Wasserproben in Glas oder Kunststoff: Eine Betrachtung von Sterilisation, Kosten und Umweltverträglichkeit

TLDR: Der Text vergleicht Glas- und Kunststoffbehälter für Wasserproben im Hinblick auf Sterilisationseffizienz, Kosten und Umweltverträglichkeit. Glasbehälter sind vielfältig sterilisierbar, aber anfällig für Kreuzkontaminationen. Kunststoffbehälter bieten Vorteile durch Elektronenstrahlsterilisation, sind sofort einsatzbereit und haben integrierte Chargen-Nachverfolgbarkeit. Eine Kostenanalyse zeigt, dass Kunststoffbehälter unter bestimmten Bedingungen günstiger sein können. Glas hat einen höheren ökologischen Fußabdruck, ist aber wiederverwendbar. Kunststoffbehälter sind energieeffizienter, aber ihre Entsorgung ist umweltbelastend. Recycling von Kunststoffen variiert, und gesetzliche Regelungen in Deutschland beeinflussen die Entsorgung und das Recycling.

Sterilisation und Probenintegrität

Im Fokus jedes Wasserlabors steht die Gewährleistung der Probenintegrität. Ein entscheidender Faktor hierbei ist die Sterilisation der Probenbehälter. Durch die Sterilisation werden schädliche Mikroorganismen und Kontaminationen eliminiert, die die Analyseergebnisse verfälschen könnten. Die häufigsten Materialien für Probenbehälter sind Glas und Kunststoff, wobei jedes Material seine eigenen Vor- und Nachteile hat. Dieser Artikel beleuchtet die Effizienz, Kosten und Umweltverträglichkeit der Sterilisationsmethoden von Glas- und Kunststoffbehältern.

Effizienz der Sterilisation

Glasbehälter können durch Trockenhitze- oder Feuchtehitze-Sterilisation (Autoklavieren) sterilisiert werden. Die Trockenhitze-Sterilisation kann beispielsweise bei einer Temperatur von 160°C für 2 bis 3 Stunden durchgeführt werden. Glasbehälter können Temperaturen von bis zu 500°C standhalten, ohne eine bemerkenswerte Degradierung des Materials zu erfahren. Ein erheblicher Vorteil von Glas ist seine Fähigkeit, nicht nur sterilisiert, sondern auch de-pyrogenisiert zu werden, wobei Mikroorganismen abgetötet und Endotoxine eliminiert werden können. Dieser Prozess kann eine Mehrheit der Mikroben eliminieren, ohne den Behälter zu beschädigen. Die Vielfalt der Sterilisationsmethoden kann je nach den spezifischen Anforderungen des Labors von Vorteil sein, jedoch kann der Zeitaufwand, insbesondere bei der Trockenhitze-Sterilisation, erheblich sein. Bei der Sterilisation von Glasbehältern in Laboren besteht das Risiko von Kreuzkontaminationen, besonders wenn der Waschprozess nicht sorgfältig durchgeführt wird. Rückstände von vorherigen Inhalten können zu Kontaminationen führen, die den Sterilisationsprozess beeinträchtigen.^[1][2][3]

Im direkten Vergleich bieten Kunststoffbehälter wie die von Aqua-Laborservice durch ihre Sterilisationsmethode mittels Elektronenstrahlbestrahlung Vorteile gegenüber Glas. Diese Technologie erfordert keinen Waschschritt, der bei der chemischen Sterilisation von Glas notwendig ist, wodurch das Risiko von Kreuzkontaminationen signifikant reduziert wird. Kunststoffbehälter sind daher sofort nach dem Auspacken einsatzbereit, was sowohl Zeit- als auch Energieersparnis im Laboralltag bedeutet. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Behälter liegt in der eingebetteten Chargen-Nachverfolgbarkeit; vorbedruckte Informationen wie Strichcodes und Haltbarkeitsdaten auf den Behältern ermöglichen eine lückenlose Dokumentation und vereinfachen die Handhabung im Qualitätsmanagement. Die Sterilisation gemäß ISO 11137 sichert dabei einen Sterilitätsgrad von bis zu 10^-6, was bedeutet, dass jedes Behältnis bis zum Öffnen steril bleibt. Die integrierten Sicherheitssiegel unterbinden Manipulationen und gewährleisten so die Unversehrtheit des Inhalts.^[4][5][6]

