Nachhaltigkeit im Reinraum: Möglichkeiten der Energieeffizienz und Verminderung des CO2-Footprint

Ukraine-Konflikt, Spannungen in Nah- und Fernost, Wirtschaftsembargos – all dies trägt zur Verteuerung und Verknappung von Energie bei. Das trifft viele Unternehmen und Reinraumbetreiber insbesondere. Denn Luftumwälzung und Temperierung fressen Energie. Darum steigen jetzt die Anforderungen an Reinraum-Spezialist*innen: Wo gibt es Möglichkeiten zur Einsparung?

Das Gebot der Stunde: Investition in technische Reinraum-Infrastruktur

Diese Frage löst gerade in den sensiblen Bereichen Pharma und Biowissenschaften naturgemäß Unruhe aus, weil hier der Arbeitsschutz und die Sicherheit von Abläufen ganz im Vordergrund stehen. Aber in der gesamten Industrie ist in den letzten Jahren nicht nur das Interesse an Energieeinsparung und CO₂-Footprint-Reduzierung gestiegen, sondern jüngst auch die Investitionsbereitschaft. Optimierungsmaßnahmen in diesem Bereich müssen heute weder an grundsätzlichen Bedenken noch an Rentabilitätserwägungen scheitern. Ganz im Gegenteil: Selbst unkonventionelle Vorschläge von Reinraum-Spezialist*innen sind willkommen. Die Industrie investiert klug in technische Infrastruktur und erwartet dabei nicht mehr, den angestrebten ROI-Wert (Return on Investment) schon innerhalb von etwas mehr als einem Jahr zu erreichen. Stattdessen werden häufiger bis dreieinhalb Jahre angesetzt.

Wo aber liegen nun die größten Einsparpotenziale im Bereich „Pharma- und Biowissenschaften“? Die wesentlichen Erkenntnisse lassen sich folgendermaßen formulieren: 90 Prozent aller Reinräume werden turbulent belüftet, und fast immer ist die Luftwechselrate überdimensioniert. Ein aktuelles Beispiel mag dies verdeutlichen:

Luftwechselabsenkung in einer Sterilproduktion

In der Sterilproduktion eines Arzneimittelherstellers wird für eine Reinraumfläche von 7600 Quadratmetern bei turbulenter Belüftung die Luft aufwendig gefiltert, beheizt, gekühlt, befeuchtet und entfeuchtet. Insbesondere wird in einem der Reinräume ein Heißluftsteriltunnel betrieben. Ein Großteil der Regelung übernehmen mehrere HVAC-Anlagen (Heating, Ventilation, Airconditioning). Im Mittelpunkt der Überlegungen zur Energiereduzierung steht die Frage: Kann das pro Stunde ausgetauschte Reinraumluftvolumen nicht auch kleiner ausfallen, ohne den vorschriftsgemäßen Betrieb zu gefährden?

Um das Einsparpotenzial zu ermitteln, vergleichen zunächst Reinraum-Experten den Luftwechsel auf dem aktuellen Stand mit dem für die Sterilproduktion geforderten Luftwechsel. Dabei berücksichtigen sie auch Einbauten. Denn die Reinraumfläche ist mit 7600 Quadratmetern zwar vorgegeben, aber das Reinraumvolumen wird reduziert, beispielsweise um 1,6 m² durch einen geschlossenen Schrank mit den Maßen 1 m x 80 cm x 2 m. Folglich darf auch die Zuluftmenge entsprechend vermindert werden. Berücksichtigt werden ebenso Umluftgeräte mit Schwebstofffiltern und Bereiche mit Turbulenzarmer Verdrängungsströmung (TAV) – kurz: alle Anlagen, aus denen Luft in den Reinraum überströmt. Achtung: Diese Anlagen werden keinesfalls selbst abgesenkt. Aber das Ausmaß, in dem sie zum Luftwechsel beitragen, wird in die Gesamt-Reinraumluftwechselrate eingerechnet. Bis hierher ist nur ein potenzielles Einsparpotenzial ermittelt worden. Im konkreten Fall geht es um eine mögliche Einsparung von Zuluft in Klasse-D-Reinräumen in Höhe von etwa 104.000 Kubikmetern pro Stunde – fast ein Drittel (31 %) Für die mögliche Kostensenkung ist dabei stets Folgendes mitzudenken: Luftwechselreduktion heißt immer auch, dass der Außenluftstrom reduziert werden kann. Es kommen damit zusätzliche Einsparungen an thermischer Energie für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten hinzu. In dem hier vorgestellten Beispiel ergibt sich für die theoretisch mögliche Einsparung bei allen betrachteten HVAC-Anlagen eine Zuluft-Volumenstromreduktion um 99.800 Quadratmetern pro Stunde. Zunächst hat der Betreiber davon 13.000 realisiert, und zwar durch die Umstellung von zwei HVAC-Anlagen. Ergebnis ist eine Energieeinsparung von 24 Prozent (HVAC Nr. 1) bzw. von 31 Prozent (HVAC Nr. 2), eine Energiekosten-Minderung um 60.000 Euro pro Jahr und eine CO₂-Ausstoß-Reduktion von 24 Tonnen pro Jahr. Auch ganz allgemein gilt für bestehende Reinräume: Wo 100-Prozent-Außenluft-Systeme eingesetzt werden, gibt es häufig die Option sie in Umluftanlagen umzuwandeln. Selbstverständlich müssen Risiken wie Kreuzkontamination gegebenenfalls auf andere Weise ausgeschlossen werden als bisher. Jede Änderung an der bestehenden Reinraumtechnik muss auf ihre Auswirkungen auf die entscheidenden GMP-Parameter geprüft werden. Es ist ein Abwägen zwischen Risiken und Vorteilen, und dafür braucht der Betreiber Reinraumexpert*innen.

Neben der Belüftungstechnik ist es oft auch das Feuchtigkeitsmanagement, das zu überflüssigem Energieverbrauch führt. Die richtige Gegenstrategie: Statt sich primär auf den Reinraum und seine Spezifikationen zu konzentrieren, sollte man sich fragen, was für die Produktqualität (z. B. für einen pharmazeutischen Wirkstoff) die entscheidenden Bedingungen sind. Denn das Produkt weist möglicherweise eine größere Toleranz gegenüber Feuchtigkeit auf, als es die ursprünglich zusammengestellten Reinraum-Normen und -Empfehlungen ahnen ließen. Dies eröffnet dann neue Spielräume für die Reduktion des Energieverbrauchs. Generell besteht eine weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung stets in der Wärmerückgewinnung.