättas in efter 15 minuters transportsträcka för att på så sätt säkerställa att koncent-rationen av ozon är tillräcklig i hela systemet (Widov, 2017). Om vattnet transporterasmed en hastighet på 1 m/s så behövs alltså en ny generator efter 900 m. I system av störrestorlek används därför med fördel elektrolysgeneratorer då dessa lättare kan installerasmitt i distributionssystemet. Detta eftersom denna generator producerar ozon direkt fråndet renade vattnet och vattenflödet kan utnyttjas för att kyla generatorn (Harrison m. fl.,2012). En kombination av de båda systemen kan också användas genom att en korona-generator installeras i anslutning till lagringstanken och en elektrolysgenerator placerasefter 15 minuters transporttid (Widov, 2017).

26

5.7 Installation

Under själva installationen av ozonsystemet krävs ett produktionsstopp i produktionenav PW (Widov, 2017). Beroende på hur systemet ska dimensioneras med generatorer ochUV-lampor, kan i regel den största delen av systemet förberedas innan själva installa-tionen sker. Vid installation av ozongenerator i anslutning till förvaringstanken bör allanödvändiga kopplingar finnas klara för att kunna installera generatorn. Efter installationoch kalibrering av samtliga komponenter behöver systemet valideras för att säkerställaatt vattnets kvalite. Valideringen består bland annat av att undersöka hur lång tid dettar för systemet att uppnå och bibehålla önskad koncentration av ozon i hela systemetsamt säkerställa att UV-destruktionen är tillräcklig under samtliga möjliga förhållanden(Harrison m. fl., 2012).


UV-destruktorerna placeras så nära point of use som möjligt, det vill säga innan det ozon-exponerade vattnet ska användas och kan komma i kontakt med människor (Widov, 2017).Vid dimensionering av en UV-destruktor tas hänsyn till den maximala flödeshastighetensom kan uppstå på den specifika lokalen. Historiskt sett har UV-doser motsvarande 90 000µWs/cm2 används som riktlinjer för att avlägsna ozonkoncentrationer motsvarande 1 ppm(Harrison m. fl., 2012), vilket är cirka 20 gånger högre än den koncentration so är för PW.En tumregel är också att det ozonexponerade vattnet behöver exponeras för UV-strålningi 6 till 10 dm (Widov, 2017), vilket återigen beror på UV-dosen. UV-tillverkare har merspecifik information om hur mycket UV-dos som krävs för avlägsnande av ozon.

När man väljer UV-lampa som avses användas i UV-destruktorerna, väljs lämpligtvis enlampa vars strålningsintensitet i slutet av dess livslängd ligger över den UV-dos som krävsför att avlägsna ozonet (Widov, 2017). Detta eftersom UV-lampor har en högre initialbestrålningsintensitet än den som råder i slutet av dess livslängd. Således kan man ga-rantera att vattnet bestrålas med en tillräckligt hög UV-dos. Utöver lampans åldrade kanäven kvartsbehållaren som omsluter lampan åldrande på grund av lampans UV-strålning,vilket förändrar transmittansen och således UV-dosen. Av dessa anledningar uppskattaslampans livslängd till 12 månader (Harrison m. fl., 2012). Detta kan dock variera mellanleverantörer och lamptyper.



27



Priset på ozongeneratorer samt UV-lampor för destruktion av ozon beror på vilka kravman ställer på produktionskapacitet samt till vilken grad man vill kunna säkerställa totaldestruktion av överblivet ozon. Då det finns flera företag på marknaden kan priset ävenskilja sig mellan de olika företagen. Vi har haft kontakt med ett företag och en oberoendeexpert för att få en prisbild. Kostnaderna har skilt sig relativt mycket då vi pratat medexperter som implementerar lösningarna och företag som säljer produkterna. Då vi frågatexperten vad som är en rimlig investeringskostnad för en ozongenerator som kan användaskunde han inte svara exakt men påstod att man kan räkna med ett pris på ca 250 000kr (Widov, 2017), vi vet inget om dessa generatorer men väljer ändå att ha med dessa iberäkningarna då experten i fråga anses trovärdig. Genom mejlkontakt med ett företagsom säljer både generatorer och lampor föreslogs en generatorer som kan producera 8gO3/h som kostar ca 120 000 kr. Om GE önskar redundans kostar dessa generatorer själv-klart mer, kostnaden för dessa bör dock vara under 250 000 kr. Eftersom vi i vårt förslagtill GE vill använda oss av en generator per tank och det finns fem tankar innebär detatt vi kommer behöva fem generatorer som kostar mellan 120-250 000 kr/styck. Dettainnebär en investeringskostnad mellan 600 000 SEK och 1.25 miljoner SEK. Underhåll avgeneratorer består främst av byte av luftfilter. Hur ofta luftfiltret behövs bytas beror påhur smutsig luften är (Berg, 2017). Energiförbrukningen för generatorn är 0.7 kWh. Dettaskulle innebära en total energiförbrukning för 5 st generatorer på 3.5 kWh (Berg, 2017).Något pris på sensorer för ozonläckage samt för återkoppling för att säkerställa vattnetsozonkoncentration har ej kunnat tas fram, däremot kan de i sammanhanget antas varabetydligt billigare än generatorer och UV-lampor.

Företaget säljer även UV-destruktorer som klarar av att destruera all ozon då vi förutspåratt vattnet som GE producerar har en hög transmittans. Investeringskostnader för dessaär ca 100 000 kr per aggregat och innehåller två lampor som kostar 4750 SEK vardera(Berg, 2017). Om man antar att 30 UV-destruktorer räcker för att tillgodose två destruk-tionsenheter per byggnad blir den totala investeringskostnaden ca 3 miljoner SEK. Byteav lamporna en gång om året skulle innebära en kostnad på ca 285 000 kronor per årexklusive energi. Energiförbrukningen för dessa UV-destruktorer uppges vara 0.85 kWh(Berg, 2017), detta skulle innebära en total energiförbrukning för samtliga UV-enheter på25.50 kWh.

Eftersom installationen av systemet kan kräva produktionsstopp om planering ej utförsväl innebär det ytterligare kostnad vid implementering av systemet i form av förlust i pro-duktion. Vid installation och validering av systemet bör tas i beaktande att det troligtviskan ske i vissa delar av systemet separat. Detta innebär att ett fullskaligt produktions-stopp bör kunna undvikas om god planering inför installationen genomförs.

28

Vår uppskattade investeringskostnad för generatorer och UV-destruktorer har beräknatsligga mellan 3.6-4.25 miljoner. I denna beräkning ingår fem generatorer och 30 UV-destruktorer. Energiförbrukningen för förslaget utvärderas till ca 29 kWh vilket med GE:saktuella elpris skulle innebära en årlig elkostnad på knappt 150 000 kr (se tabell 9 i Ap-pendix). Ytterligare driftkostnad för systemet tillkommer i form av underhåll och service,exempelvis krävs det ett årligt byte av UV-lampor för ca 285 000 kr.




Efter tillverkning förs PW via en huvudled till fyra tankar som kan lagra antingen 75eller 200 m3 vatten (Stucki m. fl., 2005). Tankarna är utrustade med speciella ozonin-jektorer som garanterar en steril förvaringsmiljö. Vattnet förs sedan till fabrikerna viacirkulationssystem utrustade med 13 stycken sterila pumpar som garanterar att vattnethålls i konstant rörelse, detta för att motverka mikrobiell tillväxt i systemet. Tillsammanskonsumerar fabrikerna ca 250 m3 PW per timme.


Systemet kontrolleras kontinuerligt varje månad. Detta görs med hjälp av provtagningarav mikrober från uppsamlingar som varje vecka görs på 34 olika provtagningspunkter in-om systemet (Stucki m. fl., 2005). Sedan systemet installerats har det inte påvisats någonproblematik att hålla riktlinjerna satta av Ph. Eur för PW som nämnts tidigare (Stuckim. fl., 2005). Det har senare visat sig att det endast krävts ca 20-30% av ozonproduktio-nen för att underhålla systemet vid normalproduktion, detta tros bero på den låga haltorganiskt material som finns tillgängligt i PW (Stucki m. fl., 2005). Vidare provtagninghar även visat att halveringstiden för ozonet var längre än de 20 minuter som de tidiga-re räknat med, exakt hur mycket har ännu ej fastställts. Sedan installation år 2000 har

29

produktionsstopp orsakat av ozonsystemet aldrig skett. (Widov, 2017).



Fallstudien utgår från ett produktions- och leveranssystem för PW, enligt USP:s krav,som ska utgöras av ett system i rostfritt stål av typen 316 L vilket kan användas inombiofarmaceutiska företag, se Figur 6 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Cirkulationssyste-met utsattes för tester med 106 UFC E.coli (Escherichia coli) bakterier, en gramnegativbakterieart som ofta används som en indikatorbakterie vid rutinundersökningar av vattenför att påvisa eventuella föroreningar av avföring (Folkhälsomyndigheten, 2015). Två tes-ter utfördes med bakterierna, test A och test B. Vid test A injicerades bakterierna i detcirkulerande vattensystemet i form av plankton, medan de i test B etablerades i form avbiofilm på ”kuponger” (mindre bitar av rostfritt stål) (Cohen och Hanley-Onken, 2013).


Distributionssystemet, se Figur 9 i Appendix, består bland annat av ett automatiseratozoneringssystem som installerats inom slingan, en 200 liter sluten förvaringstank somär utrustad med en ozondestruktionsenhet, en pump i rostfritt stål och en hylla för stål-kupongerna (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozonhalten i slingan övervakades med enozonkoncentrationsmonitor med ett intervall på 0-10 ppm och konduktiviteten mättesmed en separat konduktivitetmätare. Med en ozongenerator matad med syrgas kundesystemet leverera upp till 113.6 l/min ozonerat PW (Cohen och Hanley-Onken, 2013).Innan testerna inleddes dränerades PW-systemet två gånger och fylldes med nytt avjonise-rat vatten för att rena systemet från eventuella föroreningar och ozonmätarna nollställdes.Hela systemet utsattes för en timmes exponering av en 5 ppm ozonhalt för en grundlig ste-rilisering (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Sedan stängdes ozonet av och UV strålningen

30

aktiverades under 30 minuter till dess att ozonmätaren nått den lägsta mätpunkten på40 ppb (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Därefter mättes konduktiviteten i vattnet föratt säkerställa att det höll USP:s kriterier för PW.


Förändringen i bakteriehalt angavs som en logaritmisk reduktion, där resultaten subtra-herades från det logaritmiska värdet för referensprovtagningen (Cohen och Hanley-Onken,2013). Vid referensprovtagningen för test A, där vattnet fick cirkulera i systemet underfem minuter utan närvaro av ozon, mättes den initiala bakteriehalten till 2.6·106 CFU/ml,se Tabell 2, vilket gav det logaritmerade värdet av 6.4. Vid de mikrobiologiska provtag-ningarna som utfördes var den lägsta utspädningen från kupongerna 1:10. Om det intefanns någon tillväxt på plattan skulle den därför rapporteras som < 10 CFU med ettlogaritmerat värde på 1 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). För att korrigera för utspäd-ningen tilläts därför endast en total loggreduktion av ≥ 5.4 (Cohen och Hanley-Onken,2013). Resultaten för test A, efter att 2 ppm ozonhalt introducerats i systemet visas iTabell 3. Dessa visar tydligt att en 30 minuters exponering av 2 ppm ozonhalt ger entotal reducering av E.coli kontamineringen på 106 UFC/ml (Cohen och Hanley-Onken,2013).





Test B utgick från rostfria stålkuponger vilka hade etablerat biofilm av minst 106 CFU

31

E.coli per kupong. Experiment B innehöll fyra försök med olika ozonkoncentrationer på0, 0.5, 2 och 5 ppm (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Kupongerna placerades vertikalt ikuponghyllan och samlades upp för analys efter tre olika exponeringstider på 2, 5 och 10minuter per koncentration. Sammanlagt användes 6 kuponger per koncentration, därav2 kuponger per tidsintervall. Körningen med 0 ppm ozonkoncentration utfördes först ochanvändes sedan som ett blanktest, vid jämförelse med övriga resultat (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Mellan varje försök kördes systemet med konstant vattencirkulation ochUV-strålning till dess att ozonhalten var mindre än 40 ppb och vattnet höll USP:s kravför PW.

Tabell 4 representerar blanktestet för de rostfria stålkupongerna med biofilm vid 0 ppmozon och resultatet visar att medelvärdet av den logaritmerade bakteriehalten, vid de treolika exponeringstiderna, låg på 4.3 för E.Coli-kupongerna. Det har därmed skett en lo-greduktion på 2 under de första två minuterna då systemet kördes. Detta beror troligtvispå att vattnets flöde och tryck har påverkat och reducerat biofilmen initial (Cohen ochHanley-Onken, 2013). Tabell 5 visar bakterieinnehållet efter 2, 5 och 10 minuters expone-ring av en ozonhalt på 0.5 ppm. Resultaten visar att en 2 minuters exponering leder till ettlogaritmerat reducerat värde på 4,9 vilket är otillräcklig för en önskad sterilisering. Efter5-10 minuter planar effekten ut och den totala log reduktionen landar på ≥ 5.4. Tabell6 visar att det efter 2 minuter av en ozon exponering på 2 ppm fanns en viss antydanav bakterier kvar på kupongerna, men att detta reducerats totalt efter 5 minuter (Cohenoch Hanley-Onken, 2013). För de kuponger som utsattes för 5 ppm ozonhalt räckte detmed 2 minuter för att all biofilm skulle ha sanerats, vilket tydlig framgår från Tabell 7.



Tabell 5: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5 och10 minuters exponering av en 0,5 ppm ozonkoncentration. Originally published in Phar-maceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rightsreserved. Reprinted with permission.




2 min 0.472 0.54 0.486 0.55 4.95 min 0.480 0.58 0.470 0.58 ≥ 5.410 min 0.491 0.58 0.498 0.59 ≥ 5.4


32





2 min 1.941 1.77 1.939 1.80 5.45 min 1.930 1.75 1.895 1.83 ≥ 5.410 min 1.958 1.86 1.993 1.85 ≥ 5.4






2 min 5.215 4.92 4.909 4.75 ≥ 5.45 min 4.636 4.81 4.912 5.01 ≥ 5.410 min 4.912 4.92 4.782 4.92 ≥ 5.4



33

6 DiskussionDå forskning om vattenrening med ozon oftast är inriktad på livsmedelsindustrin, re-ning av dricksvatten eller kontaminerat avfallsvatten har fakta om ozonets egenskaper iPW varit svårfunnet. Mycket forskning har ändå bedömts som relevant, men det bör hasi åtanke att ozonets egenskaper, exempelvis halveringstid varierar med vattenkvaliteten(Park m. fl., 2001). En stor del av bakgrundsarbetet har därför gått ut på att nå ut till ex-perter inom tillämpning av ozon. I och med att experterna i regel har varit konsulter ellerforskare, har dessa i allmänhet haft en mindre partisk inställning till olika ozon-teknikerjämfört med företag. Med dessa experter som referens har vissa riktlinjer för ozon an-tagits, exempelvis halveringstiden för ozon i PW. Dessa tumregler har blivit empirisktframtagna utifrån lång tids erfarenhet och anses därför vara trovärdiga.




34


I nuläget är GE:s förvaringstankar för PW öppna (Karlsson, 2017), varpå åtgärder skullekrävas för att kunna förvara ozoniserat vatten. Dessa åtgärder behöver dock inte varasärskilt omständiga då GE:s fem nuvarande tankar antas klara av klassificeringen för fulltvakuum (Widov, 2017), och därmed kan förslutas. Ett alternativ är att fortsätta att hållatankarna öppna och att koppla tankarna direkt till en ozondestruktor med UV via en av-luftningsventil, så att skadligt ozon i gasform inte kan orsaka hälsorisker (Widov, 2017).Rouge, vilket med tiden har bildats på förvaringstankarna, kommer heller inte att orsakaproblem i ett ozonsystem då ozonet i likhet med hetvattnet inte kommer att avlägsnarougen och förorena vattnet (Widov, 2017). I och med att PW är så pass rent vattenfinns heller inga risker för att UV-lamporna skulle kunna påverkas av rougen, då de småmängder som eventuellt skulle avlägsnas från tankarna förmodlingen skulle vara försum-bart små (Harrison m. fl., 2012).


Ur fallstudien av Cohen och Hanley-Onken, (2013) har ozon visat sig kompetent att inak-tivera även väldigt resistenta bakterier vid en given kontakttid kan en konstant exponeringav ozon bedömas som effektivt (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Den optimala haltenozon som krävs för att sanera GE:s system kommer sannolikt uppskattas empiriskt medtiden. Då de vanligaste koncentrationerna i PW-system ligger på 20-50 ppb (Harrison

35

m.fl., 2012), (Stucki m. fl., 2005) borde en koncentration inom dessa ramar vara ett brastartvärde för GE. En expert (Widov, 2017) med inblick i GE:s system rekommenderadeen koncentration på 1 ppb i systemet. Efter kontinuerlig provtagning av mikroorganis-mer och endotoxin har många distributionssystem valt att minska ozonhalten i systemet.Exempelvis visade PW-anläggningen i Höchst att bara 20-30% av deras ozonhalt på 20ppb förbrukades under distributionen (Stucki m. fl., 2005). Med tanke på att GE bådevill undvika risk för produktionsstopp samt ha en redundans i systemet kan en startkon-centration på 50 ppb vara passande trots att den förmodligen kommer minska i framtiden.

Den viktigaste faktorn vid val av koncentration i tankarna är att behålla önskvärd kon-centration genom hela distributionssystemet. Den längsta sträckan det ozonerade vattnetbehöver transporteras i GE:s system är 300 m. Mängden ozon som når fram efter 300 mberor på vattenhastigheten, se Figur 5. Då GE:s vattenhastighet varierar mellan 0.14 och5.56 m/s, se ekvation 24 och 25, varierar även mängden ozon som når fram efter 300 mberoende på vilken hastighet flödet har. GE har ett flöde mellan 20-40 m3/h under normalproduktion (Pantefors, 2017) och når sina lägsta flöden på natten då ca 30% av ozonetkvarstår efter 300 m se Figur 5. Hastigheterna som GE håller under normal produktionär så pass stora att nästan allt ozon återstår efter 300 m medan de lägsta hastigheternaleder till att ca 15 ppb återstår, se Figur 5. En koncentration på 15 ppb kan tolkas somnågot lågt men med bland annat resultatet av mängden förbrukat ozon i Höchst samtrekommendationen på 1 ppb antas koncentrationen vara tillräcklig under de få timmarmed minimiflöde.


GE:s distributionssystem sträcker sig cirka 300 m (Sjöstedt, 2017) och är således betyd-ligt mindre relativt den tyska anläggningen. Av denna anledning är koronageneratoreratt föredra. Detta eftersom koronageneratorer kan producera högre koncentrationer ozon,som i kortare distributionsslingor, klarar av att distribueras till de yttersta delarna av enanläggning. Således kan ett mindre antal ozongeneratorer, än vad fallet hade varit medde elektrolytiska generatorerna, implementeras i direkt anslutning till förvaringstankarna.Ett mindre antal generatorer implicerar i en kortare implementeringsperiod. Utifrån ovannämnda aspekter anser vi att ozongeneratorer grundade på koronaurladdning är bästlämpade för implementering i GE:s anläggning (Widov, 2017). En syrgasgenerator börinstalleras för att förse ozongeneratorn med syrgas. Då GE, vid uttnytjande av ozonste-rilisering, är i behov av att kontinuerligt förse ozongeneratorn med syrgas anser vi attproducera gasen på plats är det bästa alternativet jämfört med att den fraktas till an-läggningen. Vid användning av syrgas istället för luft minskar riskerna för bildning avkväveoxider samt salpetersyra. Dessutom kan en högre koncentration ozon produceras vidanvändning av syrgas (Cohen, 2013).

36

Enligt USP:s kriterier för PW måste ozonet avlägsnas innan point of use. Detta är ävenviktigt för att garantera en säker arbetsmiljö för personal och görs lämpligtvis med UV-ljus. UV-strålning med våglängd 254 nm är mycket effektiv för destruktion av ozon i PW,vilket är rimligt då ozonet har sitt absorptionsmaximum vid denna våglängd. Enligt enstudie (Summerfelt m. fl., 2004) så bryts ozon i vatten ner enligt första ordningens kinetiknär det utsätts för UV-strålning, se ekvation 14. Detta med en hastighetskonstant somär en potensfunktion av UV-strålningsintensiteten. Utifrån detta samband tillsammansmed empiriska resultat konstaterades att 49.3 +/- 0.6 mW/cm2 kunde avlägsna upp till0.1 mg/l på 3.3 sekunder. Huruvida detta stämmer överens med avlägsnandet av ozon iPW kan vara svårt att säga då hastighetskonstantens parametrar är empiriskt framtagnafrån ett vatten av högre kontamineringsgrad än PW. Det ger dock indikationer på UV-strålningens effekt mot det ozonerade vattnet.

Vid bestrålning av ozonexponerat kan vatten väteperoxid bildas. De koncentrationer sombildas är i sammanhanget så låga att koncentrationerna i allmänhet är under detektions-gränsen. Således utgör väteperoxiden inte något hot enligt utsago från en expert inomområdet (Widov, 2017). Den väteperoxid som bildas sönderfaller snabbt till vatten.

För UV-destruktorer anpassade till ozondestruktion är det framförallt aktuellt med två oli-ka typer av lampor, nämligen lågtryckslampor och medeltryckslampor. Då lågtryckslam-porna primärt avger våglängder i 254 nm, till skillnad från medeltryckslampor som avgervåglängder i ett bredare spektrum, är det lågtryckslamporna som framförallt används somåtgärd mot ozonexponerat vatten. En lågtryckslampas brukbarhet är cirka 9 000 timmar,angivet med god säkerhetsmarginal. Detta kan dock påverkas av hur mycket lampornastängas av och på. Dock är detta något som är medräknat i lampans säkerhetsmarginal,då UV-destruktorer vanligtvis stängs ner temporärt för att sterilisera de yttersta delarnaav en distributionsslinga, som distribuerar ozonfritt vatten (Widov, 2017). Även förhöjdatemperaturer kan påverka lampans livslängd negativt, men detta utgör generellt inte nå-got problem så länge vattnet inte är stationärt i strålningskammaren då UV-destruktornär i drift.

Det kan vara problematiskt att på förhand dimensionera de UV-destruktorer som avsesimplementeras i en given anläggning. Detta eftersom UV-dosen som vattnet behöver be-strålas med beror på UV-lampan, vars intensitet varierar mellan olika tillverkare. Utöverdetta behövs även flödeshastigheten för den lokal där UV-destruktorn är placerad samtPW transmittans.

UV-lampor och övriga ozondestruktorer är de viktigaste säkerhetskomponenterna i ettdistributionssystem med ozonsterilisering. Trots att riskerna är minimala (Stucki m. fl.,2005) med tanke på de små koncentrationer ozon som används kan det vara en fördelatt installera sensorer som en extra säkerhetsåtgärd för att kunna detektera eventuellaozonutsläpp (Lindam, 2017). Även ventilation bör anpassas så att utsatta utrymmen ianläggningen ska kunna ventileras vid ett eventuellt ozonläckage (Harrison m. fl., 2012).Ozon är trots allt en gas som kan orsaka hälsoskador vid höga koncentrationer men ocksåvid en längre tids exponering för lägre koncentrationer (Ozonetech, 2017). Utrymmen in-

37

till ozongeneratorerna är de mest utsatta vid eventuellt läckage då ozonkoncentrationen isystemet här är som högst. Även på de ställen där ozonet bryts ned för att sedan lämnasystemet kan ses som riskområden eftersom det finns risk för exponering om destruk-torerna skulle sluta fungera. Sensorer och ventilationsmöjligheter bör därför framföralltfinnas i dessa delar av systemet (Harrison m. fl., 2012). Det kan även vara en fördel attinstallera sensorer i utrymmen och lokaler där många personer vistas även om områdetinte är ett riskområde. Att sensorer finns installerade i dessa lokaler kan bidra till attpersonalen känner en trygghet i att eventuella utsläpp av ozon kan detekteras innan detutgör en hälsorisk. Att personalen kan känna sig trygga och arbeta ostört är i regel positiv.

Utifrån resultat och tidigare diskussion har ett möjligt implementerings förslag för GE:sanläggning i Uppsala, Boländerna, sammanställts. En koronagenerator ska kopplas tillvarje sluten lagringstank vilket medför en investering på fem stycken generatorer. Efterinstallation kan en 50 ppb ozonhalt garanteras inom varje tank (Lindam, 2017). Med valdozonhalt garanteras en sterilisering från produktion fram till anläggning (Cohen, 2017).För en säker hantering av ozon föreslås en installation av en UV-destruktor intill var-je uttagspunkt. För att övervaka ozonhalten installeras en ozonsensor efter varje tanksamt två sensorer per UV-lampa, en som kontrollerar halten innan destruktorn och ensom kontrollerar att vattnet är ozonfritt inför produktanvändning. En gång i veckan harGE tidigare hetvatten spolat de interna systemen vid varje fabrik vilket har räckt föratt hålla kraven på mikrobiell tillväxt och endoxoin. Genom att en gång i veckan stängaav UV-destruktorerna och låta det ozonerade vattnet cirkulera i systemen under loppetav en timme kommer samma effekt att kunna uppnås (Widov, 2017). Vi uppmuntraräven inmontering av sensorer som kontrollerar ozonhalten i luften. En rekommendationär att placera en luftsensor vid varje generator, om inte dessa är placerade tillräckligt näravarandra, då det kan komma att krävas färre. För att främja en trygg arbetsmiljö kan detäven vara aktningsvärt av företaget att investera i luftsensorer vid arbetsytor som ofta ärbemannade av personal.

Ozonbranschen är en växande industri. Ozon har sedan länge varit en vanlig sterilise-ringsmetod inom exempelvis livsmedelsindustrin men har sedan 90-talet expanderat inomläkemedelsbranschen (Cohen, 2017). Varför övergången till ozonsterilisering inom läkeme-delsindustrin har etablerats långsammare kan bero på att industrin lägger större värde isäkra och väl utvärderade metoder, såsom hetvattenspolning, än på innovativa lösning-ar. Ozon har dock varit etablerat i många år och med dess framgång kan metoden intelängre anses som riskfylld. Ett exempel på att ozon är en framtidsinvestering är företagetInfraserv Hörchst, lokaliserat i Tyskland (Stucki m. fl., 2005). De står för världens störstaproduktion av PW och har sedan 2000-talet, utan komplikationer, steriliserat sitt distribu-tionssystem med ozon (Widov, 2017). GE förbrukar i nuläget stora mängder av Uppsalasvatten vilket kan komma att bli bekymmersamt med tanke på de sjunkande grundvat-tennivåerna. Det kan därför inte anses vara miljömässigt hållbart för företag att användasig av hetvattenspolning i framtiden. GE kan i framtiden, beroende på efterfrågan, be-höva bygga ut sin anläggning för ökad produktion. Med ozon som steriliseringsmetodkommer en eventuell expansion bli både billigare och enklare. Övergång till ozonsterilise-ring skulle likaledes ge positiva effekter för Uppsala Vatten som tidigare fått levererat förhöga vattentemperaturer från GE, vilket genererar slitage på ledningarna. GE:s planerade

38

uppvärmning- och nedkylningsmetod beräknas kosta företaget omkring 15.5 miljoner omåret (se tabell 8 i Appendix). Om GE väljer att använda ozon som steriliseringsmetod såskulle detta, med rådande implementeringsförslag, innebära att investeringen är intjänadpå mindre än ett år.


39

ReferenserAB Lenntech (2017). Electrodeionization (EDI) - Lenntech. url: http://www.lenntech.

com/library/edi/edi.htm (hämtad 2017-04-07).Arbetsmiljöverket (2015). Gränsvärden - Arbetsmiljöverket. url: https://www.av.se/



Atila, Funda (2016). ”Effect of Different Substrate Disinfection Methods on the Productionof Pleurotus Ostreatus (PDF Download Available)”. I:


Avfall Sverige (2012). Markvatten för avfallseldade kraft- och värmevärk. F2012:07. Mal-mö, s. 19.












40










http://dx.doi.org/10.1080/01919510008547216


















Kulakov, Leonid A., Morven B. McAlister, Kimberly L. Ogden, Michael J. Larkin ochJohn F. O’Hanlon (2002). ”Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water inIndustrial Systems”. I: Applied and Environmental Microbiology 68.4, s. 1548–1555.doi: 10.1128/AEM.68.4.1548-1555.2002. pmid: 11916667. url: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/ (hämtad 2017-04-04).


41





http://dx.doi.org/10.1080/03639040600920614



http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00122-2

http://dx.doi.org/10.1007/s00231-004-0548-y



http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2015.1024937


11916667

















Sandle, Tim (2013). Sterility, Sterilisation and Sterility Assurance for Pharmaceuticals:Technology, Validation and Current Regulations. Woodhead Publishing series in biome-

42

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.4315/0362-028X-63.8.1100






http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X






http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9






dicine number 32. OCLC: ocn834416834. Oxford ; Philadelphia: Woodhead PublishingLimited. 339 s. isbn: 978-1-907568-38-1.
















43











http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(00)00171-5




http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-1104-2



44



8 Appendix



45



Tabell 8: Årliga kostnader för uppvärmning med hjälp av ånga samt nedkylning av PW iGE Healthcares distributionssystem. Kostnaderna är uträknade utifrån en årlig produk-tion av 88 000 m3 PW.



Tabell 9: Uppskattad årlig energikostnad för 5 ozongeneratorer med koronaurladdningsamt 30 stycken UV-destruktorer. Kostnaden utgår från ett elpris på 0.58 öre/kWh (Pan-tefors, 2017).

Energiförbrukning Kostnad årligenGenerator 3.5 kWh 18 000 krUV-destruktorer 25.5 kWh 130 000 krTotalt 29 kWh 147 000kr

46



E = c · m ∆ T


47



48




49


Tabell 10: Sökord som används vid sökning i respektive databas och sökmotor.



Purified Water Purified WaterEndotoxin Endotoxin Endotoxin

RO ROReverse osmosis Reverse osmosis

EDI EDIKlor


Chlorine gas Chlorine gasOzonisation Ozonisation

Water for Injection Water for InjectionOzone Ozone

Sanitization for Purified Water Sanitization for Purified Water





16, 67

0, 2= 83, 35 dm/min = 8, 335 m/min = 0, 14 m/s (24)

666, 67

0, 2= 3333, 35 dm/min = 333, 335 m/min = 5, 56 m/s (25)




Antag [A] = 1000 ppb samt [A0] = 500

1000 = 500·e−k·1200 ⇒ 2 = e−k·1200 ⇒ ln2 = −k ·1200⇒ −k =ln2

1200⇒ k = −5.776∗10−4

(27)

50





VT 2017




Datum30 maj 2017

ErsätterW-17-60/S-02


HandledareMattias Winterdahl


SammanfattningGE Healthcare i Boländerna, Uppsala producerar årligen 88 000 m3 vatten för medicinskanvändning. Särskilda krav på hög kvalitet ställs på vattnet, internationellt klassificeratsom purified water, PW. Utöver gränsvärden för en bakteriell halt ställer GE krav på hal-ter av endotoxin, giftiga ämnen genererade från fettämnen hos gramnegativa bakterier.Under en längre period har det rena vattnet producerats genom destillation, en processdär den utgående produkten har en temperatur på 90 –95 ◦C, varpå de höga tempera-turerna håller vattnet steriliserat från mikrobiell tillväxt. I huvudslingor på upp till 300m distribueras vattnet ut till olika byggnader på anläggningen, varpå vattnet kyls nedtill 20◦C, där 7 l dricksvatten går åt för att kyla 1 l PW. Från och med år 2018 kom-mer GE att börja producera PW genom omvänd osmos och elektriska jonbytare, vilketmedför den stora skillnaden att kallt vatten på 20◦C bildas. Syftet med det här projek-tet var att hitta ett energibesparande sätt att sterilisera distributionssystemet för kalltrenat vatten, vilket uppfyller kriterier för implementering i GE:s anläggning. Projektetgenomfördes i huvudsak som en litteraturstudie av vetenskapliga artiklar från en rad oli-ka databaser. Av tillgängliga metoder som analyserats, rekommenderades ozon i GE:sdistributionssystem. Detta eftersom ozon är ett starkt oxiderande ämne som lämpar sigväl i PW-system samt inte kräver något stopp i GE:s produktion. Ozon kan bildas di-rekt från syret i luften alternativt från vattnet själv. De starka oxiderande egenskapernagör att endast en liten mängd ozon behövs för steriliseringen, vilket genererar låga drift-kostnader. Halveringstiden på ungefär 20 minuter i PW gör att det mesta ozonet brytsned naturligt under distributionen, varpå den resterande delen kan omvandlas tillbakatill syrgas genom strålning med UV-ljus. Ozon är en säker metod som enkelt kan imple-menteras i GE:s nuvarande distributionssystem, med endast ett fåtal ombyggnationer ochskulle vid planerad utbyggnad i framtiden spara in ytterligare kostnader genom enklarerörkonstruktioner. Om GE väljer att använda ozon som steriliseringsmetod uppskattasinvesteringskostnaden vara intjänad på mindre än ett år.


1.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1





2.4 Rörsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Rouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9








5.8 Investeringsförslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.9 Ozonsterilisering i storskaligt PW-system, Infraserv Höchst . . . . . . . . . 29

5.10 Användning av ozon vid vattenrening i farmaceutisk industri, fallstudie . . 30

6 Diskussion 35

7 Slutsats 40

8 Referenser 41


1 Problembeskrivning och syfteGE Healthcare planerar att expandera sin produktion av purified water (PW) genom attbland annat byta produktionsmetod från destillation till omvänd osmos (RO) och elekt-riska jonbytare (EDI) kombinerat med ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Vid produktiongenom destillation genereras PW med så pass höga temperaturer att distributionssyste-met steriliseras via direktkontakt med det varma vattnet under transportsträckan. Vattnetkyls sedan ned med värmeväxlare vid respektive fabrik för att kunna användas vid pro-duktion av läkemedelsprodukter (Wall, 2017). Den nya produktionsmetoden kommer tillskillnad från destillation att generera kallt vatten direkt från produktionskällan och GEhar som avsikt att värma upp vattnet efter produktion för att fortsätta sterilisera rörsy-stemen på samma sätt som innan ombyggnaden. Att värma upp vattnet efter produktionför att sedan kylas ned är kostsamt och förbrukar en stor andel av Uppsalas vattenförråd.Den planerade lösningen kan i längden bli ohållbar för företaget, både ur en ekonomiskoch miljömässig synvinkel varpå en revidering av nuvarande steriliseringsmetod för distri-butionssystemet kan vara nödvändig. GE är själva medvetna om deras systems kommandebrister och har därför visat intresse för att hitta andra lösningar (Pantefors, 2017).

1.1 Syfte

Syftet med rapporten är att utvärdera möjliga steriliseringsmöjligheter för rörsystem ut-ifrån ett flertal kriterier. Målet är att den steriliseringsmetod som anses mest lämpad förGE ska undergå en djupgående analys för att sedan löpa ut i ett implementeringsförslagför företaget.



2.1.1 Om företaget

General Electric (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av Edi-son General Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företagets hu-vudsakliga verksamhet var då belysning, järnvägar och gruvarbete (Healthcare, 2012).Sammanslagningen blev en succé och företaget blev snabbt känt för att ge hög produk-tionskvalitet till en låg kostnad.

GE:s första innovationer inom sjukvård var genom utvecklingen av röntgenstrålar. År 1964började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var starten tillden del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare (Healthcare, 2012). Internatio-nellt sett är GE verksamma i över 100 länder. Anläggningen i Uppsala har idag cirka 1200anställda, varav en betydande andel arbetar inom forskning och utveckling av nuvarandetekniker (Åström m. fl., 2016).

Nästan all produktion på anläggningen kräver vatten av väldigt hög kvalitet, något sominternationellt kallas purified water (PW) (Pantefors, 2017). I snitt förbrukar GE88 000 m3 PW varje år. Vattnet produceras av GE genom destillation och distribueras

1

sedan över hela anläggningen. Det finns olika krav definierade för när ett vatten får klas-sas som PW. Enligt United States Pharmacopeia Systems (USP), vilket är de riktlinjersom GE valt att gå efter (Linder, 2017), krävs en bakteriehalt på under 100 CFU/ml(CFU= colony forming units) (Pharmasystems, 2017). USP har dessutom krav på enmaximal mängd totalt organiskt kol (TOC) på under 500 mg/ml (Cohen och Hanley-Onken, 2013). För PW ställer European Pharmacopoeias, (Ph Eur) samma krav på enmaximal bakteriehalt på 100 CFU/ml (Penne m. fl., 2009) respektive den högsta tillåtnamängden TOC på 500 mg/ml (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

Utöver detta ställer GE specifika krav för endotoxin, giftiga ämnen bestående av lipo-polysackarider genererade från fettämnen i det yttre cellmembranet hos bakterier. Endo-toxin kan ha olika negativa hälsoeffekter såsom feber eller sepsis beroende på halt ochintag (Nationalencyklopedin, 2017), varpå GE:s krav går ut på att halterna ska sänkastill nivåer på under 0.5 EU/ml (EU=endotoxin units) (Linder, 2017).



Vattenflödet i rörsystemet är i genomsnitt vid normalproduktion 20 m3/h, men i anlägg-ningen kan variationer av flödet förekomma på mellan 1 m3/h och 40 m3/h under dygnet.Rören i distributionssystemet har i genomsnitt en diameter på 51 mm. Utifrån flödet ge-nom systemet ligger hastigheten genom rören mellan 0.14 m/s och 5.56 m/s (se ekvation24 och 25 i Appendix).


För tillfället produceras det destillerade vattnet på GE genom destillation där vattnetvärms upp till kokpunkten för att sedan kondenseras till vätskefas, en process som verkarsteriliserande med avseende på mikrober (Pantefors, 2017). Vattnet förvaras i tankar ochdistribueras sedan varmt längs huvudslingorna för att sedan förgrenas i mindre rörsysteminnan det anländer till olika fabriker i anläggningen. Vid fabrikerna kyls vattnet med vär-meväxlare då deras produktion kräver en vattentemperatur på 20 ◦C (Pantefors, 2017).Det varma vattnet som flödar genom huvudledningen motverkar mikrobiell tillväxt ochGE kontrollerar vattenkvaliteten genom kontinuerlig provtagning (Linder, 2017). I led-ningarna efter att vattnet har kylts ned krävs en genomspolning av det heta vattnet engång i veckan för att hålla rören steriliserade (Pantefors, 2017).

2


GE Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer därför att göraen uppgradering av sina vattenreningsmetoder. Istället för destillering av vattnet kommerreningsprocessen istället ske genom omvänd osmos (RO) och elektriska jonbytare (EDI),vilket följs av ultrafiltrering (Pantefors, 2017). Installationen av det nya systemet beräknasvara färdigt till år 2018 och den största skillnaden från destillationsprocessen är att denfärdiga produkten är kall, med en temperatur på 20 ◦C.


GE Healthcare har i nuläget planer på att efter den nya installationen av RO och EDIvärma upp det kalla PW som producerats till 90-95 ◦C (Sjöstedts, 2017) och därigenomfortsätta att distribuera vattnet varmt genom samma steriliseringsprocess som under des-tillationen (Pantefors, 2017). I Appendix (Figur 7) finns en schematisk skiss över distri-butionssystemet för PW i GE Healthcares anläggning i Boländerna i Uppsala.

I anslutning till varje hus kommer det varma vattnet från huvudslingan att kylas nerigen till 20 ◦C genom att kallt dricksvatten tillförs. För nedkylningen åtgår en ungefärligmängd på 7 l vatten för varje l producerat PW (Wall, 2017). Utifrån uppskattningen omen kostnad för kylvattnet på 14 kr/m3 (Wall, 2017), skulle nuvarande årliga produktionav 88 000 m3 PW medföra kostnader för nedkylning på 8.6 miljoner kr. Dricksvattnetsom använts till nedkylningen förs sedan ut i Uppsala Vattens dagvattensystem. UppsalaVatten har satt en gräns på en maximal vattentemperatur på 45 ◦C för att inte slita påledningarna (Wall, 2017). Det har visat sig vara problematiskt att hålla dessa gränsvärdendå det dricksvatten som används till kylningen värms av det heta renade vattnet och vidvissa tillfällen uppnått temperaturer uppemot 70 ◦C.



Förekomsten av mikroorganismer i PW-system är inte ovanlig trots näringsfattiga för-hållanden. Då bakterieceller har lätt att fästa på i stort sett alla sorts ytor i akvatiskamiljöer medför det en risk för bildning av biofilm (Lappin-Scott m. fl., 2003). Biofilm ärett sorts aggregat som bildas på ytor och består av en mängd olika mikrobiella stammar.Biofilmen fungerar som ett ekosystem av bakterier och gynnar tillväxt och näringsupptag.Mikrober som lever i biofilmen försämrar vattenkvalitén när de släpps ut i vattenflödet(Outi m. fl., 2000). Bildning av biofilm är den huvudsakliga källan till de flesta bakteriellaproblem som uppstår inom diverse vattensystem.

Majoriteten bakterier som förekommer i PW-system är heterotrofa gramnegativa bak-terier (Lappin-Scott m. fl., 2003). Heterotrofa bakterier är de bakterier som konsumerarorganiskt kol som energikälla. Både gramnegativa och grampositiva bakterier innehållerdet fettämne som ger upphov till endotoxin (Nationalencyklopedin, 2017). En skillnad ärdock att grampositiva bakterier har en cellvägg som till största del består av flera lager av

3

den stora sockermolekylen peptidoglykan, till skillnad från gramnegativa bakteriers cell-vägg som bara har ett enkelt lager av peptidoglykan. Denna skillnad i uppbyggnad medföratt de grampositiva bakterierna är mer motståndskraftiga. Dessa förekommer dock van-ligtvis inte i PW-system.

Organiskt kol är den enda tillgängliga näringen för mikrober i PW-system då det intetillförs några ickeorganiska energikällor via vattnet. Detta är anledningen till att mångaPW-industrier regelbundet mäter TOC i systemet (Sandle, 2015).