Kosten

In der stark vereinfachten Kostenanalyse (siehe Anhang) haben wir die jährlichen Gesamtkosten von 10.878,5 Euro für die Nutzung von Mehrweg-Glasbehältern, spezifisch der Fisherbrand™ Laborflasche 250ml/500ml mit Schraubverschluss, den Gesamtkosten von 10.500 Euro für sterile 250ml/500ml Weithalsflaschen aus Polypropylen mit Originalitätsverschluss von Aqua-Laborservice gegenübergestellt. Diese Analyse zielte darauf ab, zu demonstrieren, dass die Nutzung steriler Kunststoffbehälter im Vergleich zur Vor-Ort-Sterilisation von Glasbehältern nicht zwangsläufig mit höheren Kosten verbunden sein muss. Die Gesamtkosten enthalten dabei die Amortisation der Anlagen, geschätzte Energiekosten, minimalen Wasserkosten sowie den durchschnittlichen Arbeitskosten pro Jahr für die Handhabung der Sterilisation. Diese gegenüberstellende Kostenanalyse konnte selbst in ihrer reduzierten Form offenbaren, dass die Betriebs- und Arbeitskosten oft den entscheidenden Unterschied in der Gesamtbetrachtung ausmachen. Die spezifischen Anforderungen eines Labors können die Kostendynamik jedoch erheblich beeinflussen. Trotz der vereinfachten Modellannahmen deutet die Analyse jedoch darauf hin, dass unter bestimmten Bedingungen die Gesamtkosten für den Einsatz von Kunststoffbehältern oftmals geringer ausfallen als für Glasbehälter.

Ökologischer Fußabdruck und Umweltverträglichkeit

Die Umweltverträglichkeit der Verwendung von Glas- und Kunststoffbehältern ist ein entscheidender Aspekt in der Diskussion um die ideale Materialwahl für die Wasserprobenahme. Generell weist Glas aufgrund seines größeren Gewichts, vor allem in den Phasen der Herstellung und des Transports, einen höheren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu Kunststoff auf. Die Sterilisation von Glasbehältern vor Ort verlangt einen hohen Energieverbrauch zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Hitze, was den ökologischen Fußabdruck zusätzlich erhöht. Andererseits sind Glasbehälter wiederverwendbar und können langfristig zu weniger Abfall führen. Jedoch kann die Nutzung von Einzelverpackungen für Glasbehälter zusätzlichen Müll verursachen.^{[7][8][9][10][11][12]}

Im Gegensatz dazu ermöglichen die sterilen Kunststoffbehälter von Aqua Laborservice eine Energie- und Zeiteinsparung im Vergleich zur vor Ort erfolgenden Sterilisation von Glas, was den ökologischen Fußabdruck mindern kann. Die Entsorgung von Kunststoff stellt allerdings ein Umweltproblem dar, da nicht alle Kunststoffabfälle recycelbar sind und das Material nicht biologisch abbaubar ist. Kunststoffbehälter aus HDPE, PP und PET-G weisen jedoch im Vergleich zu Glas einen geringeren ökologischen Fußabdruck auf, besonders wenn sie verantwortungsvoll recycelt werden.^[13][14]

Materialien und Recycling

Glas ist chemisch inert und kann hohen Temperaturen standhalten, was die Sterilisation von Glasbehältern vor Ort ermöglicht. Im Gegensatz dazu bietet Aqua Laborservice eine Materialvielfalt bei sterilen Kunststoffbehältern, die spezifische Vorteile hinsichtlich Chemikalienbeständigkeit, Temperaturtoleranz und Recyclingfähigkeit bieten.

In Deutschland betrug die Recyclingquote für Kunststoffverpackungen 48,8% im Jahr 2019. Unter den Kunststoffarten wird berichtet, dass die Recyclingraten von Betrieben für HDPE und PET im Vergleich zu PP höher sind. Der Markt für PET- und HDPE/PP-Recyclingkapazitäten in Deutschland wächst, mit einem Anstieg der Recyclingkapazitäten, die in Europa gemeldet wurden, und konzentriert sich auf Deutschland. Der rechtliche Rahmen in Deutschland schreibt die getrennte Sammlung von Verpackungsabfällen, einschließlich Kunststoffen, vor, die dann entsprechend sortiert und recycelt werden. Das System der Gelben Tonne wird zur Sammlung von Leichtverpackungsmaterialien, einschließlich Kunststoffen, aus Haushalten und ähnlichen Abfallerzeugern verwendet.^{[15][16][17][18]}

Recycling von Kunststoffbehältern für die Wasserprobenahme

Kunststoffbehälter für Wasserproben werden häufig aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat-Glykol (PET-G) hergestellt. PE und PP sind allgemein recycelbar, und die Recyclingtechnologie für diese Kunststoffe hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Einige der Herausforderungen bei der Sortierung und dem Recycling von PE und PP umfassen die Trennung von Farbstoffen und Additiven sowie die Vermischung mit anderen Kunststoffarten.

