Herausforderung Biotech

Aufbereitung von kritischem Abwasser

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10.03.2008 Die Biotechnologie spielt innerhalb der Pharmaindustrie eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere Impf- und therapeutische Wirkstoffe werden heute vielfach mit Hilfe biotechnologischer Verfahren produziert. Das bedeutet auch, dass den biologisch kontaminierten Abwässern aus diesen Prozessen erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt werden muss. Welche Wege in der Dekontamination derzeit beschritten werden und welche Vorteile Systeme bieten, bei denen alle Schritte von der Reinstwassererzeugung bis zur Abwasserentsorgung in einer Hand liegen, stellt dieser Beitrag vor.

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Entscheider-Facts


  • Systeme zur Sterilisierung des Abwassers in biotechnologischen Anlagen sind bereits heute häufig vorgeschrieben beziehungsweise unerlässlich.
  • Vollautomatische, qualifizierte Chargensterilisations- oder kontinuierliche Systeme sorgen für einen zuverlässigen Betrieb und sind je nach Anwendungsfall an die nutzerspezifischen Bedingungen anzupassen.
  • Die Zusammensetzung des Abwassers und dessen Menge entscheidet über den Einsatz von chemischen oder thermischen Anlagen, also auch über die Bauform und das Verfahren. In Frage kommen Batch- oder kontinuierliche Dekontaminationsanlagen.
  • Modulare Herstellersysteme, wie die Liproline-Reihe, verbinden die Reinstwassererzeugung und -verteilung mit der Abwasserbehandlung und stellen Sicherheit an oberste Stelle.

Je nach Biosicherheitsklasse (BL 1, BL 2 oder BL 3) müssen alle Abwässer einer Biotechnologieanlage so aufbereitet werden, dass keine Mikroorganismen in die Werksabwasseranlage und von dort in die Umwelt gelangen können. Die Dekontamination des Abwassers erfolgt in der Regel über thermische oder immer seltener über chemische Verfahren. Die Anlagen dafür sind als Batch- oder kontinuierliche Sterilisationssysteme ausgeführt.

Kontinuierlich oder Batch?

Kontinuierliche Anlagen sind dabei meist für BL-1– beziehungsweise maximal BL-2-Abwässer im Einsatz. Für BL-3-Abwässer hingegen werden in der Regel Batch-Systeme mit speziellen Sicherheitskonzepten eingesetzt. Hier stellen beispielsweise Dampfsperren in allen Medien- und Transportrohrleitungen sicher, dass kontaminierte und sterile Bereiche zuverlässig voneinander getrennt sind. Dies erfolgt durch die Rückführung aller Sperrflüssigkeiten sowie Dampfkondensaten in die Abwassersammelbehälter. Vakuumsysteme im Autoklaven gewährleisten, dass die Luft vollkommen evakuiert wird. Gleichzeitig ermöglichen sie ein gleichmäßiges Aufheizen aller Bereiche des Autoklaven sowie des Abwassers auf die vorgegebene Sterilisationstemperatur. Darüber hinaus wird bei BL-3-Systemen zumeist mit einer hohen Temperatur (125°C) sterilisiert; dies sorgt für zusätzliche Sicherheit.

Das Abwasser selbst stellt häufig eine Mischung aus Gärrückständen dar, belastet mit entsprechenden Mikroorganismen sowie Spül- und CIP-Abwässern. Es kann darüber hinaus stark variieren und sogar größere Partikel, etwa Bruchstücke von Verpackungen oder Kunststoffgegenständen, enthalten. Deshalb müssen derartige Anlagen sehr robust, aber auch äußerst sicher konzipiert werden. Die Behandlung der biologischen Abwässer stellt somit eine Schlüsselfunktion in der biotechnologischen Produktionsanlage dar.
Die Anforderungen an eine Dekontaminationsanlage sind

  • jederzeit 100-prozentig steriles Abwasser,
  • validierter und dokumentierter Prozess,
  • vollautomatischer Rund-um-die-Uhr-Betrieb möglich,
  • kurze Chargenzeiten,
  • geräuscharmer Betrieb,
  • minimale Unterhaltungskosten,
  • wartungsarmer Betrieb und
  • möglichst geringer Energieeinsatz.