2.3.1 Omvänd osmos

Osmos innebär diffusion av vatten över ett semipermeabelt membran, vilket låter vissaatomer och molekyler passera samtidigt som andra blockeras. Flödet styrs av det osmotis-ka trycket som arbetar efter att utjämna en koncentrationsgradient. Vattnet flödar såledesöver membranet mot den sida där vattnets initiala koncentration av lösta ämnen är högst(Crittenden m. fl., 2005). Omvänd osmos, på engelska reverse osmosis (RO), innebär attvattnet diffunderar från den högre koncentrationen till den lägre, till exempel från detinkommande matarvattnet (med fler partiklar) till rent vatten. Vid RO ligger membranetparallellt med matarvattnet. På så sätt separeras vattnet från de lösta ämnena. Detta skerdock inte naturligt, utan ett yttre tryck motsvarande det osmotiska tycket måste applice-ras (Glater, 1998). Detta tryck appliceras på den sida av membranet där koncentrationenav lösta ämnen är som störst, vilket tvingar vattnet att diffundera över membranet.

Membranen som används till RO består av flera lager. Dessa kan variera mellan olikamembrantyper men innefattar vanligen ett lager som utgörs av polyvinyl alkohol, vilketmedför att membranet blir mer hydrofilt vilket i sin tur påskyndar transporten av vattnetgenom membranet (Saraf m. fl., 2014). Membranet innehåller dessutom polyamid vilketutgör det selektiva lager som blockerar oönskade ämnen från att passera tillsammans medvattnet.

Av det inkommande vatten till systemet passerar 10–15 % membranet och blir till rentvatten (Xu och Chellam, 2005). Detta utbyte går att effektivisera genom att användafilter tidigare i systemet, vilket filtrerar ut sand- och lerpartiklar samt kolfilter för attgrovt avlägsna det mesta av bland annat klorid. Ytterligare faktorer som effektiviserarprocessen är att öka vattentemperaturen och ingångstrycket, vilket påskyndar flödet övermembranet men samtidigt kräver en större mängd tillförd energi (Crittenden m. fl., 2005).Genom RO avlägsnas generellt över 90 % av jonerna samt de flesta organiska föroreningar-na (Kornboonraksa, 2016). Metoden har dock svårigheter att rena vattnet från lösta gaser.


EDI är en metod som till huvudsak är uppbyggd av jonbytare och jonselektiva membran.Jonbytare är en teknik som används för att byta ut oönskade joner i en vattenström motvätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker genom att låta matarvatten passera

4

genom olika filterkolonner innehållandes jonbytarmassa. I första steget passerar vattnetgenom en filterkolonn där de positiva jonerna separeras från vattnet (byts ut mot väte-joner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa jonerna vid passage genom en andrafilterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte och hydroxidjoner som tillkommitvid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten (Wang m. fl., 2000). Det jonselektiva mem-branet är ett membran som har har till uppgift att släppa genom vissa joner medan andrajoner inte kan passera, ett urval som bestäms bland annat av jonernas laddning.

Under EDI-processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyll-da med jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet avmatarvattnet sker i huvudsak till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 1.De oönskade jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kana-lerna som inte innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salteroch kontaminationer som successivt avskiljs. Över membranpaketet läggs, via elektroder-na, en likspänning som resulterar i att positiva respektive negativa joner dras åt olikahåll och transporteras genom de jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler(Avfall Sverige, 2012). Det elektriska fält som bildas då potentialen läggs över elektroder-na bidrar till att en liten del vattenmolekyler delas upp i hydroxid- och vätejoner. Dessaproducerade joner är väsentliga för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenereradetillstånd (Wang m. fl., 2000). Dessutom kan hydroxidjonerna och vätejonerna reagera medämnen så som koldioxid, kiseldioxid och ammoniak, vilka då kan transporteras ut direktgenom de jonselektiva membranen. För att förhindra att för höga halter av bland annatsalter och diverse partiklar påverkar EDI:n negativt används med fördel omvänd osmos,som ett försteg till EDI-processen (”Electrodeionization Process” 2017).


EDI-processen kan inte användas för vatten med en hårdhet högre än 1 ◦E. Detta haratt göra med att hårt vatten innehåller höga halter kalciumkarbonat vilket kan orsaka

5

avlagringar som hindrar den jonselektiva processen (Lenntech, 2017). På GE Healthcaresanläggningar förkommer dock mjukgörande processer av vattnet vilket sänker vattnetshårdhet (Brolin, 2017).


Ett sista steg under själva produktionen av PW innan vattnet är redo att distribueras tillolika företag i anläggningen är ultrafiltrering. I likhet med övriga filtreringsmetoder pas-serar vattnet ett poröst membran, i detta fall ett så kallat ultrafilter, som fungerar som enselektiv barriär för olika ämnen i vattnet (Cheryan, 1998). Strömningen över membranetsker till följd av att matarvattnet trycksätts. Vid passagen genom de vanligaste filterty-perna reduceras vätskans innehåll på makromolekylerna och partiklar större än 0,001 –0,02 µm (Cheryan, 1998). För att filtrera ut endotoxin, vilka har en storleksordning på10 – 20 kDa (1Da = 1, 661 · 10−27kg), krävs ett ultramembran som filtrerar ut molekylermed en molekylvikt ned till 10 kDa (Saxena, 2009). Nackdelen med denna metod är blandannat att filtreringshastigheten är relativt långsam, vilket gör processen tidskrävande.


2.4 Rörsystem

Dead-legs definieras som delar av rören som inte är aktiva och där flödet är stillastående(Habib m. fl., 2005). I rörsystem utgörs dead-legs ofta av T-formande ventiler med tvåutlopp (Austen, 2005) eller förekommer i förgreningar ut från huvudslingan (Habib m. fl.,2005). För att avgöra i vilken utsträckning dead-legs förväntas kontaminera systemet,måste hänsyn tas till så väl flödet i huvudslingan som proportionen L:D, det vill sägalängden ut till huvudslingan från slutet på det förgrenade röret, L, i förhållande till hu-vudslingans diameter, D (se Figur 2, där L motsvarar längden på det förgrenade röretfrån mitten av huvudslingan) (Austen, 2005).

6


I rörsystem kan exempelvis klorgas, vilket är ett vanligt kemiskt steriliseringsmedel, hasvårt att diffundera ned i dead-legs. Detta leder i sin tur till att mikrobiell tillväxt kan skeenklare i de delar av rörsystemet där dead-legs förekommer, vilket senare kan spridas uti hela systemet (Austen, 2005). Dessutom kan de kemikalier som når fram till dead-legslätt ansamlas utan att avlägsnas från systemet. Dead-legs kan även orsaka problem vidtermisk sterilisering eftersom värmen som leds genom vattnet kan ha svårt att komma helavägen ut genom ett dead-leg, varpå områden med lägre temperatur kan förekomma därmikroorganismer enklare växer till (Austen, 2005). För att undvika detta kan ytterligaresteriliseringsåtgärder, exempelvis i form av hetvattenspolning, krävas direkt i anslutningtill aktuellt dead-leg.

Även i rörsystem med material som vanligtvis är relativt motståndskraftiga mot kor-rosion, är dead-legs med stillastående vatten eller vatten med låg hastighet, områden medförhöjd risk för korrosion (Habib m. fl., 2005).

För vattenvolymer större än 100 ml har US Food & Drug Administration (FDA) satt uppspecifika riktlinjer, så kallade Large volume parenterals (LVP:s) (FDA, 1982). En sådanriktlinje från 1982, men som fortfarande gäller i många system idag, är att dead-legs intefår förekomma med en längd på över sex gånger diametern på det ursprungliga röret,dvs L:D på över 6:1. Riktlinjen syftar till att stillastående ska undvikas i vattensystemet.Denna design på rörsystemet gäller då temperaturen på vattnet hålls över 75 ◦C (FDA,1993). Vid lägre temperaturer bör dead-legs undvikas helt, alternativt att steriliseringsker i direkt anslutning dessa. Många rörsystem idag konstrueras så att proportionen L:Där maximalt 2:1, vilket gör att stationärt vatten i förgreningarna undviks så länge flödeti huvudslingan är tillräckligt (ASME, 2013).

Från och med år 2016 har GE Healthcare börjat ställa strängare krav (Healthcare, 2016)vad det gäller dead-legs i sitt distributionssystem för PW. Kraven är definierade i före-tagets egna User Requirement Specification (URS) och berör samtliga ombyggnationer,

7

tillbyggnader och byte av delar inom anläggningen i Boländerna, Uppsala. Gällande dead-legs bör dessa inte överstiga L:D på 3:1. Om detta inte är möjligt rent konstruktionsmäs-sigt, kan i vissa fall dead-legs på längder upp till L:D 6:1 tillåtas. Ett sätt att undvikadead-legs är att montera in så kallade Zero Dead Leg (ZDL-ventiler). Ventilen har somfunktion att, då en fabrik inte tar emot PW, hindra vattnet från att flöda ut i det förgre-nade röret (om detta utgör ett dead-leg) i anslutning till fabriken.

Materialet på rörsystemet har stor betydelse för de bakteriella förutsättningarna. Rör iplast har exempelvis större chans att ackumulera biofilm, än exempelvis rostfritt stål ochkoppar (Zhang m. fl., 2017). Studier av ett antal vanligt förekommande material i rörsy-stem, utförda av Zhang m. fl. (2017), har visat på färre arter av bakterier hos rör i rostfrittstål än både segjärn (DI) och polyeten (PE, det vill säga en sorts plast), (EncyclopaediaBritannica, 2013)). Undantag gäller dock den gramnegativa proteobakterien Acidovorax(Marin, 2011), vilken i studier av (Zhang m. fl., 2017) uppmätts till halter på flera gångerstörre i rör av rostfritt stål jämfört med rör av DI och PE. En följdeffekt av de högrehalterna av bakterien Acidovorax är ökad risk för korrosion av rören (Zhang m. fl., 2017).

För att öka resistensen mot korrosion hos det rostfria stålet kan stål med en andel mo-lybdenum användas (Percival, 1999). Exempelvis är rostfritt stål av grad 316, med 2 %molybden (United Performande Metals, 2017) mer motståndsbenäget mot korrosion ängrad 304, utan molybden. Grad 316 finns vidare i varianten 316L, vilken innehåller en läg-re halt kol och därmed stärker resistensen mot korrosion ytterligare och höjer materialetsbrottsgräns. Plaster är överlag betydligt mer känsliga mot oxiderande ämnen än rostfrittstål, men graden av resistens kan variera mellan olika sorters plast (Lindam, 2017). Nitril(Lindam, 2017) är exempelvis mycket känsligt mot oxiderande ämnen, medan flourpoly-mererna polyvinylidenfluorid, PVDF, teflon och viton är betydligt mer motståndsbenägnaäven mot starkt oxiderande ämnen (Harrison m. fl., 2012).

Mikroorganismer ackumuleras enklare på ojämna ytor hos rören (FDA, 1993). Rostfrittstål poleras ofta för att undvika ojämnheter på ytorna vilket gör att risken för bakte-riell tillväxt minskar (Austen, 2005). Ventiler och svetsningar är ytterligare en källa tillmikrobiell tillväxt i rörsystemet (Linder, 2017). I rörsystem är i regel rören hopsvetsadeeller hopmonterade med så kallade Sanitary fittings ; hygieniska kopplingar i sekvenserdär rören övergår i tankar eller ventiler. Sanitary fittings är lätta att göra rent och hartill skillnad från gängor inga skåror där mikroorganismer enkelt kan fastna (Austen, 2005).

I GE Healthcares anläggning i Boländerna finns 5 tankar, vilka alla är sammankopplademed varandra och har en total volym på 230 m3 (Karlsson, 2017). Enligt GE:s URSfrån 2016 finns även riktlinjer över krav på att samtliga tankar är vakuumklassade samtdessutom försedda med spraybollar, vilka har som syfte att genomskölja hela tanken meddet innevarande vattnet (Healthcare, 2016). Detta underlättar för sterilisering av helatankytorna.

8

2.5 Rouge

Rouge-bildning är ett fenomen som är vanligt förekommande inom branscher där PW pro-duceras, till exempel inom den farmaceutiska industrin (Mathiesen och Frantsen, 2007).Rouge-bildning innebär att det ansamlas en röd-brun järnbeläggning (järnoxid) på insi-dan av förvaringstankarna och distributionssystemet av rostfritt stål, i vilket varmt (>60◦C) PW flödar. Utöver distributionssystemen och tankarna bildas rouge även i destilla-torerna. Rouge-bildningen tenderar dock att vara kraftigare vid destillatorerna på grundav de höga temperaturerna som råder här. Eftersom rougen är uppbyggd av små par-tiklar kan de i viss mån följa med vattenflödet och ge upphov till ett homogent lagerav rouge i hela distributionssystemet (Mathiesen och Frantsen, 2007) (Roll och Kilkeary,2001). Huruvida ett PW system behöver ”avrougas” beror på hur mycket rouge som finnsför tillfället och hur snabbt denna tillväxer, något som kan variera kraftigt mellan olikaanläggningar. På vissa anläggningar kan en rougebeläggning bildas på ett par månadermedan det kan ta uppemot ett par år på andra anläggningar. Orsaken till denna högavariation är ännu oklar och ytterligare studier behövs inom detta område. Avlägsnande avrouge är något som förekommer på många farmaceutiska industrier. Vanligtvis användsolika typer av syror, så som citronsyra, fosforsyra eller oxalsyra beroende på hur till vilkengrad systemet är drabbat (Mathiesen och Frantsen, 2007).

9

3 MetodProjektet genomfördes som en litteraturstudie. I första hand analyserades vetenskapligaartiklar, men som komplement användes specifikationer om olika produkter från tekniskaföretag för att undersöka möjligheter till implementering i GE Healthcares egna anlägg-ning. En bedömning över relevansen hos samtliga källor gjordes. Experter inom branschenkontaktades via mejl och telefon då den information som fanns tillgänglig på internet ochi bibliotek var bristfällig.

Under första arbetsveckan genomfördes en pilotsökning av databaserna Scopus, Web ofScience, SpringerLink, Science direct, PubMed Central och Nationalencyklopedin. Dettagjordes för att få en överblick av forskningsläget inom det undersökta området. Denna in-ledande pilotsökning medförde att sökord och söktekniker kunde raffineras inför framtidasökningar. Under pilotsökningen låg fokus på träffsäkerheten istället för selektivitet, föratt på så vis fånga in så många relevanta referenser som möjligt.

Samtliga databaser som undersöktes i pilotsökningen visade sig vara intressanta för er-hållandet av relevanta referenser. Litteratur har sökts från olika källor för att undvikapublikationsbias. Vid databassökningarna användes ett stort antal ämnesspecifika sökordi olika konstellationer, för relevanta sökord (se Tabell 10 i Appendix). Olika sökoperatorerså som AND, OR och ∗ användes för att öka träffsäkerheten i sökningarna. SökoperatornAND användes för att skapa kombinationer av olika sökord, OR möjliggjorde för träffarinom samtliga sökord och ∗ användes för att söka referenser med en ordstam vars ändelsekan variera.

Ytterligare kompletterande sökningar, utöver de elektroniska databaserna, utfördes påGoogle Scholar. Även referenslistor och ledande forskares publiceringar genomsöktes re-spektive söktes. Forskare vars namn återkom i flera artiklar samt forskare vars artiklarvar mycket citerade kontaktades via mejl. Muntlig information erhölls framförallt frånGE Healthcares tekniker, andra relevanta företag samt experter inom vattensystem ochozonsterilisering. Med GE:s tekniker hölls två möten där specifik information om an-läggningen erhölls. GE rekommenderade även en konsult, Anders Widov, välkänd inomozonrening samt med insikt i GE:s anläggning. Widov kontaktades via ”skype” även härmed syfte att erhålla anläggningsspecifik information samt expertutlåtanden om ozonre-ningsteknik i helhet. Från Widov erhölls ytterligare kontaktinformation till bland annatNissan Cohen, expert inom ozonrening på PW-system, och Phil Sumner, manager på Phi-zer Global engeneering.

Studier som inkluderades direkt och således genomgick vidare granskning var studier somberörde sterilisering av distributionssystem. Utöver detta inkluderades även studier somkunde ge en helhetsbeskrivande bild av de problem som GE Healthcare kan tänkas ståinför vid implementering av diverse steriliseringstekniker. Samtidigt exkluderades studierskrivna på annat språk än svenska eller engelska. Ytterligare en aspekt för exkludering varom studierna märkbart beskrev föråldrade tekniker, det vill säga tekniker inom områdendär utvecklingen varit omfattande. Slutligen exkluderades studier med nya obeprövadetekniker, vars samhällsimplementering inte är aktuell inom en snar framtid.

10



Ytterligare faktorer som undersöktes var behovet av kemikalietillsatser och vilka eventu-ella restprodukter som kan bildas, detta eftersom inga kemiska tillsatser får finnas kvari slutprodukten. Hos den teknik som bedömdes uppfylla ovanstående kriterier bäst, upp-skattades dessutom energi- och vattenåtgång så väl som tillgängligheten på marknaden.


Fördjupningen av den valda metoden genomfördes också primärt som en litteraturstudie.Större fokus lades dessutom på att komma i kontakt med företag som installerat tekni-ken på motsvarande anläggningar som GE:s. Denna fördjupning innebar att den utvaldatekniken granskades djupare utifrån ett flertal aspekter såsom teknikens steriliserandeegenskaper, vilka typer av tekniska moduler som kan bli aktuella vid implementering,hur steriliseringsmetoden i fråga opererar på liknande anläggningar samt vilka för- ochnackdelar som finns ur hälso- och säkerhetsaspekter.

11



En metod för att sterilisera distributionssystem från endotoxin och biofilm är genom upp-värmning av vattnet till över 75 ◦C (Sandle, 2013). Denna temperatur måste bibehållasför att mikrobiell tillväxt inte ska ske. Vid lägre temperaturer krävs hetvattenspolningunder en längre tid för att eliminera de nödvändiga halterna av mikroorganismer. Urenergisynpunkt är exempelvis en hetvattenspolning med temperaturen 80 ◦C mer ener-gieffektiv än temperaturen 60 ◦C (Atila, 2016). Om temperaturen understiger 50 ◦C fårtemperaturökningen av vattnet omvänd effekt och halten endotoxin kan öka (Forssbladoch Annadotter, 2008).

Uppvärmningen av vattnet liksom nedkylningen till 20 ◦C, vilket är en vanlig temperaturpå vattnet vid produktionsanläggningar, är dock mycket energikrävande. Utifrån vatt-nets specifika värmekapacitet kan energiåtgången för en uppvärmning från 20 ◦C till 80◦C beräknas till cirka 70 kWh/m3 (se Appendix 9.3). Till själva nedkylningen åtgår förfarmaceutiska system flera liter dricksvatten för varje liter producerat rent vatten (Wall,2017), vilket medför stora driftkostnader. Dessutom medför uppvärmningen tillsammansmed nedkylningen en sammantaget lång steriliseringscykel på många timmar (Harrisonm. fl., 2012).


4.2 Ultrafiltrering


Membranen som används till ultrafiltreringen kan antingen bestå av spiralvridna skivoreller av tätt sittande ihåliga fibrer (se Figur 3 (Collentro, 2016)). De ihåliga fibrerna kanvara gjorda av olika material vilket har betydelse för membranets permeabilitet. En högpermeabilitet hos membranet effektiviserar i sin tur den i övrigt långsamma filtrerings-processen. Genom att den totala kontaktytan hos membranen är tio gånger så stor hos deihåliga fibrerna jämfört med de spiralvridna membranen är dessa effektivare ur renings-synpunkt (Toyobo, 2017). En fördel med denna spiralvridna ultrafiltrering är dock attmembranen är relativt enkla att byta ut (Dow, 2017).

12


En nackdel med samtliga metoder som innefattar filter är att partiklar fastnar på mem-branytan, varpå rengöring krävs med jämna mellanrum. Ett sätt att rengöra membranetär genom så kallad dead end procedur, vilket innebär att man låter vatten snabbt flöda ge-nom membranet i motsatt riktning och rensa bort partiklarna som fastnat (WET GmbH,2005). Nackdelen är att driftsystemet måste stoppas under rengöringen (WET GmbH,2005). För att undvika produktionsstopp kan istället den så kallade cross flow procedurenanvändas. Metoden går ut på att en stor del av vattnet leds runt längs med membranet ien krets. En del av detta vatten går igenom membranet och det resterande vattnet följermed ut som avloppsvatten (WET GmbH, 2005). Nackdelen med processen är att denkräver mer energi jämfört med dead end proceduren. Oavsett hur ultrafiltret dimensio-neras verkar det lokalt genom att rena bort mikrober och endotoxin på en specifik plats.Efter vattnets passage genom membranet kommer all eventuell förorening att stanna kvari systemet, varpå en mikrobiellt tillväxt kan ske (Knops, 2017). För att använda ultrafil-treringen som steriliseringsmetod i distributionssystemet krävs ytterligare behandlingarsom hetvattenspolning eller tillsatser av olika kemikalier (Madaeni och Sharifnia, 2000).

4.3 Klor

Klor (Cl) hör till halogenerna i det periodiska systemet (Eldnig och Stenberg, 2017).Ämnet är mycket reaktivt och oxiderande vilket gör det användbart till bland annatdricksvattendesinfektion.

När klor alternativt aktiva klorföreningar används för desinfektion av vatten kallas detklorering. Dessa klor-ämnen har då till uppgift att åstadkomma en mikrobiell rening avvatten alternativt oxidera olika vattenkontaminationer så att de lättare kan avskiljas (Eld-nig och Stenberg, 2017). Inom klorering är det vanligt att använda sig av klorgas, vilkeni vattnet ger upphov till en jämvikt mellan föreningarna underklorsyrlighet (HClO), ochhypokloritjoner (ClO−). Användning av klorgas kan dock få icke önskvärda effekter omvattnet innehåller relativt höga halter av organiskt material, till exempel kan hälsofarligaorganiska klorföreningar bildas. Detta kan motverkas genom att använda sig av klordioxid(ClO2) (Eldnig och Stenberg, 2017). Fördelen med att använda klordioxid är att den ärmiljövänlig relativt klor, samtidigt som den fortfarande är mycket effektiv mot mikroor-

13

ganismer. Utöver rening av vatten används klordioxid även till sterilisering av medicinskapparatur, laboratorieutrustning samt för att sanera renrum.Viktiga faktorer som avgörklordioxidens steriliserade förmåga, vilka varierar beroende på vad som ska steriliseras ochhur kontaminerade de är, är koncentration, kontakttid och ytmaterial. I allmänhet verkarkoldioxid effektivt på rostfritt stål, papper och epoxy (Sandle, 2013).

Klordioxid kan produceras genom att blanda klorgas med natriumklorit. Gasen får då enklorlik odör och en grön-gul färg, vilket gör läckage lätta att detektera med såväl luktsom UV-spektrofotometrar. Då gasen inte är tillräckligt stabil för att tillverkas och trans-porteras till en anläggning, produceras gasen direkt på anläggningen. Gasens instabilitettillsammans med dess hälsofarliga och explosiva effekter har gjort den mindre populärför storskaligt industriellt bruk (Sandle, 2013). Ytterligare nackdelar uppstår då gasenavses användas för sterilisering av PW-distributionssystem, detta eftersom rester av ga-sen måste spolas ur systemet innan ytterligare distribution av PW kan förekomma, vilketresulterar i produktionsstopp.


Ozon (O3) är en naturligt förekommande gas som bland annat finns i stratosfären. Ozonär en instabil molekyl bestående av tre syreatomer som strävar till att återgå till syrgas(O2). Den instabila egenskapen gör ozon till ett starkt oxiderande ämne, cirka 20 gångerstarkare än klorgas (Stucki m. fl., 2005). Oxidationsegenskaperna hos ozonet gör den tillett starkt steriliserande ämne som angriper både bakterier och endotoxin (Viera m. fl.,1999). Utöver att angripa biofilm, bakterier och andra levande organismer, påverkar ävenozonsterilisering mängden löst kol i vattnet (Florjanič och Kristl, 2006). Ozon sönderfallertill syre med en halveringstid på ungefär 20 minuter i PW (Stucki m. fl., 2005). En endarätt dimensionerad ozongenerator har kapaciteten att sterilisera distributionssystem förPW på uppemot 900 m (Widov, 2017). För riktigt storskaliga system kan enkelt ytterli-gare generatorer installeras längs med rören.


Ozonets oxiderande egenskaper ställer vissa krav på materialvalet i vattensystemet. Rost-fritt stål är ett av de mest korrosionsbeständiga materialen mot ozon (Cohen, 2013). Ozonär skadligt för människan vid halter över 2 ppm (Ozonetech, 2017). De halter som finns iPW-system varierar oftast mellan 20 till 50 ppb (Harrison m. fl., 2012).

14

4.5 Urval

I tabell 1 sammanställdes hur väl de olika metoderna för sterilisering av PW uppfyllerkriterier på inget produktionsstopp, möjlighet till implementering, hög reningseffektivitetav distributionssystemet samt låg kostnad. Dessutom togs eventuella övriga faktorer, somkunde bidra till urvalet, upp för respektive metod.


Metod Fördelar NackdelarHetvattenspolning • Inga kemikalier • Hög underhållskostnad


Ultrafiltrering • Inga kemikalier• Relativt låg kostnad

• Produktionsstopp• Låg reningseffektivitet av dis-






Hetvattenspolning är den metod som GE i dagsläget använder sig av vilken har lett tillhöga underhållskostnader samt en enorm förbrukning av kylvatten i form av dricksvatten(Wall, 2017). Ultrafiltrering har ingen sanerande effekt på hela rörsystemet och fungerari stort sett som ett hinder för mikroorganismer att ta sig från punkt A till punkt B (Che-ryan, 1998) och är därmed inte en helhetslösning. Klor är generellt en väldigt opassandemetod för PW-system då det kräver produktionsstopp, svårhanterliga kemikalier (Eld-nig och Stenberg, 2017) samt en risk för överblivna kemikalier i systemet (Sandle, 2013).Ozonsterilisering har krav på design, materialval och ozondestruktorer men uppfyller allaandra behov (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozon anses både effektivt, billigt, lätthan-terligt och är den metod utöver hetvattenspolning som storskaligt används i PW-system(Widov, 2017).



Ozon bildas i stratosfären när syrgas träffas av UV-strålning med en våglängd på 185 nmeller mindre, syrgasmolekylen delas upp i två fria syreatomer som i sin tur åter kan reageramed syrgas (Sivasakthivel och Reddy, 2011). Reaktionen kallas för fotolys, se ekvation 1.

O3 + UV 185 → O +O2 → O3 (1)

I stratosfären förekommer ozonet naturligt i det så kallade ozonskiktet, där koncentra-tionen är mycket högre än i andra delar av atmosfären, cirka 10 ppm (Sivasakthivel och

15

Reddy, 2011). Ozonskiktet skyddar livet på jorden från skadlig ultraviolett strålning frånsolen. Cirka 90 % av jordens totala ozonförråd befinner sig i ozonskiktet. Nedbrytning avozon i ozonskiktet är en naturlig process. Ozonet reagerar med solljus samt olika före-ningar av kväve, klor och väte. Alla dessa föreningar förekommer naturligt i atmosfären ilåga koncentrationer. Nedbrytningen och bildningen av ozon är i jämvikt i en oförorenadatmosfär. Till följd av ökat utsläpp av kväve, klor och väteföreningar stimuleras nedbryt-ningen av ozon vilket kan leda till en minskning av ozonskiktet (Sivasakthivel och Reddy,2011).


I och med att ozon är en gas reverserar den till ett mer stabilt tillstånd som syrgas. Föratt ozon ska återgå till syrgas behöver det reagera med ett annat ämne. Ozon klassas somett oxidationsmedel (Cohen, 2013) och kan förbrukas direkt via oxidering av organisktmaterial eller brytas ned i en kedjereaktion som även leder till bildandet av bl.a hydrox-ylradikaler (OH•). Benämningen • innebär att ämnet är en radikal. En radikal är merreaktiv än en vanlig molekyl då den har en oparad elektron i sin yttersta orbital. Hydrox-ylradikaler är starkare oxiderare än ozon. Många studier har gjorts över hur ozon naturligtsönderfaller när det är löst i vatten, men en universellt accepterad reaktionsformel finnsinte (Gardoni m. fl., 2012). Hur stabilt ozon är löst i vatten beror på pH, temperatur, an-delen hydroxylradikaler, alkalinitet, ozonkoncentration och andra tillgängliga ämnen. Enuppdaterad kedjereaktionsformel, gjordes 2012 av Gardoni (Gardoni m. fl., 2012), enligtekvation 2 - 10. Gardonis kedjereaktion inleds med ekvation 2 och 3, vilket motsvarar detprimära sönderfallet av ozonet.

O3 +OH− → O2 +HO−2 (2)

O3 +HO−2 → HO−

5 (3)

Existensen av jonen HO−5 har ej bevisats experimentellt men anses vara en viktig kortli-

vad intermediär i kedjereaktionen och reagerar snabbt vidare i ekvation 4 och 5. Underreaktionens gång bildas en mängd andra radikaler och intermediärer som snabbt förbrukasenligt ekvationerna 6 - 10.

HO−5 ↔ HO•

2 +O•−3 (4)

HO−5 → 2O2 +OH− (5)

HO•2 ↔ O•−

2 +H+ (6)

O•−2 +O3 → O•−

3 +O2 (7)

O•−3 ↔ O•− +O2 (8)

16

O•− +H2O ↔ OH• +OH− (9)

OH• +O3 → O2 +HO•2 (10)


aktionen börja om (ekvation 6). I kedjereaktionen är ekvation 4 den tidsbegränsandereaktionen. Ämnen som direkt kan reagera med ozon för att starta kedjereaktion kallasinitierare. I rent vatten är hydroxidjoner (OH−) den enda kända initieraren. Man kan till-sätta andra ämnen som väteperoxid (H2O2) eller använda UV-stålning för att påskyndakedjereaktionen som bryter ned ozon (Gardoni m. fl., 2012).

Ozon har olika halveringstid beroende på om det förekommer i luften eller löst i vatten. Dåozon tillsätts till vatten förbrukas det generellt i två steg. Beroende på vattnets kvalitetförbrukas först en del av ozonet väldigt snabbt följt av ett långsammare sönderfall (Parkm. fl., 2001). Det första steget då ozonet snabbt förbrukas kallas instantaneous ozonedemand (ID). ID mäts genom att beräkna skillnaden på ozonkoncentrationen ett parsekunder efter tillsatsen av ozon och enheten är mg/l. I ett experiment utfört av Park(2001) bestämde man ID i vatten med olika halter av organiskt material, TOC, och komfram till att värdet på ID ökade då TOC ökade. De kunde däremot inte fastställa attvärdet på ID och TOC hade ett linjärt samband vilket innebär att det sannolikt finns flerparametrar som påverkar vattnets ID. Staehlin och Hoigné’s (Park m. fl., 2001) beskrevozonets nedbrytning med ekvation 11.

−d[O3]


kp[TOCp]

ks[TOCs])}[O3] (11)



Vattnets temperatur påverkar också nedbrytningen av ozon. I varmt vatten bryts ozonned snabbare än i kallt vatten. Steriliseringskapaciteten från ozon reduceras betydandevid högre temperatur (Elovitz m. fl., 2000). Vattnets pH ger även effekt på nedbrytningen,

17

högre pH-värden ger snabbare nedbrytning av ozon. Högre pH i vattnet medför att ozonetblir mer reaktivt med deprotonerade syror och fenoler i det organiska materialet i vattnetvilket resulterar i högre omsättning av ozon. Effekten av pH-värdet är därmed beroendeav mängden organiskt material i vattnet. Bildningen av intermediärer i kedjereaktionen(se ekvation 3) gynnas vid högre pH och leder till högre konsumtion av ozon.

Vattnets alkalinitet, även kallat buffertförmåga har också påverkan på ozonets nedbryt-ning. Bikarbonat (HCO−

3 ) och karbonat (CO2−3 ) fungerar som hämmare i kedjereaktionen

(se ekvation 3). Som hämmare terminerar de OH• som vidare hindrar bildningen av su-peroxid (O•−

2 ) som ingår i ozonnedbrytningens kedjereaktion (Elovitz m. fl., 2000).


Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt i mätbara nivåer, underdess sönderfall eller under dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts istor utsträckning för sterilisering, sanering och rengöring (Gottschalk m. fl., 2010). Ozonhar visat sig ha god effekt att inaktivera endotoxin i vatten. Framförallt gramnegativabakterier är särskilt känsliga för ozon i jämförelse med grampositiva bakterier (Moorem. fl., 2000). I PW-system är de grampositiva bakterierna i allmänhet ytterst sällsynta(Sandle, 2015).


Figur 4 visar resultatet av en studie som gjordes i samband med implementeringen av ozoni industriområdet i Frankfurt, Tyskland, via företaget Infraserv Höchst år 2005 (Stuckim. fl., 2005). Efter implementeringen visade studien att en ozon-koncentration lägre än0.02 mg/l räckte för att sanera vattensystemet. Försöket i Figur 4 behandlar även dengramnegativa bakterien Pseudomonas aeruginosa som är en av de vanligaste bakteriernai PW-system (Sandle, 2015 och Kulakov m. fl., 2002).

18



Ozon är en instabil molekyl och har en halveringstid på cirka 20 minuter i PW (Cohen,2013). Trots detta kan det vara viktigt att säkerställa att allt kvarvarande ozon som intehunnit sönderfalla under distributionstiden snabbt förstörs innan slutprodukten är klarför leverans. Huruvida ozonet helt måste avlägsnas beror på användningsområdet för detPW som produceras. Avlägsnandet kan göras med hjälp av UV-ljus med våglängden 254nm (Cohen, 2013), vilket motsvarar ozonets absorptionsmaximum (Harrison m. fl., 2012).UV-ljuset bryter bindningen mellan syreatomerna i ozonmolekylen, vilket resulterar i attsyrgas och en fri syreatom bildas. Detta sker enligt reaktionsformeln i ekvation 12.

O3 + UV254 → O +O2 (12)





(13)

där UV-intensiteten motsvarar medelintensiteten av UV-strålningen som detekteras inne istrålningskärlet, Vkärl beskriver volymen av strålningskärlet och Q anger flödeshastighetengenom strålningskärlet. Transmittansen, som är en materialegenskap och beskriver vatt-nets genomskinlighet, erhålls genom spektrometriska undersökningar av vattnet i fråga.Summerfelt m.fl. (2004) bestämdes transmittansen av vattnet till 90%.


dC

dt= −kC (14)

19


C = C0e−kt (15)


a = 0.0343 b = 6.34·10−4 m = 2


C = C0e−(a+bIm)·t (16)


t =ln(C/C0)

−(a+ bIm)(17)


Vidare undersökningar utförda av Summerfelt m.fl. (2004) har visat att 100% av ozonetförsvinner vid strålning med 49.3 ± 0.6 mW s/cm2 UV-ljus, om den ursprungliga haltenozon är som högst 0.1 mg/L samt bestrålas under 3.3 sekunder. För halter av ozon upptill 0.3 mg/L krävs en strålning med UV-ljus som ungefär motsvarar den dubbla effekten.Dessa värden är uppmätta för vatten med temperaturer på 13 – 15 ◦C. Vid högre tem-peraturer på vattnet blir övergången från ozon till syrgas ännu mer effektiv, vilket medandra ord kräver en lägre effekt på det tillförda UV-ljuset. Åter igen gäller Summerfeltsresultat för vatten som är mer kontaminerat än PW.

Vid UV-bestrålning av vatten innehållandes ozon, finns det risk att H2O2 bildas (Sörensenm. fl., 2016, Harrison m. fl., 2012) då den fria syreatomen som bildas i ekvation 12 reagerarmed en vattenmolekyl. Väteperoxid är den enklaste varianten av peroxid och består av tvåväte- och två syreatomer. Likt ozon är även denna kemikalie ett starkt oxidationsmedel.Studier från ett pilotförsök (Stucki m. fl., 2005), som producerar PW, har dock visat attden producerade väteperoxiden inte utgör något problem eftersom halterna i allmänhet ärunder detektionsgränsen. En förenklad reaktionen av den som sker då väteperoxid bildas

20

sker enligt följande steg (Harrison m. fl., 2012):

O3 +H2O + UV254 → H2O2 +O2 (18)


H2O2 + UV254 → 2OH• (19)

H2O2 +OH• → H2O +HO•2 (20)

2HO•2 +H2O2 → 2O2 + 2H2O (21)

En UV-anläggning består i stora drag av en UV-kammare i vilket det ozonhaltiga vatt-net flödar genom. I UV-kammaren finns en eller flera lampor placerade i kvartsrör, somskyddar lamporna från vattnet. I kammarväggarna finns UV-sensorer som mäter ljusin-tensiteten (Eriksson, 2009). Bland UV-lampor väljs vanligtvis så kallade lågtryckslampor,där den ultravioletta strålningen i princip endast avger ljus i våglängden 254 nm. I jäm-förelse finns de så kallade medeltryckslamporna vilka har en högre intensitet men avgerljus i ett bredare spektrum av våglängder (Eriksson, 2009). Generellt gäller att lågtryck-slampor omvandlar 35 % av energin till ljus i den önskvärda våglängdsområdet vilket kanjämföras med 15 % för medeltryckslamporna. Utöver detta har lågtryckslampor en längrelivslängd än till exempel medeltryckslampor (Eriksson, 2009). En lågtryckslampas bruk-barhet är cirka 9 000 timmar, angivet med god säkerhetsmarginal (Harrison m. fl., 2012).I farmaceutiska vattensystem är lågtryckslampor att föredra, detta eftersom vattnet ärrent (har låg koncentration av fasta ämnen) samt att ozonkoncentrationen ligger mellan0.2 ppm till 0,5 ppm då det når UV-anläggningen (Harrison m. fl., 2012).

Vid drift och underhåll är det framförallt viktigt att övervaka att UV-dosen håller önsk-värd intensitet. Detta kan göras genom att mäta UV-intensiteten med de sensorer somfinns placerade i UV-kamrarna i kombination med ekvation 13. UV-lamporna bör bytasvar tolfte månad (Harrison m. fl., 2012). Faktorer som påverkar lampans livslängd är tem-peratur, hur ofta lampan stängs av och på och vattenflödet genom strålningskammaren.Om temperaturen i strålningskammaren inte håller leverantörens riktlinjer kan lampanshållbarhet minskas drastiskt. Temperaturen påverkas i sin tur vattenflödet som såledesblir en indirekt faktor på lampans livslängd(Harrison m. fl., 2012). Om distributionssy-stemet tenderar att bilda rougebeläggning behövs regelbunden rengöring av kvartsrören.Som tidigare nämnts varierar rougebildning mycket mellan olika anläggningar, såledeskommer även behovet av rengöring att variera. Rengöring av kvartsrören är dock intealltid nödvändig för anläggningar som hanterar rent vatten (Harrison m. fl., 2012).


Då ozon är en instabil molekyl som snabbt sönderfaller måste ozonet produceras i direktanslutning till det system den är avsedd att användas i (Gottschalk m. fl., 2010). Genomatt tillsätta någon form av energikälla kan ozon produceras från luft, syrgas och direkt

21

från vatten. Då luft alternativt ren syrgas används för att producera ozon är energikäl-lans uppgift att dela upp syrgasmolekylen i två stycken fria syreatomer. Dessa syreatomerreagerar sedan vidare med andra syrgasmolekyler och bildar på så vis ozon. Om vattenistället används som primär källa för ozonproduktion, får den tillförda energin till uppgiftatt slå loss syreatomen från vattenmolekylerna, varpå syreatomerna sedan kan reageraoch bilda ozon (Gottschalk m. fl., 2010).

Ozon har god löslighet i vatten och kan lämpligtvis injiceras med hjälp av en venturi-injektor (Lindam, 2017) En venturi-injektor har avsmalnande diameter på mitten vilketger upphov till ett tryck och på så sätt underlättar för injiceringen av ozon. Det är viktigtatt effektiviteten på systemet som används för att injicera ozon i vattnet är hög, då ozo-nets nedbrytning kan vara väldigt snabb beroende på vattnets innehåll, vilket kan ledatill en lägre koncentration än önskat.



Koronaurladdning, CD (Corona Discharge, även kallat dielectric barrier discharge) är denmest använda metoden bland farmaceutiska företag i USA för att producera ozon somsedermera löses i vattnet. Teknikerna hur en koronagenerator fungerar varierar mycketberoende på mängden ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras. Grundtek-niken är dock i princip densamma och bygger på att luft alternativt ren syrgas pressasförbi två elektriskt laddade plattor som tillsammans genererar ett elektriskt fält, där fältetorsakar en separation av syremolekyler varpå ozon bildas. Då luft används som mediumbildar cirka 2 % av syret i luften ozon, vilken sedan löses i vattnet med någon typ avblandare (Cohen, 2013).

Vid produktion av ozon enligt denna princip åtgår 25 % av den tillförda energin till attproducera ozon, medan resterande bildar värme (Gottschalk m. fl., 2010). Detta är någotsom har blivit ett problem då ozon sönderfaller snabbare under förhöjda temperaturer.Lösningen har blivit att installera effektiva kylsystem som håller temperaturen nere på 5– 10 ◦C. Små generatorer är luftkylda medan de större är vattenkylda.

Fördelen med denna metod är att den överlag kan generera högre koncentrationer av ozonän generatorer med elektrolys av vatten. Det finns dock risker vid användande av luft somkälla till ozon (Cohen, 2013). Luft innehåller andra gaser, till exempel kvävgas som efterpassagen genom de elektriska plattorna kan orsaka bildning av kväveoxider (Gottschalkm. fl., 2010). Dessa kväveoxider är bland annat mycket toxiska och cancerogena. Utöverdetta ställer metoden även krav på att luften som tillförs ska vara torr, för att undvikabildning av salpetersyra (HNO3) vilket kan uppnås genom att installera en lufttorkare. Ivissa generatorer finns denna redan installerad.

Att torka luften är energikrävande men också ett måste för att undvika korrosion av

22

generatorns ingående komponenter samt bildningen av salpetersyra. De ovan nämndanackdelarna, samt att ren syrgas som primärkälla genererar cirka fem gånger så mycketozon än om vanlig luft används som källa, är orsaken till att industrier allt mer övergårtill att använda ren syrgas för produktion av ozon. Syrgas kan antingen produceras direktpå plats från omgivande luft, alternativt fraktas dit i form av flytande syre. Dock är ävenproduktion av syrgas från omgivande luft en energikrävande process. Överlag gäller attden specifika energikonsumtionen är två gånger så hög om luft används som gaskälla tillgeneratorn istället för ren syrgas (Gottschalk m. fl., 2010).