Das Recycling von PET-G ist im Vergleich zu PET (Polyethylenterephthalat) schwieriger. PET-G kann nicht mit PET recycelt werden, da die beiden Kunststoffe unterschiedliche Schmelztemperaturen haben und sich unterschiedlich verhalten, wenn sie erhitzt werden. Daher sollten sie getrennt gesammelt und recycelt werden, um eine Kontamination des PET-Recyclingstroms zu vermeiden.^[19][20]

Gesetzliche Regelungen in Deutschland

In Deutschland werden die Probenbehälter aus Kunststoff gemäß ihrer Inhalte durch die Abfallverzeichnis-Verordnung (AVV) kategorisiert. Behälter, die gefährliche Stoffe enthielten, werden als "Gefahrstoffe" kategorisiert, während Behälter mit nicht-gefährlichen Stoffen unter die Kategorie "Kunststoffabfälle" fallen. Das Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) verpflichtet zur grundsätzlichen Recyclingpflicht für Probenbehälter aus Kunststoff, die mit nicht-gefährlichen Stoffen gefüllt waren.^[21][22][23]

Die Entsorgung von benutzten HDPE, PETG oder PP Behältern, die für Wasserproben verwendet wurden und keine gefährlichen Stoffe enthalten, fällt nicht unter das Duale System Deutschland (DSD), da sie nicht als Verpackungsabfälle gelten. In der Regel sind Labore nicht berechtigt, diese Behälter über die gelbe Tonne zu entsorgen, da das DSD hauptsächlich für Verpackungsabfälle aus Haushalten vorgesehen ist. Die Behälter müssen über spezialisierte Entsorgungsfirmen oder kommunale Abfallwirtschaftsprogramme entsorgt werden, die oft eigene Recyclingwege für solche Abfälle haben.^[24]

Praktische Umsetzung des Recyclings

Die Entsorgung und das Recycling von gebrauchten Kunststoffbehältern in Wasserlaboren kann variieren. Spezialisierte Entsorgungsunternehmen wie REMONDIS, wir-entsorgen.de und nehlsen.com stellen geeignete Behälter zur Sammlung von Kunststoffabfällen zur Verfügung und holen diese dann ab.^{[25][26][27][28]}

Für die Entsorgung von Probenbehältern aus Kunststoff, die gefährliche Stoffe enthielten, ist eine zugelassene Entsorgungsfachfirma erforderlich, während Behälter mit nicht-gefährlichen Stoffen grundsätzlich über die kommunale Abfallwirtschaft entsorgt werden können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, diese Behälter im Rahmen eines Recyclingprogramms einer Fachfirma zu übergeben.

Das Recycling von Probenbehältern aus Kunststoff erfolgt in der Regel über die mechanische Aufbereitung, bei der die Behälter zerkleinert und zu Granulat verarbeitet werden. Dieses Granulat kann dann zur Herstellung neuer Kunststoffprodukte, wie Behälter, Folien oder Rohre, verwendet werden.^[29]

Auf den Websites des Bundesumweltministeriums und der Deutschen Umwelthilfe können Listen von zugelassenen Entsorgungsfachfirmen für Gefahrstoffe und Recyclingprogrammen für Probenbehälter aus Kunststoff gefunden werden.^[30]

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Die Wahl zwischen Glas- und Kunststoffbehältern für die Wasserprobenahme ist eine komplexe Entscheidung, die von vielen Faktoren abhängt, darunter Kosten, Effizienz, ökologischer Fußabdruck und Umweltverträglichkeit. Während Glasbehälter aufgrund ihrer Wiederverwendbarkeit und chemischen Inertheit Vorteile bieten, erfordert ihre Vor-Ort-Sterilisation einen erheblichen Energie- und Zeitaufwand. Auf der anderen Seite bieten Kunststoffbehälter von Aqua Laborservice eine sofortige Einsatzbereitschaft und Kosten- sowie Energieeffizienz, obwohl ihre Entsorgung und ihr Recycling Herausforderungen mit sich bringen können. Die gesetzlichen Regelungen in Deutschland sowie die vorhandenen Recyclingprogramme und -technologien können die Entscheidung für eines der Materialien unterstützen.