Thermische oder chemische Dekontamination?

Die Frage, ob bei der Dekontamination thermische oder chemische Verfahren zum Einsatz kommen sollen, stellt sich bei jedem Prozess neu und kann nur über die Zusammensetzung des Abwassers beantwortet werden. Das heißt, je „gefährlicher“ und variabler die Zusammensetzung des Abwassers ist, desto sicherer muss die Abwasserbehandlung gestaltet sein. So ist es durchaus möglich, dass der gesamte Produktionsprozess und die daraus anfallenden Abwässer getrennt werden. Nur leicht kontaminierte Abwässer werden chemisch behandelt und dann neutralisiert. Die hingegen meist kleinere Menge der hoch kontaminierten Abwässer wird einer thermischen Behandlung unterzogen. Thermische Batch-Anlagen bieten in der Regel auch die Möglichkeit , im Notfall eine chemische Dekontamination durchführen zu können. Dieses System bietet sozusagen „Gürtel und Hosenträger“ für den Fall der Fälle.

Zusammenfassend erfüllen sowohl Batch- als auch kontinuierliche Systeme alle genannten Anforderungen. Darüber hinaus erlauben Batch-Systeme eine einwandfreie Dokumentation jeder Charge. Der sterile Zustand jeder Abwassercharge kann dabei mit Hilfe der Prozesssteuerung und der Entnahme von Proben kontrolliert und dokumentiert werden. Um den Dauerbetrieb und eine hohe Durchlaufleistung zu garantieren, lassen sich Chargenbetriebssysteme auch als Doppelanlagen für den Parallelbetrieb konzipieren, so dass immer eine Anlage sterilisiert wird, während die zweite im Abkühlmodus arbeitet. Bei diesem Parallelbetrieb ist bereits eine Wärmerückgewinnung möglich, doch liegt diese durch den Einsatz von Rekuperatorenwärmeübertragern nur im Bereich von 40 bis 50% der eingesetzten Energie.
Kontinuierliche Anlagen haben dagegen einen wesentlichen Vorteil bei den Betriebskosten, da eine höhere Wärmerückgewinnung zwischen Aufheiz- und Abkühlstrecke möglich ist. Hier werden je nach Auslegung und Differenz zwischen Sterilisationstemperatur und Temperatur des belasteten Abwassers Werte zwischen 80 und 90% erreicht. Weil bei kontinuierlichen Anlagen jedoch eine eindeutige Zuordnung der Chargen nicht gewährleistet ist, werden diese Anlagen in der Regel nur für schwach kontaminierte Abwässer eingesetzt. Zudem sollte ein ausreichend großer, kontinuierlicher Abwasserstrom (>2–5m³/h) zur Verfügung stehen.

Anwenderorientiert von A bis Z für reibungslosen Betrieb

Um den unterschiedlichen Nutzerbedürfnissen gerecht zu werden, sollten Dekontaminationsanlagen modular aufgebaut und individuell geplant sein. Grundsätzlich gilt hier wie immer in den sensiblen pharmazeutischen und biotechnologischen Bereichen: Je weniger Schnittstellen bei Planung und Bau der Anlagen nötig sind, desto sicherer arbeitet letztendlich das System. Gesamtsysteme, die die Reinstwasser- und Reinstdampfversorgung mit umfassenden Prozesslösungen wie der Abwasserbehandlung kombinieren, gewährleisten höchstmögliche Sicherheit. So entsteht nach dem Turnkey-Konzept eine komplette pharmazeutische Fertigung aus einer Hand. Das bedeutet: rasche und schnittstellenreduzierte Projektabwicklung, integrierte Steuerungssysteme mit PLC-Steuerung, die einen wartungsfreien und vollautomatischen Betrieb ermöglichen, sowie eine einheitliche, vollständige Dokumentation der gesamten, GMP-konform gefertigten Anlage. Auch Ausführungen mit Erfüllen der Dokumentationsschritte gemäß 21 CFR Part 11 sind hier problemlos integrierbar.

