Die Rolle des Wassers in der Pharmazie

In der Pharmazie ist Wasser nicht gleich immer Wasser. Wasser muss für pharmazeutische Zwecke hoche Anforderungen haben ! Die Qualität des Wassers bzw. die Qualitätsanforderungen sind auch davon abhängig, welche Arzneiform hergestellt werden muss.
Ich glaube es ist klar, dass Wasser für Infusionen ganz andere Anforderungen hat als Wasser für einen Saft.

Die wichtigsten Unterscheidungen der Arzneibuchs sind für uns wohl :

  • Aqua purificata = gereinigtes Wasser
  • Aqua ad iniectabilia = Wasser für Injektionszwecke

Weitere Unterscheidungen der Arzneibuchs sind ( sind für uns aber in der Regel weniger wichtig ):

  • Aqua valde purificata = hochgereinigtes Wasser
  • Aqua ad extracta praeparada = Wasser zur Herstellung von Extrakten
  • Aqua ad dilutionem solutionum concentratarum ad haemodialysem = Wasser zum Verdünnen konzentrierter Hämodialyselösungen

Wasser als ausgezeichnetes Lösungsmittel

Bevor aber weiter auf unsere Wässer eingehen, machen wir einen kleinen Abstecher in die Chemie und klären hier was Wasser zu einen hervorragenden Lösungsmittel macht.
Dafür betrachten wir zunächst einmal das Wassermolekül. Unser Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen links und rechts. Die Form des Moleküls erinnert ein wenig an einen Boomerang, da es einen Bindungswinkel von 105° besitzt. Aufgrund dieses Bindungswinkels und der großen Elektronegativität des Sauerstoffes ist das Wassermolekül ladungsmäßig unausgewogen. Das heißt es hat eine Seite mit einer negativen und eine Seite mit einer positiven Teilladung. Die Seite des Sauerstoffs ist negativ geladen und die Seite der Wasserstoffatome ist positiv geladen. Wobei zu erwähnen ist das sich die beiden Partialladungen aufheben ! – Das Wassermolekül ist somit nach außen hin weder positiv noch negativ. Das Molekül besitzt nur unterschiedlich geladene Enden.
Das macht das Molekül zu einem Dipol. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen, ordnen sich die Wassermoleküle folgernder massen an:

Die positive Seite wendet sich der negativen Seite eines weiteren benachbarten Wassermoleküls zu oder auch umgekehrt. Und das geschieht mit allen weiteren benachbarten Wassermolekülen, . auf diese Weise ordnen sich die Wassermoleküle zu Assoziaten (=Verbänden) an. Der Zusammenhalt solcher Verbände ist so groß, dass sie sich tatsächlich wie ein Teilchen verhalten.

Die Bindungen zwischen den einzelnen Wasserteilchen werden als Wasserstoff-Brücken bezeichnet.
Die Wasserstoff-Brückenbindung ist eine besondere Form der Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Diese „Verbindung“ tritt nur auf, wenn Moleküle vorliegen, die eine Atombindung zwischen Stickstoff, Flour oder Sauerstoff und Wasserstoff beinhalten – so wie auch bei unserem Wasser.
Vor allem für die Eigenschaften des Wassers (z.B. Oberflächenspannung) sind diese Wechselwirkungen wichtig !
Im festen Aggregatzustand (also Eis) ist die Anzahl der Wasserstoff-Brücken größer als im flüssigen, im gasförmigen Zustand ( Wasserdampf) sind sogar gar keine vorhanden !

Anordnung von Wassermolekülen
Dielektrizitätskonstante

Betrachten wir zunächst mal die Bindungskräfte in Kristallgittern von Feststoffen. Diese beruhen auf elektrostatischer Anziehung von ungleichnamigen Ladungen oder auch Teilladungen.
Im Raum wirken dann zwischen positiven und negativen Ladungen auf geladene Teilchen ein, dies wird auch als elektrisches Feld bezeichnet.

Je größer die beiden Ladungen und je kleiner ihr Abstand von einander ist, desto größer sind die Kräfte im eletrischem Feld.

Bringen wir Wassermoleküle in ein elektrisches Feld , so werden diese nicht in Richtung des Feldes bewegt. Das liegt eben daran, dass sie nach außen hin ungeladen sind.
Allerdings haben sie ja, wie wir wissen, einen Dipolcharakter – dadurch richten die sich auf eine bestimmte Weise aus: Das negativ geladene Ende richtet sich zum Pluspol aus, und das positive Ende zeigt zum Minuspol.

Die umgekehrte Polung der Wassermoleküle bewirkt, dass das elektrische Feld abgeschwächt wird und und sich die Kräfte zum größten Teil aufheben.
Somit ist die Dielektrizitätskonstante ein Maß für die Verringerung der Anziehungskräfte. Der Wert für Wasser ist übrigens 81. Diese Zahl bedeutet , dass sich die Anziehungskräfte in Wasser zwischen den zwei Ladungen auf 1/81 reduzieren.