Ozon kan även bildas direkt från PW, genom metoder som fått samlingsnamnet ”elektroly-tiska metoder”. Vid dessa metoder används en spänning som läggs över ett par elektrodersom tillsammans formar en cell (Cohen, 2013). I cellen delas vattnet upp i väte och syre,som sedermera bildar vätgas, syrgas samt ozon (Gottschalk m. fl., 2010). Alternativt bil-das ozon direkt från det syre som redan finns löst i vattnet. En cell kan producera mellan0,05 – 4 g/h av ozon, beroende på temperatur, spänning och strömstyrka (Gottschalkm. fl., 2010). Cellens effektivitet ökar med ökad ström och spänning samt med minskadtemperatur. Detta innebär att likt metoder som bygger på koronaprincipen behövs ävenhär ett kylsystem, något som kan upprätthållas med ett högt vattenflöde genom cellen.

Det finns en typ av cell som består av bland annat ett protonbytarmembran kallat PEM(proton exchange membran), och har därmed fått namnet PEM-cell. Denna cell har ut-nyttjats med gott resultat i ett pilotprojekt i Tyskland där ozon använts för att skydda detrenade vattnet mot mikrobiologisk kontamination (Stucki m. fl., 2005). Cellen utmärkersig genom en blydioxid-anod som klarar att bära mycket höga laddningar samt att denär mycket motståndskraftig mot korrosion då elektroderna integreras med ett PEM. Enförutsättning för att anoden ska motstå korrosion är att det inte finns några fria anjoneri det använda mediet. Cellen bör alltså användas i vatten som är renat med avseendepå fria joner. Vanligt för denna typ av cell är ett mycket litet avstånd mellan katod ochanod som inte är mer än 100 – 200 µm. Det korta avståndet leder till minskad elektriskresistans och därmed kan höga laddningar passera.


Fördelarna med denna metod är att det inte bildas några biprodukter i form av kväveox-ider, vilket kan vara fallet för koronaurladdningsmetoder, samt att ingen extern tillförselav vare sig luft eller syrgas krävs (Stucki m. fl., 2005). Det behövs inte heller någon ex-tern blandare för att lösa ozonet i vattnet. Nackdelen är att processen är energikrävande.Generellt sett är metoder som bygger på elektrolys av PW ungefär tio gånger så energikrä-vande som metoder baserade på principen koronaurladdning (Cohen, 2013). Den specifika

23

energiförbrukningen har uppmätts till 200kWh/kg ozon (Gottschalk m. fl., 2010).

5.5 Säkerhet


Studier om ozonexponering som gjorts på djur har visat att en exponering för en haltöver 10 – 20 ppm under en timme eller kortare tid kan vara dödligt för människor (Ozo-netech, 2017). Trots detta har inte ett enda dödsfall konstaterats bero på ozonexponering(Ozonetech, 2017). Det finns nationella riktlinjer för exponering av ozon bestämda av ar-betsmiljöverket. Vid korttidsexponering av ozon är gränsvärdet 0,3 ppm och mäts underett 15 minuters intervall. Vid längre tids exponering är gränsen 0,1 ppm och mäts underett åtta timmars intervall (Arbetsmiljöverket, 2015). Dessa gränsvärden är framtagna föratt eliminera risken för långvariga besvär i samband med ozonexponering. Ozonsterilise-ring i vatten är generellt relativt riskfritt på grund av de låga koncentrationer av ozonsom används (Stucki m. fl., 2005). Det finns ändå faktorer som bör tas hänsyn till föratt produktionen ska kunna ske på ett riskfritt och effektivt sätt samt att det finns enåtgärdsplan ifall olyckan är framme, exempelvis i form av läckage av ozon.


24




I och med ozonets starkt oxiderande egenskaper, ställs höga krav på att materialet i dis-tributionssystemet är motståndskraftig mot korrosion. Det rekommenderas vanligen attmaterialet består av den mest tåliga typen av rostfritt stål, 316L (Harrison m. fl., 2012),vilken definieras enligt ISPE (International Society for Pharmaceutical Engineering) haobegränsad livslängd tillsammans med ozon. I distributionssystemet är utöver det rostfriastålet vissa komponenter ofta bestående av någon sorts polymer. En viktig aspekt är attolika polymerer har olika resistens mot ozon. Generellt sett är flourpolymerer resistentamot ozon, och exempelvis är PVDF applicerbart i rörsystem där ozonsterilisering före-kommer (Harrison m. fl., 2012). Ytterligare ett exempel på en flourpolymer som är vanligtförekommande i distributionssystem för ozonvatten är teflon, ofta i form av ventiler ochluftfilter på förvaringstankarna. I allmänhet är luftfilter byggda för system med höga tem-peraturer mer tåliga mot ozon, jämfört med luftfilter enbart anpassade för kalla system(Harrison m. fl., 2012). Teflon kan dessutom förekomma i form av packning i rörsystemet,men bör undvikas specifikt för kuvertformade packningar i kalla distributionssystem. Bätt-re ozonresistenta alternativ är viton och etenpropendienmonomer (EPDM) vilket är ettsorts gummimaterial.


5.6.2 Ozondosering

Beräkningarna för dimensioneringen av ozongeneratorer varierar för olika system. Dimen-sioneringen beror på hur effektivt det producerade ozonet löses i vattnet, storleken påförvaringstankar och ledningar, samt flödeshastigheter och tryck. Tillräckligt med ozonmåste produceras för att hela systemet ska steriliseras. Därför är det viktigt att ta hänsyntill alla flöden i beräkningarna inkluderat eventuella kompensationsflöden samt återcir-kulationsflöden (Harrison m. fl., 2012).

De vanligaste ozonkoncentrationerna som används i PW-system i tankar och distribu-

25

tionssystem varierar mellan 20 – 50 ppb (Harrison m. fl., 2012) (Stucki m. fl., 2005). Vissasystem har visat effektiv sterilisering vid koncentratitioner mindre än 20 ppb. En ex-pert(Widov, 2017) inom PW-system vittnar om önskvärd sterilisering vid bara 0.4 – 0.5ppb i ett distributionssystem för PW. Den optimala koncentrationen för ett system bru-kar bestämmas empiriskt på plats. I Figur 5 simulerades ozonkoncentrationen genomdistributionssystemet för två olika hastigheter, baserade på GE:s högsta och lägsta flöde.Simuleringen har i huvudsyfte att visa hur mycket flödeshastigheten påverkar mängdenozon som tar sig fram i distributionssystemet men går inte att anse som en exakt approx-imation då första ordningens kinetik samt en konstant tvärsnittsarea i rören har antagits,se Appendix 9.7.

sträcka [m]0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Ko

ncen

tra

tion

[p

pb

]

0

10

20

30

40

50

60

v=0.14 m/sv=5.56 m/s

Figur 5: Relationen mellan koncentration ozon och rörlängd vid två olika vattenhastigheteri GE:s distributionssystem. Graferna är framtagna ur antagandet om att ozon sönderfallerenligt första ordningens kinetik.

För att konstruera grafen antogs första ordningens kinetik samt en halveringstid på 20minuter. Därigenom kunde ozonkoncentrationens samband med färdsträckan simulerasför de två hastigheterna.

[A] = [A0] · e−k·t (22)


[A] = [Ao] · e−k·sv (23)


Inför ett val av ozongenerator bör hänsyn tas till främst ozonets användningsområde ochvilken produktionskapacitet som krävs. Även energiaspekter och ekonomiska aspekter börvägas in, vilka i sin tur beror på ursprungskällans kvalité, det vill säga gasen alternativtvattnet (Gottschalk m. fl., 2010).

26

Systemets storlek har i vissa fall också betydelse för valet av generator. Ett system sombygger på koronaurladdning kräver ofta, som nämnt under "koronaurladdning", någon typav lufttorkare, kylare samt blandare. Dessa är faktorer som tenderar att öka systemetsstorlek och gör därför att denna metod kan kräva fler installationer, ökade investerings-kostnader samt mer utrymme än installation av ett system som bygger på elektrolys avPW (Harrison m. fl., 2012). En koronagenerator kan installeras direkt i anslutning tilllagringstanken (Widov, 2017). För att säkerställa en korrekt koncentration av ozon i detutgående vattnet från generatorn återkopplas reaktionstanken, där omblandningen sker,till ozongeneratorn som då automatiskt reglerar produktionen beroende på det inkom-mande vattnets koncentration (Lindam, 2017).

Då ozon antas ha en halveringstid på 20 minuter i PW, är en tumregel att en ny generatorbör sättas in efter 15 minuters transportsträcka för att på så sätt säkerställa att koncent-rationen av ozon är tillräcklig i hela systemet (Widov, 2017). Om vattnet transporterasmed en hastighet på 1 m/s så behövs alltså en ny generator efter 900 m. I system av störrestorlek används därför med fördel elektrolysgeneratorer då dessa lättare kan installerasmitt i distributionssystemet. Detta eftersom denna generator producerar ozon direkt fråndet renade vattnet och vattenflödet kan utnyttjas för att kyla generatorn (Harrison m. fl.,2012). En kombination av de båda systemen kan också användas genom att en korona-generator installeras i anslutning till lagringstanken och en elektrolysgenerator placerasefter 15 minuters transporttid (Widov, 2017).

5.7 Installation

Under själva installationen av ozonsystemet krävs ett produktionsstopp i produktionenav PW (Widov, 2017). Beroende på hur systemet ska dimensioneras med generatorer ochUV-lampor, kan i regel den största delen av systemet förberedas innan själva installa-tionen sker. Vid installation av ozongenerator i anslutning till förvaringstanken bör allanödvändiga kopplingar finnas klara för att kunna installera generatorn. Efter installationoch kalibrering av samtliga komponenter behöver systemet valideras för att säkerställaatt vattnets kvalitet uppfyller kraven. Valideringen består bland annat av att undersökahur lång tid det tar för systemet att uppnå och bibehålla önskad koncentration av ozon ihela systemet samt säkerställa att UV-destruktionen är tillräcklig under samtliga möjligaförhållanden (Harrison m. fl., 2012).


UV-destruktorerna placeras så nära point of use som möjligt, det vill säga innan det ozon-exponerade vattnet ska användas och kan komma i kontakt med människor (Widov, 2017).Vid dimensionering av en UV-destruktor tas hänsyn till den maximala flödeshastighetensom kan uppstå på den specifika lokalen. Historiskt sett har UV-doser motsvarande90 000 µWs/cm2 används som riktlinjer för att avlägsna ozonkoncentrationer motsvaran-de 1 ppm (Harrison m. fl., 2012), vilket är cirka 20 gånger högre än den koncentrationsom brukar rekommenderas för PW-system. En tumregel är också att det ozonexponera-de vattnet behöver exponeras för UV-strålning i 6 – 10 dm (Widov, 2017), vilket återigenberor på UV-dosen. UV-tillverkare har mer specifik information om hur mycket UV-dos

27

som krävs för avlägsnande av ozon.

När man väljer UV-lampa som avses användas i UV-destruktorerna, väljs lämpligtvis enlampa vars strålningsintensitet i slutet av dess livslängd ligger över den UV-dos som krävsför att avlägsna ozonet (Widov, 2017). Detta eftersom UV-lampor har en högre initial be-strålningsintensitet än den som råder i slutet av dess livslängd. Således kan man garanteraatt vattnet bestrålas med en tillräckligt hög UV-dos. Utöver lampans åldrande kan ävenkvartsbehållaren som omsluter lampan åldras på grund av lampans UV-strålning. Dettaorsakar en förändring i transmittansen och således en ändrad UV-dos. Av dessa anled-ningar uppskattar ISPE lampans livslängd till 12 månader (Harrison m. fl., 2012). Dettakan dock variera mellan leverantörer och lamptyper.





Priset på ozongeneratorer samt UV-lampor för destruktion av ozon beror på vilka kravman ställer på produktionskapacitet samt i vilken utsträckning man vill kunna säkerställatotal destruktion av överblivet ozon. Då det finns flera företag på marknaden kan prisetäven skilja sig mellan de olika företagen. Vi har haft kontakt med ett företag och enoberoende expert för att få en prisbild. Kostnaderna har skilt sig relativt mycket då vipratat med experter som implementerar lösningarna och företag som säljer produkterna.Då vi frågat experten vad som är en rimlig investeringskostnad för en ozongenerator somkan användas kunde han inte svara exakt men påstod att man kan räkna med ett pris påcirka 250 000 kr (Widov, 2017). Vi vet inget om dessa generatorer men väljer ändå att hamed dessa i beräkningarna då experten i fråga anses trovärdig, tack vare dennes opartiskeyrkesroll och långvariga erfarenhet. Genom mejlkontakt med ett företag som säljer bådegeneratorer och lampor föreslogs en generator som kan producera 8 g O3/h och kostarcirka 120 000 kr. Om GE önskar redundans kostar dessa generatorer självklart mer, kost-naden för dessa bör dock vara under 250 000 kr. Eftersom vi i vårt förslag till GE vill

28

använda oss av en generator per tank och det finns fem tankar innebär det att vi kommerbehöva fem generatorer som vardera kostar mellan 120 000 – 250 000 kr. Detta innebären investeringskostnad mellan 600 000 kr och 1.25 miljoner kr. Underhåll av generatorerbestår främst av byte av luftfilter. Hur ofta luftfiltret behövs bytas beror på hur smut-sig luften är (Berg, 2017). Energiförbrukningen för generatorn är 0.7 kWh. Detta skulleinnebära en total energiförbrukning för 5 stycken generatorer på 3.5 kWh (Berg, 2017).Något pris på sensorer för ozonläckage samt för återkoppling för att säkerställa vattnetsozonkoncentration har ej kunnat tas fram, däremot kan de i sammanhanget antas varabetydligt billigare än generatorer och UV-lampor.

Företaget säljer även UV-destruktorer som klarar av att destruera all ozon då vi förut-spår att vattnet som GE producerar har en hög transmittans. Investeringskostnader fördessa är ca 100 000 kr per aggregat och innehåller två lampor som kostar 4750 kr var-dera (Berg, 2017). Om man antar att 30 UV-destruktorer räcker för att tillgodose tvådestruktionsenheter per byggnad blir den totala investeringskostnaden ca 3 miljoner kr.Byte av lamporna en gång om året skulle innebära en kostnad på ca 285 000 kr per årexklusive energi. Energiförbrukningen för dessa UV-destruktorer uppges vara 0.85 kWh(Berg, 2017), detta skulle innebära en total energiförbrukning för samtliga UV-enheter på25.50 kWh.

Eftersom installationen av systemet kan kräva produktionsstopp om planering ej utförs välinnebär det ytterligare kostnad vid implementering av systemet i form av förlust i produk-tion. Vissa delar av systemet kan i regel monteras separat i förväg innan själva hydrauliskainstallationen samt valideringen. Detta innebär att ett fullskaligt produktionsstopp börkunna undvikas om god planering inför installationen genomförs.

Vår uppskattade investeringskostnad för generatorer och UV-destruktorer har beräknatsligga mellan 3.6 – 4.25 miljoner kr. I denna beräkning ingår fem generatorer och 30 UV-destruktorer. Energiförbrukningen för förslaget utvärderas till ca 29 kWh vilket med GE:saktuella elpris skulle innebära en årlig elkostnad på knappt 148 000 kr (se tabell 9 iAppendix). Ytterligare driftkostnad för systemet tillkommer i form av underhåll och ser-vice, exempelvis krävs det ett årligt byte av UV-lampor för uppskattningsvis ca 285 000 kr.




Efter tillverkning förs PW via en huvudled till fyra tankar som kan lagra antingen 75

29

eller 200 m3 vatten (Stucki m. fl., 2005). Tankarna är utrustade med speciella ozonin-jektorer som garanterar en steril förvaringsmiljö. Vattnet förs sedan till fabrikerna viacirkulationssystem utrustade med 13 stycken sterila pumpar som garanterar att vattnethålls i konstant rörelse, detta för att motverka mikrobiell tillväxt i systemet. Tillsammanskonsumerar fabrikerna ca 250 m3 PW per timme.


Systemet kontrolleras kontinuerligt varje månad. Detta görs med hjälp av provtagningarav mikrober från uppsamlingar som varje vecka görs på 34 olika provtagningspunkterinom systemet (Stucki m. fl., 2005). Sedan systemet installerats har det inte påvisatsnågon problematik att hålla riktlinjerna satta av Ph. Eur för PW som nämnts tidigare(Stucki m. fl., 2005). Det har senare visat sig att det endast krävts ca 20 – 30 % avozonproduktionen för att underhålla systemet vid normalproduktion, detta tros bero påden låga halt organiskt material som finns tillgängligt i PW (Stucki m. fl., 2005). Vidareprovtagning har även visat att halveringstiden för ozonet var längre än de 20 minuter somde tidigare räknat med, exakt hur mycket har ännu ej fastställts. Sedan installation år2000 har produktionsstopp orsakat av ozonsystemet aldrig skett. (Widov, 2017).



Fallstudien utgår från ett produktions- och leveranssystem för PW, enligt USP:s krav,som ska utgöras av ett system i rostfritt stål av typen 316L vilket kan användas inombiofarmaceutiska företag, se Figur 6 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Cirkulationssyste-met utsattes för tester med 106 CFU E.coli (Escherichia coli) bakterier, en gramnegativbakterieart som ofta används som en indikatorbakterie vid rutinundersökningar av vattenför att påvisa eventuella föroreningar av avföring (Folkhälsomyndigheten, 2015). Två tes-ter utfördes med bakterierna, test A och test B. Vid test A injicerades bakterierna i detcirkulerande vattensystemet i form av plankton, medan de i test B etablerades i form avbiofilm på ”kuponger” (mindre bitar av rostfritt stål) (Cohen och Hanley-Onken, 2013).

30


Distributionssystemet, se Figur 9 i Appendix, består bland annat av ett automatiseratozoneringssystem som installerats inom slingan, en 200 l sluten förvaringstank som ärutrustad med en ozondestruktionsenhet, en pump i rostfritt stål och en hylla för stål-kupongerna (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Ozonhalten i slingan övervakades med enozonkoncentrationsmonitor med ett intervall på 0 – 10 ppm och konduktiviteten mättesmed en separat konduktivitetmätare. Med en ozongenerator matad med syrgas kundesystemet leverera upp till 113.6 l/min ozonerat PW (Cohen och Hanley-Onken, 2013).Innan testerna inleddes dränerades PW-systemet två gånger och fylldes med nytt avjonise-rat vatten för att rena systemet från eventuella föroreningar och ozonmätarna nollställdes.Hela systemet utsattes för en timmes exponering av en 5 ppm ozonhalt för en grundlig ste-rilisering (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Sedan stängdes ozonet av och UV strålningenaktiverades under 30 minuter till dess att ozonmätaren nått den lägsta mätpunkten på40 ppb (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Därefter mättes konduktiviteten i vattnet föratt säkerställa att det höll USP:s kriterier för PW.


Förändringen i bakteriehalt angavs som en logaritmisk reduktion, där resultaten subtra-herades från det logaritmiska värdet för referensprovtagningen (Cohen och Hanley-Onken,2013). Vid referensprovtagningen för test A, där vattnet fick cirkulera i systemet underfem minuter utan närvaro av ozon, mättes den initiala bakteriehalten till 2.6·106 CFU/ml,se Tabell 2, vilket gav det logaritmerade värdet 6.4. Vid de mikrobiologiska provtagning-arna som utfördes var den lägsta utspädningen från kupongerna 1:10. Om det inte fannsnågon tillväxt på plattan skulle den därför rapporteras som < 10 CFU med ett logaritme-

31

rat värde på 1 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). För att korrigera för utspädningen tillätsdärför endast en total loggreduktion på ≥ 5.4 (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Resulta-ten för test A, efter att 2 ppm ozonhalt introducerats i systemet visas i Tabell 3. Dessavisar tydligt att en 30 minuters exponering av 2 ppm ozonhalt ger en total reducering avE.coli kontamineringen på 106 CFU/ml (Cohen och Hanley-Onken, 2013).





Test B utgick från rostfria stålkuponger vilka hade etablerat biofilm av minst 106 CFUE.coli per kupong. Experiment B innehöll fyra försök med olika ozonkoncentrationer på0, 0.5, 2 och 5 ppm (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Kupongerna placerades vertikalt ikuponghyllan och samlades upp för analys efter tre olika exponeringstider på 2, 5 och 10minuter per koncentration. Sammanlagt användes 6 kuponger per koncentration, därav2 kuponger per tidsintervall. Körningen med 0 ppm ozonkoncentration utfördes först ochanvändes sedan som ett blanktest, vid jämförelse med övriga resultat (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Mellan varje försök kördes systemet med konstant vattencirkulation ochUV-strålning till dess att ozonhalten var mindre än 40 ppb och vattnet höll USP:s kravför PW.

Tabell 4 representerar blanktestet för de rostfria stålkupongerna med biofilm vid 0 ppmozon. Resultatet visar att medelvärdet av den logaritmerade bakteriehalten, vid de treolika exponeringstiderna, låg på 4.3 för E.Coli-kupongerna. Det har därmed skett en lo-greduktion på 2 under de första två minuterna då systemet kördes. Detta beror troligtvispå att vattnets flöde och tryck har påverkat och reducerat biofilmen initialt (Cohen ochHanley-Onken, 2013). Tabell 5 visar bakterieinnehållet efter 2, 5 och 10 minuters expone-ring av en ozonhalt på 0.5 ppm. Resultaten visar att en 2 minuters exponering leder till ettlogaritmerat reducerat värde på 4.9 vilket är otillräcklig för en önskad sterilisering. Efter5 – 10 minuter planar effekten ut och den totala log reduktionen landar på ≥ 5.4. Tabell6 visar att det efter 2 minuter av en ozon exponering på 2 ppm fanns en viss antydan

32

av bakterier kvar på kupongerna, men att detta reducerats totalt efter 5 minuter (Cohenoch Hanley-Onken, 2013). För de kuponger som utsattes för 5 ppm ozonhalt räckte detmed 2 minuter för att all biofilm skulle ha sanerats, vilket tydlig framgår från Tabell 7.



Tabell 5: Resultat av loggreduktion av E.coli bakterier i planktonform efter 2, 5 och10 minuters exponering av en 0.5 ppm ozonkoncentration. Originally published in Phar-maceutical Engineering 33, no. 6 (November-December 2013). © ISPE 2017. All rightsreserved. Reprinted with permission.




2 min 0.472 0.54 0.486 0.55 4.95 min 0.480 0.58 0.470 0.58 ≥ 5.410 min 0.491 0.58 0.498 0.59 ≥ 5.4






2 min 1.941 1.77 1.939 1.80 5.45 min 1.930 1.75 1.895 1.83 ≥ 5.410 min 1.958 1.86 1.993 1.85 ≥ 5.4


33





2 min 5.215 4.92 4.909 4.75 ≥ 5.45 min 4.636 4.81 4.912 5.01 ≥ 5.410 min 4.912 4.92 4.782 4.92 ≥ 5.4



34

6 DiskussionDå forskning om vattenrening med ozon oftast är inriktad på livsmedelsindustrin, re-ning av dricksvatten eller kontaminerat avfallsvatten har fakta om ozonets egenskaperi PW varit svårfunnet. Mycket forskning har ändå bedömts som relevant, men det börhas i åtanke att ozonets egenskaper, exempelvis halveringstid varierar med vattenkvali-teten (Park m. fl., 2001). En stor del av bakgrundsarbetet har därför utförts genom attkontakta experter inom tillämpning av ozon. I och med att experterna i regel har varitkonsulter eller forskare, har dessa i allmänhet haft en mindre partisk inställning till olikaozon-tekniker jämfört med företag. Med dessa experter som referens har vissa riktlinjerför ozon antagits, exempelvis halveringstiden för ozon i PW. Dessa riktlinjer har blivitempiriskt framtagna utifrån lång tids erfarenhet och anses därför vara trovärdiga.




35


I nuläget är GE:s förvaringstankar för PW öppna (Karlsson, 2017), varpå åtgärder, såsom UV-destruktorer, skulle krävas för att kunna förvara ozoniserat vatten. Dessa åt-gärder behöver dock inte vara särskilt omständiga då GE:s fem nuvarande tankar antasklara av klassificeringen för fullt vakuum (Widov, 2017), och därmed kan förslutas. Ettalternativ är att fortsätta att hålla tankarna öppna och att koppla tankarna direkt till enozondestruktor med UV via en avluftningsventil, så att skadligt ozon i gasform inte kanorsaka hälsorisker (Widov, 2017). Rouge, vilket med tiden har bildats på förvaringstan-karna, kommer heller inte att orsaka problem i ett ozonsystem då ozonet i likhet medhetvattnet inte kommer att avlägsna rougen och förorena vattnet (Widov, 2017). I ochmed att PW är så pass rent vatten finns heller inga risker för att UV-lamporna skullekunna påverkas av rougen, då de små mängder som eventuellt skulle avlägsnas från tan-karna förmodlingen skulle vara försumbart små (Harrison m. fl., 2012).


Ur fallstudien av Cohen och Hanley-Onken, (2013) har ozon visat sig kompetent att inak-tivera även väldigt resistenta bakterier vid en given kontakttid kan en konstant exponeringav ozon bedömas som effektivt (Cohen och Hanley-Onken, 2013). Den optimala haltenozon som krävs för att sanera GE:s system kommer sannolikt uppskattas empiriskt medtiden. Då de vanligaste koncentrationerna i PW-system ligger på 20 – 50 ppb (Harrison

36

m.fl., 2012), (Stucki m. fl., 2005) borde en koncentration inom dessa ramar vara ett brastartvärde för GE. En expert (Widov, 2017) med inblick i GE:s system rekommenderadeen koncentration på 1 ppb i systemet. Efter kontinuerlig provtagning av mikroorganis-mer och endotoxin har många distributionssystem valt att minska ozonhalten i systemet.Exempelvis visade PW-anläggningen i Höchst att bara 20 – 30 % av deras ozonhalt på20 ppb förbrukades under distributionen (Stucki m. fl., 2005). Med tanke på att GE bådevill undvika risk för produktionsstopp samt ha en redundans i systemet kan en startkon-centration på 50 ppb vara passande trots att den förmodligen kommer minska i framtiden.

Den viktigaste faktorn vid val av koncentration i tankarna är att behålla önskvärd kon-centration genom hela distributionssystemet. Den längsta sträckan det ozonerade vattnetbehöver transporteras i GE:s system är 300 m. Mängden ozon som når fram efter 300 mberor på vattenhastigheten, se Figur 5. Då GE:s vattenhastighet varierar mellan 0.14 och5.56 m/s, se ekvation 24 och 25, varierar även mängden ozon som når fram efter 300 m be-roende på vilken hastighet flödet har. GE har ett flöde mellan 20 – 40 m3/h under normalproduktion (Pantefors, 2017) och når sina lägsta flöden på natten då ca 30 % av ozonetkvarstår efter 300 m se Figur 5. Hastigheterna som GE håller under normal produktionär så pass stora att nästan allt ozon återstår efter 300 m medan de lägsta hastigheternaleder till att ca 15 ppb återstår, se Figur 5. En koncentration på 15 ppb kan tolkas somnågot lågt. Men utifrån pilotstudien i Höchst samt rekommendationen på 1 ppb (Widov,2017) antas koncentrationen vara tillräcklig under de få timmar som minimiflöde råder.


GE:s distributionssystem sträcker sig cirka 300 m (Sjöstedt, 2017) och är således betyd-ligt mindre relativt den tyska anläggningen. Av denna anledning är koronageneratoreratt föredra. Detta eftersom koronageneratorer kan producera högre koncentrationer ozon,som i kortare distributionsslingor, klarar av att distribueras till de yttersta delarna av enanläggning. Således kan ett mindre antal ozongeneratorer, än vad fallet hade varit medde elektrolytiska generatorerna, implementeras i direkt anslutning till förvaringstankarna.Ett mindre antal generatorer implicerar i en kortare implementeringsperiod. Utifrån ovannämnda aspekter anser vi att ozongeneratorer grundade på koronaurladdning är bästlämpade för implementering i GE:s anläggning (Widov, 2017). En syrgasgenerator börinstalleras för att förse ozongeneratorn med syrgas. Då GE, vid uttnytjande av ozonste-rilisering, är i behov av att kontinuerligt förse ozongeneratorn med syrgas anser vi attproducera gasen på plats är det bästa alternativet jämfört med att den fraktas till an-läggningen. Vid användning av syrgas istället för luft minskar riskerna för bildning avkväveoxider samt salpetersyra. Dessutom kan en högre koncentration ozon produceras vidanvändning av syrgas (Cohen, 2013).

37

Enligt USP:s kriterier för PW måste ozonet avlägsnas innan point of use. Detta är ävenviktigt för att garantera en säker arbetsmiljö för personal och görs lämpligtvis med UV-ljus. UV-strålning med våglängd 254 nm är mycket effektiv för destruktion av ozon i PW,vilket är rimligt då ozonet har sitt absorptionsmaximum vid denna våglängd. Enligt enstudie (Summerfelt m. fl., 2004) så bryts ozon i vatten ner enligt första ordningens kinetiknär det utsätts för UV-strålning, se ekvation 14. Detta med en hastighetskonstant somär en potensfunktion av UV-strålningsintensiteten. Utifrån detta samband tillsammansmed empiriska resultat konstaterades att 49.3 ± 0.6 mW/cm2 kunde avlägsna upp till0.1 mg/l på 3.3 sekunder. Huruvida detta stämmer överens med avlägsnandet av ozon iPW kan vara svårt att säga då hastighetskonstantens parametrar är empiriskt framtagnafrån ett vatten av högre kontamineringsgrad än PW. Det ger dock indikationer på UV-strålningens effekt mot det ozonerade vattnet.

Vid bestrålning av ozonexponerat kan vatten väteperoxid bildas. De koncentrationer sombildas är i sammanhanget så låga att koncentrationerna i allmänhet är under detektions-gränsen. Således utgör väteperoxiden inte något hot enligt utsago från en expert inomområdet (Widov, 2017). Den väteperoxid som bildas sönderfaller snabbt till vatten.

För UV-destruktorer anpassade till ozondestruktion är det framförallt aktuellt med tvåolika typer av lampor, nämligen lågtryckslampor och medeltryckslampor. Då lågtryck-slamporna primärt avger våglängder i 254 nm, till skillnad från medeltryckslampor somavger våglängder i ett bredare spektrum, är det lågtryckslamporna som framförallt an-vänds som åtgärd mot ozonexponerat vatten. Lågtryckslampans brukbara livslängd kanpåverkas av hur mycket lamporna stängs av och på. Dock är detta något som är med-räknat i lampans säkerhetsmarginal, då UV-destruktorer vanligtvis stängs ner temporärtför att sterilisera de yttersta delarna av en distributionsslinga, som distribuerar ozonfrittvatten (Widov, 2017). Även förhöjda temperaturer kan påverka lampans livslängd nega-tivt, men detta utgör generellt inte något problem så länge vattnet inte är stationärt istrålningskammaren då UV-destruktorn är i drift.

Det kan vara problematiskt att på förhand dimensionera de UV-destruktorer som avsesimplementeras i en given anläggning. Detta eftersom UV-dosen som vattnet behöver be-strålas med beror på UV-lampan, vars intensitet varierar mellan olika tillverkare. Utöverlampans intensitet inverkar även vattnets flödeshastighet för den plats där UV-destruktorplaceras samt transmittansen för PW.

UV-lampor och övriga ozondestruktorer är de viktigaste säkerhetskomponenterna i ettdistributionssystem med ozonsterilisering. Trots att riskerna är minimala (Stucki m. fl.,2005) med tanke på de små koncentrationer ozon som används kan det vara en fördelatt installera sensorer som en extra säkerhetsåtgärd för att kunna detektera eventuellaozonutsläpp (Lindam, 2017). Även ventilation bör anpassas så att utsatta utrymmen ianläggningen ska kunna ventileras vid ett eventuellt ozonläckage (Harrison m. fl., 2012).Ozon är trots allt en gas som kan orsaka hälsoskador vid höga koncentrationer men ocksåvid en längre tids exponering för lägre koncentrationer (Ozonetech, 2017). Utrymmen in-till ozongeneratorerna är de mest utsatta vid eventuellt läckage då ozonkoncentrationen isystemet här är som högst. Även på de ställen där ozonet bryts ned för att sedan lämna

38

systemet kan ses som riskområden eftersom det finns risk för exponering om destruk-torerna skulle sluta fungera. Sensorer och ventilationsmöjligheter bör därför framföralltfinnas i dessa delar av systemet (Harrison m. fl., 2012). Det kan även vara en fördel attinstallera sensorer i utrymmen och lokaler där många personer vistas även om områdetinte är ett riskområde. Att sensorer finns installerade i dessa lokaler kan bidra till attpersonalen känner en trygghet i att eventuella utsläpp av ozon kan detekteras innan detutgör en hälsorisk. Att personalen kan känna sig trygga och arbeta ostört är i regel positiv.

Utifrån resultat och tidigare diskussion har ett möjligt implementerings förslag för GE:sanläggning i Uppsala, Boländerna, sammanställts. En koronagenerator ska kopplas tillvarje sluten lagringstank vilket medför en investering i fem stycken generatorer. Efter in-stallation kan en 50 ppb ozonhalt garanteras inom varje tank (Lindam, 2017). Med valdozonhalt garanteras en sterilisering från produktion fram till anläggning (Cohen, 2017).För en säker hantering av ozon föreslås en installation av en UV-destruktor intill var-je uttagspunkt. För att övervaka ozonhalten installeras en ozonsensor efter varje tanksamt två sensorer per UV-lampa, en som kontrollerar halten innan destruktorn och ensom kontrollerar att vattnet är ozonfritt inför produktanvändning. En gång i veckan harGE tidigare hetvattenspolat de interna systemen vid varje fabrik vilket har räckt för atthålla kraven på mikrobiell tillväxt och endotoxin. Genom att en gång i veckan stängaav UV-destruktorerna och låta det ozonerade vattnet cirkulera i systemen under loppetav en timme kommer samma effekt att kunna uppnås (Widov, 2017). Vi uppmuntraräven inmontering av sensorer som kontrollerar ozonhalten i luften. En rekommendationär att placera en luftsensor vid varje generator, om inte dessa är placerade tillräckligt näravarandra, då det kan komma att krävas färre. För att främja en trygg arbetsmiljö kan detäven vara aktningsvärt av företaget att investera i luftsensorer vid arbetsytor som ofta ärbemannade av personal.

Ozonbranschen är en växande industri. Ozon har sedan länge varit en vanlig sterilise-ringsmetod inom exempelvis livsmedelsindustrin men har sedan 90-talet expanderat inomläkemedelsbranschen (Cohen, 2017). Varför övergången till ozonsterilisering inom läkeme-delsindustrin har etablerats långsammare kan bero på att industrin lägger större värde isäkra och väl utvärderade metoder, såsom hetvattenspolning, än på innovativa lösning-ar. Ozon har dock varit etablerat i många år och med dess framgång kan metoden intelängre anses som riskfylld. Ett exempel på att ozon är en framtidsinvestering är företagetInfraserv Höchst, lokaliserat i Tyskland (Stucki m. fl., 2005). De står för världens störstaproduktion av PW och har sedan 2000-talet, utan komplikationer, steriliserat sitt distribu-tionssystem med ozon (Widov, 2017). GE förbrukar i nuläget stora mängder av Uppsalasvatten vilket kan komma att bli bekymmersamt med tanke på de sjunkande grundvat-tennivåerna. Det kan därför inte anses vara miljömässigt hållbart för företag att användasig av hetvattenspolning i framtiden. GE kan i framtiden, beroende på efterfrågan, be-höva bygga ut sin anläggning för ökad produktion. Med ozon som steriliseringsmetodkommer en eventuell expansion bli både billigare och enklare. Övergång till ozonsterilise-ring skulle likaledes ge positiva effekter för Uppsala Vatten som tidigare fått levererat förhöga vattentemperaturer från GE, vilket genererar slitage på ledningarna. GE:s planeradeuppvärmning- och nedkylningsmetod beräknas kosta företaget omkring 15.5 miljoner omåret (se tabell 8 i Appendix). Om GE väljer att använda ozon som steriliseringsmetod så

39

skulle detta, med rådande implementeringsförslag, innebära att investeringen är intjänadpå mindre än ett år.


40

8 Referenser

ReferenserArbetsmiljöverket (2015). Gränsvärden - Arbetsmiljöverket. url: https://www.av.se/



Atila, Funda (2016). ”Effect of Different Substrate Disinfection Methods on the Productionof Pleurotus Ostreatus (PDF Download Available)”. I: 4. doi: 10.5296/jas.v4i4..


Avfall Sverige (2012).Markvatten för avfallseldade kraft- och värmeverk. F2012:07. Malmö,s. 19.











41



http://dx.doi.org/10.5296/jas.v4i4.






http://dx.doi.org/10.1080/01919510008547216
















Kulakov, Leonid A., Morven B. McAlister, Kimberly L. Ogden, Michael J. Larkin ochJohn F. O’Hanlon (2002). ”Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water inIndustrial Systems”. I: Applied and Environmental Microbiology 68.4, s. 1548–1555.

42








http://dx.doi.org/10.1080/03639040600920614



http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1080/01919512.2012.686354

http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00122-2

http://dx.doi.org/10.1007/s00231-004-0548-y



http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2015.1024937

doi: 10.1128/AEM.68.4.1548-1555.2002. pmid: 11916667. url: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/ (hämtad 2017-04-04).


Lenntech (2017). Electrodeionization (EDI) - Lenntech. url: http://www.lenntech.com/library/edi/edi.htm (hämtad 2017-04-07).













43


11916667





http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-11274-4_1288

http://dx.doi.org/10.4315/0362-028X-63.8.1100






http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00113-X






http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9

http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00564-9




















44













http://dx.doi.org/10.1016/S0011-9164(00)00171-5







45


http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-1104-2



9 Appendix



46



Tabell 8: Årliga kostnader för uppvärmning med hjälp av ånga samt nedkylning av PWi GE Healthcares distributionssystem. Kostnaderna är dels beräknade för produktion avPW med destillation, dels för produktion med RO och EDI. Samtliga kostnaderna gällerför en årlig produktion av 88 000 m3 PW.



Tabell 9: Uppskattad årlig energikostnad för 5 ozongeneratorer med koronaurladdningsamt 30 stycken UV-destruktorer. Kostnaden utgår från ett elpris på 0.58 kr/kWh (Pan-tefors, 2017).

Energiförbrukning Kostnad årligenGenerator 3.5 kWh 18 000 krUV-destruktorer 25.5 kWh 130 000 krTotalt 29 kWh 148 000 kr

47



E = c · m ∆ T


48



49




50


Tabell 10: Huvudsökord som används vid sökning i respektive databas och sökmotor.



Purified Water Purified Water Purified Water Purified Water Purified Water Purified WaterEndotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin Endotoxin

RO ROReverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis Reverse osmosis

EDI EDIKlor


Chlorine gas Chlorine gasOzonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation Ozonisation

Water for Injection Water for InjectionOzone Ozone Ozone Ozone Ozone Ozone

Sanitization for Purified Water Sanitization for Purified WaterHetvattenspolning

51





16, 67

0, 2= 83, 35 dm/min = 8, 335 m/min = 0, 14 m/s (24)

666, 67

0, 2= 3333, 35 dm/min = 333, 335 m/min = 5, 56 m/s (25)

52




Antag [A] = 1000 ppb samt [A0] = 500

1000 = 500·e−k·1200 ⇒ 2 = e−k·1200 ⇒ ln2 = −k ·1200⇒ −k =ln2

1200⇒ k = −5.776∗10−4

(27)

53

Självständigtarbeteimiljö-ochvattenteknik15hp

DokumenttypAdministrativRapport

DokumentkodW-17-60/A-01

Datum29/3-2017

Ersätter

FörfattareJonasWestin

HandledareMattiasWinterdahl

RapportnamnArbetsform

ArbetstiderGruppen kommer sikta på att jobbamellan 9-17 varje vardagmenbestäms mest av den rådande arbetsbelastningen. Målet är att fåihopca40timmariveckan,mendetviktigasteärintetidenviläggernedutansnarareresultatetavvårdisponeradetid.AnsvarAlla kommer att ha ansvar för olika delar i projektet, ingen formellprojektledarekommerutses.FrånvaroVissadagarkanmanbehövakommasenareellergåtidigare.Dettaärokej omman kan komplettera detmanmissar eller ta igen senare,det är alltså okej att ”flexa” inom viss mån. Eget ansvar att läsamötesprotokollommanejkannärvara.ArbeteunderveckansgångVarje onsdag och fredag kommer vi ha ett gemensamt möte. Påfredagen bestäms kommande veckas arbetsuppgifter ochansvarsområden.Under onsdagensmöte kommer vi återkoppla hurdetgårocheventuelltfördelaomresurserdärdembehövs.DokumentationAllaharegetansvarattfyllaiärendeloggendåmanbörjarpåettnyttärende. Eget ansvar gäller även att ladda upp rapporter påstudentportalen.

KommunikationKommunikationskerfrämstimessengerutövermöten.GemensamlitteraturEnmapppågoogledriveärskapaddärallamedlemmarigruppenharmöjlighet att lägga upp artiklar som kan vara av intresse. Många”utkast”kommerskrivasigoogledocs.SammanställningavrapportSlutrapportenkommerattsammanställasochskrivasiLaTex.

Självständigtarbeteimiljö-ochvattenteknik15hp

DokumenttypAdministrativrapport

DokumentkodW-17-60/A-02

Datum29/3-2017

Ersätter

FörfattareNiclasGrünewald

HandledareMattiasWinterdahl

RapportnamnMötesstruktur

MötenMötenhållspåonsdagarochfredagaromintenågotundantagharbestämts.Onsdagsmötetfungerarförstochfrämstsomenmöjlighetattstatusuppdateravarandrapåveckansarbeteochsetillattviliggerifas.Fredagsmötetfungerarsomenmöjlighetattreflekterapåveckansarbetesamtplanerakommandevecka.Påfredagsmötetbjudsdetävenpåfikautavdenfikaansvarigeförgällandevecka.Påvarjemöteförsettmötesprotokollsomsedanläggsupppåvårgemensammadrive.Onsdag

• Hurliggervitillmedveckansarbete?• Behöverviändranågotiveckansupplägg?• Harallafylltiärendelogg/rapportlogg?• Ärarbetsbelastningensomberäknatellerbehövsdetomfördelas?• BehövervibokamötemedMattiasellerEmma?