Verfahrenstechnischer Aufbau des Batch-Verfahrens

Beim Batch-Verfahren wird das Abwasser in einem Puffertank gesammelt. Je nach Füllstand des Tanks wird es mit Pumpen in den Sterilisationsautoklaven gefördert. Gesättigter Dampf heizt das Abwasser auf und sterilisiert es bei Temperaturen von mehr als 121,5°C. Konstruktion und Platzierung der Dampfzufuhr sind kritisch für die gesamte Prozessabwicklung sowie den Geräuschpegel des Verfahrens. Um eine Geräuschreduktion, eine hohe Zuverlässigkeit und das gleichmäßige Aufheizen der Gesamtanlage zu erreichen, sollte diese mit einem Vakuumsystem ausgestattet sein. Dabei wird die Autoklavenkammer vor dem Sterilisationsprozess mit Hilfe der Vakuumpumpe evakuiert. Dadurch ist während der Sterilisation gewährleistet, dass die gewünschten Temperaturen an allen Oberflächen im Autoklaven sowie in den Abluftkanälen zuverlässig erreicht werden. Das führt auch zur endgültigen Zerstörung der dort festgesetzten Mikroorganismen. Eine einwandfreie Sterilisation, bei der die Temperatur üblicherweise zwischen 125 und 135°C liegt, ist aus diesem Grund garantiert. Der Prozess ist dann erfolgreich abgeschlossen, wenn diese Temperatur zwischen 20 bis 30min an allen Stellen eingehalten wurde. Alle Sterilisationsparameter sind dabei frei konfigurierbar, Veränderungen werden entsprechend dokumentiert und im Prozess registriert. Das heißt, jedes biologische Abwasser wird mit der optimalen Zeitdauer und Temperatur behandelt, jeder Prozess inklusive Ergebnis vollumfänglich dokumentiert.

Einen weiteren kritischen Punkt derartiger Anlagen stellt die erwähnte Behandlung der Abluft der Autoklavenkammer dar. Sie kann zu Geruchsbelästigung führen und darüber hinaus mit Mikroorganismen kontaminiert sein. Die Abluftbehandlung erfolgt in modernen Anlagen deshalb in zwei Schritten. Zunächst werden die Mikroorganismen durch eine Sterilfiltration zurückgehalten; im Anschluss sorgt eine Desodorierung für das Beseitigen eventueller Gerüche. Die Abluftkanäle werden während jeder Sterilisation ebenfalls erhitzt und damit dekontaminiert. Durch die Rückführung des anfallenden Kondensats in das Puffersystem können grundsätzlich keine nicht-sterilen Bestandteile nach außen gelangen. Sofern alle Prozessparameter beim Sterilisieren eingehalten werden, kühlt das sterile Abwasser mit Hilfe eines Plattenwärmeübertragers ab. Ist dabei dann eine Temperatur von etwa 40°C erreicht, entleert sich der sterile Inhalt des Autoklaven automatisch ins Abwassersystem. Der Autoklav ist somit bereit, den nächsten Dekontaminationszyklus automatisch zu starten.
Da einige Abwässer, wenn sie mit Dampf aufgeheizt werden, Schaum bilden, wird in solchen Anwendungsfällen eine Antischaum-Dosierungsanlage in der Saugleitung der Förderpumpe installiert. Aufheiz- und Abkühlzeiten sowie der Einsatz von Vakuumschritten müssen dabei exakt abgestimmt werden, um auch bei solchen Prozessen den optimalen Energieeinsatz und die maximalen Durchsatzmengen zu erreichen. Da unter Umständen heute nicht bekannt ist, welche mikrobiologischen Substanzen morgen zu behandeln sind, sollten derartige Gesichtspunkte schon in der Planungsphase für eine Abwasserbehandlungsanlage so weit wie möglich berücksichtigt werden.

