Opportunities and limits of ozonation as pre-treatment method for production waste water from pharmaceutical manufacturing
Creators: name: Daoud, Fares
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2022
Subjects: subject: Ozonierung
subject: Transformationsprodukte
subject: Abwasservorbehandlung
subject: 660
subject: Abwasserbehandlung
subject: Ozonierung

description: During production of active pharmaceutical ingredients, process waste water is generated at several stages of manufacturing. Whenever possible, waste water will be processed by conventional waste water treatment plants. However, due to low biodegradability of pharmaceuticals or toxicity towards aquatic organisms, some waste water streams must be processed differently. For those, incineration constitutes the current method of choice. A main disadvantage of incineration is high consumption of primary energy sources leading to substantial emission of carbon dioxide (CO2). Thus, ozone treatment followed by biological waste water treatment was tested as an alternative method. In 2009, preliminary laboratory experiments were conducted to evaluate the elimination of DTPA in process waste water. Based on the initial results, the responsible authorities granted approval for a large-scale ozonation. Additional experiments at laboratory scale were performed with different waste water streams to assess the elimination of the target compound and the generation of its main transformation products. These were determined by high performance liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry (HPLC-HRMS). All waste streams originated from production facilities of Bayer Corp. in Wuppertal. Four waste water streams from the ciprofloxacin, moxifloxacin, rivaroxaban and DTPA production have been investigated. The obtained results demonstrated that the concentration of moxifloxacin and its metabolites can be effectively reduced (&gt; 99.7%) prior entering the receiving water. Applying the same ozonation time the concentration of ciprofloxacin and its metabolites remained too high for safe discharge. The concentration of rivaroxaban in the ozonated waste water was effectively lowered under acidic conditions. DTPA concentration was reduced to levels assuring safe discharge into the receiving water. Additionally, the ecotoxicity of the ozonated waste water for all target compounds was investigated using three trophic levels. A comparison of CO2 emissions showed that ozonation in some cases is an ecological alternative to incineration.
description: Bei der Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen fallen in mehreren Herstellungsstufen Prozessabwässer an. Abwasser wird nach Möglichkeit in konventionellen Kläranlagen aufbereitet. Aufgrund der geringen biologischen Abbaubarkeit von Arzneimitteln oder der Toxizität gegenüber Wasserorganismen müssen einige Abwasserströme jedoch unterschiedlich prozessiert werden. Für derartige Abwässer ist die Verbrennung die derzeitige Methode der Wahl. Der Hauptnachteil der Verbrennung ist der hohe Verbrauch an Primärenergieträgern, der zu einer erheblichen Emission von Kohlendioxid (CO2) führt. Daher wurde die Ozonbehandlung mit anschließender biologischer Abwasserbehandlung als alternative Methode getestet. Im Jahr 2009 wurden vorläufige Laborexperimente durchgeführt, um die Eliminierung von DTPA in Prozessabwässern zu bewerten. Auf der Grundlage der ersten Ergebnisse erteilten die zuständigen Behörden 2011 die Genehmigung für die großtechnische Ozonierung. Zusätzliche Experimente im Labormaßstab wurden mit verschiedenen pharmazeutischen Abwasserströmen durchgeführt, um die Eliminierung der Zielverbindung und die Erzeugung der wichtigsten Transformationsprodukte zu bewerten. Diese wurden durch HPLC mit hochauflösender Massenspektrometrie (HPLC-HRMS) bestimmt. Alle Abfallströme stammen aus Produktionsanlagen der Bayer AG in Wuppertal. Es wurden vier Abwasserströme aus der Produktion von Ciprofloxacin, Moxifloxacin, Rivaroxaban und DTPA untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Konzentration von Moxifloxacin und seiner Transformationsprodukte vor Einleitung in das Fließgewässer wirksam reduziert werden kann (&gt; 99.7%). Bei gleicher Ozonierungszeit blieb die Konzentration von Ciprofloxacin und seiner Transformationsprodukte zu hoch, um diese sicher einleiten zu können. Die Konzentration von Rivaroxaban im ozonisierten Abwasser wurde unter sauren Bedingungen wirksam reduziert. Die DTPA-Konzentration wurde auf Werte reduziert, die eine sichere Ableitung in das Fließgewässer gewährleisten. Zusätzlich wurde die Ökotoxizität des ozonisierten Abwassers für alle Zielverbindungen unter Verwendung von drei trophischen Stufen untersucht. Ein Vergleich der CO2-Emissionen ergab außerdem, dass die Ozonisierung in einigen Fällen eine ökologische Alternative zur Verbrennung darstellt.