Fredag

• Hurharveckansarbetegått?• Hurliggervitillgenerellt?• Vadskagöraskommandevecka?• Harallagjortindividuellaveckorapportenochlämnatinpåstudentportalen?• Harallafylltiärendelogg/rapportlogg?• Bokagrupprumförkommandevecka• Fika


Dokumenttyp Administrativ rapport

Dokumentkod W-17-60/A-03

Datum 2017-03-30

Ersätter

Författare Gabriella Rullander

Handledare Mattias Winterdahl

Rapportnamn Projektplan

Sammanfattning Rapporten presenterar gruppens projektplan. Här ingår bakgrund, mål, metod och även en tidsplanering av projektet i form av ett Gantt-schema. Slutrapportens struktur kommer att beskrivas under rubriken “Disposition av slutrapport”. Inledning/bakgrund

GE Healthcare är ett stort företag som erbjuder ett brett utbud av produkter och tjänster inom bland annat sjukvård. Produktionsanläggningen i Boländerna, Uppsala, har världens största installerade kapacitet för produktion av kromatografimedia. Framöver kommer GE Healthcare att producera kallt destillerat vatten genom att använda omvänd osmos och polering med EDI. Det kalla vattnet som produceras och når distributionssystemet måste hetvattenspolas gång i veckan för att motverka biologisk tillväxt och uppkomsten av endotoxiner. När det destillerade vattnet värms upp med hjälp av ånga åtgår mycket energi och för varje liter destillerat vatten som behöver kylas förbrukas två liter dricksvatten. Den kontinuerliga hetvattenspolningen kan också bidra till ledningsslitage på grund av de ständiga temperaturskillnaderna.

Mål

Att analysera och ge förslag på nya energibesparande sätt att sterilisera distributionssystemet för kallt destillerat vatten. Förslaget ska kunna hålla kraven på mikrobiell tillväxt och endotoxiner. Från ett flertal djupgående studier om åtgärder ska den mest ekonomiska och miljömässigt hållbara lösningen presenteras för GE Healthcare.

Metod Projektet är en studie av hur man kan transportera kallt destillerat vatten utan det sker en tillväxt av mikrober och endotoxiner. Fokus kommer att ligga på att hitta en lösning som går att implementera på det planerade systemet på GE, men en undersökning kommer även att göras över alternativa reningsmetoder. Litteraturstudie Genom litteraturstudier kommer olika metoder som finns tas fram för att hitta den optimala lösningen för problemet som specificerats av GE. Publika databaser såsom google scholar och scopus kommer att skannas efter artiklar som är relevant för lösning av frågeställningen. All inhämtning av information kommer att sparas på en gemensam mapp i google drive som samtliga i gruppen har tillgång till. Då litteraturstudien är klar kommer en rapport sammanställas där de olika förslagen kommer att

ställas mot varandra med avseende på hur väl de gynnar målet med projektet. Ett slutgiltigt alternativ kommer därefter att väljas som vår rekommendation till GE healthcare.

Övriga studier Projektgruppen kommer att se över sitt kontaktnät och ta kontakt med relevanta experter. På så sätt kan studien breddas till att även inkludera tekniker som ännu inte är publicerade genom eventuella samtal och studiebesök.

Tidsplan

Se bifogat Gantt-schema

Disposition av slutrapport Introduktion

Läsaren blir introducerad till ämnet

Syfte

Här framgår syftet tills varför studien görs och varför den är relevant

Metod/litteraturstudie

Här beskrivs metoden som kommer användas för att lösa problemet. Även en litteraturstudie med relevant fakta kommer presenteras.

Resultat

Här sammanställs de olika resultaten av vår litteraturstudie

Diskussion

Utifrån resultatdelen jämförs för och nackdelar med de olika processerna och slutligen kommer den mest energieffektiva och miljömässigt hållbara ges som förslag till GE Healthcare

Slutsats

Slutsatsen av projektet presenteras

Referenssystem

Harvard

Appendix

Innehåller alla bilagor

Handledarkontakt

Handledare för projektet är Mattias Winterdahl vid Uppsala Universitet, kontakt sker via mejl och möten. Kontaktperson för GE Healthcare är Emma Ytterström som arbetar för STUNS. Kontakt med

henne sker också mestadels via mejl och möten.

Gantt-schema Startdatum: 2017-03-28

Färgkodning:Jonas FelixNilas YlvaMarcus AllaGabriella Deadline

Projektvecka 13 Projektvecka 14 Projektvecka 15 Projektvecka 16 Projektvecka 17 Projektvecka 18 Projektvecka 19 Projektvecka 20 Projektvecka 21 Projektvecka 22Aktivitet Startar: 2017-03-28 Startar: 2017-04-03 Startar: 2017-04-10 Startar: 2017-04-17 Startar: 2017-04-24 Startar: 2017-05-01 Startar: 2017-05-08 Startar: 2017-05-15 Startar: 2017-05-22 Startar: 2017-05-29

Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö Mo Ti On To Fr Lö Sö

UppstartträffMötesprotokollArbetsstruktur

Projektplan DeadlineSyfteBakgrundMetodGantt-schemaPowerpiontPresentation PresentationProjektplan Stunds in

Litteraturstudie DeadlineMikrioorganismerRO/EDITeknik 1Teknin 2Teknik 3Teknik 4Sammmanställning

Mittredovisningen DeadlineHur ligger vi tillFöljer vi planenPowerpointPresentation

Mini-litteraturstudie DeadlineSammanfattning

Slutrapport (första vers.) Deadline(Inledning)BakgrundMetodResultatDiskussionSlutsatsReferenserBilagorGenomgång

Presentation & Opponering DeadlinePowerpointSammanställning opponering

Stunsredovinsning DeadlinePowerpiontGenomgång

Omarbeta slutrapport Deadline

TotalrapportDiva DeadlineSammansättning

Pop.vetensk. sammanf Individuell Deadline

Sammanfattning Individuell Deadline

Reflektiondokument DeadlineSammanställning

Möte Handl.Kl:13.15 GE, kl:??? stuns kl 9.00 Handl.kl? Handl.kl? Handl.kl? Handl.kl? Handl.kl?

Lediga

Självständigt arbete i miljö- och

vattenteknik 15 hp

Dokumenttyp

Grupprapport

Dokumentkod

W-17-60/G-01

Datum

7/4 - 2017

Ersätter

-

Författare

Gabriella Rullander, Marcus Sigfridson, Ylva Geber, Niclas Grünewald,

Jonas Westin, Felix Johansson

Handledare

Mattias Winterdahl

Rapportnamn

Litteraturstudie

Sammanfattning GE Healthcare producerar över 80 000 kubikmeter Purified Water (PW) om året. För tillfället

produceras vattnet genom destillation där ånga värmer upp vattnet till 90 °C vilket verkar

renande med avseende mikrober och endotoxin. Vattnet förvaras i tankar och distribueras

sedan varmt längst en ca 500 meter lång huvudled för att sedan förgrenas i mindre

rörsystem innan det anländer till sajtens fabriker. Fabrikerna kräver en vattentemperatur på

20 °C vid produktion, därför kyls vattnet med värmeväxlare. I de ledningar där vattnet hålls

kylt krävs en hetvattenspolning en gång i veckan för att hålla rören steriliserade. GE

Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer i framtiden att använda

sig av ett RO/EDI system för rening av vattnet, där den färdiga produkten är kall. Om inga

andra alternativ för sterilisering av systemen uppkommer, kommer vattnet att fortsätta att

värmas upp och samma saneringsprocess användas som under destillationen. Denna

process är kostsam så väl ekonomiskt som ur miljösynpunkt då den kräver stora mängder

vatten och energi.

Målet är att hitta alternativa metoder att distribuera det renade vattnet kallt samtidigt som

ledningarna hålls sterila utan att behöva värma upp systemet. För att kunna studera

problemet finns det viss nyckelfakta som behöver förstås och en bred skanning av

steriliseringsmetoder krävs. Först och främst fordras en förståelse i hur GE Healthcares

system ser ut i dagsläget och hur det kommer att se ut efter expansionen. Det är även viktigt

att veta kraven för Purified Water och hur GE Healthcares framställningsmetoder med

RO/EDI och ultrafiltrering fungerar. Eftersom företagets vatten framför allt används vid

medicintillverkning finns det specifika krav på mikrober och endotoxin och det är därför

också viktigt att förstå hur dessa uppkommer, vad de har för negativa effekter och med vilka

metoder dessa kan elimineras. Litteraturstudien går även igenom alternativa

reningsmetoder för att ge ett bredare perspektiv på vattenrening. Slutligen görs en bredare

undersökning om ozon, hur det skapas och hur det kan användas som en saneringsmetod.

Innehållsförteckning Sammanfattning ...................................................................................................................................... 0

Bakgrund till litteraturstudie ................................................................................................................... 3

GE Healthcare .......................................................................................................................................... 3

Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar .................................................................. 4

Mikrobiologisk tillväxt ............................................................................................................................. 5

Bakterier .............................................................................................................................................. 6

Virus ..................................................................................................................................................... 6

Protozoer ............................................................................................................................................. 6

Mögelsvampar ..................................................................................................................................... 6

Endotoxin ................................................................................................................................................ 6

Gramnegativa bakterier ...................................................................................................................... 7

Beskrivning av endotoxin .................................................................................................................... 7

Problematiken ..................................................................................................................................... 7

RO som produktionsmetod för WFI ........................................................................................................ 8

Omvänd osmos ........................................................................................................................................ 8

Grundläggande teori ........................................................................................................................... 9

Principiell beskrivning .......................................................................................................................... 9

Elektriska jonbytare ............................................................................................................................... 10

Komponenter .................................................................................................................................... 10

EDI-Processen .................................................................................................................................... 10

Ultrafiltrering ......................................................................................................................................... 11

Membranens uppbyggnad ................................................................................................................ 12

Ultrafiltrering på GE Healthcare ........................................................................................................ 13

Olika vattenreningsmetoder ................................................................................................................. 14

Jonbytare ........................................................................................................................................... 14

Destillation ........................................................................................................................................ 14

Aktivt kol ............................................................................................................................................ 15

Mikrofilter ......................................................................................................................................... 15

Ultrafilter ........................................................................................ Fel! Bokmärket är inte definierat.

UV-lampor ......................................................................................................................................... 15

Kromatografi ..................................................................................................................................... 15

Kromatografi för borttagning av endotoxin .................................................................................. 16

Affinitetsbasrad kromatografi ....................................................................................................... 16

Storleksuteslutande kromatografi ................................................................................................. 16

Anjonbytes kromatografi ............................................................................................................... 17

Endotoxin-neutraliserande protein ....................................................................................................... 17

Ursprung ............................................................................................................................................ 17

Applicering ......................................................................................................................................... 18

Artificiell framställning ...................................................................................................................... 18

Ozonsterilisering .................................................................................................................................... 18

Bakgrund ........................................................................................................................................... 18

Ozon i naturen ................................................................................................................................... 19

Fördelar med ozon ............................................................................................................................ 19

Oxidering ........................................................................................................................................... 20

Eliminera mikrober ............................................................................................................................ 20

Löslighet i vatten ............................................................................................................................... 20

Ozongenerator .................................................................................................................................. 20

Koronaurladdning .............................................................................................................................. 21

Företag inom ozonbranschen ............................................................................................................ 21

Kroppens påverkan av ozon .............................................................................................................. 21

Integrera ozon i vatten ...................................................................................................................... 22

Referenser ............................................................................................................................................. 23

Bakgrund till litteraturstudie GE Healthcare producerar över 80 000 kubikmeter Purified Water (PW) om året. Vattnet

används i olika delar av sajten, exempelvis inom kromatografimedia. För tillfället produceras

vattnet genom destillation där ånga värmer upp vattnet till 90 °C vilket verkar renande med

avseende mikrober och endotoxin. Vattnet förvaras i tankar och distribueras sedan varmt

längst en ca 500 meter lång huvudled för att sedan förgrenas i mindre rörsystem innan det

anländer till sajtens fabriker. Fabrikerna kräver en vattentemperatur på 20 °C vid produktion,

därför kyls vattnet med värmeväxlare. Eftersom det alltid flödar varmt vatten genom

huvudledningen hålls röret alltid sterilt och GE Healthcare behöver inte oroa sig för att

mikrober ska börja växa och kontaminera vattnet. I de ledningar där vattnet hålls kylt krävs

en hetvattenspolning en gång i veckan för att hålla rören steriliserade. (Pantefors, 2017)

GE Healthcare har planer på att expandera sin produktion och kommer därför att göra en

uppgradering av sina vattenreningsmetoder. GE Healthcare kommer i framtiden att använda

sig av ett RO/EDI system för rening av vattnet. Installationen kommer att vara klar redan år

2018 och den största skillnaden från destillationsprocessen är att den färdiga produkten är

kall. Om inga andra alternativ för sterilisering av systemen dyker upp har GE Healthcare som

plan att fortsätta värma upp vattnet och använda samma saneringsprocess som vid

destillationen. (Pantefors, 2017) Detta är en resurskrävande process då det kostar företaget

cirka 7 miljoner kronor per år för uppvärmning av det renade vattnet och sedan ytterligare

10 miljoner kronor för nedkylning (Sjöstedt, 2017). Förutom att lösningen är negativ ur en

ekonomisk synvinkel har det även en negativ inverkan på miljön. Det går åt enorma mängder

dricksvatten att kyla det renade vattnet, närmare bestämt går det åt 7 liter dricksvatten för

att kyla ner 1 liter renat vatten. Dricksvattnet förs sedan ut i Uppsala Vattens

dagvattensystem där gränsen för vattnets temperatur ligger på cirka 45 °C för att inte slitna

på ledningarna. Detta har visat sig vara problematiskt att reglera och det har förekommit att

dricksvatten så varmt som 70 °C har distribuerats från GE Healthcares system. (Wall, 2017)

GE Healthcare

General Electric’s (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av Edison General Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företaget höll då på med belysning, järnvägar och gruvarbete. Sammanslagningen var en succé och företaget blev snabbt känt för att ge hög produktionskvalité till en låg kostnad. GE började sina innovationer inom sjukvård genom utvecklingen av röntgenstrålar. År 1948 rapporterade företaget att ”En 50,000,00-volt ensidig betatron som producerar hög energi röntgenstrålar förväntas ha ett stort värde för cancerforskningen”. Detta blev bara början på GE’s innovationer inom sjukvårdsbranschen och år 1964 började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var starten till den del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare (GE Healthcare, 2012).

På 1950-talet etablerade sig läkemedels- och bioteknikföretaget Pharmacia i Uppsala. Efter en rad sammanslagningar och uppköp ägdes sajten ett tag av läkemedelsjätten Pfizer som i sin tur sålde av större delen av verksamheten i Uppsala till GE Healthcare på 1990-talet. Detta var början på en av GE’s mest framgångsrika och etablerade sajter inom läkemedelsindustrin. Anläggningen i Uppsala har idag ca 1200 anställda och sitter på så pass många patent att de har ett finger med i spelet i en stor del av världens läkemedelsproduktion och är världens största företag inom kromotografimedia. (Dahlbäck, 2015) Nästan all produktion på sajten kräver vatten av väldigt hög kvalité, något som internationellt kallas Purified Water (PW). GE förbrukar i snitt 88 000 m3 PW varje år. Detta är något som GE själva producerar genom destillation och distribuerar sedan det destillerade vattnet över hela sajten. Då det destillerade vattnet är väldigt varmt måste det kylas ned innan det kan konsumeras i respektive produktionsanläggning. För att kyla ned en liter destillerat vatten krävs det ca sju liter dricksvatten vilket ger en konsumtion av ca 616 000 m3 dricksvatten per år. Detta motsvarar ca fem till åtta procent av Uppsalas totala dricksvattenförbrukning.

För att tackla problemet kring den stora vattenförbrukningen och energikonsumtionen detta kräver har GE bestämt sig för att producera kallt PW genom omvänd osmos (RO). Problemet som GE då har stött på är att de inte har något säkert sätt att distribuera det kalla ultrarena vattnet på sajten utan att riskera kontamination av mikroorganismer eller endotoxin. Om GE inte kan lösa problemet betyder det att de kommer vara tvungna att värma upp det kalla ultrarena vattnet innan distributionen för att på så vis hålla distributionssystemet sterilt. Vilket betyder att de inte kommer undan den enorma kostnaden av dricksvatten det sedan krävs för kylningen (Pantefors, 2017).

Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar

Den farmaceutiska branschen lägger stort vikt vid vatten av olika kvalitéer. Det finns olika ranger på vattnet när det gäller mikrobiella och endotoxina krav beroende på användningsområdet. Många farmaceutiska industrier producerar sitt eget ultrarena vatten och andra köper det från diverse distributörer. De hårda kraven på mikrober och endotoxin sätter stor press på tillverkningsmetoder som distribution och förvaring av den färdiga produkten. För att kunna överse mikrobiella tillväxten och saneringsprocesser har det gjorts många studier på vilka sorts bakterier som hittas i det farmaceutiska vattensystemet. Redan på tidigt tvåtusental gjordes studier på exakt vilka bakterier och i vilka mängder som kunde identifieras i olika ultrarena vattensystem. En studie visade följande bakterier i ett farmaceutiskt vattensystem (listat från högst halt till lägst):

• Ralstonia pickettii • Pseudomonas fluorescens

• Bradyrhizobium spp. • Pseudomonas saccharophila

• Sphingomonas spp. • Flavobacterium spp. • Burkholderia spp. • Stenotrophomonas spp.

Studien visade också på att storleken av de olika bakterierna varierade mycket beroende på tillgången till näring i vattnet. (Kulakov et al., 2002) I en senare studie togs 46 800 prover på Water for Injection (WFI) vattensystem under en 15 års period. Studien visade följande bakterier i de farmaceutiska vattensystemen (listat från högst till minst halt):

• Pseudomonas

• Burkholderia

• Ralstonia

• Flavimonas

• Moraxella

• Chryseobacterium

• Stenotrophomonas

• Brevundimonas

• Sphingomonas

Studien visar liknande resultat, hos de bakterierna med högst halt, med den från 2002 med en liten skillnad i ordning. Data från den 15 år långa provperioden visade ytterst sällan några större halter än de som specificerats av European Pharmacopoeia Commission (Ph. Eur.). Resultaten var menade att agera som en kartläggning över vilka sorters bakterier som kan väntas i farmaceutiska vattensystem. Geografisk placering av fabriken samt ett flertal andra faktorer spelar självklart roll i närvaron av olika bakterier. (Sandle, 2015)

Mikrobiologisk tillväxt

Mikrobiologisk tillväxt gynnas av höga temperaturer och av riklig tillgång av organiskt material (Lindberg & Lindqvist, 2005). Temperaturer på över 60 °C avdödar dock de flesta bakterier. En vanlig metod för att avdöda mikroorganismer och på så sätt förhindra den mikrobiologiska tillväxten är genom desinfektion. De vanligaste typerna av desinfektion är antingen värmedesinfektion eller användning av kemiska desinfektionsmedel. För mikroorganismer under deras tillväxtfas är värmedesinfektionen särskilt effektiv då den genom kokning kan döda alla bakterier. Vissa bakterier har dock förmågan att bilda sporer vilka kan överleva kokning. (Grubb, 2017) Sporbildningen är en långsam process som sker hos bakterier då de upplever ogynnsamma förhållanden och tar vanligtvis mellan 12 och 18 timmar (Christiansson, 2017).

En följdeffekt av mikrobiologisk tillväxt i distributionsanläggningar är att biofilm kan bildas, vilket i sin tur kan orsaka skador så som korrosion och igensättning av installationer. Ytterligare en effekt är att sjukdomsframkallande mikroorganismer kan få ett skyddande skikt mot desinfektion tack vare biofilmen. (Lindberg & Lindqvist, 2005)

Bakterier

Det finns ett stort antal olika bakteriearter vilka alla skiljer sig i egenskaper vad det gäller överlevnad och infektionsdos. Olika typer av bakterier är därmed även olika känsliga mot desinfektion. Exempelvis kan bakterien Vibrio cholerae, vilken kan orsaka kolera, desinfekteras genom kokning och klorering. Däremot kan bakterien Bacillus cereus överleva såväl klorering som filtrering och kan därmed tillväxa i distributionssystem. Arten Yersinia enterocolitica kan inaktiveras både genom klorering och ozonering. Behandlingen med 0,05 mg liter ozon dödar dock bakteriearten tio gånger så snabbt som kloreringen med 0,5 mg liter. I allmänhet är bakterierna större än virus men mindre än protozoer i storleken. Storleken påverkar möjligheterna att avskilja bakterierna från vattenmiljöerna (Lindberg & Lindqvist, 2005). För att ett vatten ska klassas som purified water, PW, krävs enligt United States Pharmacopeia Systems en bakteriell halt på under 100 cfu/ml (cfu= colony forming units). (Pharmatesystems, 2017)

Virus

Virus förekommer liksom bakterierna inom ett stort antal olika arter. Många av dessa arter har en särskilt låg infektionsdos och är små i storleken vilket gör avskiljningen ur vattenmiljöerna mer komplex. Vissa typer av virus är resistenta mot desinfektion medan andra arter så som Hepatit A virus som kan inaktiveras genom klorering och UV-strålning. (Lindberg & Lindqvist, 2005)

Protozoer

Protozoerna har liksom virus en låg infektionsdos men kan däremot inte tillväxa. Vissa arter utsöndrar cystor genom sin avföring vilka är infektiösa. Dessa cystor är dessutom resistenta mot desinfektionsmedel och överlever i vattenlösning i upp till tre månader. Protozoernas känslighet för temperaturer varierar med arten men en avdödning sker vanligtvis vid temperaturer över 60 °C samt vid frysning till temperaturer på under -5 °C. Dessutom gör deras relativt stora storlek att de är avsevärt lättare att avskilja ur vattenmiljöerna jämfört med bakterier och virus. (Lindberg & Lindqvist, 2005)

Mögelsvampar

Tillväxt av mögelsvampar sker till följd av så väl organiskt material som andra förekommande material i distributionssystemen. Vissa arter har förmågan att producera toxiska ämnen. (Lindberg & Lindqvist, 2005)

Endotoxin

Gramnegativa bakterier Gramnegativa bakterier beskrivs som bakterier bestående av tunn cellvägg med ett inre och

ett yttre membran. Det yttre, skyddande membranet är uppbyggt av proteiner och

lipopolysakarider. (Nationalencyklopedin, 2017)

Lipoploysakarider (LPS) är fettinnehållande polysackarider och är huvudbeståndsdel i det

yttre cellmembranet. Molekylen är uppbyggd av tre delar, bland annat lipid A, det vill säga

fettkomponenten som är toxiskt, vars uppgift är att förankra LPS-molekylen i

cellmembranet. LPS-molekyler finns i många olika former men den toxiska lipid-delen är

mycket lika för de olika typerna av endotoxin (Ryan, 2008). Laddningen på LPS-molekylerna

är i de flesta vattenmiljöer negativ. Enbart vid pH 2 eller lägre kan molekylytorna erhålla en

positiv laddning (de Mas et al., 2015). LPS-molekylen har en approximativ molekylvikt

motsvarande 10 - 20 kDa (Saxena, 2009) (Da är en beteckning för massenheten dalton,

1𝐷𝑎 = 1,661 ∗ 10−27𝑘𝑔).

Beskrivning av endotoxin Endotoxin är giftiga ämnen som utgörs av LPS. Dessa ämnen är inget som bakterierna aktivt

utsöndrar utan frigörs då bakteriecellen spricker alternativt delar sig (Nationalencyklopedin,

2017). Endotoxin som frigörs är relativt stabila och klarar av temperaturer på 121 °C i upp till

en timma (Forssblad & Annadotter, 2009), vilket försvårar rening av till exempel vatten. I

vattenlösningar tenderar endotoxin-molekyler att bilda miceller och kan såldes avlägsnas

med genom filtrering. Endotoxin har även andra egenskaper, till exempel kan de binda in och

bilda komplex med olika proteiner. (Saxena, 2009)

LPS-molekylens toxiska del kan bland annat orsaka feber och hjärtklappning om det injiceras

under huden. Och vid höga halter även få dödlig verkan på människokroppen. Av denna

anledning får endotoxin inte förekomma i vätskor avsedda för injektion.

(Nationalencyklopedin, 2017)

För att fastställa hur mycket endotoxin som finns i en vätska utförs ett limulus-test, som

sedan analyseras på laboratorier (Ryan, 2008). Utifrån detta test har forskare i viss mån

kunnat påvisa korrelationer mellan halten endotoxin och antalet bakterier, dock har

bakteriernas cellvolym i vissa fall gett en bättre korrelation till halten endotoxin (Forssblad &

Annadotter, 2009).

Problematiken Problematiken med endotoxin ur vattenreningssynpunkt är att även om alla bakterier

tillintetgörs genom desinfektion med till exempel klor, så finns restprodukterna i form av

endotoxin kvar. Dessa måste avlägsnas för att vattnet ska kunna användas vid framställan av

farmaceutiska vatten för injektion.

Dagens typer av vattenreningstekniker avlägsnar endotoxin i varierande grad. Vid vanlig

destillering riskerar man att endotoxin följer med vattenångan och vid användning av

omvänd osmos finns risker för imperfektioner i membranen. Av denna anledning är det

viktigt att kombinera flera olika metoder för att rena vattnet. Till exempel rekommenderas

att omvänd osmos bör kombineras med elektriska jonbytare, vilket gås in på närmare i

senare avsnitt av litteraturstudien. (HVR water purification, 1997)

RO som produktionsmetod för WFI Vatten för injektion, internationellt beskrivet som Water for injection (WFI) används till en mängd olika farmaceutiska produkter och ändamål. Destillation har länge varit den dominerande produktionsmetoden för WFI. Inom EU var destillation det enda tillåtna sättet att producera WFI fram till 2015 då, efter långa debatter, omvänd osmos (RO) (se nästkommande avsnitt) tilläts under särskilda villkor. De särskilda villkoren uppkom 2011 då European Pharmacopoeia Commission (Ph. Eur.) begärde att European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (EDQM) skulle utreda ifall RO mötte de dåvarande kraven som specificerats för WFI. EDQM samlade då in data från olika källor som använde sig av RO. Resultatet visade att de icke-destillerande källorna mötte alla krav som specificerats. Det uppmärksammades dock att alla dessa källor använde någon sort av ytterligare produktionsmodul utöver RO i form av Ultrafiltrering (UF), ultraviolett strålnings-behandling eller ozon. Resultaten visade också vikten av design, översikt av produktion och sanering spelade stor roll i kontinuerlig produktion av WFI. Efter de lovande resultaten arrangerade EDQM en studiegrupp bestående av diverse experter, behöriga europeiska myndigheter, farmaceutiska företag och andra relevanta intressenter för att avgöra ifall Ph. Eur. skulle överse möjligheten att tillåta icke-destillations metoder i produktionen av WFI. Studiegruppen visade att membran-teknologiska lösningar gav väldigt hög kvalitativt WFI. Däremot visade sig de membranbaserade metoderna komma med nya svårigheter. Den tidigare destillationsmetoden producerade så pass varmt vatten att själva systemet sanerade sig självt. Många av de nya teknikerna producerar däremot kallt vatten och är därför i behov av diverse saneringslösningar. Studiegruppen uppmärksammade kontinuerlig övervakning och sanering som kritiska punkter i kalla membranbaserade vattensystem. (Pharmaeuropa, 2015)

Omvänd osmos

Grundläggande teori Osmos innebär en diffusion av vatten över ett semipermeabla membranen som blockerar

lösta ämnen. Flödet styrs av det osmotiska trycket som arbetar efter att utjämna en

koncentrationsgradient. Vattnet flödar såldes över membranet mot den sida där vattnets

initiala koncentration av lösta ämnen är högst.

Omvänd osmos, på engelska reverse osmosis (RO) innebär att vattnet diffunderar från den

högre koncentrationen till den lägre koncentration, till exempel från matarvattnet (med en

hög koncentration av partiklar) till rent vatten. Det vill säga istället för att utjämna det

osmotiska trycket och således koncentrationsgradienten, så separeras lösningsmedlet

(vatten) från de lösta ämnena. Detta sker dock inte naturligt, utan ett yttre tryck

motsvarande det osmotiska tycket måste appliceras. Detta tyck appliceras på den sida av

membranet där koncentrationen av lösta ämnen är som störst, vilket tvingar lösningsmedlet

(vattnet) att diffundera över membranet. (HowStuffWorks, 2008)

Principiell beskrivning RO är en metod som bland annat används för att avlägsna kemiska föroreningar från det

vatten som systemet matas med (matarvatten). Utöver detta avlägsnas 90 procent av

jonerna samt de flesta organiska föroreningarna. Metoden är dock inte selektiva för lösta

gaser. Ett generellt RO-membran har en reningskapacitet som innebär att 15 till 30 procent

av matarvattnet blir rent. Detta utbyte går att effektivisera genom att använda förfilter som

filtrerar ut sand- och lerpartiklar samt kolfilter för att grovt avlägsna bland annat klorid.

Utöver detta kan processen effektiviseras genom att variera vattentemperaturen samt

ingångstrycket och membranets kondition.

Likt alla metoder för rening av vatten finns både för och nackdelar. Fördelarna med denna

metod är att utrustningen endast behöver en minimal skötsel samtidigt som en effektiv

rening av matarvattnets kemiska föroreningar uppnås. Bristerna i metoden är att flödet över

membranet är begränsat, vilket innebär att flera RO anläggningar alternativt större

membran blir aktuellt vid ett storskaligt bruk. Utöver detta behövs en förfiltrering av

matarvattnet för att undvika skador på membranet. (AB Ninolab, 2017)

RO-membranet är uppbyggt av tre stycken lager bestående av en polyesterbas följt av ett

mellanliggande lager av polysulfon varpå det ligger ett tunt lager av polyamid. Det är vid det

ytliga polyamid-lagret avlägsnandet av näringsämnen, kemikalier, bakterier och till viss del

virus sker. För att uppnå effektiva membran rullas de ihop till cylindrar. I centrum av vardera

cylindern finns ett transportkärl till vilket diverse kontaminationer allokeras då matarvattnet

flödar genom rullarna. Kontaminationerna transporteras sedan vidare i ett separat

ledningssystem och tas om hand vid sidan om. (Fresh Water Systems, 2017)

Elektriska jonbytare

Komponenter EDI står för Electrodeionization (Lenntech, 2017) och huvudkomponenterna i tekniken består

av jonbytare och jonselektiva membran. Jonbytare är en teknik som används för att byta ut

oönskade joner i en vattenström mot vätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker

genom att låta matarvatten passera genom olika filterkolonner innehållandes

jonbytarmassa. I första steget passerar vattnet genom en filterkolonn där de positiva jonerna

separeras från vattnet (byts ut mot vätejoner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa

jonerna vid passage genom en andra filterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte-

och hyrdoxidjoner som tillkommit vid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten. (Mercatus

Engineering AB, 2017) Det är bara jonerna som kan passera genom membranet medan

vattnet stängs ute. Innan jonerna lyckas nå fram till elektroden blockeras dem av ett lager

med samma laddning. (Lenntech, 2017)

EDI-Processen Under processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyllda med

jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet av

matarvattnet sker till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 1. De oönskade

jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kanalerna som inte

innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salter som succesivt

avskiljs. Över membranpaketet läggs via elektroderna en likspänning som resultera i att

positiva- respektive negativa joner dras sig åt olika håll och transporteras genom de

jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler (Avfall Sverige, 2012). I början

fastnar de starkt laddade jonerna i jonbytarmassan. Det elektriska fältet som bildas bidrar till

att vattenmolekyler splittras i hydroxid- och vätejoner. Dessa producerade joner är väsentlig

för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenererade tillstånd. Dessutom kan

hydroxidjonerna och vätejonerna reagera med svagare joner så som koldioxid, kiseldioxid

och ammoniak, vilka transporteras ut direkt genom membranet (Lenntech, 2017). För att

förhindra att för höga halter av bland annat salter och diverse partiklar påverkar EDI:n

negativt används med fördel omvänd osmos som ett försteg till EDI-processen (AB Ninolab,

2017).


Likt samtliga metoder för avjonisering så finns det såväl för- som nackdelar med EDI

metoden. Fördelarna med metoden är att den är bra relativt andra metoder ur

miljösynpunkt samt att inga kemiska tillsatser behövs för regenerering av jonbytarmassan.

Bristerna i metod är dels att den inte kan säkerställa ultrarent vatten, då den endast

avlägsnar ett begränsat antal av de laddade organiska ämnena. Utöver detta krävs att

matarvatten är av god kvalitet, viket kan uppnås genom att installera ett första reningssteg

bestående av RO-enheter (AB Ninolab, 2017). EDI processen kan inte användas för vatten

med en för hög hårdhet. Detta har att göra med att hårt vatten innehåller höga halter

kalciumkarbonat vilket kan orsaka avlagringar som hindrar den jonselektiva processen

(Lenntech, 2017). På Ge Healthcares anläggningar förkommer dock mjukgörande processer

av vattnet som kan sänka vattnets hårdhet (Brolin, 2017).

Ultrafiltrering Ultrafiltrering är i likhet med övriga filtreringsmetoder en metod som innebär att man låter

en vätska med lösta ämnen flöda genom ett poröst membran, ett så kallat ultrafilter.

Membranets huvudroll är att fungera som en selektiv barriär, det vill säga membranet

tillåter vissa ämnen att passera medan andra komponenter kvarhålls (Cheryan, 1998). Vad

som utmärker ultrafiltreringen är att flödet över membranet erhålls genom att trycksätta

den obehandlade vätskan, sådant att vätskan börjar strömma (Nationalencyklopedin, 2017).

Vid passagen genom de vanligaste filtertyperna reduceras vätskans innehåll på

makromolekylerna och partiklar större än 0,001 - 0,02 µm. (Cheryan, 1998)

Ultrafiltrering är en process som sker i såväl njurarna som på industriell nivå. Ett vanligt

användningsområde för teknologin är vid avlägsnandet av såväl bakteriesporer (Jallouli et

al., 2014) som endotoxin i farmaceutiska vattensystem. Då endotoxin tidigare har angivits ha

en storleksordning på 10 - 20 kDa används därför ett membran som filtrerar ut molekyler

med en molekylvikt större än 10 kDa för rening med ultrafiltrering. Nackdelen med denna

metod av endotoxinfiltrering är bland annat att filtrationshastigheten är relativt långsam,

vilket gör processen tidskrävande. (Saxena, 2009)

Precis som mikrofilter, vilket gås in på under avsnittet Olika reningsmetoder, blockeras filtret vid hög belastning och används därför som ett sista reningssteg nära tappstället, och filtret måste kontinuerligt bytas ut eller saneras för att reningen ska ske effektivt. Metoden kan inte användas för reduktion av oorganiska eller organiska ämnen men producerar högkvalitativt vatten med avseende på bakterier, partiklar samt pyrogener. (ab ninolab, 2017)

Även om membranets porstorlek vanligen bestäms av vikten på det som ska filtreras bort,

kan dock dess geometri ha en avgörande betydelse. Samtidigt som sfäriska molekyler fastnar

i membranet kan linjära molekyler med samma molekylmassa ta sig igenom porerna.

Laddningen på molekylerna är ytterligare än faktor som påverkar om de fastnar i membranet

eller inte. (Pall Corporation, 2017b)

Membranens uppbyggnad Det finns två typer av membran till ultrafiltrering; Spiral wound ultrafiltration och Hollow

fiber ultrafiltration (Collentro, 2016). Spiral wound ultrafiltration har membran som är

hopklistrade två och två till tunna skivor med en ett genomträngligt lager i mellan dem.

Dessa skivor är i sin tur rullade runt ett rör i genomträngbart material. En fördel med denna

spiralvridna ultrafiltrering är att membranen är relativt enkla att byta ut (Dow, 2017b). För

hollow fiber ultrafiltration är själva membranet uppbyggt av tätt sittande ihåliga fibrer.

Dessa kan vara gjorda av olika material vilket ha betydelse för dess permeabilitet. En hög

permeabilitet på membranet effektiviserar i sin tur den i övrigt långsamma

filtreringsprocessen (Dow, 2017a). Genom att den totala kontaktytan hos membranen är 10

gånger så stor hos de ihåliga fibrerna jämfört med de spiralvridna membranen är dessa

effektivare ur reningssynpunkt (Toyobo, 2017).

Membranen med de ihåliga fibrerna kan enkelt rengöras på partiklar och mikroorganismer som fastnat på sidan med det ickefiltrerade vattnet genom olika metoder. Ett sätt är genom så kallat snabbt flöde, vilket innebär att vattnet avskärmas till att flöda enbart på ena sidan av membranet. Detta medför ett snabbare flöde som när det når membranet utan att kunna passera vänder tillbaka i den omvända riktningen, i vad som kallas bakåtflöde, varpå ansamlade partiklar på membranet lossnar och följer med vattnet som töms från systemet som spillvatten. (Collentro, 2016)

Det finns två olika typer av ultrafiltrering; direktflödesfiltrering, DFF och tangentiell

flödesfiltrering, TFF. Genom att i den tangentiella flödesfiltreringen placera membranet

tangentiellt med flödesriktningen blir filtreringsprocessen snabbare samtidigt som att

igensättning av membranets porer motverkas. (Pall Corporation, 2017a)

Genom experimentella mätningar i distributionssystem för vatten, resulterar ultrafiltrering i

bakteriella nivåer på mindre än 2 cfu/ml. Ultrafiltreringen kan sålunda vid rätt design och val

av membran få ned bakteriella nivåer till långt under USP systems gränsvärden på

100cfu/mlEn porstorlek på 0,005 μm hos membranet har visats släppa igenom vissa sorters

bakterier medan porstorleken 0.001 μm resulterade i att inga bakteriehalter uppmättes

efter vattnets passage genom filtret. (Collentro, 2016)

Ultrafiltrering på GE Healthcare GE Healthcare producerar i nuläget membran för ultrafiltrering, för användning till så väl

sanitet som för produktion av mat och dryck. Ultrafiltreringen på GE Healthcare använder sig

av tangentiell flödesfiltrering där membranet ligger tangentiellt med flödesriktningen och

har förmågan att främst rena bort mikroorganismer (se figur 2). (GE Healthcare, 2017a)

Figur 2. Olika typer av membranfiltrering på GE Healthcare. Beroende på membran renas olika

storlekar av ämnen ut. Membranet ligger i flödesriktningen varpå det renade vattnet passerar ut

genom membranet och in i et genomträngligt material medan de ämnen som ska renas ut stannar

kvar i matarvattnet. (GE Healthcare, 2017a).

Beroende på vattnets turbulens och storleken på vattenledningssystemet har GE Healthcare

tagit fram en serie olika modeller av membran till ultrafiltrering. Membran inom företaget

finns både i typerna spiral wound (GE Healthcare, 2017a) och hollow fiber. Typen ZeeWeed

700B, har ihåliga fiber i membranet och används i nuläget som förbehandling till omvänd

osmos (GE Healthcare, 2017c).

I företagets kommande destillationssystem med omvänd osmos och EDI kommer

ultrafiltreringen att utgöra ett sista steg i reningen innan det att uppvärmningen och

nedkylningen sker. Inga planer finns i nuläget på att nyttja ultrafiltreringen som en

reningsmetod för att få bort mikroorganismer och endotoxin i senare kalla delar av

distributionssystemet. (Sjöstedt, 2017)

Olika vattenreningsmetoder

Jonbytare

Vid användning av jonbytare byts laddade joner av olika slag ut mot vätejoner (H+) samt hydroxidjoner (OH-), som är de två ingående jonkomponenterna i en vattenmolekyl. Vatten bildas alltså av dessa två joner som tillsätts. Huvudkomponenten i en jonbytare är jonbytarmassan som finns i någon form av cylinder och består av en anjonmassa eller katjonmassa, men kan även bestå av en blandning av katjon- och anjonmassa. Positivt laddade joner byts ut mot vätejoner och negativt laddade joner byts ut mot hydroxidjoner. Med denna metod kan dricksvatten renas direkt i cylindern/cylindrarna. Men ofta används jonbytare som en kompletterande metod efter exempelvis omvänd osmos (RO-metoden), vilket ger vattnet en högre renlighet samt en längre livslängd på cylindrarna. Investeringskostnaden för denna metod är relativt låg och metoden renar vattnet från oorganiska joner upp till en resistivitet av 18,2 Mohm-cm (vid 25 °C). Däremot kan denna metod inte användas för att ta bort bakterier, pyrogener eller organiska ämnen. (ab ninolab, 2017)

Destillation Destillation är en metod som går ut på att en vattenlösning värms upp till kokpunkten varpå vattnet förångas och separeras från andra ämnen i lösningen. Vattenångan kyls sedan ner i en kondensator och vattnet återgår därmed till vätskefas från gasform. Liksom jonbytare är destillation som mest effektiv då vattnet redan renats till en viss grad genom en annan metod, exempelvis en RO-enhet. Rent vatten produceras mycket långsamt genom destillation och måste därför samlas upp i någon typ av behållare. Därmed ställs det stora krav på behållarnas renlighet eftersom steriliteten hos vattnet inte blir bättre än steriliteten som behållaren håller. Kontaminationer tas bort effektivt med undantag av de som har en kokpunkt nära vattnets, därför kan vissa ämnen passera upp i destillatet.