Der Lösungsvorgang im Wasser

Wir wollen jetzt ein Salz (z.B. NaCl) in Wasser lösen. Nun ist es so, dass in polaren Lösungsmitteln, wie eben unser Wasser, zuerst die Gitterstruktur unseres Salzes zerstört wird und die einzelnen Ionen liegen hydratisiert vor.

Das bedeutet die einzelnen Ionen werden von den Wassermolekülen aus ihrer Gitterstruktur „raus gezogen“ indem sich die Wassermoleküle um das Anion oder Kation legen. Dabei wendet sich der negativ geladene Teil eines Wassermoleküls sich einem Kation (positiv geladen) zu, oder eben der positiv geladene Teil des Moleküls wendet sich einem Anion (negativ geladen) zu. Und so lagern sich die Wassermoleküle nebeneinander um das ganze Ion an und lösen damit die Ionen aus der Kristallstruktur.
Was hier entstanden ist nennt man Hydrathülle – deshalb reden wir auch von hydratisierten Ionen.

Hydrathüllen

Trinkwasserqualität

Ausgangsprodukt für unsere Wässer ist unser gewöhnliches Trinkwasser. Und Trinkwasser wird aus dem Ausgangstoff Wasser gewonnen. Etwas verwirrend, das gebe ich zu. Ich spreche hier von unbearbeiteten Wasser, so wie man es in der Natur finden würde.
Diese Wasser enthält noch lösliche und partikuläre Verunreinigungen. Zu löslichen Verunreinigungen zählen zum einen Mineralsalze, organische Verbindungen aus dem Stoffwechsel und abgestorbenen Zellmaterial von Organismen und auch Gase, wie zum Beispiel CO2.
Partikuläre Verunreinigungen wären Partikel aus anorganischem Material oder auch Partikel aus organischem Material, wie abgestorbenes Zellmaterial oder vermehrungsfähige Organismen (z.B.Keime).
Wasser wird natürlich „gereinigt“ um das für uns trinkfähige Wasser aus der Leitung zu gerinnen.

Doch unser Trinkwasser beinhaltet immer noch Verunreinigungen. Doch längst nicht mehr so viele. Um die Qualität unseres Trinkwassers zu sichern, hat es auch einige (mikrobiologische) Anforderungen :

ParameterTrinkwasser-Verordnung
Krankheitserregernicht nachweisbar
E. coli (fäkale Coliforme)in 100 ml nicht nachweisbar
Coliformein 100 ml nicht nachweisbar
Koloniezahlen
bei 37 °C
bei 22 °C
</= 100 / ml

Qualität an Trinkwasser

Wie gesagt wird die Qualität an Trinkwasser durch die Trinkwasser-Verordnung geregelt.
Anforderungen die Trinkwasser außerdem hat sind, dass es farb- und geruchslos sein muss und es muss ebenfalls einen erfischenden Geschmack besitzen. Klingt vielleicht zunächst etwas banal, ist aber überaus eigentlich überaus wichtig. Wer möchte gerne Wasser trinken, dass nach Chlorgas riecht ?
Un natürlich muss es frei von gesundheitsschädlichen Organismen sein (z.B. Bakterien), sowie frei von schädlichen chemischen Stoffen ( z.B. Arsen, Blei)

Aqua purificata

Aqua purificata (= gereinigtes Wasser) ist das für un in der Rezeptur am meisten verwendete Wasser. Gewonnen wird es aus Trinkwasser mit Hilfe bestimmtes Verfahren:

  • Destillation (1)
  • Demineralisation (2)
  • Umkehrosmose
  • oder andere geeignete Methoden
Destillation (1)

(= Aqua destillata)
Hier wird übliches Trinkwasser zum Sieden erhitzt, sodass sich Wasserdampf bildet. Zur Erinnerung in unserem Trinkwasser sind gelöste Salze und organische Verunreinigungen enthalten, diese gehen beim sieden nicht mit dem Wasserdampf mit.
Unser Wasserdampf wird anschießend abgekühlt, womit er wieder zu (destillierten) Wasser kondensiert. Somit erhalten wir nun „reines“ Wasser.

Ein Beispiel zur Veranschaulichung:

CAVE:
Durch Überspritzen/-kriechen können immer noch sehr geringe Mengen an Fremdstoffen im Destillat enthalten sein.

Destiliertes Wasser kann für alle Reagenzien und alle Medikamente, außer Injektionen, Infusionen, Augentropfen und evtl. Nasentropfen verwendet werden.

Demineralisation (2)

Auch bei der Herstellung von demineralisierten Wasser brauchen wir zunächst ein mal Trinkwasser. Im Trinkwasser sind ja immer noch organische Verunreinigungen und anderen gelöste Stoffe enthalten. Hier konzentieren wir uns aber vor allem auf die gelösten Anionen und Kationen.

Unser Trinkwasser wird hier durch einen Ionenaustauscher geschickt und das ist eigentlich alles. So bekommt man destilliertes Wasser – in dem allerdings immer noch organische Verunreinigungen enthalten sind !

Doch wie funktioniert so ein Ionenaustauscher ?