Letztendlich hängt die Wahl des idealen Materials für die Wasserprobenahme von den spezifischen Anforderungen und Prioritäten des jeweiligen Labors ab, einschließlich der Bereitschaft, in Sterilisationstechnologien zu investieren, und der Berücksichtigung der langfristigen Umweltauswirkungen.

Anhang Kostenvergleichsanalyse

Für die Berechnung dieses Vergleichs haben wir stark vereinfachte Bedingungen gewählt. Das Beispiel-Wasserlabor benötigt täglich 20 sterilisierte Behälter mit einer Füllmenge von 250ml und 20 sterilisierte Behälter mit einer Füllmenge von 500ml. Es führt täglich einen Sterilisierungszyklus dieser 40 Behälter durch, was bei 250 Arbeitstagen einen Jahresbedarf von 5.000 Behältern jeder Größe ergibt. Obwohl ein Wasserlabor üblicherweise mehr als zwei Sorten von Behältern benötigt und nicht jeden Tag exakt 40 Messungen durchführt, dienen diese Werte für den Vergleich als Grundlage.

Ein Kostenvergleich der Vor-Ort-Sterilisation der Fisherbrand™ Laborflasche aus Glas mit GL45 Schraubverschluss^[31] in den Größen 250ml und 500ml gegenüber der Nutzung einer sterilen Weithalsflasche aus PP mit Originalitätsverschluss von Aqua-Laborservice^[32][33] in denselben Größen zeigt folgendes:

Teil 1: Anschaffungs- und Betriebskosten der Sterilisationsanlagen

Anschaffungskosten: Die Anschaffung einer Sterilisationsanlage für ein mittelgroßes Wasserlabor ist eine bedeutende Investition, deren Kosten je nach Größe, Funktionen und Hersteller variieren. Für diese Analyse wird ein Durchschnittswert von 5.000 Euro angenommen.
Amortisation der Anlage: Bei einer Nutzungsdauer von 10 Jahren betragen die jährlichen Amortisationskosten 500 Euro. (5.000 Euro / 10 Jahre)
Energieverbrauch: Mit einem Energieverbrauch von 1 kWh pro Zyklus für 20 Gläser und einem Strompreis von 0,30 Euro pro kWh belaufen sich die jährlichen Energiekosten auf 150 Euro. (2 * 1 kWh/Zyklus * 0,30 Euro/kWh * 250 Tage)
Wasserverbrauch: Moderne Autoklaven sind effizient und benötigen nur 1-5 Liter Wasser pro Zyklus. Bei einem angenommenen Verbrauch von 2,5 Litern und einem Wasserpreis von 2 Euro pro Kubikmeter entstehen jährliche Wasserkosten von 2,50 Euro. (2 * 2,5 Liter/Zyklus * 0,002 Euro/Liter * 250 Tage)^[34]
Wartungskosten: Geschätzt bei 2% des Anschaffungswertes, resultieren daraus jährliche Kosten von 100 Euro. (0,02 * 5.000 Euro)
Lagerhaltungskosten: Für die Lagerung der Mehrwegbehälter wird eine Fläche für ein Regal pro Jahr benötigt, die Kosten hierfür betragen 100 Euro.
Arbeitskosten: Die Arbeitskosten sind ein wesentlicher Faktor und werden auf Basis des durchschnittlichen Bruttoarbeitslohns eines Labortechnikers in Deutschland berechnet. Dieser beträgt etwa 3.720 Euro pro Monat, wobei zusätzliche Nebenkosten von durchschnittlich 20% des Bruttoentgelts anfallen. Diese Kosten beinhalten Sozialabgaben, Steuern und weitere vom Arbeitgeber zu tragende Aufwendungen. Unter Berücksichtigung der vom Statistischen Bundesamt für das Jahr 2022 angegebenen durchschnittlichen Arbeitsstunde eines Arbeitgebers von 39,50 Euro wird ein gemittelter Stundenlohn von 30 Euro angenommen. Geht man davon aus, dass ein Labortechniker während eines einstündigen Sterilisationszyklus auch anderen Tätigkeiten nachgehen kann, werden nur die tatsächlich für die Vorbereitung und Nachbereitung aufgewendeten 30 Minuten pro Zyklus berechnet. Es ergeben sich jährliche Arbeitskosten von 7.500 Euro (2 * 0,5 Stunden * 30 Euro/Stunde * 250 Tage)^[35][36]