Dessutom är destillation inte en särskilt ekonomisk eller miljövänlig process då det krävs mycket elektricitet samt kylvatten. (ab ninolab, 2017)

Aktivt kol Aktivt kol används för att reducera halten organiska partiklar i vatten, vilket sker genom att kolet binder upp organiska ämnen genom jon- polära- och van der waals bindningar. Metoden kan inte användas för att få bort alla typer av organiska ämnen och vissa små samt lösliga partiklar kan bli kvar i vattnet. (ab ninolab, 2017)

Mikrofilter

Mikrofilter används för reduktion av partiklar samt mikroorganismer. Filtret har vanligtvis en maskstorlek mellan 0,05 µm till 0,22 µm och används så nära tappstället som möjligt. Metoden kräver i princip inget underhåll, däremot måste filtren bytas ut med jämna mellanrum för att förhindra att partiklar och mikroorganismer läcker ut. Nackdelarna med metoden är att lösta organiska och oorganiska molekyler inte tas bort och inte heller pyrogener som utgör en stor hälsofara. (ab ninolab, 2017)

UV-lampor

UV-lampor används för att reducera halten bakterier samt organiska ämnen i vatten. Lampor med våglängd 254nm designas specifikt för att ha effekt på bakteriers DNA samt RNA vilket hämmar bakteriernas reproduktionsförmåga. Lamporna placeras vanligtvis i någon typ av hållare och en tunn vattenhinna får passera på utsidan. För att reducera halten organiskt material i vattnet används lampor med lägre våglängder ca 185nm för att oxidera de organiska ämnena. Jonbytare används senare i denna metod efter att det skapats en laddning över molekylerna då de brutits ned till mindre delar från långa molekyler. Jonbytare kan då plocka bort de laddade organiska ämnena i vattnet i utbyte mot hydroxid- samt vätejoner. För att effektivisera metoden kan en jonbytare användas innan UV-lampan för att på så vis plocka bort de redan laddade organiska ämnena så att endast de oladdade ämnena passerar lampan. Metoden är mycket effektiv mot bakterier men kan bara användas för att reducera halten organiska ämnen till viss del. (ab ninolab, 2017)

Kromatografi

Kromatografi är en kemisk separationsteknik där man utnyttjar att de ingående ämnena

separeras och fördelar sig på olika sätt mellan en mobil- och en stationär fas. Den stationära

fasen är vanligtvis packad i en kolonn. Det finns två huvudtyper av kromatografi,

gaskromatografi och vätskekromatografi. Vätskekromatografi kan användas för såväl gaser

som icke flyktiga ämnen, medan gaskromatografi endast är anpassad för att separera ämnen

med en viss flyktighet. (Jönsson, 2017)

Kromatografi för borttagning av endotoxin

Det finns ett antal olika kromatografimetoder kapabla att avlägsna endotoxin ur vätskor,

några av dem presenteras nedan. Valet av viken metod som är lämpligast beror bland annat

på vilken renhetsgrad man vill uppnå, hur tidskonsumerande metoden får vara samt

kostnaden (Ongkudon et al., 2012).

Affinitetsbasrad kromatografi

Affinitetsbasrad kromatografi är en metod som dels använder sig av syntetiska ligander,

impregnerade i den stationära fasen, samt de specifika bindningar som uppstår mellan

liganden och den önskvärda molekylen. Detta innebär att när en komplex vätskeblandning

passerar över ytan med ligander kommer de molekyler som har en specifik bindningsaffinitet

till liganderna att binda in.

Den ligand som framförallt används för inbindning av endotoxin är poly-ε-lysine som då

impregneras i den stationära fasen bestående av cellulosapärlor (Shih et al., 2006). Här

spelar storleken på cellulosapärlorna och således porstorleken en viktig roll. Om kolonnen

består av många små porer gynnas den kvarhållande förmågan av endotoxin. De inbundna

ämnena, i det här fallet endotoxin, kan sedan avlägsnas från ytan genom till exempel en

temperaturhöjning. Metodens goda förmåga att rena vätskor från endotoxin minskar

behovet av ytterligare reningsmetoder och blir såldes kostnadseffektivt. Dock avråds denna

metod på grund av att processen tar lång tid (Ongkudon et al., 2012).

Storleksuteslutande kromatografi

Storleksuteslutande kromatografi även kallat gelfiltrering (SEC) är den enklaste

kromatografimetoden och separerar molekyler utefter storleksskillnader. Kolonnen består

av sammansatt polyakrylamid, vilken överlag har en mycket porös karaktär (Ongkudon et al.,

2012). Eftersom metoden inte bygger på inbindning av olika molekyler så ger SEC metoden

stora friheter att välja de förhållanden som är optimala för ett specifikt prov, till exempel kan

pH och jonstyrka väljas i ett brett intervall. Metoden kan användas för såväl högupplöst

fraktionering som gruppseparation. Högupplöst fraktionering innebär att man helt delar upp

ett prov till dess ingående komponenter, medan gruppseparation syftar på att man delar in

ett prov till två större grupper (GE Healthcare, 2017c). Nackdelen med denna metod är att

den har begränsad kapacitet och selektivitet (Ongkudon et al., 2012).

För att effektivt kunna separera endotoxin från ett prov krävs en betydenade

storleksdifferens mellan det endotoxin och produkten man vill erhålla, något som inte alltid

är fallet. Detta gör denna metod olämplig för just separering av endotoxin. (Lee et al., 2003).

Anjonbytes kromatografi

Anjonbytes kromatografi (AEC) är en metod som separerar molekyler utifrån deras ytliga

nettoladdning (Bio Rad, 2017). Metoden är den för närvarande mest använda

kromatografimetoden för att avlägsna endotoxin från olika prover.

Fördelarna med metoden är att man erhåller en snabb separation, ett brett urval av olika

kolonnmedier samtidigt som den inte kräver några lösningsmedel. Dock finns det brister, till

exempel vid separation av endotoxin och protein. I vätskor som innehåller negativt laddade

protein samt endotoxin kan konkurrens om bindningsplatser till den stationära fasen uppstå,

något som minskar separationseffektiviteten. Även vätskor innehållandes positivt laddade

protein och endotoxin minskar metodens förmåga att effektivt avlägsna endotoxin.

Anledningen till detta är att proteinet själv kan binda till endotoxin, vilket innebär att

proteinet konkurrerar med den stationära fasen vars huvuduppgift är att binda in endotoxin.

(Ongkudon et al., 2012)

Endotoxin-neutraliserande protein

Ursprung

Hästskokrabban, även kallad Dolksvans, har förmågan att bilda det så kallade Endotoxin-

neutraliserande proteinet, ENP. Detta protein har förmågan att binda till aktiva grupper på

endotoxin, så väl som andra lipopolysackarider, LPS och på så sätt omvandla dessa från en

aktiv till en inaktiv form (Andrä et al., 2004). ENP verkar på LPS från ett stort antal gram-

negativa bakteriearter både inom levande organismer och i artificiella miljöer (Priano et al.,

2007). Genom biologiska analyser har förmågan hos LPS att inverka negativt på

immunförsvaret, kunnat reduceras starkt vid tillsats av ENP. Denna reducering är beroende

av den tillsatta koncentrationen av proteinet. (Andrä et al., 2004)

Dödligheten för hästskokrabban vid medicinsk användning är mellan 8 - 15 procent.

Krabborna släpps vid användningen tillbaka till sin ursprungliga miljö inom 48 timmar och en

märkning genomförs så att samma krabba inte fångas in innan denna hunnit återställas helt

fysiskt. (Lee, 2014)

Det endotoxin-neutraliserande proteinet är mycket stabilt och kan vid låga temperaturer

förvaras i vätskefas under flera månader. Vid temperaturer mellan 2 - 8 °C är förvaringstiden

1 månad, något som ökar avsevärt om temperaturen sänks till -20 °C. ENP har vidare

obegränsad livslängd som pulveriserad form vid temperaturer ned mot -20 °C. (Priano et al.,

2007)

Applicering En återkommande metod för att utnyttja den endotoxin-neutraliserande verkan hos ENP är i

form av den så kallade Au/Cys/CMDex/ENP elektroden. Metoden går ut på att CMDex

komplexbinds till en guldelektrod modifierad med ämnet cysteamin för att sedan bindas

kovalent till ENP. (Priano et al., 2007) Syftet med modifikationen med det positivt laddade

lagret med cysteamin är att öka elektrodens förmåga att attrahera laddningar i lösningen

(Shervedani et al., 2007). Behandlingen av elektroden med CMDex hindrar andra positivt

laddade aminogrupper, med egenskaper som liknar de hos liposackariderna, att interagera

med ENP och därigenom hindra bindningen till LPS (Priano et al., 2007). De joner som bildas

vid elektroden neutraliseras av joner med motsatt laddning och stannar kvar vid elektroden.

På så sätt följer ämnen från elektroden inte med ut i lösningen (Battaglini, 2017).

För att neutralisera endotoxin fullständigt med hjälp av ENP krävs ett förhållande

ENP/lipopolysackarid på över 10:1 (Bannerman et al., 1998). Metoden kräver med andra ord

att en insikt finns om den ursprungliga mängden endotoxin i vattnet.

Artificiell framställning Under de senaste decennierna har forskning bedrivits över hur det endotoxin-

neutraliserande proteinet skulle kunna produceras artificiellt genom kloning av bakterier.

Det så kallade rENP proteinet finns i nuläget att köpa för att använda just för rening av

endotoxin. Under kloningen har tre molekyler lyckats fås ur ett klonat protein från

hästskokrabban. Experiment har gjorts till viss del över hur denna artificiella framställning

ska ske för att erhålla ett så effektivt protein som möjligt. (Paus et al., 2002)

Ozonsterilisering

Bakgrund

Ozon är mycket potent gas att eliminera mikrober (Murphy, 1999). Under senare tid har ozondesinfektion blivit ett hett ämne att debattera då det framkommit att det i dagens läge kan vara det mest effektiva och miljövänliga sättet att använda för sterilisering av diverse produkter och ytor. Då ozon är väldigt giftigt och även dödligt för människor i låga koncentrationer är därför hanteringen av ozon en viktig fråga. 1997 fick ozon klassificeringen GRAS som betyder Generally recognized as safe. Med dagens teknik kan man hantera ozon på ett smart och säkert sätt vilket gör det till en mycket stark kandidat i frågan om att desinfektera produkter och ytor helt från mikrober. Framförallt inom läkemedel och livsmedelsindustrin har ozon-desinfektion blivit populärt då det inte lämnar någon restprodukt eftersom ozon sönderfaller till syre med en halveringstid på ca 20 - 60 min. Halveringstiden för ozon påverkas av temperatur, tryck och koncentration. Vid höga temperaturer är ozon explosivt. Den korta halveringstiden behöver inte betyda problem eftersom att kontakten mellan ozon och mikrober inte behöver vara i mer än 10 -

15 minuter för att ozonet ska helt eliminera alla mikrober. Då ozon sönderfaller väldigt snabbt kan det inte transporteras utan behöver tillverkas på plats. (Streng, 1961)

Ozon i naturen

Ozon i stratosfären skapas och bryts ner av ultraviolett strålning. Luften i stratosfären utsätts konstant av UV strålning från solen. När en syremolekyl, O2, träffas av UV strålning separeras molekylen till två enskilda ostabila syreatomer. När en atom är ostabil vill den gärna binda till en ny molekyl, i detta fall binder syreatomen till en syremolekyl och ozon, O3, bildas. Som nämndes tidigare så kan ozon även brytas ner igen av UV-ljus. Vid nedbrytningen, som sker genom reaktionen O3+UV→O+O2, får syreatomen och syremolekylen högre kinetisk energi vilket utsöndras som värme. Detta bidrar till att höja atmosfärens temperatur. Ozon genereras främst av UV strålning som är mindre än 240 nm medans den syreatom som dissocierat vid nedbrytningen är stabil för våglängder upp till 320 nm. Efter nedbrytning kan syreatomen återigen binda till en syremolekyl och skapa ozon eller reagera med en ozonmolekyl och generera två syremolekyler i reaktionen O+O2→O3 eller O+O3→O2+O2. Dessa processer där ozon bildas eller bryt ner i naturen refereras ofta till som Chapman reaktionerna. (NASA, 2016)

Fördelar med ozon Det finns olika tillvägagångssätt att sanera med avseende på mikrobielltillväxt. Att hetspola system har visat god inverkan för sterilisering men det kan vara dyrt att underhålla då det krävs mycket energi att ständigt att hetta upp och kyla ner vatten. Diverse kemiska tillsatser kan vara effektivt för att få bort biofilmer men dessa måste också rensas bort med stora mängder vatten och det finns alltid en viss risk när kemikalier ska förvaras eller vid avfallhantering. Vid produktionen av destillerat vatten är vattenkvalitetskraven också högre än vid produktion av till exempel dricksvatten vilket medför att tillsatser av kemiska substrat måste utföras med hög noggrannhet och man måste vara säker på att kemikalierna inte finns kvar i slutskedet av systemet. Ozon har fördelen att det kan nå långt in i alla delar av ett system samtidigt som det är lätt att bli av med igen. Man behöver heller inte vara rädd för biprodukter eftersom ozonet naturligt bryts ner till syre. Om systemet kräver en nolltolerans av ozon vid ett visst tillfälle kan man säkerställa detta genom att applicera ultraviolett strålning av 254 nm våglängder för att bryta ner ozonet till syre. Det krävs därför ingen avfallshantering av ozon som med andra kemikalier. Eftersom ozon skapas direkt via syre krävs heller ingen förvaring av ozonet innan det förs in i systemet. Ozonet oxiderar allt organiskt material och därmed också bakterier och sporer. Ozonet kan snabbt eliminera mikrobiellaktivitet under relativt låga doser. Enligt Cohen kan 0.1 mg/L ozone eliminera upp till 60 000 cfu E.coli bakterier under en minut, medans det skulle ta cirka 400 timmar att nå samma resultat vid användning av klorin vid samma halt (Cohen, 2013). Klorin behöver även diffundera in i bakteriecellen för att ha en inverkan, till skillnad från ozon, vilket gör att processen av rening med klorin tar längre tid (Krushna Yadav D K, 2014).

Oxidering Då ozon har starka oxiderande egenskaper är därför valet av material man använder för att bevara ozonet mycket viktigt. Om man använder ett material som inte är korrosionsbeständigt kommer det att brytas ned av ozonet. Det finns material som är helt opåverkade av ozon (Ozonesolutions, 2015). Då ozon är en väldigt ostabil molekyl till skillnad från syrgas sönderfallet ozonet väldigt snabbt. Eftersom ozon har en överbliven syreatom som sitter väldigt löst till molekylen har den ensamma syreatomen väldigt lätt att bryta sig fri från molekylen och reagera med det ämnet den kommer i kontakt med. Då syre har en väldigt hög elektronegativitet reagerar det väldigt kraftfullt. Organiskt material som utsätts för oxidation förintas eller omvandlas helt beroende på hur stark oxiderare som verkar. Under tiden ozonet oxiderar ett material reduceras ozonet och kvar blir endast syrgas från det ursprungliga ozonet. (Herman, 2001) En stark oxiderare består oftast av halogener eller någon typ av syreförening. Styrkan hos en oxiderare bestäms av dess oxidationspotential, vilket mäts i volt. Oxidationspotential, även kallad redoxpotential mäter hur hög tendens en molekyl har att dra åt sig elektroner och reduceras. En högre oxidationspotential innebär att molekylen har högre förmåga att reduceras och därmed utföra ett elektronbyte med en annan kemisk komponent. Ozon har en väldigt hög oxidationspotential på 2.07V, endast lägre än OH - samt F. (Ozonesolutions, 2015)

Eliminera mikrober På grund av dess höga oxidationspotential kombinerat med den löst bundna syreatomen är ozon mycket effektivt att eliminera mikrober genom oxidering (Leusink, 2015). Ozon kan eliminera svampar, bakterier men även virus som kan bära på mänskliga sjukdomar snabbare än klorinering. Ozon attackerar mikrobernas cellväggar och är därför inget bakterier kan utveckla resistans gentemot. Mängden ozon som krävs för att eliminera mikrober är olika för olika typer av mikrober men är generellt väldig liten, närmare tusendelar (ppm) (1ppm=1mg/ml). (Krushna Yadav D K, 2014)

Löslighet i vatten Ozon är väldigt lösligt, upp till 13 gånger mer lösligt i vatten än syre. Ozonets löslighet i vatten beror på temperatur i vattnet, koncentrationen ozon och vattentrycket. Kallare vatten och högre vattentryck är att föredra för att maximera ozonets löslighet i vatten. (Oxidation technologies, 2017)

Ozongenerator Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt under dess förfall eller under dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts i stor utsträckning för sterilisering, sanering och rengöring. Industriellt sätt produceras huvudsakligen ozon genom elektriska urladdningar eller användningen av ultraviolett ljus. Det är i allmänhet billigt att använda en UV-ozongenerator men dessa är också mindre effektiva då de kräver lång exponeringstid av ultraviolett strålning samt producerar mindre ozon i jämförelse med andra

generatorer. De större industrierna som kräver höga koncentrationer av ozon och/eller större gasflöden föredrar därför ozongeneratorer som använder sig av elektriska urladdningar. (Eliasson et al., 1987)

Koronaurladdning Teknikerna hur en CD (Corona Discharge) fungerar varierar mycket beroende på mängden ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras men grundtekniken är i princip densamma och bygger på hur ozon skapas i naturen genom blixtrar. Ozonet skapas genom att låta syrerik gas, antingen rent syre eller luft passera genom ett elektriskt fält där elektriciteten orsakar en separation av syremolekyler. Genom att låta laddningen i generatorn spridas över ett dielektrikum, det vill säga ett icke-ledande material, kan ett elektriskt fält genereras. I koronaurladdnings generatorer omvandlas en stor del av energin till värme, därför har de flesta produkter någon form av värmeborttagning. (Cohen, 2013) En annan viktig faktor är att den gas som ska omvandlas till ozon är torr då fuktig luft kan leda till att salpetersyra bildas i de inre delarna av systemet. Vilken form av gas som ska tillsättas beror därmed på vilken slags generator som ska producera ozonet. Men för de flesta koronageneratorer leder högre koncentration och mängd syretillförsel till en högre produktion av ozon. Syrgaskällan kan därför ha stor betydelse. En ren syrgaskälla innehåller cirka 93 procent O2 och är helt torr. Fördelen att använda en syregenerator är att det ger maximal ozonbildning samt minimerar risken för salpetersyra bildning. (OzonAcademy, 2017)

Företag inom ozonbranschen Ozongeneratorer säljs i varierande storlekar och för olika bruk. Ozonetech är ett företag som producerar ozongeneratorer i Sverige. Deras produkter är baserade på koronaurladdnings proceduren. I dagsläget kan man investera i ozongeneratorer som kan rensa odörer i luften eller rena ventilationssystem för hemmabruk, dessa har en lägre kapacitet mellan 5-10g/h. De erbjuds även ozondestruktorer och syrgaskoncentratorer som fokuserar på att bryta ner ozon till syrgas respektive optimerar syrgashalter (OzonAcademy,2017). Primozone är ett annat svenskt företag som erbjuder liknande produkter inom branschen. De riktar in sig på storskaliga industrier som är i behov av sanering via ozon, exempelvis inom matindustrin eller i dricksvattensystem. Deras produkter kan generera så mycket som 2720 g ozon per timme. (Primozone, 2017)

Kroppens påverkan av ozon Ozon är en väldigt stark oxiderare och därför vill man inte utsättas för höga koncentrationer av ozon. Höga koncentrationer av ozon kan vara direkt dödligt. Lägre koncentrationer av ozon kan leda till irritation i hals och svalg, illamående, hosta eller andningsproblem. Ozon är inte en luktfri gas vilket innebär att man kan känna lukten av den innan man utsätts för farliga koncentrationer. Lukten påminner om den karakteristiska doften efter ett ordentligt åskväder, detta för att höga koncentrationer av ozon kan bildas när det blixtrar. Höga koncentrationer av ozon kan även påverka växter genom sämre skörd eller orsaka fysiska skador på grund av dess reaktiva förmåga. (Allen, 2002)

Eftersom ozon är något som finns naturligt i luften vi andas är endast högre koncentrationer något som människor påverkas av. Ozonkoncentrationen i luften varierar mellan 15 - 125 ppb (parts per billion) i luften under året. (Allen, 2002) Hur mycket ozon en människa kan utsättas för beräknas med ett medelvärde under en viss tid, till exempel 5ppm under en timme. Den kritiska gränsen för hur hög koncentration en människa tål finns det få studier om, men 12ppm under 3 timmar är tillräckligt för att döda mindre däggdjur och det har estimerats att en dos på mer än 50 ppm under 60 minuter kan vara dödligt för människor. (Ozoneservices, 2017)

Integrera ozon i vatten Det finns olika sätt att blanda ozon i vatten. Ett sätt är via en injektor där vatten förs in i en konisk form, vilket leder till att en tryckgradient uppstår mellan in-och uttaget. Detta gör att ozon sugs in i systemet. Två koniska cylindrar är sammankopplade med ett smalt rör i mitten (se figur 3) (Wassertec, 2017). Då vatten strömmar genom injektorn kommer flödet bli snabbare i det mindre röret, vilket leder till att trycket i den delen minskar. När vatten pressas in i ena änden av konen kommer det att uppstå en tryckgradient mellan den smalare delen och uttaget. Om man vid den smalare delen av injektorn öppnar ett hål till atmosfärstryck kommer ytterligare en tryckgradient skapas mellan öppningen och det smala röret. Detta leder till undertryck i injektorn och luft, som färdas från högt till lågt tryck, kommer automatiskt sugas in i apparaten. (OzoneSolutions, 2014)

Figur 3. Visar hur en injektor skapar en tryckgradient, vilket leder till att gas kan flöda in i vattensystemet (Wassertec, 2017).

En annan metod som används för att integrera ozon i vatten är med “bubble diffusers”. Man använder en porös sten vilket man flödar gas genom som skapar små bubblor av ozon som direkt diffunderar ut i vattnet. (Ozone Bubble Diffusers, 2011)

Referenser

AB Ninolab. Vattenreningstekniker - AB Ninolab. [online] (Vattenreningstekniker). Tillgänglig: 2017

http://www.ninolab.se/produkter/vattenrening/renvattenguide/vattenreningstekniker/. [Hämtad 2017-04-02].

Allen, J. The Ozone We Breathe : Feature Articles. [online] (2002-04-19). Tillgänglig: https://earthobservatory.nasa.gov/Features/OzoneWeBreathe/. [Hämtad: 2017-04-06].

Avfall Sverige (2012). MARVATTEN FÖR AVFALLSELDADE KRAFT-OCH VÄRMEVERK [online]. Malmö. (F2012:07).

Bannerman, D. D., Fitzpatrick, M. J., Anderson, D. Y., Bhattacharjee, A. K., Novitsky, T. J., Hasday, J. D., Cross, A. S. & Goldblum, S. E. (1998). Endotoxin-Neutralizing Protein Protects against Endotoxin-Induced Endothelial Barrier Dysfunction. Infection and Immunity, 66(4), 1400–1407ff.

Bio Rad. Anion Exchange Chromatography | Applications & Technologies | Bio-Rad. [online] (2017) (Bio Rad). Tillgänglig: http://www.bio-rad.com/en-se/applications-technologies/anion-exchange-chromatography. [Hämtad 2017-04-05].

Bubble Diffusers (2011). Ozone Journal. Tillgänglig: http://www.ozonesolutions.com/journal/2011/ozone-bubble- diffusers/. [Hämtad: 2017-04-10].

Cheryan, M. (1998). Ultrafiltration and Microfiltration Handbook [online]. Second Edition. CRC Press. Tillgänglig: https://books.google.se/books?hl=sv&lr=&id=LpiuJVxJS_AC&oi=fnd&pg=PR11&dq=ultrafiltration+&ots=l4Du2BX9bc&sig=RwiIkMCgu_Wv_GO55nzuzudCCe4&redir_esc=y#v=onepage&q=ultrafiltration&f=false. [Hämtad 2017-04-03].

Christiansson, A. Sporer och sporbildning - LRF. [online] (2017) (Lantbrukarnas Riksförbund). Available from: http://www.lrf.se/om-lrf/organisation/branschavdelningar/lrf-mjolk/expertomraden/mjolkkvalitet/mjolkkvalitet/sporer/sporer-och-sporbildning/. [Accessed 2017-04-10].

Cohen, N. (2013). Understanding Dissolved Ozone and its Use in Pharmaceutical Water Systems. Pharmaceutical Engineering. May [online],. Tillgänglig: http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceutical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf. [Hämtad 2017-04-04].

Collentro, W. V. (2016). Pharmaceutical Water: System Design, Operation, and Validation, Andra upplagan. CRC Press. ISBN 978-1-4200-7783-4.

Dahlbäck, J. GE satsar 870 miljoner på Uppsala. [online] (2015-12-03). Tillgänglig: http://www.unt.se/start/ge-satsar-870-miljoner-pa-uppsala 4005582.aspx. [Accessed 2017-04-06].

Dow. About Ultrafiltration | Dow Water & Process Solutions. [online] (2017a). Tillgänglig: http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/products/ultrafiltration/about-ultrafiltration. [Hämtad 2017-04-04].

Dow. Dow Water and Process Solutions Answer Center. [online] (2017b). Tillgänglig: https://dowwater.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/2378. [Hämtad 2017-04-06].

Eliasson, B., Hirth, M. & Kogelschatz, U. (1987). Ozone synthesis from oxygen in dielectric barrier discharges. Journal of Physics D: Applied Physics, 20(11), ff 1421.

Fresh Water Systems. GE Desal Membranes. [online] (2017) (Fresh Water Systems). Tillgänglig: 2017 https://www.freshwatersystems.com/s-528-desal-membranes.aspx. [Hämtad 2017-04-02].

Forssblad, J. & Annadotter, H. (2009). Endotoxin i svenskt vatten [online]. Stockholm. (2008–20) GE Healthcare. Size Exclusion Chromatography (SEC). [online] (2017). Tillgänglig:

http://www.gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/CategoryDisplay?categoryId=3305885&catalogId=10102&top=Y&storeId=11253&langId=-1. [Hämtad 2017-04-04].

GE Healthcare. Membrane Filtration for Food & Beverage | GE Water. [online] (2017a) (GE Healthcare). Tillgänglig: https://www.gewater.com/products/membrane-filtration-food-beverage. [Hämtad 2017-04-06].

GE Healthcare. ZeeWeed Hollow-Fiber Membranes | GE Water. [online] (2017b). Tillgänglig: https://www.gewater.com/products/zeeweed-hollow-fiber-membranes. [Hämtad 2017-04-06].

GE Healthcare. (2012). GE Healthcare: 63 Years of History, Countless Advances in Healthcare. GE Healthcare The Pulse. Tillgänglig:http://newsroom.gehealthcare.com/ge-healthcare-63-years-of-history-countless-advances-in-healthcare/. [Hämtad 2017-04-06].

Grubb, R. (2017). desinfektion - Uppslagsverk - NE. Nationalencyklopedien. Tillgänglig: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/desinfektion#v%C3%A4rmedesinfektion. [Hämtad 2017-04-04].

Herman, C. New Page 1. [online] (2001) (Improving air quality with electric vehicles). Tillgänglig: http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/AirQuality/Oxidizer.htm. [Hämtad: 2017-04-06]

HowStuffWorks. How Reverse Osmosis Works. [online] (2008-05-08) (HowStuffWorks). Tillgänglig: 2017. http://science.howstuffworks.com/reverse-osmosis.htm. [Hämtad 2017-04-02].

Jallouli, W., Sellami, S., Sellami, M. & Tounsi, S. (2014). Impact of liquid formulation based on ultrafiltration-recovered bioactive components on toxicity of Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki strain BLB1 against Ephestia kuehniella. Process Biochemistry, 49(11), 2010–2015ff.

Jönsson, J. Å. (2017). kromatografi - Uppslagsverk - NE. Nationalencyklopedin. Tillgänglig: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/kromatografi. [Hämtad 2017-04-04].

Krushna Yadav D K (2014). Ozone Sterilization. Food, . Tillgänglig: https://www.slideshare.net/krushnayadavdk/sanjeev-38091343. [Hämtad 2017-04-06].

Kulakov, L. A., McAlister, M. B., Ogden, K. L., Larkin, M. J. & O’Hanlon, J. F. (2002). Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water in Industrial Systems. Applied and Environmental Microbiology, 68(4), 1548–1555 ff.

Lee, S.-H., Kim, J.-S. & Kim, C.-W. (2003). Optimization of buffer conditions for the removal of endotoxins using Q-sepharose. Process Biochemistry, 38(7), 1091–1098 ff. [Hämtad 2017-04-04]

Lee, R. (2014). Blood of horseshoe crab contains protein invaluable for medical research. Tech Times [online],. Tillgänglig: http://www.techtimes.com/articles/14634/20140902/blood-of-horseshoe-crab-contain-protein-invaluable-for-medical-research.htm. [Hämtad 2017-04-03].

Lenntech. Electrodeionization (EDI) - Lenntech. [online] (2017) (Lenntech). Tillgänglig: http://www.lenntech.com/library/edi/edi.htm. [Hämtad 2017-04- 07]. Leusink, J. Ozone oxidation potential. [online] (2015-08-18)

(Oxidation Technologies News). Tillgänglig: http://www.oxidationtech.com/blog/ozone-oxidation-potential/. [Hämtad: 2017-04-06].

Lindberg, T. & Lindqvist, R. (2005). Riskprofil Dricksvatten och mikrobiologiska risker - rapport 28, 2005 - 2005-28-livsmedelsverket_riskprofil---dricksvatten-och-mikrobiologiska-risker.pdf [online]. (28–2005).

Mercatus Engineering AB. Jonbytare. [online] (Processvätskerening). Available from: 2017. http://www.mercatus.se/produkter---kompetensomraden/processvatskerening/jonbytare/. [Accessed 2017-04-02].

Murphy, O., Method of sterilization using ozone. 2002-05-14.

Tillgänglig: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080005005.pdf.

[Hämtad:2017-04-03]

NASA. Ozone Production and Destruction — GES DISC - Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center. [online] (2016-04-06) (Goddard Earth Sciences Data and). Tillgänglig: https://disc.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/ozone_cycle.shtml. [Hämtad: 2017-04-03].

Nationalencyklopedin (2017). ultrafiltrering - Uppslagsverk - NE. Ultrafiltrering Nationalencyklopedin. Tillgänglig: http://www.ne.se.ezproxy.its.uu.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/ultrafiltrering. [Hämtad 2017-04-03].

Ohmi, T., Isagawa, T., Imaoka, T. & Sugiyama, I. (1992). Ozone Decomposition in Ultrapure Water and Continuous Ozone Sterilization for a Semiconductor Ultrapure Water System. Journal of The Electrochemical Society, 139(11), ff 3336–3345.

oxidation technologies. Ozone equipment manufacturer and ozone system integrators Ozone Solubility in liquid Ozone Integration Experts. [online] (2017). Tillgänglig: http://www.oxidationtech.com/ozone/solubility.html. [Hämtad: 2017-04-06].

OzonAcademy (2017). Om Ozon. Ozonetech. Tillgänglig: http://www.ozonetech.com/ozone-kitchen-extract/sv/faq/om-ozon/. [Hämtad 2017-04-04].

Ozoneservices (2017).Ozone in the Air - Ozone levels and their effects. [online]. Tillgänglig: http://www.ozoneservices.com/articles/007.htm. [Hämtad 2017-04- 10]

Ozonesolutions. Ozone Compatible Materials | OzoneSolutions.com. [online] (2015-12-15). Tillgänglig: http://www.ozonesolutions.com/info/ozone-compatible-materials. [Hämtad: 2017-04-06].

Pall Coporation. Tangential Flow Filtration. [online] (2017) (Pall Corporation). Tillgänglig: https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html. [Hämtad 2017-04-04].

Pall Coporation (2017). Ultrafiltration Fundamentals - id-35486.pdf [online]. Pall Coporation. Tangential Flow Filtration. [online] (2017) (Pall Corporation). Tillgänglig:

https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html. [Hämtad 2017-04-04]. Paus, E. J., Willey, J., Ridge, R. J., Legg, C. R., Finkelman, M. A., Novitsky, T. J. & Ketchum, P. A. (2002).

Production of recombinant endotoxin neutralizing protein in Pichia pastoris and methods for its purification. Protein Expression and Purification, 26(2), 202–210ff.

Pharmatesystems. USP Standards for Purifed Water. [online] (2017). Tillgänglig: http://www.pharmatesystems.com/usp-standards-for-purifed-water/. [Hämtad 2017-04-06].

Priano, G. & Battaglini, F. (2005). Use of an Antimicrobial Protein for Endotoxin Detection in a Competitive Electrochemical Assay. Analytical Chemistry, 77(15), 4976–4984ff.

Priano, G., Pallarola, D. & Battaglini, F. (2007). Endotoxin detection in a competitive electrochemical assay: Synthesis of a suitable endotoxin conjugate. Analytical Biochemistry, 362(1), pp 108–116.

Primozone. Reliable ozone generators - water treatment | Primozone. [online] (2017). Tillänglig: http://www.primozone.com/. [Hämtad: 2017-04-03]. Saxena, V. S. P. P. L. Removing endotoxin from biopharmaceutical solutions. [online] (2009-10-01)

(PharmaTech). Tillgänglig: http://www.pharmtech.com/removing-endotoxin-biopharmaceutical-solutions. [Hämtad 2017-04-04]

Sandle, T. (2015). Characterizing the Microbiota of a Pharmaceutical Water System-A Metadata Study. SOJ Microbiology & Infectious Diseases, 3(2), 01–08 ff.

Shervedani, R. K., Farahbakhsh, A. & Bagherzadeh, M. (2007). Functionalization of gold Streng, A. G. (1961). Tables of ozone properties. Journal of Chemical

and Engineering Data, 6(3), pp 431–436. Toyobo. TOYOBO Water Treatment Membranes: HOLLOSEP FEATURES. [online] (2017). Tillgänglig

from: http://www.toyobo-global.com/seihin/ro/tokucho.htm. [Hämtad 2017-04-06]

http://www.ozoneservices.com/articles/007.htm

Muntliga källor

Battaglini, F. (2017). Intervju om ”Au/Cys/CMDex electrode”. Brolin, M. (2017). Intervju, GE Healthcare 5/4 -2017. Pantefors, P. (2017). Intervju, GE Healthcare 5/4 -2017.

Sjöstedt, M. (2017). Intervju, GE Healthcare 5/4 -2017. Wall, E. (2017). Intervju, GE Healthcare 5/4 -2017.


Dokumenttyp Grupprapport

Dokumentkod W-17-60/G-02

Datum 7/4 -2017

Ersätter -

Författare Marcus Sigfridson och Ylva Geber


Rapportnamn Mini-litteraturstudie om att skriva en populärvetenskaplig sammanfattning

Sammanfattning I denna rapport följer ett hopdrag över hur en populärvetenskaplig sammanfattning till en vetenskaplig text bör formuleras. Syftet är att förmedla vetenskaplig information på ett sätt så att intresse väcks hos personer som inte är belästa inom ämnesområdet. Av hög vikt är att se över tänkbar målgrupp för att kunna anpassa disposition och språk efter denne. Ämnet bör konkretiseras genom olika exempel för att belysa dess betydelse för samhället.

Mini-litteraturstudie om att skriva en populärvetenskaplig sammanfattning

Inledning Populärvetenskapligt skrivande innebär att man förmedlar vetenskaplig information till personer som inte är belästa inom området. Detta innebär att sådana texter ska skrivas på ett lättförståeligt och ett intresseväckande vis så att texten blir begriplig för såväl forskare som studenter och allmänheten. En populärvetenskaplig text, det vill säga popularisering av vetenskap innebär ofta att man eftersträvar en konkretisering av det behandlade ämnet, gärna genom att belysa dess betydelse för samhället (Eriksson, 2017). En populärvetenskaplig sammanfattning bör således beröra ämnets problemformulering (frågeställning mm), metod, resultat samt vilka konsekvenser resultaten kan ge upphov till (Brändén, 2017). Populärvetenskapligt skrivande medför ett antal utmaningar, där den främsta utmaningen är att fånga läsarens intresse. Av denna anledning är rubriker och inledande meningar av största betydelse. Då ett intresse har väckts måste läsaren övertygas om skribentens kompetens inom området. Detta måste dock ske med försiktighet så att läsaren får en känsla av samhörighet med den ämneskunnige. För att lyckas med ovanstående bör man noggrant fundera över målgrupp så väl som disposition (Brändén, 2017).

Definiera en målgrupp För att framställa en populärvetenskaplig sammanfattning måste målgruppen definieras. Utifrån målgruppen kan texten behöva anpassas efter såväl språk som information (Brändén, 2017). Det är dock viktigt att ge korrekt informationen och att inte utelämna fakta som annars kan resultera i feltolkningar (Eriksson, 2017). Utöver den primära målgruppen kan det vara lämpligt att även tänka sig en sekundär målgrupp. Denna målgrupp får dock inte resultera i kompromisser för den grundläggande målgruppens intressen. Om en primär målgrupp inte

definieras finns det en ökad riks för att sammanfattningen inte blir intressant eller användbar för någon (Brändén, 2017).

Disposition En populärvetenskaplig sammanfattning bör byggas upp av tre delar, rubrik, ingress och brödtext. Rubriken ska ses som en ”supersammanfattning” av arbetet och bör således vara kort, inte längre än en rad, och intresseväckande. Ingressen syfte är att på ett par meningar bibehålla läsarens intresse samt ge en ytterligare sammanfattning av arbetet. Det är viktigt att lägga ner mycket tid på rubriken och ingressen då det är dessa delar som exponeras via webb feeden. Totalt bör rubriken och ingressen landa på 35 ord. Brödtexten utgör huvuddelen av sammanfattningen och bör bestå av cirka 3000 tecken, det vill säga max en A4. Som tidigare nämnts ska denna del belysa problemformulering, metod, resultatet, tillämpningar och konsekvenser. Till skillnad från vetenskapliga texter, bör en populärvetenskaplig text inledas med resultat och tillämpningar medan metodbeskrivningen bör hållas kort och placeras sist ( Lindgärde, 2014). Här måste man dock ta hänsyn till läsarens förkunskap, komplexa resonemang förstås lättare om det tas i rätt ordning (Brändén, 2017).

Språk Språket har stor betydelse i den populärvetenskapliga sammanfattningen för att bibehålla läsarens intresse. Facktermer bör i största möjliga mån undvikas, inte minst i början av texten då de riskerar att försega läsningen. Om dessa inte går att bytas ut mot alternativa uttryck är det viktigt att de förklaras noggrant. Ett varierat språk är ytterligare något som ofta fångar läsaren. Även längden på meningarna får gärna varieras för att göra språket mer levande, men i allmänhet är korta meningar med enkla ordval att föredra för att läsningen ska flyta på. Till skillnad från vetenskapliga rapporter där passiv form är vanligt förekommande, får den populärvetenskapliga sammanfattningen gärna skrivas i aktiv form vilket gör texten mer lättläst (Lindgärde, 2015). Att dessutom variera tätheten på texten, där ett informationstätt stycke följs av ett mer informationsglest och lättläst, undviker att läsaren tröttas av de informationstunga partierna eller blir uttråkad av de glesare (Brändén, 2017). Att använda sig av metaforer kan få läsaren att börja associera och öka dennes förståelse för textens innebörd. Det är dock viktigt att metaforer inte läggs in bara för att, detta eftersom metaforerna då kan förvirrar snarare än förklarar (Brändén, 2017). Scenarier i stil med ”om det inte hade funnits någon atmosfär…” är ett annat sätt att ge en ökad insikt i ämnet genom att sätta detta i ett större sammanhang. Att blanda in känslor är ytterligare ett sätt att engagera läsaren inom ämnet (Lindgärde, 2014).

Ytterligare Tips För att fånga läsarnas uppmärksamhet är det viktigt att de förstår innehållet i texten. Därför kan det vara lämpligt att konkretisera något abstrakt med ett vardagligt exempel som läsaren kan relatera till. Detta underlättar även för läsaren att förstå varför studien är relevant. Det är även till hjälp att få till en välformulerad avrundning, här kan man klämma in slutsatsen och återigen trycka på de praktiska tillämpningar resultaten genererar (Lindgärde, 2014). I allmänhet är det av yttersta vikt att inte lämna någonting oförklarat. Det är bättre att inte nämna information som inte utvecklas och förtydligas alls om så är fallet (Agebjörn, 2017).

Referenser Agebjörn, A. (2017). Microsoft Word - Tio skrivtips.doc - tio-skrivtips.pdf. Tillgänglig:

https://old.liu.se/uv/lararrummet/venue/medverka/medverka-i-venue-hoger/1.460795/tio-skrivtips.pdf. [Hämtad 2017-04-07].

Brändèn, H. Att skriva populärvetenskap | Henrik Brändén. [online] (2017) (Herrik Brändèn). Tillgänglig: http://henrikbranden.se/vetenskapsskribent/att-skriva-popularvetenskap/. [Hämtad 2017-04-06].

Brändén, H. Att skriva populärvetenskap | Henrik Brändén. [online] (2017). Tillgänglig: http://henrikbranden.se/vetenskapsskribent/att-skriva-popularvetenskap/. [Hämtad 2017-04-07].

Eriksson, G. (2017). populärvetenskap - Uppslagsverk - NE. Nationalencyklipedin. Tillgänglig: http://www.ne.se.ezproxy.its.uu.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/popul%C3%A4rvetenskap. [Hämtad 2017-04-06].

LIndgärde, K. (2014). Guide_foer_populaervetenskapligt_skrivande_141015.pdf. Tillgänglig: http://www.student.lth.se/fileadmin/lth/anstallda/kvalitet/examensarbete/Guide_foer_populaervetenskapligt_skrivande_141015.pdf. [Hämtad 2017-04-07].

Lindgärde, K. Att skriva populärvetenskapligt | LTH:s Medarbetarwebb. [online] (2015-11-06). Tillgänglig: http://www.lth.se/medarbetare/stoed-verktyg/kommunikation/popularvet/. [Hämtad2017-04-07].

LTU (2014). Guide och checklista för att skriva populärvetenskaplig sammanfattning av exjobbet. Lunds tekninka universitet. Tillgänglig: http://www.student.lth.se/fileadmin/lth/anstallda/kvalitet/examensarbete/Guide_foer_populaervetenskapligt_skrivande_141015.pdf. [Hämtad 2017-04-07].


Dokumenttyp Arbetsrapport

Dokumentkod W-17-60/L-07

Datum 2017-03-30

Ersätter

Författare Felix Johansson


Rapportnamn Alternativa vattenreningsmetoder

Sammanfattning Användningsområdena för destillerat samt avjonat vatten är många, främst till laborativa och kliniska applikationer. Vatten till dessa användningsområden produceras ofta från dricksvatten genom en mängd olika metoder beroende på vilka krav som ställs på vattnets renlighet. Här följer en kort beskrivning av de vanligast använda reningsmetoderna med undantag av RO samt EDI som beskrivs närmare i rapport L-02 respektive L-05.