Das Ziel unseres Ionenaustauscher ist ja die Entfernung der im Wasser gelösten Salze, den anorganischen Stoffen ! Das heißt also: Wasser mit Anionen, Kationen und organischen Stoffen geht in den Ionenaustauscher rein, und nur Wasser und organische Stoffe kommen wieder raus…

Beispiel für Ionen im Wasser:
Kationen: Mg2+; Na+; Ca2+; K+ …..
Anionen: Cl-; SO4^(2+); Co3^(2-); NO3-; HCO3-

Vorstellen könnt ihr euch einen Ionenaustauscher so:
Vielleicht kennt ihr diese Wasserfilterkannen für zu Hause. Darin sind Kartuschen mit kleinen Perlen/Steinchen, diese Filtern dann das Wasser. So ähnlich wie im inneren der Kartusche, sieht es auch im Ionenaustausche aus – die Kügelchen hier bestehen allerdings aus Kunstharz.

Kunstharz ist im Wasser unlöslich. Und das Kunstharz ist ein Makromolekül in dem viele austausch-aktive Gruppen vorhanden sind. Um die Ionen auszutauschen lässt man die Flüssigkeit, in unserem Fall das Wasser, durch ein Granulat auf Kunstharzaustauschern laufen. Durch das Granulat haben wir eine größere Oberfläche, ergo können auf dieser Oberfläche mehr Ionen ausgetauscht werden.

  1. Kationenaustauscher

Beim Kationen-Austausch besitzt der Kunstharz als austausch-aktive Gruppen freie Säurereste. Somit ist das Kunstharzgerüst mit H+ beladen.
Wir lassen jetzt unser Wasser, welches natürlich auch Kationen wie zum Beispiel Na+-Ionen besitzt, durch das Kunstharz fließen. Die an der Oberfläche des Kunstharz sitzenden Protonen werden durch Na+ ausgetauscht. Folglich ist das Na+ nun an das Kunstharz gebunden und in unserem Wasser ist statt Na+ nun H+ enthalten.

2. Anionenaustauscher

Der Anionen-Austausch läuft im Grunde genau so ab. Nur das hier halt Anionen und nicht Kationen ausgetauscht werden. An unserer Kunstharzoberfläche befinden sich nun OH- -Ionen. Wenn unser Wasser mit den beinhalteten Anionen, wie zum Beispiel Cl-, nun durch den Kunstharzaustauscher fließt, ersetzten sie diese Hydroxid-Ionen. Das Hydroxid bleibt dann im Wasser.

Getrenntbett-Verfahren

Beim Getrenntbett-Verfahren wird der Anionen- und Kationen-Austausch nacheinander durchlaufen.

Mischbett-Verfahren

Beim Mischbett-Verfahren werden beide Ionenaustauscher in einer Patrone durchgeführt.

Hier nochmal alles zum Ionenaustausch in einem anschaulichem Video:

Regeneration des Ionenaustauschers

Irgendwann erschöpfen die Ionenaustauscher-Kartuschen natürlich. Da durch die gelösten Ionen im Wasser, es erst wirklich Leitfähig wird, kann man die Erschöpfung der Ionenaustauscher-Kapazität durch die Feststellung der Leitfähigkeit überprüfen.
Sind keine Ionen vorhanden, ist unser Wasser folglich nicht leitfähig und alles ist noch im grünen Bereich. Sollte das Wasser doch Ionen enthalten und somit Leitfähig sein, rutscht die Anzeige in den orangenen bis hin zum roten Bereich.

Ist eine Ionenaustauscher-Patrone erschöpft, ist er kein Hexenwerk ihr Funktionalität wieder herzustellen. Das Kunstharz muss jediglich mit Natronlauge und/oder Salzsäure behandelt werden.

Demnach brauchen für den Anionenaustauscher Natronlauge, da diese OH- -Ionen liefert. Beim Kationenaustauscher benötigen Salzsäure, da diese H+ liefert.

Verwendung von Demineralisiertem Wasser

Demineralisiertes Wasser kann für die meisten Reagenzien verwendet werden und für alle Medikamente außer: Injektionen, Infusionen, Augentropfen und evtl. Nasentropfen.

CAVE
Demineralisiertes Wasser muss vor der Verwendung zur Herstellung von Arzneimitteln mind. 5 Minuten sprudelnd kochen !!! Und hinterher abgedeckt abgekühlt werden.
Das abgekochte Wasser ist dann maximal 24 Stunden verwendbar ( gilt auch für destilliertes Wasser)

Aqua ad iniectabilia

Wasser für Injektionszwecke wurde sterilisiert sein – und daher auch im Gegensatz zu den zwei vorherigen Wassern auch pyrogenfrei sein ! Pyrogenfrei bedeutet es ist frei von fieber-erzeugenden Stoffen, wie zum Beispiel Bakterien oder Virenbestandteile.

Hergestellt wird es in speziellen Destillationsapparaturen. Bei uns im Schullabor können wir es zum Beispiel mit Hilfe eines Muldestors herstellen.

Verwendet wird dieses Wasser für Injektionen, Infusionen, Augentropfen und evtl. Nasentropfen.

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