Zusammenfassung der Anschaffungs- und Betriebskosten: Gesamtkosten: 8.176,25 Euro, aufgeschlüsselt in Anschaffung, Amortisation, Energie, Wasser, Wartung und Arbeit.

Teil 2: Laufende Kosten für Mehrweg-Glasbehälter

Kosten für Mehrweg-Glasbehälter: Der Preis pro Behälter beträgt 7,13 Euro für 250ml und 8,26 Euro für 500ml.
Anfangsinvestition: Für eine dauerhafte Lagerung von jeweils 50 Glasbehältern entstehen Kosten von 769,5 Euro. (7,13 * 50 + 8,26€ * 50)
Bruchrate und Ersatzkosten pro Jahr: Die jährlichen Bruchkosten betragen 778,5 Euro, und die Ersatzkosten nach 40 Zyklen belaufen sich auf 1923,75 Euro. (5.000 Behälter * 7,13 Euro/Behälter * 1 % Bruchrate) + (5.000 Behälter * 8,26 Euro/Behälter * 1 % Bruchrate) + (5.000 Behälter / 40 Zyklen * 7,13 Euro/Behälter) + (5.000 Behälter / 40 Zyklen * 8,26 Euro/Behälter)

Gesamtkosten pro Jahr: 2.702,25 Euro für Bruch- und Ersatzkosten.

Teil 3: Anschaffungs- und Entsorgungskosten für Einweg-Kunststoffbehälter

Kosten für Kunststoffbehälter: Der Preis pro Behälter liegt bei 0,78 Euro für 250ml und 1,07 Euro für 500ml.
Entsorgungskosten: 0,10 Euro pro Behälter.
Lagerhaltungskosten: Für die Lagerung von Einwegbehältern wird eine Palette pro Jahr benötigt, die Kosten hierfür werden mit 200 Euro angesetzt.

Gesamtkosten pro Jahr: 10.500 Euro, inklusive Anschaffung, Entsorgung und Lagerung. (5.000 Behälter * (0,78 Euro + 0,10 Euro) + (5.000 Behälter * (1,07 Euro + 0,10 Euro) + 250 Euro)

Teil 4: Gesamtvergleichsanalyse und Entscheidungsempfehlung

Gesamtkosten für Mehrweg-Glasbehälter pro Jahr: 10.878,5 Euro, bestehend aus Betriebskosten und Bruch- sowie Ersatzkosten.

Gesamtkosten für Einweg-Kunststoffbehälter pro Jahr: 10.500 Euro.

Schlussfolgerung: Trotz der Reduktion auf ein vereinfachtes Szenario deutet die Analyse darauf hin, dass der Einsatz von Kunststoffbehältern geringere Gesamtkosten verursachen könnte als der von Glasbehältern, wobei die spezifischen Anforderungen eines Labors zu berücksichtigen sind.

[1] https://www.dwk.com/technical/sterilisation-of-glass-containers-vials

[2] https://www.adinath.co.in/articles-pharmaceutical-machinery/sterilization-of-glass-containers-in-pharmaceuticals

[3] https://trends.medicalexpo.de/galbino-technology/project-305677-444546.html

[4] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12452949/

[5] https://www.dwk.com/technical/sterilisation-of-plastic-containers-and-bottles

[6] https://www.biopharminternational.com/view/glass-or-plastic-container-material-choices

[7] https://environmentjournal.online/features/glass-is-worse-for-the-environment-than-plastic-say-researchers/

[8] https://www.goingzerowaste.com/blog/which-is-better-for-the-environment-glass-or-plastic/

[9] https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/32c0d492-b2cd-11eb-8aca-01aa75ed71a1/language-en

[10] http://www.incap.hk/glass-or-plastic-understanding-the-complete-costs-sustainability-impact/

[11] https://www.thecarycompany.com/insights/articles/glass-vs-plastic-packaging

[12] https://earth.org/glass-bottles-environmental-impact/