Alternativa vattenreningsmetoder Jonbytare Vid användning av jonbytare byts laddade joner av olika slag ut mot vätejoner (H+) samt hydroxidjoner (OH-), som är de två ingående jonkomponenterna i en vattenmolekyl. Vatten bildas alltså av dessa två joner som tillsätts. Huvudkomponenten i en jonbytare är jonbytarmassan som finns i någon form av cylinder och består av en anjonmassa eller katjonmassa, men kan även bestå av en blandning av katjon- och anjonmassa. Positivt laddade joner byts ut mot vätejoner och negativt laddade joner byts ut mot hydroxidjoner. Med denna metod kan dricksvatten renas direkt i cylindern/cylindrarna men ofta används jonbytare som en kompletterande metod efter exempelvis omvänd osmos (RO-metoden), vilket ger vattnet en högre renlighet samt en längre livslängd på cylindrarna. (ab ninolab, 2017) Investeringskostnaden för denna metod är relativt låg och metoden renar vattnet från oorganiska joner upp till en resistivitet av 18,2 Mohm-cm (vid 25 °C). Däremot kan denna metod inte användas för att ta bort bakterier, pyrogener eller organiska ämnen. (ab ninolab, 2017)

Destillation Destillation är en metod som går ut på att en vattenlösning värms upp till kokpunkten varpå vattnet förångas och separeras från andra ämnen i lösningen. Vattenångan kyls sedan ner i en kondensator och vattnet återgår därmed till vätskefas från gasform. (ab ninolab, 2017) Liksom jonbytare är destillation som mest effektiv då vattnet redan renats till viss grad genom annan metod exempelvis en RO-enhet. Rent vatten produceras mycket långsamt genom destillation och måste därför samlas upp i någon typ av behållare. Därmed ställs det stora krav på behållarnas renlighet eftersom steriliteten hos vattnet inte blir bättre än

steriliteten som behållaren håller. Kontaminationer tas bort effektivt med undantag av de som har en kokpunkt nära vattnets, därför kan vissa ämnen passera upp i destillatet. Dessutom är destillation inte en särskilt ekonomisk eller miljövänlig process då det krävs mycket elektricitet samt kylvatten. (ab ninolab, 2017)

Aktivt kol Aktivt kol används för att reducera halten organiska partiklar i vatten, vilket sker genom att kolet binder upp organiska ämnen genom jon- polära- och van der waals bindningar. Metoden kan inte användas till att få bort all typer av organiska ämnen och vissa små samt lösliga partiklar kan bli kvar i vattnet. (ab ninolab, 2017)

Mikrofilter

Mikrofilter används för reduktion av partiklar samt mikroorganismer. Filtret har vanligtvis en maskstorlek mellan 0,05 µm till 0,22 µm och används så nära tappstället som möjligt. Metoden innebär i princip inget underhåll, däremot behövs filtrena bytas ut med jämna mellanrum för att förhindra att partiklar och mikroorganismer läcker ut. Nackdelarna med metoden är att lösta organiska och oorganiska molekyler inte tas bort och inte heller pyrogener som utgör en stor hälsofara. (ab ninolab, 2017)

Ultrafilter Ett ultrafilter är ett membranfilter med 1nm till 10nm stora porer. Ultrafiltret renar effektivt vatten med avseende på mikroorganismer och större molekyler såsom endotoxiner. Precis som mikrofilter blockeras filtret vid hög belastning och används därför som ett sista reningssteg nära tappstället, och filtret måste kontinuerligt bytas ut eller saneras för att reningen ska ske effektivt. Metoden kan inte användas för reduktion av oorganiska eller organiska ämnen men producerar högkvalitativt vatten med avseende på bakterier, partiklar samt pyrogener. (ab ninolab, 2017)

UV-lampor UV-lampor används för att reducera halten bakterier samt organiska ämnen i vatten. Lampor med våglängd 254nm designas specifikt för att ha effekt på bakteriers DNA samt RNA vilket hämmar bakteriernas reproduktionsförmåga. Lamporna placeras vanligtvis i någon typ av hållare och en tunn vattenhinna får passera på utsidan. (ab ninolab, 2017) För att reducera halten organiskt material i vattnet används lampor med lägre våglängder ca 185nm för att oxidera de organiska ämnena. Jonbytare används senare i denna metod efter att det skapats en laddning över molekylerna då de brutits ned till mindre delar från långa molekyler. Jonbytare kan då plocka bort de laddade organiska ämnena i vattnet i utbyte mot hydroxid- samt vätejoner. För att effektivisera metoden kan en jonbytare användas innan UV-lampan för att på så vis plocka bort de redan laddade organiska ämnena så att endast de oladdade ämnena passerar lampan. (ab ninolab, 2017) Metoden är mycket effektiv mot bakterier men kan bara användas för att reducera halten organiska ämnen till viss del. (ab ninolab, 2017)

Referenser ab ninolab. Vattenreningstekniker - AB Ninolab. [online] (2017-04-06). Tillgänglig:





Datum 6/4-2017

Ersätter -

Författare Marcus Sigfridson


Rapportnamn Omvänd osmos

Sammanfattning En allt vanligare metod för att rena vatten från bland annat kemiska föroreningar är omvänd osmos. Detta är en metod som innebär att man låter trycksatt vatten flöda genom ett semipermeabla membranen. Vattenkontaminationerna filtreras således ut och ett renare vatten erhålls.

Omvänd osmos Grundläggande teori Osmos innebär en diffusion av vatten över ett semipermeabelt membran som blockerar lösta ämnen. Flödet styrs av det osmotiska trycket som arbetar efter att utjämna en koncentrationsgradient. Vattnet flödar såldes över membranet mot den sida där vattnets initiala koncentration av lösta ämnen är högst (Glater, 1998). Omvänd osmos (RO) innebär att vattnet diffunderar från den högre koncentrationen till den lägre koncentration, till exempel från matarvattnet (med en hög koncentration av partiklar) till rent vatten. Det vill säga istället för att utjämna det osmotiska trycket och således koncentrationsgradienten, så separeras lösningsmedlet (vatten) från de lösta ämnena. Detta sker dock inte naturligt, utan ett yttre tryck motsvarande det osmotiska tycket måste appliceras. Detta tyck appliceras på den sida av membranet där koncentrationen av lösta ämnen är som störst, vilket tvingar lösningsmedlet (vattnet) att diffundera över membranet (Glater, 1998).

Principiell beskrivning RO är en metod som bland annat används för att avlägsna kemiska föroreningar från det vatten som systemet matas med (matarvatten). Utöver detta avlägsnas 90 procent av jonerna samt de flesta organiska föroreningarna (Kornboonraksa, 2016). Metoden är dock inte selektiv för lösta gaser. Ett generellt RO-membran har en reningskapacitet som innebär att 15 till 30 procent av matarvattnet blir rent (Xu & Chellam, 2005). Detta utbyte går att effektivisera genom att använda förfilter som filtrerar ut sand- och lerpartiklar samt kolfilter för att grovt avlägsna bland annat klorid. Utöver detta kan processen effektiviseras genom att variera vattentemperaturen samt ingångstrycket och membranets kondition. RO-membranet är i regel uppbyggt av tre stycken lager. Ett lager utgörs av polyvinyl alkohol, vilket medför att membranet blir mer hydrofilt vilket i sin tur påskyndar transporten av vattnet

genom membranet (Saraf et al., 2014). Membranet innehåller dessutom polyamid vilket utgör det selektiva lager som blockerar passagen för oönskade ämnen att passera tillsammans med vattnet (Kurth, 2012). Likt alla metoder för rening av vatten finns både för och nackdelar. Fördelarna med denna metod är att utrustningen endast behöver en minimal skötsel samtidigt som en effektiv rening av matarvattnets kemiska föroreningar uppnås. Bristerna i metoden är att flödet över membranet är begränsat, vilket innebär att flera RO anläggningar alternativt större membran blir aktuellt vid ett storskaligt bruk. Utöver detta behövs en förfiltrering av matarvattnet för att undvika skador på membranet (AB Ninolab, 2017).

Referenser AB Ninolab. Vattenreningstekniker - AB Ninolab. [online] (Vattenreningstekniker). Tillgänglig:


Glater, J. (1998). The early history of reverse osmosis membrane development. [online],. Tillgänglig: http://ac.els-cdn.com/S0011916498001222/1-s2.0-S0011916498001222-main.pdf?_tid=fabdab94-29ae-11e7-a562-00000aab0f26&acdnat=1493121896_eee19879d582ebb385c599ab06641a46. [Hämtad 2017-04-25].

Kornboonraksa, T. (2016). Using tertiary-treated municipal wastewater as makeup water by reverse osmosis membrane. Desalination and Water Treatment, 57(16), pp 7422–7431.

Kurth, C. J., Reverse osmosis membranes. 2012-05-15. Saraf, A., Johnson, K. & Lind, M. L. (2014). Poly(vinyl) alcohol coating of the support layer of

reverse osmosis membranes to enhance performance in forward osmosis. Desalination, 333(1), pp 1–9.

Xu, W. & Chellam, S. (2005). Initial Stages of Bacterial Fouling during Dead-End Microfiltration. Environmental Science & Technology, 39(17), pp 6470–6476.



Dokumentkod W-17- 60/A-03

Datum 30/3-2017

Ersätter

Författare Ylva Geber


Rapportnamn Inledande möte med Stuns Energi

Sammanfattning Mötet inleddes med en genomgång av Stuns Energi samt med en gemensam tolkning av projektet. Emma gav information om presentationen om projektet den 30maj vilken kommer att genomföras på UKK tillsammans med övriga projekt i samarbete med Stuns Energi. Inför detta kommer Stuns att anordna en övning i presentationsteknik/pitch. Emma kommer att delta i studiebesöket på GE onsdagen den 5 april. En projektgrupp frå GE är inbjuden att delta. Emma besvarade de frågor hon kunde svara på och gav tips om tankesätt och kommande arbetssätt. Beslut togs angående kommande kontakt och mötestid.

Översikt

Tid: 30/3 2017, kl. 13.00 - 14.00 Plats: Stuns Energis kontor

Döbelnsgatan 10B, Uppsala

Närvarande: Emma Ytterström, Stuns Energi Ylva Geber Niclas Grünewald Felix Johansson Gabriella Rullander Marcus Sigfridson Jonas Westin

Bakgrund Stuns Energi är en stiftelse, det vill säga en ickevinstdrivande organisation. Detta projekt är det enda projektet som Stuns har tillsammans med GE Healthcare. Sammanlagt har Stuns Energi 19 pågående projekt med studenter. Detta projekt uppkom genom samtal med Erik Vall på GE under en lunch, då denna uttryckte att problematiken i systemet fanns. Vad vet vi om projektet?

GE ska bygga ut sitt system för destillerat vatten

Byte kommer att ske från kokning/kondensering RO + polering med EDI

Kallt vatten hettas upp med hetspolning för att motverka mikrobiell tillväxt

Vår uppgift: Hur man kan ha kallt vatten i systemet utan tillväxt?

Datum Redovisning med Stuns den 30 maj under eftermiddagen på UKK. Det kommer att vara en stor publik med samtliga projektdeltagare och företagsrepresentanter. Övning i presentation/pitchteknik kommer att anordnas av Stuns. Datum ej spikat. Studiebesök på GE onsdagen den 5 april: Emma kommer att delta i studiebesöket. Följande projektgrupp på GEkommer att bjudas in att delta: Per Panterfors Mikael Sjöstedt Erik Vall (SOM-ansvarig) Helena Linder (mikrobiolog)

Tips från Emma Kundens efterfråga ska vara i fokus Tolkning:

- RO/EDI är ännu inte installerat. Inte gjutet i sten att detta måste vara systemet som används. GE har i nuläget ingen bättre lösning.

- Det är hetspolningen som sker veckovis som kostar och som syftet är att eliminera/miska GE:s syfte:

- Har inte tiden, kunskapen - Vill ha nya kunskaper och tankar

Kommande kontakt

- Sammanställ frågor till GE som Emma kommer att mejla ut (idag 30/3) - Skicka reviderad projektplan till Emma torsdagen den 6/4 efter studiebesöket på GE. - Nästa möte med Stuns: onsdagen den 12/4 kl 09.00 på deras kontor.




Datum 04/4-2017

Ersätter

Författare Jonas Westin och Gabriella Rullander


Rapportnamn Ozonsterilisering

OZONSTERILISERING

Sammanfattning

Rapporten nedan ger en djupdykning i ozon, dess uppkomst, användning och egenskaper.

Rapporten ska ge en bild av för- och nackdelarna av att använda sig av ozon som en

reningsmetod i industrier idag.

Bakgrund

Ozon är mycket potent gas att eliminera mikrober(Murphy, 1999). Under senare tid har

ozondesinfektion blivit ett hett ämne att debattera då det framkommit att det i dagens läge

kan vara det mest effektiva och miljövänliga sättet att använda för sterilisering av diverse

produkter och ytor. Då ozon är väldigt giftigt och även dödligt för människor i låga

koncentrationer är därför hanteringen av ozon en viktig fråga. 1997 fick ozon

klassificeringen GRAS som betyder Generally recognized as safe.

Med dagens teknik kan man hantera ozon på ett smart och säkert sätt vilket gör det till en

mycket stark kandidat i frågan om att desinfektera produkter och ytor helt från mikrober.

Framförallt inom läkemedel och livsmedelsindustrin har ozon-desinfektion blivit populärt då

det ej lämnar någon restprodukt eftersom ozon sönderfaller till syre med en halveringstid

på ca 20-60 min. Halveringstiden för ozon påverkas av temperatur, tryck och koncentration.

Vid höga temperaturer är ozon explosivt(Streng, 1961). Den korta halveringstiden behöver

inte betyda problem eftersom att kontakten mellan ozon och mikrober ej behöver vara i

mer än 10-15 minuter för att ozonet ska helt eliminera alla mikrober. Tiden det tar för ozon

att halvera beror även på den ursprungliga koncentrationen. En högre initialkoncentration

medför ett snabbare sönderfall(Electrochem, 1992). Då ozon sönderfaller väldigt snabbt kan

det ej transporteras utan behöver tillverkas på plats.

Ozon i naturen

Ozon i stratosfären skapas och bryts ner av ultraviolett strålning. Luften i stratosfären

utsätts konstant av UV strålning från solen. När en syremolekyl, , träffas av UV strålningO2

separeras molekylen till två enskilda ostabila syreatomer. När en atomen är ostabil vill den

gärna binda till en ny molekyl, i detta fall binder syreatomen till en syremolekyl och ozon,

, bildas. Som nämndes tidigare så kan ozon även brytas ner igen av UVljus. Vid O 3

nedbrytningen

V O 3 + U → O + O 2

får syreatomen och syremolekylen högre kinetisk energi vilket utsöndras som värme. Detta

bidrar till att höja atmosfärens temperatur. Ozon genereras främst av UV strålning som är

mindre än 240 nm medans den syreatom som dissocierat vid nedbrytningen är stabil för

våglängder upp till 320 nm. Efter nedbrytning kan syreatomen återigen binda till en

syremolekyl och skapa ozon eller reagera med en ozonmolekyl och generera två

syremolekyler

eller O + O 2 → O 3 O + O 3 → O 2 + O 2

Dessa processer där ozon bildas eller bryt ner i naturen refereras ofta till som Chapman

reaktionerna.

(NASA, 2016)

Fördelar med ozon

Det finns olika tillvägagångssätt att sanera med avseende på mikrobielltillväxt. Att hetspola

system har visat god inverkan för sterilisering men det kan vara dyrt att underhålla då det

krävs mycket energi att ständigt att hetta upp och kyla ner vatten. Diverse kemiska tillsatser

kan vara effektivt för att få bort biofilmer men dessa måste också rensas bort med stora

mängder vatten och det finns alltid en viss risk när kemikalier ska förvaras eller

avfallshanteras.

Vid produktionen av destilleratvatten är vattenkvalitetskraven också högre än vid

produktion av till exempel dricksvatten vilket medför att tillsatser av kemiska substrat måste

utföras med hög noggrannhet och man måste vara säker på att kemikalierna inte finns kvar i

slutskedet av systemet. Ozon har fördelen att det kan nå långt in i alla delar av ett system

samtidigt som det är lätt att bli av med igen. Man behöver heller inte vara rädd för

biprodukter eftersom ozonet naturligt bryts ner till syre. Om systemet kräver en nolltolerans

av ozon vid ett tillfälle i systemet kan man säkerställa detta genom att applicera ultraviolett

strålning av 254 nm våglängder för att bryta ner ozonet till syre. Det krävs därför ingen

avfallshantering av ozon som med andra kemikalier. Eftersom ozon skapas direkt via syre

krävs heller ingen förvaring av ozonet innan det förs in i systemet.

Ozonet oxiderar allt organiskt material och därmed också bakterier och sporer. Ozonet kan

snabbt eliminera mikrobiellaktivitet under relativt låga doser. Enligt (Cohen, 2013) kan 0.1

mg/L ozone eliminera upp till 60 000 cfu E.coli bakterier under en minut, medans det skulle

ta cirka 400 timmar att nå samma resultat vid användning av klorin vid samma halt. Klorin

behöver även diffundera in i bakteriecellen för att ha en inverkan, till skillnad från ozon,

vilket gör att processen av rening med klorin tar längre tid.

Oxidering

Då ozon har starka oxiderande egenskaper är därför valet av material man använder för att

bevara ozonet mycket viktigt. Om man använder ett material som inte är

korrosionsbeständigt kommer det att brytas ned av ozonet. Det finns material som är helt

opåverkade av ozon(Ozonesolutions, 2015). Då ozon är en väldigt ostabil molekyl till skillnad

från syrgas sönderfallet ozonet väldigt snabbt. Eftersom ozon har en överbliven syreatom

som sitter väldigt löst till molekylen har den ensamma syreatomen väldigt lätt att bryta sig

fri från molekylen och reagera med det ämnet den kommer i kontakt med. Då syre har en

väldigt hög elektronegativitet reagerar det väldigt kraftfullt(Herman, 2001) . Organiskt

material som utsätts för oxidation förintas eller omvandlas helt beroende på hur stark

oxiderare som verkar. Under tiden ozonet oxiderar ett material reduceras ozonet och kvar

blir endast syrgas från de ursprungliga ozonet. Ozon förbrukas alltså när det reagerar med

andra molekyler. En stark oxiderare består oftast av halogener eller någon typ av

syreförening. Man mäter styrkan hos en oxiderare i dess oxidationspotential vilket mäts i

volt.

Oxidationspotential, även kallad redoxpotential mäter hur hög tendens en molekyl har att

dra åt sig elektroner och reduceras. Oxidationspotential mäts i volt. En högre

oxidationspotential innebär att molekylen har högre förmåga att reduceras och därmed

utföra ett elektronbyte med en annan kemisk komponent. Ozon har en väldigt hög

oxidationspotential på 2.07V, endast lägre än samt F(Ozonesolutions, 2015).H O −

Eliminera mikrober

På grund av dess höga potential kombinerat med den löst bundna syreatomen är ozon

mycket effektivt att eliminera mikrober genom oxidering(Leusink, 2015). Ozon kan eliminera

svampar, bakterier men även virus som kan bära på mänskliga sjukdomar snabbare än

klorinering (Krushna Yadav D K, 2014). Ozon attackerar mikrobernas cellväggar och är därför

inget bakterier kan utveckla resistans gentemot. Mängden ozon som krävs för att eliminera

mikrober är olika för olika typer av mikrober. Ozonhalten som krävs för att eliminera

mikrober är dock väldig liten, närmare tusendelar (ppm).

Löslighet i vatten

Ozon är väldigt lösligt, upp till 13x mer lösligt i vatten än syre. Ozonet löslighet i vatten

beror på temperatur i vattnet, koncentration ozon and vattentryck. Kallare vatten och högre

vattentryck är att föredra för att maximera ozonets löslighet i vatten(oxidation technologies,

2017)

.

Ozongenerator

Ozon är ett oxidationsmedel som inte skapar någon biprodukt under dess förfall eller under

dess reaktioner. Detta har resulterat i att ozon har använts i stor utsträckning för

sterilisering, sanering och rengöring. Industriellt sätt produceras huvudsakligen ozon genom

elektriska urladdningar eller användningen av ultraviolett ljus. Det är i allmänhet billigt att

använda en UV-ozongenerator men dessa är också mindre effektiva då de kräver lång

exponeringstid av ultraviolett strålning samt producerar mindre ozon i jämförelse med

andra generatorer. De större industrierna som kräver höga koncentrationer av ozon

och/eller större gasflöden föredrar därför ozongeneratorer som använder sig av elektriska

urladdningar. (Eliasson et al., 1987)

Koronaurladdning

Teknikerna hur en CD (Corona Discharge) fungerar varierar mycket beroende på mängden

ozon som ska skapas och var produkten ska appliceras men grundtekniken är i princip

densamma och bygger på hur ozon skapas i naturen genom blixtrar. Ozonet skapas genom

att låta syrerik gas, antingen rent syre eller luft passerar genom ett elektriskt fält där

elektriciteten orsakar en separation av syremolekyler. Genom att låta laddningen i

generatorn spridas över ett dielektrikum som är ett icke-ledande material, kan ett elektriskt

fält genereras. Ialla koronaurladdnings generatorer omvandlas en stor del av energin till

värme, därför har alla produkter någon form av värmeborttagning.(Cohen, 2013)

En annan viktig faktor är att den gas som ska omvandlas till ozon är torr då fuktig luft kan

leda till att salpetersyra bildas i de inre delarna av systemet. Vilken form av gas som ska

tillsättas beror därmed på vilken slags generator som ska producera ozonet. Men för de

flesta koronageneratorer leder högre koncentration och mängd syra tillförsel till en högre

produktion av ozon. Syrgaskällan kan därför ha stor betydelse. En ren syrgaskälla innehåller

cirka 93 % och är helt torr. Fördelen att använda en syregenerator är att det ger O 2

maximal ozonbildning samt minimierar risken för salpetersyra bildning. (OzonAcademy,

2017)

Företag inom ozonbranschen

Ozongeneratorer säljs i varierande storlekar och för olika bruk. Ozonetech är ett företag

som producerar ozongeneratorer i Sverige. Deras produkter är baserade på

koronaurladdnings proceduren. I dags läget kan man investera i ozongeneratorer som kan

rensa odörer i luften eller rena ventilationssystem för hemmabruk, dessa har en lägre

kapacitet mellan 5-10g/h. De erbjuds även ozondestruktorer och syrgaskoncentratorer som

fokuserar på att bryta ner ozon till syrgas respektive optimerar syrgashalter. Primozone är

ett annat svenskt företag som erbjuder liknande produkter inom branschen. De riktar in sig

på storskaliga industrier som är i behov av sanering via ozon. Exempelvis inom matindustrin

eller i dricksvattensystem. Deras produkter kan generera så mycket som 2720 g ozon per

timme med en koncentration på 20 procent. (Primozone, 2017)

Kroppens påverkan av ozon

Ozon är en väldigt stark oxiderare och därför vill man ej utstättas för höga koncentrationer

av ozon. Höga koncentrationer av ozon kan vara direkt dödligt. Lägre koncentrationer av

ozon följer oftast till irritation i hals och svalg, illamående, hosta men även

andningsproblem. Ozon är ej en luktfri gas vilket innebär att man kan känna lukten av den

innan man utstätts för farliga koncentrationer. Lukten påminner om den karakteristiska

lukten efter ett ordentligt åskväder, detta för att höga koncentrationer av ozon kan bildas

när det blixtrar. Höga koncentrationer av ozon kan även påverka växter genom sämre skörd

men även fysiska skador på grund av dess reaktiva förmåga. För att kunna kvantifiera hur

mycket ozon man utsatts för brukar man därför använda sig av ett medelvärde under en viss

tid, till exempel 5ppm under en timme.

Eftersom ozon är något som finns naturligt i luften vi andas är endast högre koncentrationer

något som människor påverkas av, ozonkoncentrationen i luften varierar mellan 15-125 ppb

(parts per billion) i luften under året(Allen, 2002). Långtidsexponering av ozon kan ge

kronisk påverkan på lungor och immunförsvar. Den kritiska gränsen för hur hög

koncentration en människa tål finns det få studier om. 12ppm under 3 timmar är tillräckligt

för att döda mindre däggdjur och det har estimerats att en dos på mer än 50 ppm under 60

minuter kan vara dödligt för människor.

Integrera ozon i vatten

Det finns olika sätt att blanda in ozon i vatten, en injektor fungera på så vis att vatten blir

trycks in i en konisk form med en vilket leder till att en tryckgradient uppstår mellan in-och

uttaget. Detta gör att ozon sugs in i systemet.

Två koniska cylindrar är sammankopplade med ett smalt rör i mitten. Då vatten strömmar

genom injektorn kommer flödet bli snabbare i det mindre röret, villket leder till att trycket i

den delen minskar. När vatten pressas in i ena änden av konen kommer det att uppstå en

tryckgradient mellan den smalare delen och uttaget. Om man vid den smalare delen av

injektorn öppnar ett hål till atmosfärstryck kommer ytterligare en tryckgradient skapas

mellan öppningen och det smala röret. Detta leder till undertryck i injektorn och luft, som

färdas från högt till lågt tryck, kommer automatiskt sugas in i apparaten(OzoneSolutions,

2014).

figur 1. Visar hur en injektor skapar en tryckgradient, vilket leder till att gas kan flöda in i

vattensystemet(Wassertec, 2017).

En annan metod som används för att integrera ozon i vatten är med “bubble diffusers”. Man

använder en porös sten vilket man flödar gas genom som skapar små bubblor av ozon som

direkt diffunderar ut i vattnet.

Referenser

Allen, J. The Ozone We Breathe : Feature Articles. [online] (2002-04-19). Available from:

https://earthobservatory.nasa.gov/Features/OzoneWeBreathe/. [Accessed 2017-04-06].

Cohen, N. (2013). Understanding Dissolved Ozone and its Use in Pharmaceutical Water

Systems. Pharmaceutical Engineering. May [online],. Available from:

http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceut

ical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf. [Accessed 2017-04-04].

Eliasson, B., Hirth, M. & Kogelschatz, U. (1987). Ozone synthesis from oxygen in dielectric

barrier discharges. Journal of Physics D: Applied Physics, 20(11), p 1421.

Herman, C. New Page 1. [online] (2001) (Improving air quality with electric vehicles). Available from: http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/AirQuality/Oxidizer.htm. [Accessed 2017-04-06] J. Electrochem. Soc., Vol. 139, No. 11, November 1992

Krushna Yadav D K (2014). Ozone Sterilization. Food, . Available from:

https://www.slideshare.net/krushnayadavdk/sanjeev-38091343. [Accessed 2017-04-06].

Leusink, J. Ozone oxidation potential. [online] (2015-08-18) (Oxidation Technologies News).

Available from: http://www.oxidationtech.com/blog/ozone-oxidation-potential/. [Accessed

2017-04-06].

Murphy, O., Method of sterilization using ozone. 2002-05-14.

NASA. Ozone Production and Destruction — GES DISC - Goddard Earth Sciences Data and

Information Services Center. [online] (2016-04-06) (Goddard Earth Sciences Data and).

Available from:

https://disc.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/ozone_cycle.shtml.

[Accessed 2017-04-03].

OzonAcademy (2017). Om Ozon. Ozonetech. Available from:

http://www.ozonetech.com/ozone-kitchen-extract/sv/faq/om-ozon/. [Accessed

2017-04-04].

Ozonesolutions. Ozone Compatible Materials | OzoneSolutions.com. [online] (2015-12-15).

Available from: http://www.ozonesolutions.com/info/ozone-compatible-materials.

[Accessed 2017-04-06].

oxidation technologies. Ozone equipment manufacturer and ozone system integrators

Ozone Solubility in liquid Ozone Integration Experts. [online] (2017). Available from:

http://www.oxidationtech.com/ozone/solubility.html. [Accessed 2017-04-06].

Primozone. Reliable ozone generators - water treatment | Primozone. [online] (2017).

Available from: http://www.primozone.com/. [Accessed 2017-04-03].

Streng, A. G. (1961). Tables of ozone properties. Journal of Chemical and Engineering Data, 6(3), pp 431–436.




Datum 6/4-2017

Ersätter -



Rapportnamn Elektrisk jonbytare

Sammanfattning Elektrisk jonbytare (EDI) är en teknik som används för att avlägsna oönskade joner från matarvattnet, det vill säga polera matarvattnets kvalitet. Tekniken kombinerar jonbytarmassa med jonselektiva membran och med hjälp av elektricitet avlägsnas jonerna (Avfall Sverige, 2012).

Elektriska jonbytare

Komponenter Huvudkomponenterna i EDI tekniken består av jonbytare och jonselektiva membran. Jonbytare är en teknik som används för att byta ut oönskade joner i en vattenström mot vätejoner alternativt hydroxidjoner. Jonutbytet sker genom att låta matarvatten passera genom olika filterkolonner innehållandes jonbytarmassa. I första steget passerar vattnet genom en filterkolonn där de positiva jonerna separeras från vattnet (byts ut mot vätejoner) och på motsvarande sätt åtskiljs de negativa jonerna vid passage genom en andra filterkolonn (och byts ut mot hydroxidjoner). De väte- och hyrdoxidjoner som tillkommit vid dessa steg reagerar sedan och bildar vatten (Mercatus Engineering AB, 2017). Det är bara jonerna som kan passera genom membranet medan vattnet stängs ute. Innan jonerna lyckas nå fram till elektroden blockeras dem av ett lager med samma laddning (Lenntech, 2017).

EDI-Processen Under processen låter man matarvattnet flöda genom en eller ett flertal kanaler fyllda med jonbytarmassa som är allokerad mellan katjon- och anjonmembran. Tillflödet av matarvattnet sker till varannan kanal, fyllda med jonbytarmassan, se Figur 1. De oönskade jonerna i matarvattnet binds svagt in till jonbytarmassan. De övriga kanalerna som inte innehåller jonbytarmaterial har till uppgift att transportera bort de salter som succesivt avskiljs. Över membranpaketet läggs via elektroderna en likspänning som resultera i att positiva- respektive negativa joner dras sig åt olika håll och transporteras genom de jonselektiva membranen till omgivande avloppskanaler (Avfall Sverige, 2012). I början fastnar de starkt laddade jonerna i jonbytarmassan. Det elektriska fältet som bildas bidrar till att vattenmolekyler splittras i hydroxid- och vätejoner. Dessa producerade joner är väsentlig för att låta jonbytarmassan bibehålla sitt regenererade tillstånd. Dessutom kan hydroxidjonerna och vätejonerna reagera med svagare joner så som koldioxid, kiseldioxid och ammoniak, vilka transporteras ut direkt genom membranet (Lenntech, 2017). För att förhindra att för höga halter av bland annat salter och diverse partiklar påverkar EDI:n negativt används med fördel omvänd osmos, se Rapport W-17-60/L-05, som ett försteg till EDI-processen (AB Ninolab, 2017).


Likt samtliga metoder för avjonisering så finns det såväl för- som nackdelar med EDI metoden. Fördelarna med metoden är att den är bra relativt andra metoder ur miljösynpunkt samt att inga kemiska tillsatser behövs för regenerering av jonbytarmassan. Bristerna i metod är dels att den inte kan säkerställa ultrarent vatten, då den endast avlägsnar ett begränsat antal av de laddade organiska ämnena. Utöver detta krävs att matarvatten är av god kvalitet, viket kan uppnås genom att installera ett första reningssteg bestående av RO-enheter (AB Ninolab, 2017). EDI processen kan inte användas för vatten med en för hög hårdhet. Detta har att göra med att hårt vatten innehåller höga halter kalciumkarbonat vilket kan orsaka avlagringar som hindrar den jonselektiva processen (Lenntech, 2017). På Ge Healthcares anläggningar förkommer dock mjukgörande processer av vattnet som kan sänka vattnets hårdhet (Brolin, 2017).

Referenser AB Ninolab. Vattenreningstekniker - AB Ninolab. [online] (Vattenreningstekniker). Tillgänglig:


Avfall Sverige (2012). MARVATTEN FÖR AVFALLSELDADE KRAFT-OCH VÄRMEVERK [online]. Malmö. (F2012:07).

Brolin, M. (2017). GE Healthcare, Intervju. Lenntech. Electrodeionization (EDI) - Lenntech. [online] (2017) (Lenntech). Tillgänglig:

http://www.lenntech.com/library/edi/edi.htm. [Hämtad 2017-04-07]. Mercatus Engineering AB. Jonbytare. [online] (Processvätskerening). Tillgänglig:

http://www.mercatus.se/produkter---kompetensomraden/processvatskerening/jonbytare/. [Hämtad 2017-04-02].


Dokumenttyp

Arbetsrapport Dokumentkod

W-17-60/L-06

Datum

3/4-2017 Ersätter

Författare

Niclas Grünewald

Handledare

Mattias Winterdahl Rapportnamn RO som produktionsmetod för WFI

RO som produktionsmetod för WFI Vatten för injektion, internationellt beskrivet som Water for injection (WFI) används till en mängd olika farmaceutiska produkter och ändamål. Destillation har länge varit den dominerande produktionsmetoden för WFI. Inom EU var destillation det enda tillåtna sättet att producera WFI fram till 2015 då, efter långa debatter, Reverse Osmosis (RO) tilläts under särskilda villkor. De särskilda villkoren uppkom 2011 då European Pharmacopoeia Commission (Ph. Eur.) begärde att European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (EDQM) skulle utreda ifall RO mötte de dåvarande kraven som specificerats för WFI. EDQM samlade då in data från olika källor som använde sig av RO. Resultatet visade att de icke-destillerande källorna mötte alla krav som specificerats. Det uppmärksammades dock att alla dessa källor använde någon sort av ytterligare produktionsmodul utöver RO i form av Ultrafiltrering (UF), ultraviolett strålnings-behandling eller ozon. Resultaten visade också vikten av design, översikt av produktion och sanering spelade stor roll i kontinuerlig produktion av WFI. Efter de lovande resultaten arrangerade EDQM en studiegrupp bestående av diverse experter, behöriga europeiska myndigheter, farmaceutiska företag och andra relevanta intressenter för att avgöra ifall Ph. Eur. skulle överse möjligheten att tillåta icke-destillations metoder i produktionen av WFI. Studiegruppen visade att membran-teknologiska lösningar gav väldigt hög kvalitativt WFI. Däremot visade sig de membranbaserade metoderna komma med nya svårigheter. Den tidigare destillationsmetoden producerade så pass varmt vatten att själva systemet sanerade sig självt. Många av de nya teknikerna producerar däremot kallt vatten och är därför i behov av diverse saneringslösningar. Studiegruppen uppmärksammade kontinuerlig övervakning och sanering som kritiska punkter i kalla membranbaserade vattensystem (Pharmaeuropa, 2015).

Referenser Pharmaeuropa. Reverse osmosis in Ph. Eur. monograph Water for injections (0169). (2015-

03) (http://pharmeuropa.edqm.eu/home/menupage/English/Useful%20Information/reverseosmosis_e.pdf).

Självständigt arbete i miljö- och vattenteknik 15 hp Dokumenttyp Arbets Rapport


Datum 31/3-2017

Ersätter



Rapportnamn Internprotokoll

Internprotokoll Sammanfattning Dokumentet visar projektgruppens internprotokoll från den 28/3-31/3. Här har gruppens aktiviteter skrivits ner och sammanställts för varje dag i veckan. 2017-03-28 Start 09.15

● Handledare via Universitet kontaktad mejl ● Handledare på GE (Emma Ytterström, projektledare på Stuns Energi) kontaktad via mejl

● Gantt-schema påbörjat ● Drive-dokument delade: ● Planering ● Protokoll ● Bakgrund ● Tidsplan ● Bocklista

Kafferast: 10:00 ● Arbetsform påbörjas ● Frågor till handledarmöte ● Frågor till GE ● Projektplan påbörjas ● Diskussion av mål ● Brainstorming och indelning av researchområden

Spikat möte med handledare onsdag 29/3 kl. 13.15. Från 15:00-16:30

● Egen research 2017-03-29 08:15 Biblioteksföreläsning: referenser, sökmotorer 10:00 -spikat datum med STUNS handledare Emma den 30/3 13:00-14:00 - Studiebesök spikat den 5/4 med GE på eftermiddag men ej tid

13:15 möte med handledare 14:00 uppdelning av uppdrag Uppdragsområden: Marcus- gant schema

Gabriella- research om projektplan Ylva och Felix- formulering av frågor till handledarmöten Niclas- Mötesstruktur rapport research Jonas- arbetsstrukturrapport reserach Ylva- vidare litteraturstudie research

16:00 Mejl om våra frågor till Emma på STUNS har skickats in 16:15 Niclas bokar grupprum 16:30 Onsdagsmöte

● Textsnitt bestämt: Calibri ● Mötesstruktur och arbetsformrapporter är klara. Gantschema är under kontroll och

projektplanen är på godväg. ● Imorgon: Träffas vi kl 9 som vanligt (akademisk kvart gäller alltid) och förväntar oss att bli

klara med projektplanen samt påbörja en PP. Vi ska omdiskutera research områdena och dela in på nytt. KL 13 ska vi träffa Emma på STUNS. Eventuellt mejla diverse forskare.

2017-03-30 09:00

● Gantt-schema klart ● Projektplan färdig ● Research om metoder

13:00 ● Möte med Emma Ytterström

15:00 ● Att göra lista: ● Formulera frågor till GE ● Mejlat frågorna till Emma ● Sammanställa mötesprotokoll med stuns ● Kolla upp nationella riktlinjer för mikrober/endoxiner i destillerat vatten ● Se över kontakter inom relevanta områden ● Fortsätta research om metoder att döda mikrober ● Lista andra områden med sterila miljöer ● Ladda ner zotero för referenshantering ● Börja sammanställa litteraturstudier i separat docs. ● Inför litteraturstudie:

- Sätt att döda mikroorganismer och endoxiner - sterila miljöer -implementerbarhet -sparsamhet

2017-03-31 09:00 referenshanterings föreläsning 10:00 projektplan, mötesstruktur och arbetsforms rappporter lades in på studentportalen 11:30 Uppdelning av PP-slides inför Projektredovisningen den 3/4 11:40 Marcus skriver ut Gantt-schema 13:15 Litteraturstudier 13:20 Mejl har kommit från Emma där Per på GE har svarat på frågor 14:10 Fredagsmöte :

- Mejl från GE diskuteras - Reflektion av veckan: känslan känns bra, med tanke på hur lite vi har haft att gå på så har vi

alltid lyckats ha något vi har kunnat fokusera på. Vi ligger bra till med planeringen och med vårt gantt-schema. Projektplanen är klar, vi har träffat STUNS och pratat med GE vilket var vårt mål. Bra sammarbete i gruppen. Ärendeloggar och rapportlogg är uppdaterade - Nästa vecka: Måndag redovisning av projektplan. Litteraturstudien ska vara klar på fredag nästa vecka. Projektplanen och målet ska spikas efter studiebesöket med GE. På tisdag går vi igenom frågorna till GE igen så att vi är ordentligt förberedda. Fokus nästa vecka kommer att ligga på litteraturstudien. Ett mejl med vår slutliga projektplan ska skickas till Emma på torsdag efter mötet med GE. - Grupprum bokas : måndag 3/ 4 : Fagerviken 10:00-12:00 Tisdag 4/ 4 : Biblioteket 09:00-17:00 Torsdag 6/ 4: Biblioteket grupprum 1 09:00-13:00 Fredag 7/ 4: Gudinge 09:00-13:00 Måndag 10/ 4 : Fagerviken 09:00-13:00 Tisdagen 11/4 : Fågelsundet 09:00-13:00 Onsdag 12/ 4: Blekinge 09:00-13:00



Dokumentkod

W-17-60/L-08

Datum 07/04-2017

Ersätter


Handledare Mattias Winterdadhl

Rapportnamn Internprotokoll V 2

Internprotokoll V 2 2017-04-03

Veckan fokuserar på litteraturstudien och idag fortsätter detta arbete

2017-04-04

Litteraturstudien fortsätter och frågor förbereds och gås igenom inför mötet med GE imorgon

2017-04- 05

09:45 möte innan föreläsning, genomgång av frågor

12:00-15:00 Möte med GE Healthcare inleds.

16:00 Möte inleds:

- Alla är nöjda med mötet med GE, mycket relevant fakta. Alla känner att vi är inne på rätt väg med

litteraturstudien.

- Ytterligare genomgång av allas enskilda rapporter och fortsatt arbete med littstudien.

2017-04- 06

09:00 Samling och genomgång av zotero för två gruppmedlemmar

15:00 Litteratur sammanställningen inleds

09:00-17:00 Fortsatt enskilt arbete med litteraturstudien och referenshantering

2017-04- 07

09:00 Litteraturstudien har ställts samman och sammanfattningen av arbetsrapporten inleds

10:00 övriga gruppmedlemmar fortsätter att söka fakta till alternativa saneringsmetoder.

14:30 Första utkastet av litteraturstudien är klar

14:50 Möte inleds

● Att göra under nästa vecka:

- Skicka in litteraturstudie senast måndagen den 10/4 kl 17.00. Alla ska läsa igenom studien innan

dess.

- Planera presentation till GE den 19 april. Bra om alla är väl insatta i ozon till dess, Se om vi kan hitta fler

alternativa metoder.

- Förbered mittredovisning och färdigställ.

- Boka grupprum till efter påsk.

15:30 Reflektionsdokument för veckan skrivs och läggs in på studentprotalen




Datum 6/4-2017

Ersätter -



Rapportnamn Endotoxin

Sammanfattning Endotoxin är gift som frigörs då gramnegativa bakterier och cyanobakterier spricker alternativt delar sig. Dessa toxin kan ha förödande effekter på människors hälsa om det injiceras i kroppen, vilket ställer höga krav på rening av vatten till farmaceutiskt vatten. I denna rapport ges en beskrivning av gramnegativa bakterier och endotoxinets uppbyggnad samt en inblick i den problematik som uppstår vid vattenrening av endotoxin.

Endotoxin Gramnegativa bakterier Gramnegativa bakterier beskrivs som bakterier bestående av tunn cellvägg med ett inre och ett yttre membran. Det yttre, skyddande membranet är uppbyggt av proteiner och lipopolysakarider (Nationalencyklopedin, 2017). Lipoploysakarider (LPS) är fettinnehållande polysackarider och är huvudbeståndsdel i det yttre cellmembranet. Molekylen är uppbyggd av tre delar, bland annat lipid A, det vill säga fettkomponenten som är toxiskt, vars uppgift är att förankrar LPS molekylen i cellmembranet. LPS-molekyler finns i många olika former men den toxiska lipid-delen är mycket lika mellan de olika endotoxinen (Ryan, 2008). Laddningen på LPS-molekylerna är i de flesta vattenmiljöer negativ. Enbart vid pH 2 eller lägre kan molekylytorna erhålla en positiv laddning (de Mas et

al., 2015). LPS-molekylen har en approximativ molekylvikt motsvarande 10-20 kDa (Saxena,

2009) (Da är en beteckning för massenheten dalton, 1𝐷𝑎 = 1,661 ∗ 10−27𝑘𝑔).