Liproline-System folgt Turnkey-Gedanke

Die Abwasser-Dekontaminationsanlagen aus der Liproline-Reihe, die auch Mischbehälter, Ansatzlinien und CIP/SIP-Systeme umfasst, sind wahlweise als vollautomatisches Batch- oder kontinuierliches Verfahren ausgelegt und können sowohl chemische als auch thermische Verfahren als Prozessbasis haben. Das inaktivierte Abwasser kann über das normale Werksabwassernetz entsorgt werden. Optional lässt sich eine Abluftreinigung ergänzen, die Geruchsbelästigungen vermeidet. Mit den Liproline-Systemen für Abwasseraufbereitung wird den Lösungen das Wasser entzogen und das zu entsorgende Material stark reduziert. Darüber hinaus sorgt die spezielle Verdampfertechnologie für eine Inaktivierung bestimmter Wirkstoffe. Je nach Anwendung kann diese auch mit den UV-Geräten der Liproline-Baureihe durch eine kostengünstige UV-Oxidation vorgenommen werden.

Reibungslose Inbetriebnahme spart Zeit und Kosten

Da für Reinstwasser- und Dekontaminationsanlagen die Vorschriften bezüglich biologischer Sicherheit gelten, müssen umfangreiche Installations- und Funktionstests durchgeführt werden. Hierbei sind neben dem Einhalten der Druckbehälterverordnung auch Schweißnaht-überwachungen mit Probenähten, Endoskopie sowie eventuell Röntgenkontrollen erforderlich.

Wie bei allen pharmazeutischen Anlagen steht vor dem Anlagentest eine Installations-Qualifizierung mit Überprüfung aller Einzelpunkte von Materialzertifikaten bis hin zu Loopchecks und Alarmmeldungen der SPS. Während des FATs (Factory Acceptance Test) wird dann ein Temperaturabbildungstest an speziell festgelegten Stellen der Anlage durchgeführt, um den gesamten Sterilisationsprozess zu validieren. Geprüft wird dabei unter anderem eine Zwangsunterbrechung des Prozesses, um aufzuzeigen, dass der Sterilisationsprozess danach wieder korrekt einsetzt.
Ein Test der Gesamtanlage unter Volllast ist bereits beim Hersteller notwendig; nur so lassen sich alle späteren Einflüsse des Systems sicher prüfen. Die Gesamtqualifizierung der Abwasseranlage ist wie bei jeder Sterilproduktionsanlage unerlässlich, um den behördlichen Anforderungen gerecht zu werden. Umfangreiche Qualifizierungsunterlagen für IQ und OQ werden von Herstellern bereitgestellt und gemeinsam mit dem späteren Anwender im Rahmen des FATs schon im Werk geprüft.

Bei den anschließenden Funktionstests vor Ort werden die Anlagen an alle Versorgungssysteme der Produktionsstätte angeschlossen und unter realen Bedingungen getestet sowie dokumentiert. Dieser so genannte SAT (Site Acceptance Test) beinhaltet alle Funktionstests von Anlagenteilen, die nach dem FAT demontiert und vor Ort neu elektrisch verbunden wurden. Darüber hinaus werden vor Ort alle Tests hinsichtlich Druck und Volumenströmen unter „realen“ Kundenbedingungen – also mit den vorhandenen Medienanschlüssen – durchgeführt und die sichere Funktion der Anlage überprüft. Danach beginnen die ersten so genannten Wasserfahrten, bei denen nochmals Wärmeverteilung und Temperaturverhältnisse der Anlage geprüft und dokumentiert werden. Erst nach diesem validierten Nachweis ist die Anlage betriebsbereit für die ersten vollautomatischen Fahrten mit dekontaminiertem Wasser.

Heftausgabe: März 2008

Über den Autor

Helmut Sommer , Leiter Vertrieb und Projektabwicklung,
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