Beskrivning av endotoxiner Endotoxiner är giftiga ämnen som utgörs av LPS. Dessa ämnen är inget som bakterierna aktivt utsöndrar utan frigörs då bakteriecellen spricker alternativt delar sig (Nationalencyklopedin, 2017). Endotoxin som frigörs är relativt stabila och klarar av temperaturer på 121 grader i upp till en timma (Forssblad & Annadotter, 2009), vilket försvårar rening av till exempel vatten. I vattenlösningar tenderar endotoxin-molekyler att bilda miceller och kan såldes avlägsnas med genom filtrering. Endotoxin har även andra egenskaper, till exempel kan de binda in och bilda komplex med olika proteiner (Saxena, 2009). LPS-molekylens toxiska del kan bland annat orsaka feber och hjärtklappning om det injiceras under huden. Och vid höga halter även få dödlig verkan på människokroppen. Av denna

anledning får endotoxin inte förekomma i vätskor avsedda för injektion. (Nationalencyklopedin, 2017). För att fastställa hur mycket endotoxin som finns i en vätska utförs ett limulus-test, som sedan analyseras på laboratorier (Ryan, 2008). Utifrån detta test har forskare i viss mån kunnat påvisa korrelationer mellan halten endotoxin och antalet bakterier, dock har bakteriernas cellvolym i vissa fall gett en bättre korrelation till halten endotixin (Forssblad & Annadotter, 2009).

Problematiken Problematiken med endotoxin ur vattenreningssynpunkt är att även om alla bakterier tillintetgörs genom desinfektion med till exempel klor, så finns restprodukterna i form av endotoxin kvar. Dessa måste avlägsnas för att vattnet ska kunna användas vid framställan av farmaceutiska vatten för injektion. Dagens typer av vattenreningstekniker avlägsnar endotoxin i varierande grad. Vid vanlig destillering riskerar man att endotoxin följer med vattenångan och vid användning av omvänd osmos finns risker för imperfektioner i membranen. Av denna anledning är det viktigt att kombinera flera olika metoder för att rena vattnet. Till exempel rekommenderas att omvänd osmos, se Rapport W-17-60/L-02, bör kombineras med elektriska jonbytare, se Rapport W-17-60/L-05 (HVR water purification, 1997).

Referenser de Mas, N., Kientzler, D. C. & Kleindienst, D. (2015). Endotoxin Removal from a Small-

Molecule Aqueous Drug Substance Using Ultrafiltration: A Case Study. Organic Process

Research & Development, 19(9), 1293–1298 ff. [Hämtad 2017-04-02]. Forssblad, J. & Annadotter, H. (2009). Endotoxin i svenskt vatten [online]. Stockholm. (2008–20). HVR water purification (1997). OM VATTEN [online]. Stockholm. [Hämtad 2017-04-02]. Nationalencyklopedin. endotoxiner - Uppslagsverk - NE. [online] (2017) (Endotoxin). Tillgänglig: 2017.

http://www.ne.se.ezproxy.its.uu.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/endotoxiner. [Hämtad 2017-04-02].

Nationalencyklopedin. gramnegativa bakterier - Uppslagsverk - NE. [online]. Tillgänglig: 2017. http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/gramnegativa-bakterier. [Hämtad 2017-04-03].

Ryan, J. (2008). Endotoxine and Cell Culture [online]. Chelmsford St. Lowell: MA 01851. Saxena, V. S. P. P. L. Removing endotoxin from biopharmaceutical solutions. [online] (2009-10-01)

(PharmaTech). Tillgänglig: 2009. http://www.pharmtech.com/removing-endotoxin-biopharmaceutical-solutions. [Hämtad 2017-04-04].




Datum 3/4-2017

Ersätter

Författare Marcus Sigfridson och Ylva Geber


Rapportnamn Ultrafiltrering

Sammanfattning Vid ultrafiltrering trycksätts vätskan vilket ger ett flöde genom ett poröst membran. Genom att membranet är selektivt utifrån storlek på olika komponenter i vätskan kan exempelvis endotoxiner avlägsnas vid rätt val av porstorlek på membranet. Även övrig uppbyggnad av membranet har betydelse för effektiviteten av reningen. Ultrafiltrering förekommer i dagsläget på GE Healthcare för sanitet och livsmedelsproduktion, samt tillsammans med omvänd osmos. I nuläget finns inga planer på att använda membranet för rening av de senare kalla delarna av distributionssystemet.

Ultrafiltrering

Ultrafiltrering är i likhet med övriga filtreringsmetoder en metod som innebär att man låter en vätska med lösta ämnen flöda genom ett poröst membran. Membranets huvudroll är att fungera som en selektiv barriär, det vill säga membranet tillåter vissa ämnen att passera medan andra komponenter kvarhålls (Cheryan, 1998). Vad som utmärker ultrafiltreringen är att flödet över membranet erhålls genom att trycksätta den obehandlade vätskan, sådant att vätskan börjar strömma (Nationalencyklopedin, 2017). Vid passagen genom de vanligaste filtertyperna reduceras vätskans innehåll på makromolekylerna och partiklar större än 0,001 - 0,02 µm (Cheryan, 1998).

Ultrafiltrering är en process som sker i såväl njurarna som på industriell nivå. Ett vanligt användningsområde för teknologin är vid avlägsnandet av såväl bakteriesporer (Jallouli et al., 2014) som endotoxiner i farmaceutiska vattensystem. I rapport W-17-60/L-09 kan läsas att endotoxin har en storleksordning på 10 - 20 kDa (Da är en beteckning för massenheten dalton, 1Da=1,661*10-27kg). För att avlägsna endotoxiner med hjälp av ultrafiltrering används därför ett membran som filtrerar ut molekyler med en molekylvikt större än 10 kDa. Nackdelen med denna metod av endotoxinfiltrering är bland annat är filtrationshastigheten relativt långsam, vilket gör processen tidskrävande (Saxena, 2009). Även om membranets porstorlek vanligen bestäms av vikten på det som ska filtreras bort, kan dock dess geometri ha en avgörande betydelse. Samtidigt som sfäriska molekyler fastnar i membranet kan linjära molekyler med samma molekylmassa ta sig igenom porerna. Laddningen på molekylerna är ytterligare än faktor som påverkar om de fastnar i membranet eller inte (Pall Corporation, 2017b).

Membranens uppbyggnad Det finns två typer av membran till ultrafiltrering; Spiral wound ultrafiltration och Hollow fiber ultrafiltration (Collentro, 2016). Spiral wound ultrafiltration har membran som är hopklistrade två och två till tunna skivor med en ett genomträngligt lager i mellan dem. Dessa skivor är i sin tur rullade runt ett rör i genomträngbart material. En fördel med denna spiralvridna ultrafiltrering är att denna är att membranen är relativt enkla att byta ut (Dow, 2017b). För hollow fiber ultrafiltration är själva membranet uppbyggt av tätt sittande ihåliga fibrer. Dessa kan vara gjorda av olika material vilket ha betydelse för dess permeabilitet. En hög permeabilitet på membranet medför i sin tur effektiviserar den i övrigt långsamma filtreringsprocessen (Dow, 2017a). Genom att den totala kontaktytan hos membranen är 10 gånger så stor hos de ihåliga fibrerna jämfört med de spiralvridna membranen är dessa effektivare ur reningssynpunkt (Toyobo, 2017). Membranen med de ihåliga fibrerna kan enkelt rengöras på partiklar och mikroorganismer som fastnat på sidan med det ickefiltrerade vattnet genom olika metoder. Ett sätt är genom så kallat snabbt flöde, vilket innebär att vattnet avskärmas till att flöda enbart på ena sidan av membranet. Detta medför ett snabbare flöde som när det når membranet utan att kunna passera vänder tillbaka i den omvända riktningen, i vad som kallas bakåtflöde, varpå ansamlade partiklar på membranet lossnar och följer. Detta vatten töms från systemet som spillvattnet (Collentro, 2016). Det finns två olika typer av ultrafiltrering; direktflödesfiltrering, DFF och tangentiell flödesfiltrering, TFF. Genom att i den tangentiella flödesfiltreringen placera membranet tangentiellt med flödesriktningen blir filtreringsprocessen snabbare samtidigt som att igensättning av membranets porer motverkas (Pall Corporation, 2017a). Genom experimentella mätningar i distributionssystem för vatten, resulterar ultrafiltrering i bakteriella nivåer på mindre än 2 cfu/ml. Ultrafiltreringen kan sålunda vid rätt design och val av membran få ned bakteriella nivåer till långt under USP systems gränsvärden på 100cfu/ml, angivna i Rapport W-17-60/L-12. En porstorlek på 0,005 μm hos membranet har visats släppa igenom vissa sorters bakterier medan porstorleken 0.001 μm resulterade i att inga bakteriehalter uppmättes efter vattnets passage genom filtret (Collentro, 2016).

Ultrafiltrering på GE Healthcare GE Healthcare producerar i nuläget membran för ultrafiltrering, för användning till så väl sanitet som för produktion av mat och dryck. Ultrafiltreringen på GE Healthcare använder sig av tangentiell flödesfiltrering där membranet ligger tangentiellt med flödesriktningen och har förmågan att främst rena bort mikroorganismer (se figur 1) (GE Healthcare, 2017a).

Figur 1. Olika typer av membranfiltrering på GE Healthcare. Beroende på membran renas olika storlekar

av ämnen ut. Membranet ligger i flödesriktningen varpå det renade vattnet passerar ut genom membranet

och in i et genomträngligt material medan de ämnen som ska renas ut stannar kvar i matarvattnet. (GE

Healthcare, 2017a).

Beroende på vattnets turbulens och storleken på vattenledningssystemet har GE Healthcare tagit fram en serie olika modeller av membran till ultrafiltrering. Membran inom företaget finns både i typerna spiral wound (GE Healthcare, 2017a) och hollow fiber. Typen ZeeWeed 700B, har ihåliga fiber i membranet och används i nuläget som förbehandling till omvänd osmos (GE Healthcare, 2017b). I företagets kommande destillationssystem med omvänd osmos och EDI kommer ultrafiltreringen att utgöra ett sista steg i reningen innan det att uppvärmningen och nedkylningen sker. Inga planer finns i nuläget på att nyttja ultrafiltreringen som en reningsmetod för att få bort mikroorganismer och endotoxiner i senare kalla delar av distributionssystemet (Sjöstedt, 2017).

Referenser

Cheryan, M. (1998). Ultrafiltration and Microfiltration Handbook [online]. Second Edition. CRC Press. Tillgänglig: https://books.google.se/books?hl=sv&lr=&id=LpiuJVxJS_AC&oi=fnd&pg=PR11&dq=ultrafiltration+&ots=l4Du2BX9bc&sig=RwiIkMCgu_Wv_GO55nzuzudCCe4&redir_esc=y#v=onepage&q=ultrafiltration&f=false. [Hämtad 2017-04-03].

Collentro, W. V. (2016). Pharmaceutical Water: System Design, Operation, and Validation, Andra upplagan. CRC Press. ISBN 978-1-4200-7783-4.

Dow. About Ultrafiltration | Dow Water & Process Solutions. [online] (2017a). Tillgänglig: http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/products/ultrafiltration/about-ultrafiltration. [Hämtad 2017-04-04].

Dow. Dow Water and Process Solutions Answer Center. [online] (2017b). Tillgänglig: https://dowwater.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/2378. [Hämtad 2017-04-06].

GE Healthcare. Membrane Filtration for Food & Beverage | GE Water. [online] (2017a) (GE Healthcare). Tillgänglig: https://www.gewater.com/products/membrane-filtration-food-beverage. [Hämtad 2017-04-06].

GE Healthcare. ZeeWeed Hollow-Fiber Membranes | GE Water. [online] (2017b). Tillgänglig: https://www.gewater.com/products/zeeweed-hollow-fiber-membranes. [Hämtad 2017-04-06].

Jallouli, W., Sellami, S., Sellami, M. & Tounsi, S. (2014). Impact of liquid formulation based on ultrafiltration-recovered bioactive components on toxicity of Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki strain BLB1 against Ephestia kuehniella. Process Biochemistry, 49(11), 2010–2015ff.

Sjöstedt, M. (2017). GE Healthcare, Intervju. Nationalencyklopedin (2017). ultrafiltrering - Uppslagsverk - NE. Ultrafiltrering Nationalencyklopedin.

Tillgänglig: http://www.ne.se.ezproxy.its.uu.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/ultrafiltrering. [Hämtad 2017-04-03].

Pall Coporation. Tangential Flow Filtration. [online] (2017) (Pall Corporation). Tillgänglig: https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html. [Hämtad 2017-04-04].

Pall Coporation (2017). Ultrafiltration Fundamentals - id-35486.pdf [online]. Pall Coporation. Tangential Flow Filtration. [online] (2017) (Pall Corporation). Tillgänglig:

https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html. [Hämtad 2017-04-04]. Saxena, V. S. P. P. L. Removing endotoxin from biopharmaceutical solutions. [online] (2009-10-01)

(PharmaTech). Tillgänglig: http://www.pharmtech.com/removing-endotoxin-biopharmaceutical-solutions. [Hämtad 2017-04-04]

Toyobo. TOYOBO Water Treatment Membranes: HOLLOSEP FEATURES. [online] (2017). Tillgänglig from: http://www.toyobo-global.com/seihin/ro/tokucho.htm. [Hämtad 2017-04-06]



Dokumentkod W-17- 60/L-11

Datum 3/4 -2017

Ersätter -



Rapportnamn Endotoxin-neutraliserande protein

Sammanfattning

Endotoxin-neutraliserande protein, ENP, kommer ursprungligen från hästskokrabban och har förmågan att neutralisera endotoxiner fullständigt vid tillräckligt hög tillsats. ENP kan fånga in ett stort antal olika endotoxiner och transformera dessa till en inaktiv form som inte längre verkar hämmande på immunförsvaret. En metod för detta är att behandla en så kallad Au/Cyn/CMDex elektrod med proteinet.

Endotoxin-neutraliserande protein

Ursprung

Hästskokrabban, även kallad Dolksvans, har förmågan att bilda det så kallade Endotoxin- neutraliserande proteinet, ENP. Detta protein har förmågan att binda till aktiva grupper på endotoxiner, så väl som andra lipopolysackarider, LPS och på så sätt omvandla dessa från en aktiv till en inaktiv form (Andrä et al., 2004). ENP verkar på LPS från ett stort antal gram-negativa bakteriearter både inom levande organismer och i artificiella miljöer (Priano et al., 2007). Genom biologiska analyser har förmågan hos LPS att inverka negativt på immunförsvaret, kunnat reduceras starkt vid tillsats av ENP. Denna reducering är beroende av den tillsatta koncentrationen av proteinet (Andrä et al., 2004). Dödligheten för hästskokrabban vid medicinsk användning är mellan 8 - 15 %. Krabborna släpps vid användningen tillbaka till sin ursprungliga miljö inom 48 timmar och en märkning genomförs så att samma krabba inte fångas in innan denna hunnit återställas helt fysiskt (Lee, 2014). Det endotoxin-neutraliserande proteinet är mycket stabilt och kan vid låga temperaturer förvaras i vätskefas under flera månader. Vid temperaturer mellan 2-8 °C är förvaringstiden 1 månad, något som ökar avsevärt om temperaturen sänks till -20 °C. ENP har vidare obegränsad livslängd som pulveriserad form vid temperaturer ned mot -20 °C (Priano et al., 2007).

Applicering En återkommande metod för att utnyttja den endotoxin neutraliserande verkan hos ENP är i form av den så kallade Au/Cys/CMDex/ENP elektroden. Metoden går ut på att CMDex komplexbinds till en guldelektrod modifierad med ämnet cysteamin för att sedan bindas kovalent till ENP (Priano et al., 2007). Syftet med modifikationen med det positivt laddade lagret med cysteamin är att öka elektrodens förmåga att attrahera laddningar i lösningen (Shervedani et al., 2007). Behandlingen av elektroden med CMDex hindrar andra positivt laddade aminogrupper, med egenskaper som liknar de hos liposackariderna, att interagera med ENP och därigenom hindra bindningen till LPS (Priano et al., 2007). De joner som bildas vid elektroden neutraliseras av joner med motsatt laddning och stannar kvar vid elektroden. På så sätt följer ämnen från elektroden inte med ut i lösningen (Battaglini, 2017). För att neutralisera endotoxinerna fullständigt med hjälp av ENP krävs ett förhållande ENP/lipopolysackarid på över 10:1 (Bannerman et al., 1998). Metoden kräver med andra ord att en insikt finns om den ursprungliga mängden endotoxiner i vattnet. Dödligheten för hästskokrabban vid medicinsk användning är mellan 8-15 %. Krabborna släpps vid användningen tillbaka till sin ursprungliga miljö inom 48 timmar och en märkning genomförs så att samma krabba inte fångas in innan denna hunnit återställas helt fysiskt (Lee, 2014).

Artificiell framställning Under de senaste decennierna har forskning bedrivits över hur det endotoxin-neutraliserande proteinet skulle kunna produceras artificiellt genom kloning av bakterier. Det så kallade rENP proteinet finns i nuläget att köpa för att använda just för rening av endotoxiner. Under kloningen har tre molekyler lyckats fås ur ett klonat protein från hästskokrabban. Experiment har gjorts till viss del över hur denna artificiella framställning ska ske för att erhålla ett så effektivt protein som möjligt (Paus et al., 2002).

Referenser

Bannerman, D. D., Fitzpatrick, M. J., Anderson, D. Y., Bhattacharjee, A. K., Novitsky, T. J., Hasday, J. D., Cross, A. S. & Goldblum, S. E. (1998). Endotoxin-Neutralizing Protein Protects against Endotoxin-Induced Endothelial Barrier Dysfunction. Infection and Immunity, 66(4), 1400–1407ff.

Battaglini, F. (2017). Intervju om ”Au/Cys/CMDex electrode”. Lee, R. (2014). Blood of horseshoe crab contains protein invaluable for medical research. Tech Times

[online],. Tillgänglig: http://www.techtimes.com/articles/14634/20140902/blood-of-horseshoe-crab-contain-protein-invaluable-for-medical-research.htm. [Hämtad 2017-04-03].

Paus, E. J., Willey, J., Ridge, R. J., Legg, C. R., Finkelman, M. A., Novitsky, T. J. & Ketchum, P. A. (2002). Production of recombinant endotoxin neutralizing protein in Pichia pastoris and methods for its purification. Protein Expression and Purification, 26(2), 202–210ff.

Priano, G., Pallarola, D. & Battaglini, F. (2007). Endotoxin detection in a competitive electrochemical assay: Synthesis of a suitable endotoxin conjugate. Analytical Biochemistry, 362(1), 108–116 ff.

Shervedani, R. K., Farahbakhsh, A. & Bagherzadeh, M. (2007). Functionalization of gold cysteamine self-assembled monolayer with ethylenediaminetetraacetic acid as a novel nanosensor. Analytica Chimica Acta, 587(2), 254–262ff.




Datum 4/4-2017

Ersätter



Rapportnamn Mikrobiologisk tillväxt

Sammanfattning Mikrobiologisk tillväxt gynnas av höga temperaturer och rik tillgång på organiskt material. En följdeffekt är att biofilm bildas vilket i sin tur kan orsaka korrosion och igensättning av installationer hos distributionssystem. Biofilm ger dessutom mikroorganismer ett skyddande skikt mot desinfektion. Medan kokning avdödar samtliga mikroorganismer under tillväxtfasen gör vissa bakteriearters förmåga att bilda sporer att ett stadium som är resistent mot desinfektion uppstår. Mikroorganismer förekommer i en mängd olika arter vilka alla har olika karakteristiska egenskaper och motståndskraft mot exempelvis desinfektionsmedel.

Mikrobiologisk tillväxt Mikrobiologisk tillväxt gynnas av höga, dock ej extrema temperaturer och av riklig tillgång av organiskt material (Lindberg & Lindqvist, 2005). En vanlig metod för att avdöda mikroorganismer och på så sätt förhindra den mikrobiologiska tillväxten är genom desinfektion. De vanligaste typerna av desinfektion är antingen värmedesinfektion eller användning av kemiska desinfektionsmedel. För mikroorganismer under deras tillväxtfas är värmedesinfektionen särskilt effektiv då den genom kokning kan döda alla bakterier. Vissa bakterier har dock förmågan att bilda sporer vilka kan överleva kokning (Grubb, 2017). En följdeffekt av mikrobiologisk tillväxt i distributionsanläggningar är att biofilm kan bildas, vilket i sin tur kan orsaka skador så som korrosion och igensättning installationer. Ytterligare en effekt är att sjukdomsframkallande mikroorganismer kan få ett skyddande skikt mot desinfektion tack vare biofilmen (Lindberg & Lindqvist, 2005).

Bakterier Det finns ett stort antal olika bakteriearter vilka alla skiljer sig i egenskaper vad det gäller överlevnad och infektionsdos. Olika typer av bakterier är därmed även olika känsliga mot desinfektion. Exempelvis kan bakterien Vibrio cholerae, vilken kan orsaka kolera, desinfekteras genom kokning och klorering. Däremot kan bakterien Bacillus cereus överleva såväl klorering som filtrering och kan därmed tillväxa i distributionssystem. Arten Yersinia enterocolitica kan inaktiveras både genom klorering och ozonering. Behandlingen med 0,05 mg liter-1 ozon dödar dock bakteriearten tio gånger så snabbt som kloreringen med 0,5 mg

liter-1. I allmänhet är bakterierna större än virus men mindre än protozoer i storleken. Storleken påverkar möjligheterna att avskilja bakterierna från vattenmiljöerna (Lindberg & Lindqvist, 2005). För att ett vatten ska klassas som purified water, PW, krävs enligt United States Pharmacopeia Systems en bakteriell halt på under 100 cfu/ml (cfu= colony forming units) (Pharmatesystems, 2017).

Virus Virus förekommer liksom bakterierna inom ett stort antal olika arter. Många av dessa arter har en särskilt låg infektionsdos och är små i storleken vilket gör avskiljningen ur vattenmiljöerna mer komplex. Vissa typer av virus är resistenta mot desinfektion medan finns arter så som Hepatit A virus vilka kan inaktiveras genom klorering och UV-strålning (Lindberg & Lindqvist, 2005).

Protozoer Protozoerna har liksom virus en låg infektionsdos men kan däremot inte tillväxa. Vissa arter utsöndrar cystor genom sin avföring vilka är infektiösa. Dessa cystor är dessutom resistenta mot desinfektionsmedel och överlever i vattenlösning i upp till tre månader. Protozoernas känslighet för temperaturer varierar med arten men en avdödning sker vanligtvis vid temperaturer över 60 °C grader samt vid frysning till temperaturer på under -5 °C. Dessutom gör deras relativt stora storlek att de är avsevärt lättare att avskilja ur vattenmiljöerna jämfört med bakterier och virus (Lindberg & Lindqvist, 2005).

Mögelsvampar Tillväxt av mögelsvampar sker till följd av så väl organiskt material som andra förekommande material i distributionssystemen. Vissa arter har förmågan att producera toxiska ämnen (Lindberg & Lindqvist, 2005).

Referenser Grubb, R. (2017). desinfektion - Uppslagsverk - NE. Nationalencyklopedien. Tillgänglig:

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/desinfektion#v%C3%A4rmedesinfektion. [Hämtad 2017-04-04].

Lindberg, T. & Lindqvist, R. (2005). Riskprofil Dricksvatten och mikrobiologiska risker - rapport 28, 2005 - 2005-28-livsmedelsverket_riskprofil---dricksvatten-och-mikrobiologiska-risker.pdf [online]. (28–2005).

Pharmatesystems. USP Standards for Purifed Water. [online] (2017). Tillgänglig: http://www.pharmatesystems.com/usp-standards-for-purifed-water/. [Hämtad 2017-04-06].


Dokumenttyp


W-17-60/L-13

Datum

4/4-2017 Ersätter

Författare

Niclas Grünewald

Handledare

Mattias Winterdahl Rapportnamn Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar

Sammanfattning

Det är oftast väldigt få mikroorganismer som hittas i WFI vattensystem på grund av tillverkningsmetoden (oftast destillation eller Reversed Osmosis). Risken för mikrobiell tillväxt minskar ytterligare ifall systemet har en väl genomtänkt design där rörstrukturen, material och icke stagnerande vatten har ytterst stor vikt. Det ger alltså stora fördelar om man undviker exempelvis dead-legs som är en kritisk punkt för stagnation av vattenflödet. Insidan på rören varierar mycket beroende på när och hur de producerades. De gamla metoderna ledde ofta till rör med större friktion än de nya metoderna. Friktionen gynnar mikrobiell tillväxt då mikroberna har nånstans att fästa och etablera biofilm. Därför är det alltid att föredra så släta rör som möjligt.

Karaktärisering av mikrobiota i farmaceutiska anläggningar Den farmaceutiska branschen lägger stort vikt vid vatten av olika kvalitéer. Det finns olika ranger på vattnet beroende mikrobiella och endotoxina krav beroende på användningsområdet. Många farmaceutiska industrier producerar sitt eget ultrarena vatten och andra köper det från diverse distributörer. De hårda kraven på mikrober och endotoxiner sätter stor press på både tillverkningsmetoder såsom distribution och förvaring av den färdiga produkten. För att kunna överse mikrobiella tillväxten och saneringsprocesser har det gjorts många studier på vilka sorts bakterier som hittas i det farmaceutiska vattensystemet. Redan på tidigt tvåtusental gjordes studier på exakt vilka bakterier och i vilka mängder som kunde identifieras i olika ultrarena vattensystem. En studie visade följande bakterier i ett farmaceutiskt vattensystem (listat från högst halt till lägst):

Ralstonia pickettii

Pseudomonas fluorescens

Bradyrhizobium spp.

Pseudomonas saccharophila

Sphingomonas spp.

Flavobacterium spp.

Burkholderia spp.

Stenotrophomonas spp.

Studien visade också på att storleken av de olika bakterierna varierade mycket beroende på tillgången till näring i vattnet(Kulakov et al., 2002). I en senare studie togs 46 800 prover på Water for Injection (WFI) vattensystem under en 15 års period. Studien visade följande bakterier i de farmaceutiska vattensystemen (listat från högst till minst halt):

Pseudomonas

Burkholderia

Ralstonia

Flavimonas

Moraxella

Chryseobacterium

Stenotrophomonas

Brevundimonas

Sphingomonas Studien visar liknande resultat, hos de bakterierna med högst halt, med den från 2002 med en liten skillnad i ordning. Datan från den 15 år långa provperioden visade ytterst sällan några större halter än de som specifierats av European Pharmacopoeia Commission (Ph. Eur.). Resultaten var menade att agera som en kartläggning över vilka sorters bakterier som kan väntas i farmaceutiska vattensystem. Geografisk placering av fabriken samt ett flertal andra faktorer spelar självklart roll i närvaron av olika bakterier(Sandle, 2015).

Referenser

Kulakov, L. A., McAlister, M. B., Ogden, K. L., Larkin, M. J. & O’Hanlon, J. F. (2002). Analysis of Bacteria Contaminating Ultrapure Water in Industrial Systems. Applied and Environmental Microbiology, 68(4), 1548–1555 ff.

Sandle, T. (2015). Characterizing the Microbiota of a Pharmaceutical Water System-A Metadata Study. SOJ Microbiology & Infectious Diseases, 3(2), 01–08 ff.




Datum 6/4-2017

Ersätter -



Rapportnamn Kromatografi

Sammanfattning Kromatografi är en kemisk separationsteknik som används för att separera de ingående ämnena i ett prov. Tekniken används bland annat för att separera och sedermera avlägsna endotoxiner. I denna rapport beskrivs kromatografiprincipen översiktligt och tre kromatografitekniker, affinitetsbasrad-, storleksuteslutande- och anjonbytes kromatografi, belyses ur endotoxinseparerande aspekter.

Kromatografi Kromatografi är en kemisk separationsteknik där man utnyttjar att de ingående ämnena separeras och fördelar sig på olika sätt mellan en mobil- och en stationär fas. Den stationära fasen är vanligtvis packad i en kolonn. Det finns två huvudtyper av kromatografi, gaskromatografi och vätskekromatografi. Vätskekromatografi kan användas för såväl gaser som icke flyktiga ämnen, medan gaskromatografi endast är anpassad för att separera ämnen med en viss flyktighet (Jönsson, 2017).

Kromatografi för borttagning av endotoxin Det finns ett antal olika kromatografimetoder kapabla att avlägsna endotoxiner ur vätskor, några av dem presenteras nedan. Valet av viken metod som är lämpligast beror bland annat på vilken renhetsgrad man vill uppnå, hur tidskonsumerande metoden får vara samt kostnaden (Ongkudon et al., 2012).

Affinitetsbasrad kromatografi Affinitetsbasrad kromatografi är en metod som dels använder sig av syntetiska ligander, impregnerade i den stationära fasen, samt de specifika bindningar som uppstår mellan liganden och den önskvärda molekylen. Detta innebär att när en komplex vätskeblandning passerar över ytan med ligander kommer de molekyler som har en specifik bindningsaffinitet till liganderna att binda in. Den ligand som framförallt används för inbindning av endotoxin är poly-ε-lysine som då impregneras i den stationära fasen bestående av cellulosapärlor (Shih et al., 2006). Här spelar storleken på cellulosapärlorna och således porstorleken en viktig roll. Om kolonnen består av många små porer gynnas den kvarhållande förmågan av endotoxin. De inbundna ämnena, i det här fallet endotoxinerna, kan sedan avlägsnas från ytan genom till exempel en temperaturhöjning.

Metodens goda förmåga att rena vätskor från endotoxin minskar behovet av ytterligare reningsmetoder och blir såldes kostnadseffektivt. Dock avråds denna metod på grund av att processen tar lång tid (Ongkudon et al., 2012).

Storleksuteslutande kromatografi Storleksuteslutande kromatografi även kallat gel filtrering (SEC) är den enklaste kromatografimetoden och separerar molekyler utefter storleksskillnader. Kolonnen består av sammansatt polyakrylamid, vilken överlag har en mycket porös karaktär (Ongkudon et al., 2012). Eftersom metoden inte bygger på inbindning av olika molekyler så ger SEC metoden stora friheter att välja de förhållanden som är optimala för ett specifikt prov, till exempel kan pH och jonstyrka väljas i ett brett intervall. Metoden kan användas för såväl högupplöst fraktionering som gruppseparation. Högupplöst fraktionering innebär att man helt delar upp ett prov till dess ingående komponenter, medan gruppseparation syftar på att man delar in ett prov till två större grupper (GE Healthcare, 2017). Nackdelen med denna metod är att den har begränsad kapacitet och selektivitet (Ongkudon et al., 2012). För att effektivt kunna separera endotoxin från ett prov krävs en betydenade storleksdifferens mellan endotoxinet och produkten man vill erhålla, något som inte alltid är fallet. Detta gör denna metod olämplig ur endotoxinseparations aspekter. (Lee et al., 2003).

Anjonbytes kromatografi Anjonbytes kromatografi (AEC) är en metod som separerar molekyler utifrån deras ytliga nettoladdning (Bio Rad, 2017). Metoden är den för närvarande mest använda kromatografimetoden för att avlägsna endotoxin från olika prover. Fördelarna med metoden är att man erhåller en snabb separation, ett brett urval av olika kolonnmedier samtidigt som den inte kräver några lösningsmedel. Dock finns det brister, till exempel vid separation av endotoxin och protein. I vätskor som innehåller negativt laddade protein samt endotoxin kan konkurrens om bindningsplatser till den stationära fasen uppstå, något som minskar separationseffektiviteten. Även vätskor innehållandes positivt laddade protein och endotoxin minskar metodens förmåga att effektivt avlägsna endotoxinet. Anledningen till detta är att proteinet själv kan binda till endotxinet, vilket innebär att proteinet konkurrerar med den stationära fasen vars huvuduppgift är att binda in endotoxin (Ongkudon et al., 2012).

Referenser Bio Rad. Anion Exchange Chromatography | Applications & Technologies | Bio-Rad. [online] (2017)

(Bio Rad). Tillgänglig: http://www.bio-rad.com/en-se/applications-technologies/anion-exchange-chromatography. [Hämtad 2017-04-05].

GE Healthcare. Size Exclusion Chromatography (SEC). [online] (2017). Tillgänglig: http://www.gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/CategoryDisplay?categoryId=3305885&catalogId=10102&top=Y&storeId=11253&langId=-1. [Hämtad 2017-04-04].

Jönsson, J. Å. (2017). kromatografi - Uppslagsverk - NE. Nationalencyklopedin. Tillgänglig: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/kromatografi. [Hämtad 2017-04-04].

Lee, S.-H., Kim, J.-S. & Kim, C.-W. (2003). Optimization of buffer conditions for the removal of endotoxins using Q-sepharose. Process Biochemistry, 38(7), 1091–1098 ff. [Hämtad 2017-04-04]

Ongkudon, C. M., Chew, J. H., Liu, B. & Danquah, M. K. (2012). Chromatographic Removal of Endotoxins: A Bioprocess Engineer’s Perspective. International Scholarly Research Notices, 2012, p e649746. [Hämtad 2017-04-04]

Shih, I.-L., Shen, M.-H. & Van, Y.-T. (2006). Microbial synthesis of poly(ε-lysine) and its various applications. Bioresource Technology, 97(9), 1148–1159 ff. [Hämtad 2017-04-04]




Datum 5/4-2017

Ersätter



Rapportnamn Sammanställning av besök på GE Healthcare

Sammanfattning Under besöket på GE Healthcare, den 5 april 2017 mötte projektgruppen tillsammans med handledaren från Stuns en grupp anställda på GE Healthcare, som presenterade det aktuella projektet närmare. I denna rapport följer en sammanställning av GE:s presentation, svar på frågor samt visning av olika delar av anläggningen.

Besök på GE Healthcare Besök GE Healthcare, kl 12-15 den 5/4 2017. Närvarande: Projektgrupp: Marcus Sigfrisom Gabriella Rullander Niclas Grünewald Jonas Westin Felix Johansson Ylva Geber Från Stuns: Emma Ytterström Från GE: Per Pantefors, manager for utilities Helena Linder, mikrobiolog Bert Karlsson, drifttekniker Mikael Sjöstedt, project manager in technical installations Magnus Brolin, kemitekniker (?) Erik Wall, miljöansvarig (?)

Life Science Healthcare Medicindelen av GE Healthcare, Life Science Healthcare står för största delen av GE:s kassainflöde. Mediciner eller olika tillhörande produkter producerade på avdelningen används över hela världen. Just nu sker en expansion av siten (Pantefors, 2017).

Nuvarande produktion av destillerat vatten Vid produktionen av destillerat vatten på GE Healthcare sker en nedkylning av det nuvarande varma vattnet. Det 20°C kalla destillerade vattnet som används till kylningen töms ut i Uppsala Vattens ledningssystem efter kylningsprocessen. Vattnet som töms ut i ledningarna kan i vissa fall komma upp i temperaturer på 70°C till följd av nedkylningen av det varma vattnet i systemet. Krav finns från Uppsala Vatten på att vattnet i distributionsledningarna inte får överstiga temperaturer på 45°C, då detta kan leda till ledningsslitage. Ytterligare en anledning att få bort uppvärmningssteget och vidare kylningen av vattnet i systemet är därmed för att klara av kraven från Uppsala Vatten (Wall, 2017). På GE finns just nu totalt 5 tankar. Av dessa är två från 60-talet medan en är ganska ny. Ytterligare två tankar kommer att anläggas. Rören som det kalla vattnet distribueras genom är ca 500m långa. Alla ledningssystem är gjorda i rostfritt stål (Karlsson, 2017). Efter att kylningen har skett sker ingen förvaring i tankar. I nuläget har inga stora problem med biofilm förekommit (Linder, 2017).

Planerat destillationssystem Två RO-maskiner kommer att installeras inom kort i GE:s produktionsanläggning. Ytterligare två maskiner är planerade framöver. De två nuvarande maskiner som används till destillationen kommer att vara kvar men med tiden fasas av när dessa inte längre behövs som backup (Sjöstedt, 2017). Det kalla vattnet som kommer ut från RO och EDI stegen kommer fortfarande att värmas upp till 95°C för att undvika mikrobiologisk tillväxt. Tillväxt sker till stor del i ventiler och utrymmen där vattnet står stilla (dead legs) (Linder, 2017). Hetvattnet går ut till dagvattnet (Wall, 2017). Veckovis kommer en hetvattenspolning att ske under ca 30min. Hetvattenspolningen sker inte samtidigt i alla delar av systemet. En gång i månaden sker en kontrollmätning av vattnet. Utifrån erhållna data på från kontrollmätningarna över tillfälliga överstigna gränsvärden av mikroorganismer och endotoxiner valdes frekvensen av hetvattenspolningarna till en gång i veckan (Linder, 2017). Direkt efter RO och EDI kommer ett ultrafilter att finnas för att rena bort endotoxiner. Senare i distributionssystemet kan dock bakterier och endotoxiner uppstå igen (Sjöstedt, 2017). En ny driftcentral, P5 kommer att anläggas. Vid eventuella krissituationer kommer tillgången till två driftcentraler att medföra att en kan fungera som backup. För destillationen och efterföljande distribution utgör C- och K-blocken i GE:s produktionsanläggning de mest betydande komponenterna (Pantefors, 2017). I nuläget har inga alternativa lösningar till hetvattenspolningen övervägts av GE. En utredning gjordes år 2009 (Sjöstedt, 2017).

Riktlinjer Vattnet ska vara ”purifying water”, PW, dvs maxgräns på mikroorganismer 100mg/L. GE har utöver detta krav på att inga endotoxiner finns i vattnet (Linder, 2017).

Avvikelser De flesta delar av systemet ska vara kalla men det finns ett fåtal delar som ska vara varma. Även om systemet ledningsdelar består av rostfritt stål finns ett fåtal delar av labben där rören består av plast (Karlsson, 2017).

Muntliga källor: Karlsson, B. (2017). GE Healthcare, Intervju, 2017-04-05. Linder, H. (2017). GE Healthcare, Intervju, 2017-04-05. Pantefors, P. (2017). GE Healthcare, Intervju, 2017-04-05. Sjöstedt, M. (2017). GE Healthcare, Intervju, 2017-04-05. Wall, E. (2017). GE Healthcare, Intervju, 2017-04-05.


Dokumenttyp


W-17-60/L-17

Datum

6/4-2017 Ersätter

Författare

Niclas Grünewald

Handledare

Mattias Winterdahl Rapportnamn GE Healthcare’s Bakgrund

Sammanfattning GE’s bakgrund och historia. Från uppstart av själva GE till bildningen av Healthcare sektionen samt dess sajt i Uppsala som är en av Uppsalas största arbetsgivare och produktionssajt för kromotografimedia. Rapporten behandlar också sajtens förbrukning och produktion av Purified Water.

GE Healthcare’s Bakgrund

General Electric’s (GE) grundades den 15 april 1892 genom en sammanslagning av Edison General Electric Company och Thomson-Houston Electric Company. Företaget höll då på med belysning, järnvägar och gruvarbete. Sammanslagningen var en succé och företaget blev snabbt känt för att ge hög produktionskvalité till en låg kostnad. GE började sina innovationer inom sjukvård genom utvecklingen av röntgenstrålar. År 1948 rapporterade företaget att ”En 50,000,00-volt ensidig betatron som producerar hög energi röntgenstrålar förväntas ha ett stort värde för cancerforskningen”. Detta blev bara början på GE’s innovationer inom sjukvårdsbranschen och år 1964 började de bredda sin sjukvårdsexpertis inom medicinsk elektronik vilket var starten till den del av GE som vi idag känner till som GE Healthcare(GE Healthcare The Pulse, 2012). På 1950-talet etablerade sig läkemedels- och bioteknikföretaget Pharmacia i Uppsala. Efter en rad sammanslagningar och uppköp ägdes sajten ett tag av läkemedelsjätten Pfizer som i sin tur sålde av större delen av verksamheten i Uppsala till GE Healthcare på 1990-talet. Detta var början på en av GE’s mest framgångsrika och etablerade sajter inom läkemedelsindustrin. Anläggningen i Uppsala har idag ca 1200 anställda och sitter på så pass många patent att de har ett finger med i spelet i en stor del av världens läkemedelsproduktion och är världens största inom kromotografimedia(Dahlbäck, 2015). Nästan all produktion på sajten kräver vatten av väldigt hög kvalité, något som internationellt kallas Purified Water (PW). GE förbrukar i snitt 88 000 kbm PW varje år. Detta är något som GE själva producerar genom destillation och distribuerar sedan det destillerade vattnet över hela sajten. Då det destillerade vattnet är väldigt varmt måste det kylas ned innan det kan konsumeras i respektive produktionsanläggning. För att kyla ned en liter destillerat vatten krävs det ca sju liter dricksvatten vilket ger en konsumtion av ca 616 000

kbm dricksvatten per år. Detta motsvarar ca fem till åtta procent av Uppsalas totala dricksvattenförbrukning. För att tackla problemet kring den stora vattenförbrukningen och energikonsumtionen detta kräver har GE bestämt sig för att producera kallt PW genom Reversed Osmosis (RO). Problemet som GE då har stött på är att de inte har något säkert sätt att distribuera det kalla ultrarena vattnet på sajten utan att riskera kontamination av mikroorganismer eller endotoxiner. Om GE inte kan lösa problemet betyder det att de kommer vara tvungna att värma upp det kalla ultrarena vattnet och sedan värma upp det innan distributionen vilket betyder att de inte kommer undan den enorma kostnaden av dricksvatten det sedan krävs för kylningen(Pantefors, 2017).

Referenser

Dahlbäck, J. GE satsar 870 miljoner på Uppsala. [online] (2015-12-03). Tillgänglig: http://www.unt.se/start/ge-satsar-870-miljoner-pa-uppsala 4005582.aspx. [Accessed 2017-04-06].

GE Healthcare The Pulse (2012). GE Healthcare: 63 Years of History, Countless Advances in Healthcare. GE Healthcare The Pulse. Tillgänglig:http://newsroom.gehealthcare.com/ge-healthcare-63-years-of-history-countless-advances-in-healthcare/. [Hämtad 2017-04-06].

Pantefors, P. (2017). Besök hos GE 5/4-2017.



Dokumentkod

W-17-60/L-18

Datum 07/04-2017

Ersätter


Handledare Mattias Winterdadhl



09:30 Gemensam genomgång av litteraturstudien

11:00 Uppdelning av uppgifter:

- Niclas och Felix börjar förbereda vilka punkter vi vill ha med på redovisning inför GE Healthcare den

19/4

- Marcus laddar upp arbetsrapporter till studentportalen

- Ylva och Gabriella startat upp med med planering av mittredovisning den 24/4

13:50 Mittredovisning klar utöver det som behöver uppdateras efter presentationen på GE

14:30 Litteraturstudie skickas in

Onsdagsmöte - Arbetet går framåt men det är en ganska svår uppgift att gallra artiklar. - Maila Emma och kolla vad hon har tänkt för sorts presentation samt vad hon sagt till Per - Fråga om pärmen - Frågedokument med frågor GE kan tänkas ha på mötet

Följande vecka är det påsklov och inplanerad ledighet för samtliga. Tre utav gruppensmedlemmar kommer att befinna sig på GE och hålla i presentation den 19/4.




Datum 11/4 -2017

Ersätter



Rapportnamn UV-strålning för destruktion av ozon

Sammanfattning Rapporten beskriver hur ultraviolett ljus, UV kan användas för att bryta ned ozon. Ozondoseringen och en rad andra faktorer hos vattnet påverkar vilken intensitet och bestrålningstid av UV som krävs.

UV-strålning för destruktion av ozon Ultraviolett ljus, UV, med våglängden 254nm har förmågan att inaktivera såväl bakterier som virus och andra mikroorganismer. Jämfört med andra metoder för vattenrening är UV-strålningen relativt billig med avseende på investerings- och driftkostnader. Klorering är enligt Svenskt Vatten det enda billigare alternativet. Ytterligare en fördel med UV-strålningen är dock att det inte krävs några tillsatta kemikalier under processen. För vatten med hög halt av organiska ämnen finns en risk att den ultravioletta strålningen bryter ner de mest nedbrytbara ämnena och bildar illaluktande biprodukter (Eriksson, 2009). Genom inledande steg av omvänd osmos vilket har förmågan att reducera 90 procent av det organiska materialet, bör denna risk kunna uteslutas. Att kombinera UV-ljuset på 254nm med UV-ljus på 168nm är ytterligare ett sätt att reducera mängden organiskt material. (AB Ninolab, 2017)

Eliminering av överskottsozon När ozon används för i distributionssystem för vattenrening krävs att en specifik halt finns tillgänglig i ledningarna under en viss tid. Halten har att göra med bland annat storleken på distributionssystemet. För att säkerställa att en tillräcklig mängd ozon finns tillgänglig som kan inaktivera mikroorganismerna, bör ett överskott tillsättas. Ultraviolett ljus, kan utnyttjas för att eliminera överskottsozonet ur vattnet innan det når känsliga partier av distributionssystemet, så som delar med mindre korrosionsbeständiga rör. (Summerfelt et al., 2004) Då adsorptionsmaximum för ozon ligger vid våglängden 254nm (Gottschalk et al., 2009), bör UV-ljus i samma våglängd användas. Lågtryckslampor med ultraviolett strålning avger i princip allt ljus i just våglängden 254nm. I jämförelse finns de så kallade

medeltryckslamporna vilka har en högre intensitet men avger ljus i ett bredare spektrum av våglängder (Eriksson, 2009). Den ultravioletta strålningen har förmågan att katalysera reaktionen från ozon till syrgas. Studier har visat att 100 procent av ozonet försvinner vid stålning med 49,3 +/- 0,6 mW s/cm2 UV-ljus, om den ursprungliga halten ozon är som högst 0,1 mg/L. För halter av ozon upp till 0,3 mg/L krävs motsvarande en strålning med UV-ljus av ungefär den dubbla effekten. Dessa värden är uppmätta för vatten med temperaturer mellan 13 - 15 grader C. Vid högre temperaturer på vattnet blir övergången från ozon till syrgas ännu mer effektiv, vilket med andra ord kräver en lägre effekt på det tillförda UV-ljuset. Den hydrauliska uppehållstiden (HRT) för ozonet, under vilken strålningen kan verka har också betydelse för hur stor andel av ozonet som hinner omvandlas till syrgas. I figur 1, kan utläsas att för initialhalter av ozon på upp till 0.3mg/L försvinner 100 procent av ozonet vid uppehållstider på över 3,3 sekunder. Då den hydrauliska uppehållstiden är direkt kopplad till vattenflödet genom distributionssystemet, är en vetskap om denna av hög vikt för att säkerställa att allt ozon förbrukas. (Summerfelt et al., 2004)

Figur 1. Förbrukning av ozon beroende på olika initial koncentration, olika hydrauliska uppehållstider (HRT) samt med respektive utan UV-ljus. Ett litet sönderfall av ozonet sker även utan UV-ljus. Bildkälla: (Summerfelt et al., 2004)

Kostnad och drift UV-lamporna som används för att eliminera ozonet behöver bytas årligen, om de används till vattnet som redan är filtrerat på exempelvis organiskt material och kemikalier (ESP Water Products, 2017).

Hälsorisk UV-strålningen sker innanför skyddande plast och påverkar dock inte strålningsmängden hos de som arbetar med systemet (Summerfelt, 2017).

Referenser AB Ninolab. Vattenreningstekniker - AB Ninolab. [online] (2017). Available from:

http://www.ninolab.se/produkter/vattenrening/renvattenguide/vattenreningstekniker/. [Accessed 2017-04-11].

Eriksson, U. (2009). Riktlinjer för användning av UV-ljus vid vattenverk [online]. (2009–12). ESP Water Products. Learn about UV Water Purification | ESP Water Products. [online] (2017).

Available from: https://www.espwaterproducts.com/understanding-uv/. [Accessed 2017-04-12].

Gottschalk, C., Libra, J. A. & Saupe, A. (2009). Ozonation of Water and Waste Water: A Practical Guide to Understanding Ozone and its Applications. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-62893-3.

Summerfelt (2017). Intervju med Summerfelt. Summerfelt, S. T., Sharrer, M. J., Hollis, J., Gleason, L. E. & Summerfelt, S. R. (2004). Dissolved ozone

destruction using ultraviolet irradiation in a recirculating salmonid culture system. Aquacultural Engineering, 32(1), pp 209–223 (2003 Aquacultural Engineering Society Issues Forum).

Strålskyddsmyndigheten, rätt avdelning (UV-ljus) Telefontid kl 10-11.15 torsdag Johan guliksson 087994241 087994028




Datum 17/4-2017

Ersätter -



Rapportnamn Metoder för produktion av ozon

Sammanfattning Ozon är en instabil, treatomig molekyl som bland annat används för sterilisering av farmaceutiska distributionssystem. För att producera ozon finns det i huvudsak två principer att välja mellan, nämligen koronaurladdning och elektrolys av pw-vatten. Koronaurladdning avvänder sig av en extern gaskälla för att producera ozon medan elektrolyt av pw-vatten använder sig direkt av pw-vattnet för att bilda ozon, vilket innebär att ingen ytterligare kemikalier tillfrös vattnet. I denna rapport kommer dessa principer presenteras mer i detalj, vilka för och nackdelar som finns och vad man bör tänka på inför ett val mellan respektive metod.

Inledning Ozon är en instabil molekyl som består av tre syreatomer och på grund av sin instabilitet måste ozonet producerar i direkt anslutning till det distributionssystem den är avsedd att användas i. Genom att tillsätta någon form av energikälla kan ozon kan produceras från luft, syrgas och direkt från vatten. Då luft alternativt ren syrgas används för att producera ozon är energikällans uppgift att dela upp syrgasmolekylen till två stycken syreatomer, dessa syreatomer reagerar sedan vidare med andra syrgasmolekyler och bildar på så vis ozon. Om vatten istället används som primär källa till ozonproduktion så får den tillförda energin till uppgift att slå loss syreatomen från vattenmolekylerna, syreatomerna kan sedan reagera och bilda ozon. De två vanligaste och mest gynnsamma metoderna för att producera ozon på en industriell skala är ”Electrical” och ”Electrochmical”. Dessa bygger på principerna ”koronaurladdning” respektive ”elektrolys av vatten (Gottschalk et al., 2010)”

Koronaurladdning Koronaurladdning (corona discharge även kallat dielectric barrier discharge) är den mest använda metoden, bland farmaceutiska företag i USA, för att producera ozon som sedermera löses i vattnet. Tekniken bygger på att man pressar luft alternativt syrgas förbi två elektriskt laddade plattor som tillsammans genererar ett elektriskt fält. Då luft används som medium bildas cirka 2 procent av syret i luften ozon, vilken sedan löses i vattnet. (Cohen, 2013). Vid produktion av ozon enligt denna princip åtgår 25 procent av den tillförda energin till att producera ozon, medan resterande bildar värme. Detta är något som har blivit ett problem då ozon sönderfaller snabbare under förhöjda temperaturer. Lösningen har blivit att installera

effektiva kylsystem som håller temperaturen nere på 5 till 10 grader Celcius. Små generatorer är luftkylda medan de större är vattenkylda (Gottschalk et al., 2010). Fördelen med denna metod är att de överlag kan generera högre koncentrationer av ozon. Det finns dock risker vid användande av luft som källa till ozon (Cohen, 2013). Detta eftersom luft innehåller andra gaser, till exempel kvävgas som efter passagen genom de elektriska plattorna kan bilda kväveoxider. Dessa kväveoxider är bland annat mycket toxiska och cancerogena (misbah, 2017). Utöver detta sätter metoden även krav på att luften som tillförs ska vara torr, detta kan uppnås genom att installera en lufttorkare. I vissa generatorer finns denne redan installerad. Att torka luften är dock energikrävande men ett måste för att undvika korrosion av generatorns ingående komponenter. De ovan nämnda nackdelarna tillsammans med att ren syrgas som primärkälla genererar cirka fem gånger så mycket ozon än om vanlig luft används som källa, är alla orsaker till att industrier allt mer övergår till att använda ren syrgas för produktion av ozon. Syrgasen kan antingen produceras direkt på siten från den omgivande luften alternativt fraktas dit i form av flytande syre. Dock är även produktion av syrgas från omgivande luft en energikrävande process. Överlag gäller att den specifika energikonsumtionen är två gånger så hög om luft används istället för ren syrgas (Gottschalk et al., 2010).

Elektrolys av pw-vatten

Ozon kan även bildas direkt från det renade vattnet (purified water (pw)), en metoder som fått samlingsnamnet ”elektrolytiska metoder”. Dessa metoder använder sig av en strak potential som läggs över ett par elektroder som tillsammans formar en cell (Cohen, 2013). I cellen delas pw vattnet upp i väte och syre, som sedermera bildar vätgas och ozon (samt syrgas) (bioteck ozone, 2017). Alternativt bildas ozon direkt från det syre som redan finns löst i vattnet. En cell kan producera mellan 0,05 till 4 gram ozon per timme, beroende på temperatur, spänning och strömstyrka. Cellens effektivitet ökar med ökad ström och spänning samt med minskad temperatur. Detta innebär att likt metoder som bygger på koronaprincipen behövs även här ett kylsystem, något som kan upprätthållas med ett högt vattenflöde genom cellen. För att öka produktionen av ozon kan även flera celler kombineras i en generator för att öka produktionen. Eftersom endast pw vatten används som källa till ozon finns inga risker för kontaminationer från andra kemikalier, något som gett denna metod fördelar inom mat- och läkemedelsindustrin. Ozonet som bildas löses direkt i vattnet och endast ett fåtal bubblor bildas (Gottschalk et al., 2010). Fördelarna med denna metod är att det inte bildas några biprodukter i form av kväveoxider, vilket kan vara fallet för koronaurladdningsmetoder, samt att ingen extern tillförsel av vare sig luft eller syrgas behövs (misbah, 2017). Nackdelen är dock att processen är energikrävande, den specifika energiförbrukningen har uppmätts till 200kWh per kilogram ozon (Gottschalk et al., 2010).

Val av ozongenerator Inför ett val av ozongenerator bör man främst ta hänsyn till ozonets uppgift och viken produktionskapacitet som krävs. Men även energiaspekter och ekonomiska aspekter, vilka i sin tur beror på kvalitén av ursprungskällan, det vill säga gasen alternativt vattnet. Generellt

sett är metoder som bygger på elektrolys av vatten ungefär tio gånger så energikrävande som metoder baserade på principen elektrisk urladdning. Men då måste man återigen ta hänsyn till hur mycket ozon som behöves i systemet. För små mänger ozon kan principen som bygger på elektrolys av pw-vatten vara billigare trots de högre energikostnaderna (Gottschalk et al., 2010).

Referenser bioteck ozone. What is Ozone? Ozone Technology Ozone Generator Ozone’s Bacterial Disinfection.

[online] (2017). Tillgänglig: http://www.biotek-ozone.com/technology.html. [Hämtad 2017-04-11].

Cohen, N. (2013). Understanding Dissolved Ozone and its Use in Pharmaceutical Water Systems. Pharmaceutical Engineering. May [online],. Tillgänglig: http://pacificozone.com/wp-content/uploads/2016/05/Understanding-DO3-for-Pharmaceutical-Water-Systems_Nissan-Cohen.pdf. [Hämtad 2017-04-11].

Gottschalk, C., Libra, J. A. & Saupe, A. (2010). Ozonation of water and waste water: a practical guide to understanding ozone and its applications. 2nd completely rev. and updated ed. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31962-6.

misbah, H. (2017). Electrolytic vs Corona Discharge | Biotek. Tillgänglig: http://www.biotek-ozone.com.hk/ind/?page_id=1492. [Hämtad 2017-04-11].




Datum 13/4 -2017

Ersätter



Rapportnamn Ultrafiltrering utan driftstopp

Sammanfattning En analys över olika typer av ultrafiltrering, en typ av membranfiltrering som fokuserar på att ta bort bland annat endotoxin. Metoderna undersöks specifikt med avseende på om det kan användas som steriliseringsmetod i distributionssystem utan att produktionen måste stannas ned ibland för exempelvis rengöring av membranen. Ultrafiltrering utan driftstopp I och med att partiklar som filtreras bort genom ultrafiltreringen till viss del fastnar på membranen måste dessa rengöras då och då för att inte hindra vattnet från att tränga genom porerna. Genom att använda tangentiellt flöde reduceras mängden partiklar som fastnar på membranet då stora delar av vattnet som inte passerat membranet enbart följer med ut i spillvattnet. Vid vattnets passage genom membranet fastnar dock bland annat mikroorganismer och endotoxin. (Pall Coporation, 2017) Ett sätt att rengöra membranet är genom så kallad dead end procedure vilket innebär att man låter vatten snabbt flöda genom membranet i motsatt riktning och rensa bort partiklarna som fastnat. Detta sätt fördelaktigt ur aspekten att det har låga energikostnader och att det i princip inte kräver någon annan utrustning för själva rengöringen. Nackdelen är att driftsystemet måste stannas upp under rengöringen. (WET GmbH, 2005) Även om detta bara handlar om stopp i några minuter är driftstopp något oerhört kostsamt för företag så som GE Healthcare (Pantefors, 2017). För att undvika driftstopp kan istället den så kallade cross flow procedure användas. Metoden går ut på att en stor del av vattnet leds runt längs med membranet i en loop. En del av detta vatten går igenom membranet och den resterande vattnet följer med ut som avloppsvatten. Nackdelen med processen är att den kräver mer energi jämfört med dead end procedure (WET GmbH, 2005). Enligt shamsuddin et al., 2015) är cross flow mer energieffektivt än deadend. → utveckla

varför!

Pall Coporation. Tangential Flow Filtration. [online] (2017) (Pall Corporation). Available from: https://laboratory.pall.com/en/tangential-flow-filtration.html. [Accessed 2017-04-04].

Pantefors, P. (2017). GE Healthcare, Intervju. Shamsuddin, N., Das, D. B. & Starov, V. M. (2015). Filtration of natural organic matter using

ultrafiltration membranes for drinking water purposes: Circular cross-flow compared with stirred dead end flow. Chemical Engineering Journal, 276, pp 331–339.

WET GmbH (2005). WET_UFAllgemein_e.indd - ultrafiltration_en.pdf [online].




Datum 20/4-2017

Ersätter -



Rapportnamn Avstämning med GE

Sammanfattning Under mötet med GE Healthcare den 19/4 presenterades de förslag på reningstekniker som studerats. Syftet var att stämma de metoderna som undersökts och få klartecken till fortsatt arbete inom en eller flera av dessa. Mötet mynnade ut i klartecken om fortsatt arbete inom ozonreningstekniker samt vidare undersökning om utvecklingsmöjligheter av den nuvarande steriliseringsmetoden. I denna rapport återfås en kort sammanställning av mötet och de frågor som uppkom.

Besök på GE Healthcare Besök GE Healthcare, kl 13-15 den 19/4 2017. Närvarande: Projektgrupp: Niclas Grünewald Jonas Westin Marcus Sigfridson Från Stuns: Emma Ytterström Från GE: Per Pantefors, manager for utilities Helena Linder, mikrobiolog Bert Karlsson, drifttekniker Mikael Sjöstedt, project manager in technical installations

Syfte Målet med mötet hos GE var att stämma av de metoder vi undersökt samt få klartecken om fortsatt fördjupning inom ozonteknik alternativt annan steriliseringsteknik.

Mötet Mötet inleddes med en kort presentation där Per uppdaterade oss om de senaste händelserna på GE sedan mötet den 5 april. Under denna presentation kom det till vår kännedom att ett flertal krissituationer som nästan resulterat i driftstopp ägt rum. Bland

annat hade ett läckage i en packning strax efter destillatorerna samt driftproblem med den ena destillatorn uppmärksammats. Efter detta inleddes presentationen av de olika tekniker som vi har studerat, här med fokus på ozontekniker. Under introduktionen informerades GE om arbetet upplägg, det vill säga hur arbetet inleddes med en bred undersökning av olika tekniker avsedda för sterilisering av farmaseptiska distributionssystem. Utifrån denna grund tillsammans med GE:s villkor att erhålla ett kallt distributionssystem utan några driftstopp kunde ett flertal tekniker, så som klorering sållas bort. Viket fick till resultat att ozon till sist stod kvar som ensam kandidat bland de nya teknikerna. Vidare gavs en grundligare beskrivning av ozonteknikerna ur kostnadssynpunkt, säkerhetsaspekter och implementeringsmöjligheter. Detta var något som intresserade GE och klartecken för vidare undersökning inom ozonteknik gavs. Utöver ozon diskuterades även möjligheterna att effektivisera det nuvarande systemet, något som stunshandledaren (Emma) tycket var viktigt och något som borde ses över ytterligare.

GE:s frågor Under presentationen uppkom ett antal frågor, listade nedan, som GE skickade med till det fortsatta arbetet.

Hur mycket ozon kommer behövas?

Måste det genomföras en blindspolning innan produktion kan startas efter implementering?

Hur påverkas rougen i bevaringstankarna och eventuellt i rören då ozon tillsätts? (kostnad rouge sanering?)

Ozon som släpps ut ur övertrycksventiler på tankarnas topp… - Lagligt att släppa ut? - Påverkas reningen - Påverkas ytterligare delar av distributionsslingan? (blir det för lite ozon kvar i

vattnet) - Hur har andra anläggningar löst detta problem?

UV-lampans effekt… - Hur snabbt sönderfaller ozonet vid närvaro av UV-ljus

Vid vilka koncentrationer dör mikroorganismer ”snabbt”?

Hur länge måste de små slingorna spolas med ozonvatten för att döda organismerna och avlägsna endotoxin, fungerar ozonet effektivt trots en veckas tillväxt av mikroorganismer.

Hur löser man ozondistributionen i de långa rören, finns det strategiska punkter att välja för generatorer, UV-ljus, ventiler med mera. (hur har andra anläggningar gjort)?

Energibesparingar

Drift- och implementeringskostnader

Kostnadsjämförelser mellan den ”nya” och ”gamla” tekniken

Ytterligare kontakt Bert har för avsikt att kolla upp olika flödeshastigheter som kan vara aktuella och

förmedla dessa kommande vecka.

Mikael kommer mejla oss kontaktuppgifter som leder till en konsult insatt inom ozonteknik. Konsultkostnader debuteras till GE.

Om möjligheter till studiebesök hos andra storskaliga anläggningar som använder ozonteknik finns, kan GE troligtvis bidra med flygbiljetter.



Dokumentkod

W-17-60/L-24

Datum 24/04-2017

Ersätter

Författare Gabriella Rullander, Ylva Geber




09:00

Samling och genomgång av mötet efter GE:

- Ozon har pekats ut som den mest relevanta lösningen och GE vill att vi ska fortsätta på det spåret

-diskussion av rapportstruktur

- diskussion av mål

- bestämmer att lägga mycket fokus att ta kontakt med forskare och företag involverade inom ozon

11:00-17:00

-Ylva, Marcus och Felix utformar struktur och innehållsförteckning till slutrapport

- Niclas och Jonas letar vidare information om bland annat förvaring av PW i tankar.

- Gabriella läser igenom och analyserar tidigare skrifter

2017-04-25

09:00

-Rubriker från slutrapport delas ut:

- Ylva börjar skriva bakgrund

- Felix : ozongeneratorer

-Jonas: Ozon som reningsmetod

- Gabriella: Ozon i läkemedelsbranschen, mejlar företag

- Niclas: Ozon och mikrobielltillväxt

- Marcus: Fixar med referenssystem och skriver om reverse osmosis och EDI

10:00

- Marcus fixat viktig bok via GE Healtcare

12:00 Möte med Mattias:

- Tycker strukturen av rapporten ser bra ut

- diskussion av referenshantering

12:00-17:00

-Fortsatt eget arbete

2017-04-26

09:00-17:00

- Fortsatt eget arbete med slutrapport

- Jonas och Niclas förbereder inför skypemöte med konsult på ISPE

2017-04-27

Förmiddag

-Eget arbete med slutrapport

13.15-14.00

-Föreläsning om opponering

14.15-

-Fika

-Möte (ersätter mötet på fredagen)

Onsdagsmöte inställt:

Mötet på onsdagen uteblev. Niclas och Jonas satt och väntade på skypetid med konsulten. Fick aldrig

svar.

Veckans arbete:

Allmänt: Bitvis segt. Tar tid att läsa in sig på nytt. Går snabbare att skriva rent det vi redan haft med i

litteraturstudien. Bra att tänka på att det inte är längden på texten vi skriver som spelar roll.

Jonas: skriver om ozons egenskaper (försöker gå in mer på djupet än i litteraturstudien samt försöker

hitta kopplingar till GE).

Niclas: mikroorganismer, biofilm, olika bakterier, endotoxin mm. Vissa bitar kommer behöva flyttas upp

från ozondelen till tidigare delar av texten. Vissa delar kopplas dock till ozon och får ligga kvar i

ozonavsnittet. En svårighet är att många studier visar hur ozon verkar på bakterier och virus som inte är

relevanta i våra system. Finns inte så mycket siffror över hur mycket ozon som krävs till att döda

bakterier

Marcus: Har börjat titta på uv och hur det bryter ner ozon. Har även skrivit om klorering och ozon i

rapporten. Känns omotiverat att skriva om metoder vi redan har uteslutit.

Felix: Har påbörjat ett dokument om risker. Alla kan fortsätta att fylla i olika delar. Har sammanställt

delar om ozongeneratorer från litteraturstudien samt från arbetsrapport som Marcus har skrivit.

Gabriella: Skriver på ozon i läkemedelsbranchen. Tittar på andra exempel.

Ylva: Har skrivit en del bakgrund med GE, gammalt och nytt system samt om RO och ultrafiltering. Har

även definierat syfte och metod men vill att resten av gruppen läser igenom dessa delar och

kommenterar vad som ska ändras/utvecklas. Har börjat titta på hetvattenspolning men har svårt att

hitta bra info.

Att göra:

→ Kolla upp biprodukter med ozon noggrannare (hitta fler källor)

→ Kolla upp hur energikrävande PEM är för våra koncentrationer

→ rörsystem. Vilka är bra att veta (dead legs). Säkerhet och krav. Var kan vattnet ligga still. Kolla

på skiss och fråga Bert, googla.

→ kolla om distributionssystemet innehåller några loopar + fråga om flöde → Mejla Bert!

→ eget ansvar att skriva reflektionsdokument för veckan

ISPE -boken

- Vi hoppas att den är beställd. Vi har tryckt på flera gånger.



Dokumentkod

W-17-60/L-25

Datum 02/05-2017

Ersätter




Bokade grupprum under veckan:

Onsdag den 3/5 kl. 09-17 - Fågelsundet

Torsdag den 4/5 kl. 09-13 - Fågelsundet

2017-05-03

13:20 Onsdagsmöte:

- studiebesök den 5/5: Avgång ca 11:45, beräknas vara klara vid 17:00.

- Bestäm vilka gruppmedlemmar som följer med samt hur många bilar vi åker i

- Ta med ritningar till Ozonetech

- Möte med Emma: Givit förslag att skicka rapporten till henne, samt ett möte med vissa

medlemmar den 22/5 kl 13-14

- Implementerbarhet som rubrik i rapport: skall börja formuleras på måndag och tisdag nästa

vecka. Efter samtal med anders och ozontech. Helst när boken kommit

- ozon i tank: Om den anses relevant efter samtal med ovannämda så kan denna startas nästa

vecka.

-säkerhet och risker: kan skrivas nu

- Ozon sterilisering: påbörjas idag av Niclas

2017-05-05

09.56 Fredagsmöte (utomhus):

- Jonas inleder med att läsa upp de frågor vi har skrivit upp att vi ska ställa till Ozonetech. Bra

om alla har koll.

- Viktigt att fokusera på om Ozonetech har erfarenhet av liknande system och så här

storskaliga.

- Hur löser de problem med rester av ozon.

- Vi vill ha en uppfattning om hur mycket ozon och om vi kan hitta linjära samband.

- Samt hur mycket energi generatorerna drar, finns det linjära samband?

- Det är bra att få uppfattning vad som gäller på Ozonetech även om vi har information

från andra källor.

- Alternativa ozondestruktorer (vattenrening eller bara luft?)

- Prisbild på relevanta lösningar

- Genomgång om rapportstruktur. Vad ska ingå i diskussionen? Jämförelse mellan ozon och

hetvattenspolning samt implementering av ozon. Vi tar jämförelsen med klor och ultrafiltrering i

urval.

- Dubbelkolla med Mattias hur mycket av övriga metoder som måste finnas i slutdiskussionen

då det redan nämns i urvalet. Kan vi bara kort motivera varför övriga metoder föll bort och vi

valde ozon.

- Jonas antecknar på paddan, Ylva och Gabbi antecknar på papper.

- Fråga eventuellt om vi kan spela in.

Nästa vecka:

Bra att alla läser igenom rapporten innan vi börjar med diskussionen.

Vi skriver på de delar som saknas information om under måndagen och början av tisdagen.

Efter det får man eget ansvar att läsa igenom hela rapporten inför att vi skriver diskussionen

(och sammanfattningen).

Onsdag morgon ska alla delar vara klara och alla ska ha korrekturläst rapporten.

Om vi ligger bra till på måndagen kan vi tidigarelägga korrekturläsningen. Vi kan se om vi

förlänger dagarna vi arbetar på lite (sitta kvar/komma tidigare).

Grupprum:

- Finns inga lediga till kommande vecka men veckan därefter bokar vi till:

Måndag 9-13 Fagerviken

Tisdagen 9-17 Värmland

Onsdag 9-17 Fågelsundet

Fredag 9-12, 13-15 Öland



Dokumentkod W-17-60/L-

Datum 8/5 -2017

Ersätter



Rapportnamn Möte med Ozonetech

Sammanfattning Sammanställning i punktform av möte med Ozontech fredagen den 5 maj.

Möte med Ozonetech Tid: fredagen den 5/5, kl 13.00-15.30. Närvarande: John Lindam, Ozonetech Projektgrupp: Niclas Grünewald Ylva Geber Gabriella Rullander Jonas Westin Mötet inleddes med att projektgruppen gick igenom projektet och behovet av en reningsteknik för att rena kallt PW på mikroorganismer och endotoxin under distributionen. John kopplade behovet till deras tekniker med ozonrening för vatten och uppskattade i grova drag hur metoderna bäst bör appliceras på GE Healthcare. Uppskattat ozonbehov: 60 g/h för flöde på 20-30m3/h 1 + x ppm för att desinfektera även utrustningen

- X är en funktion av rörens längt samt systemets HRT - Förlust av ozon sker längs med röret (naturlig halvering) - X kan regleras i ozongeneratorn för att ställa in mängden ozon efter behov

Energi för systemet i drift: ~ max 4 kW för två system i drift (~ 50kr/dag) En ozongenerator per tank + en extra som är kopplad till båda tankarna (kunna växla)

- Renar hela vägen ut till fabrikerna Om Ozon: Har det lägsta CT-värdet som finns kommersiellt jämfört med annan rening. Tillsätts antingen i hög koncentration i ”chock” (ca 5min) eller låg koncentration kontinuerligt (HRT: ca 1 timma) Ozongeneratorer hos Ozontech – Rena Vivo: B-serien:

- Har enbart coronaurladdning o Kylning krävs efter uppvärmningen till följd av coronaurladdningen: Per tank:

Kylvatten: 4L/min = 240L/h = 0.24m3/h ▪ Jämförelse vattenåtgång för kylning under 1h:

Hetvatten: 7L / 1L PW. 20m3/h produceras → 140m3 kylvatten/h Ozon: 0.24m3 kylvatten/h ➔ Ozon kräver 0.17% kylvatten av vad hetvatten gör.

- Kompakta system jämfört med marknaden - 90-95 % inlösning vid injektionspunkt - N2 ventileras ut i luften igen - Stort reglage av mängden O3 möjlig (kan teoretiskt regleras ända ner till 0) - Samma koncentration ozon i alla förgreningar (givet samma tid i systemet) - Ett mindre flöde ozonvatten kommer ut i systemet än systemets eget flöde, detta

kompenseras med att det ingående flödet har en högre koncentration ozon än det som kommer in i systemet efter inblandningen.

- Sensorer både för syrning och övervakning o Flöde ut: rekommenderat 15m3/h

- Syrgasflaska istället för generator för småskaliga system - Minsta varianten: 30 x 20 cm uppskattningsvis

o 0,8 – 0,9 ppm/m3 o Inte aktuellt för GE:s system

- Mellanvariant o I vårt fall!

- Största varianten Om 0,1 ppm (rätt siffra?) mäts upp (i slutet eller i luften??) stängs systemet av automatiskt av kontrollsystem En liten del av ozonet i vätskan blir till gas på grund av det höga trycket. På toppen av tanken kan en avluftningsventil och teflonslang kopplas in vilken leder ozonvattnet till destruktor (konvertering från ozon till syrgas)

- Garanti på max 0.01 ppm (rätt siffra?) ut efter destruktionen PW har lägre nedbrytningstid än tappvatten: ~10min halveringstid jämfört med 20min Rörsystem: Rostfritt stål, 316L – bra bestånd mot ozon Plast:

Vitol och PVC plast är ozonbeståndigt Nitril är känsligt för ozon Rouge: Chockspolning med ozon: teoretiskt kan mängden tillsatt ozon komma upp i 60ppm (tillfälligt) → kräver dock hög kapacitet på systemet. Ozon Prisbild: 88000 m3/år x 7kr/m3 = 616 000 kr/år (för en tank, två???) Tid för implementering:

- Mycket förberedelse av installationen sker innan insättningen hydrauliskt. - Kommer att krävas hål i tank (svetsningen av hålen står företaget för själva) - Total tid för installation ~ 1dag - Aktiv reglering kräver dragna kablar

Kontroll en gång/år av Ozonetech är rekommenderat Redox?? UV Ozonetech tillverkar inte själva UV-lampor men har leverantörer för detta för att kunna destruera rester av ozon Även filter kan destruera ozon (kolfilter, patronfilter) Koll upp: Hur har varmvattnet i huvudslingan kunnat desinfektera ute i deadlegsen innan nedkylningen? Har verkligen vattnet lyckats komma upp i tillräckligt höga temperaturer överallt? Uppehållstid i tankarna? (Fråga Bert)




Datum 8/5 -2017

Ersätter



Rapportnamn Skypesamtal med Anders Widov

Sammanfattning Anders Widovs erfarenheter av installation av ozongeneratorer nationellt och internationellt samt koppling till implementering av ozon i distributionssystem. Dessutom uppskattas halter ozon beroende på bland annat storleken på systemet samt energiåtgång och behov av UV-lampor för destruktionen.

Intervju med Anders Widov (skype) Om ozon Ozon halveras på 20 min i kallt vatten. Responstiden för ozon är oerhört mycket snabbare än hetvatten. Man behöver inte isolera rören då vattnet kan vara kallt. Att varma ytor undviks är en säkerhetsaspekt. Problem endast om man har ozon i anläggning utan att ha den i drift, halterna flaxar upp och ned. (Samma problem med hetvatten). Generatorn ballar ut. Inga problem i andra system som Anders har kunskap om har haft problem, då systemen varit byggda för att klara av ozon i vattnet genom att ha rostfritt stål av grad 316L samt PTFE (teflonpackningar i membranventiler plus treklamkopplingar). EPDM packningar ska inte finnas då det inte klarar av ozon. I så fall behöver packningarna bytas ut. Efter 900m distribution behöver ytterligare en ozongenerator sättas in. Ett exempel är anläggningen i Hörst i Tyskland på 8km, vilken kräver flera generatorer som är placerade på huvudslingan. Vidare har varje producent egna UV-lampor och har på så sätt eget ansvar för destruktion. Vettigt med extragenerator för att undvika risk för produktionsstopp. I alla fall dubbel uppsättning av delar som kan gå sönder så att dessa kan sättas ihop igen på 24 timmar utan att produktionen stannar. Det finns två sorters ozongeneratorer; coronaurladdning och elektrolyt, vilka enligt Anders båda fungerar jättebra för tillverkning av ozon. Corona är det billigaste alternativet och även det alternativ som Anders rekommenderar. Tankar Tanken måste vara stängd. I nuläget andas tanken, skulle krävas UV-lampa. Ozon är giftigt. Om tankarna är klassade för övertryck borde det inte vara några problem att stänga till tankarna. Borde vara klassade för fullt vakuum när man kör med hetvatten. Klarar minst 3 bars övertryck då. Andra installationer av ozon

VSGE i Uppsala (Olso?) använder ozon i sina tankar vilka har en volym på uppskattningsvis 3 m3 och har medelstora distributionsslingor på 300m. Rören är på 1.5 tum, enligt Anders uppskattning. Halter på 0.4 - 0.5 ppb ozon användes till detta system. Två installationer finns på Polypeptile i Malmö, där Deltatech står som leverantörer. Överlag är läggningen inom läkemedelsbranschen konservativ, vilket gör att hetvatten fortfarande är vanligt som desinfektionsmetod. Av nya anläggningar som byggs är en stor andel i USA av ozon, mest eftersom det är billigare i längden. De flesta fabriker i Europa är gamla och använder främst ånga, man bygger enbart om. Världens största anläggning med ozon för rening av vatten ligger i Hörst i Tyskland. Sedan implementeringen har produktionen aldrig behövt stannas och anläggningen är extremt nöjda med metoden. Världsledande företag inom ozon är bland annat Ozonia och BWT i Europa. UV Israelisk tilverkare av UV-lampa, Atlantic, främst båda tekniskt och kostnadsmässigt. Normalt sätt verkar UV-lampor 6dm till 1m. Vid strålning med UV-ljus för destruktion av ozon kan väteperoxid bildas som restprodukt. Väteperoxid används ofta som rengöringsmedel och bryts dessutom snabbt ned. Anders kommentar är att det nog inte kommer behöva anges på innehållsförteckningen på läkemedelsprodukterna producerade av GE då det ”knappast att kunna mäta(s) någon nivå när det gäller väteperoxid”. UV-lampan brukar stängas av en timma för att få rätt CT. Detta görs som alternativ till nuvarande hetvattenspolningen för att säkerställa att mikrobiell tillväxt inte sker i de kalla delarna av distributionen. Det kommer alltså på samma sätt som vid hetvattenspolningen att tillfälligt vara stopp i flödet av PW in till fabrikerna. Filter ska inte behövas i slutet av slingan, enligt Anders, utan det räcker med enbart ozon och sedan UV för att ta bort ozonet. De ökade kolhalter som bildas i vattnet till följd av destruktionen av mikroberna borde inte vara något problem. Energi och prisbild UV-lamporna drar några kW. Investeringskostnaderna är betydligt högre än ånga En uppskattning av priset för installationen är 600 000 – 700 000kr för två generatorer. Sedan tillkommer kostnader för UV-lamporna vilket uppskattas till 150 000kr per lampa. Implementering Tar uppskattningsvis ett par enstaka dagar. Validering tillkommer, vilket kan behövas invänta om man vil vara på den helt säkra sidan. Bestämning av halter ozon Siffror från experter på halter ozon som krävs. Vanligt att ta fram halten ozon empiriskt. Finns i princip bara tumregler för hur mängden ska uppskattas vilket även det tagits fram empiriskt. Anders erfarenhet är att ozonhalter på ppm är mer rimligt för dricksvatten. För PW är vanligt förekommande halter 0.1 - 0.5 ppb eller som Anders säger 5 - 20 ppb ”om man har fått baggar (i systemet)”. För GE skulle Anders uppskatta behovet av ozon till 1 ppb.

Lättast att missa/vad kan gå fel Led inte in via spraykula, kräver upplösning först vilket är onödigt. Röret bör gå in i sidan för att tillföra ozonet. Problem om systemet står utan produktion under en längre tid, exempelvis har Anders upplevt problem i andra system efter över tre månader utan drift. Deadlegs och luftfickor Ozon kommer in lite längre än vattnet. Om det inte är problem med hetvattenspolning kan inte ozon heller vara problem med att systemet inte renas tillräckligt. Luftfickor bör inte finnas någon risk för att det ska bildas.

Självständigt arbete i miljö- och vattenteknik 15 hp Dokumenttyp Arbetsrapport


Datum 12/5-2017

Ersätter



Rapportnamn Internprotokoll v7

Internprotokoll v 7 Inget formellt möte hölls under veckan då all tid lades på att skriva klart slutrapporten. Då vi satt tillsammans under större delen diskuterade vi upplägg med mer allt eftersom.


Dokumenttyp Arbets Rapport


Datum 19/5-2017

Ersätter



Rapportnamn Internprotokoll

Internprotokoll Sammanfattning Dokumentet visar projektgruppens internprotokoll från den 15/5-19/5. Här har gruppensaktiviteter skrivits ner och sammanställts för varje dag i veckan. 2017-05-15 – 2017-05-16 Färdigställt och påbörjat korrigering av slutrapport. Samtliga i gruppen har ännu en gång korrekturläst slutrapporten.

2017-05-17 Start 09.00

Niclas, Gabriella, Ylva och Jonas närvarade på en föreläsning arrangerad av stuns, där presentationsknep stod på agendan.

Marcus och Felix fixade med komplettering av slutrapportens första utkast.

Onsdagsmöte 15.00 ”Att göra lista” sammanställd på mötet:

Göra redovisningsgrupper (lotta): Gabriella - Niclas

Jonas - Ylva

Marcus - Felix

Fixa klart redovisningen (PP)

Opponering (fixa ett dokument om språkliga felaktigheter)

Individuell pop.sammanfattning

Individuell Abstract

Gruppens lista över egen rapport

Skicka in Slutrapporten innan 30 maj

Gruppens gemensamma reflektionsdokument, ska in 1 juni

Sätta ihop totalrapporten, ska in 1 juni

Kontrollera att samtliga rapporter är uppladdade på SP

Förbereda stunsredovisning, efter den 24 maj.

Möte med stuns, kl 13-14 måndag.

17:00 Skicka in reviderade slutrapport.

2017-05-18 - 2017-05-19

Redovisningsgrupperna förbereder sina redovisningar och tittar igenom opponeringen

Inget fredagsmöte kommer hållas

Boka grupprum för kommande vecka

Tyvärr fanns inga




Datum 25/5 -2017

Ersätter



Rapportnamn Lista över ”egna” rapporter

Lista över “egna” rapporter Ansvarig författare: Rapportnummer: Ylva Geber W-17-60/L-20 Niclas Grünewald W-17-60/A-02 Felix Johansson W-17-60/L-07 Gabriella Rullander W-17-60/A-03 Marcus Sigfridson W-17-60/L-02 Jonas Westin W-17-60/A-01



Dokumentkod W-17-60/L-

Datum 25/5 -2017

Ersätter



Rapportnamn Hantering av kritik från opponering

Hantering av kritik från opponering Opponeringsgruppen skickade ett dokument med lite allmänna kommentarer som de hänvisade till som tips att tänka på till kommande rapporter. Dessa kommentarer lästes igenom och analyserades. Överlag var kommentarerna riktigt välmotiverade och användbara. Mindre saker så som mellanslag mellan siffra och enhet samt tankstreck ändrades. Dessutom gjordes en ändring i definierandet av förkortningar (ex. från ozon, O3, till ozon (O3) för att göra texten lättare att läsa. Användande av kommatecken och längden av meningarna analyserades och ändrades i de fall då det ansågs bidra till mer flyt i texten. Då texten sågs över flyttades definition av ord och namn upp till första gången ordet nämns, vid de fall då detta missats tidigare när vi flyttat om i dispositionen av texten. Vad det gäller referenserna, vilket opponeringsgruppen hade en del synpunkter på, användes referenshanteringsprogrammet Zotero kopplat till Latex för rapporten. SLU:s referenssystem för Harvard ställdes in. Detta medförde referenslistan kom in automatiskt i rapporten och är svår att ändra i efterhand. Samma sak gällde refereringen i den löpande texten som automatiskt kom in (namn, år). På grund av detta bedömdes de nämnda ändringarna från opponeringsgruppens sida på att istället skriva (namn år) samt att lägga in radavstånd i referenslistan inte vara aktuella. Angående att vi inte varit konsekventa med att ange flera författare som (namn m.fl., år) eller (namn 1, namn 2, år) motiverades med att vi gjort skillnad på två författare då båda namnen skrevs ut och fler än två författare då enbart namnet på den första författaren skrevs ut och resterande angavs som m.fl. Detta eftersom SLU redogjort för denna typ av angivning av författare. Stycket om projektets syfte flyttades till en separat underrubrik ”Syfte” under rubriken ”Projektbakgrund och syfte” efter opponeringsgruppens rekommendation. Ingen ändring gjordes i slutsatsen då diskussionen avslutats med en längre summering och då projektgruppen var eniga om att en slutsats bör vara kort och kärnfull på max ett par meningar.

Documents

Implementeringsanalys av steriliseringsmetoder för GE