CIP-Technologie im Pharmabereich

Augenmerk auf parameter

09.11.2006 Hohe Anforderungen an die Validierung von Reinigungstechnik in Prozessanlagen in der pharmazeutischen Industrie führen dazu, dass die CIP-Technologie meist vollautomatisiert ausgeführt wird. Sicherheit und reproduzierbare Prozesse stehen im Vordergrund. Treten allerdings Probleme auf, so können sie auf die gesamte Produktion negative Auswirkungen haben; das wiederum führt zu höheren Produktionskosten. Wie sehen konkrete technische Lösungen für Feststoff- und Flüssigstoffaufbereitungsanlagen aus?

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CIP kann definiert werden als „Reinigung von kompletten Anlageteilen oder Leitungssystemen, ohne dass diese mit hohem Personaleinsatz auseinandergebaut oder geöffnet werden müssen“. Ein entscheidender Faktor für die einwandfreie, reproduzierbare Reinigung der Prozesstechnologie ist die Druckregelung und Durchflussmessung im Gesamtsystem. Der CIP-Prozess beinhaltet das Spülen und Reinigen von Oberflächen oder das Durchreinigen der Anlage mit einer Reinigungslösung bei erhöhter Turbulenz und Durchlaufgeschwindigkeit.

Anlage muss CIP-gerecht konzipiert sein

Eine pharmazeutische Produktionsanlage, etwa für die Aufbereitung von Feststoffen oder Liquida, enthält viele verschiedene Anlagenteile, wie Granulierer, Fließbetttrockner, Beschichtungsmaschine, Vorbereitungsbecken, Lösungs- und Lagertanks, Ventile, Verbindungsleitungen, Pumpen, Füller sowie spezielle Einzelteile. Grundsätzlich gilt: Jedes Teil besitzt seine individuellen Reinigungsbedürfnisse. Ein CIP-System muss allen Anforderungen genügen und dem Betreiber die Möglichkeit der Anpassung an wechselnde Verhältnisse geben. Deshalb ist es entscheidend, dass die jeweilige Prozessanlage gemäß Hygienic Design für CIP konzipiert ist.

Neben dem Anlagenkonzept haben folgende Parameter Auswirkungen auf das Reinigungsergebnis: Chemie (C), mechanische Durchflussdynamik (M), Zeit (t) sowie Temperatur (T). Die Summe der Parameter bestimmt ein konstantes Reinigungsresultat.
Die CIP-Parameter lassen sich variabel bestimmen, das heißt, ein Herabsetzen der Konzentration des Reinigungsmittels kann beispielsweise durch Erhöhen der Temperatur kompensiert werden.
Hauptaufgabe eines CIP-Reinigungsgerätes ist es, die Reinigungsflüssigkeit zu verteilen und mit der richtigen Durchflussmenge und dem richtigen Druck an die Oberfläche zu leiten. Durchflussmenge und Druck für das Reinigungsgerät sind dabei natürlich durch die Auslegung der jeweiligen CIP-Anlage bestimmt, das heißt, nur das einwandfreie Zusammenspiel führt zum gewünschten Ergebnis. Normalerweise werden statische Sprühkugeln oder drehbare Sprühköpfe eingesetzt. Das Hauptmerkmal der Sprühgeräte besteht darin, dass ihre Leistungskurve der einer festen Blende entspricht. Je stärker der Druck zunimmt, desto größer wird die Durchflussmenge. Wird jedoch der Druck über eine bestimmte Grenze hinaus erhöht, hat dies die Zerstäubung zur Folge. Anstelle einer Strahlreinigungslösung, die an die Oberfläche der Anlage gelangt, treibt nun eine feine Sprühwolke mit Reinigungsmittel in der Atmosphäre, jegliche Einwirkung geht dadurch verloren. Deshalb gilt es zu verhindern, dass die Anlage mit Zerstäubungsdruck betrieben wird. Um dieses zu gewährleisten, ist primär die Regelung des jeweiligen Druckes entscheidend. Alle Reinigungsgeräte, ob Sprühkugeln, Düsen, bewegliche Rotationsköpfe oder entsprechende Sonderkonstruktionen, sind auf einen exakten Druck angewiesen und haben entsprechend ihren besonderen Einsatzbereich innerhalb der Prozessanlage.

Pumpe und deren Regelung sindentscheidend

Entscheidend für ein funktionierendes CIP-System ist die Auswahl einer geeigneten Pumpe und deren Regelung. Dabei gilt es vor allem das Zusammenspiel zwischen Anwendung in der Prozessanlage und Reinigungsgerät zu berücksichtigen. Betrachtet man die Leistungskurve des reinigenden Geräts in der linken Grafik, lässt sich eine geeignete Pumpe auswählen. Ausschlaggebend ist der Schnittpunkt der Kurven von Zentrifugalpumpe und des zu reinigenden Gerätes Typ 1. Dieser Schnittpunkt legt auch den zu regelnden Druck fest.

In einem typischen CIP-Umfeld befinden sich verschiedene Prozessanlagen auf verschiedenen Etagen eines Gebäudes. Bis der Durchlaufstrom von der CIP-Anlage das zu reinigende Gerät erreicht, treten grundsätzlich statische und dynamische Druckverluste auf. Diese werden zum Teil drastisch beeinflusst von der Gebäudehöhe, der Länge des Leitungssystems und den Eigenschaften des zu reinigenden Geräts. Die rechte Grafik stellt die Eigenschaft eines zu reinigenden Geräts am CIP-Anschluss dar. Die gestrichelte Linie zeigt den Druck und die Durchflussmenge am Pumpenausgang. Die Differenz ist der Druckverlust. Das zu reinigende Gerät benötigt offensichtlich eine kleinere Durchflussmenge bei niedrigerem Druck.
Um die Eigenschaften der Pumpe mit den unterschiedlichen Betriebsanforderungen zu vereinbaren, muss die Funktionssteuerung der Pumpe angepasst werden. Dies geschieht gewöhnlich über einen Frequenzumformer. Es besteht eine Verbindung zwischen Druck und Durchflussmenge für ein zu reinigendes Gerät, d. h., der Durchfluss muss gemessen und der Pumpendruck geregelt werden. Bei größeren Anlagen mit veränderlichen Parametern hat die Funktionssteuerung der Pumpe, also der Druck am Pumpenausgang, wesentliche Bedeutung. Der Drucksensor zeigt den gesamten Druck des folgenden Systems, d.h. die Summe aus statischem und dynamischem Druck an.

Augenmerk auf Druckregelung und Volumenstrommessung

Wenn statische und dynamische Drücke von einer Reinigungsphase zur nächsten stark variieren, können falsch festgelegte Sollwerte für die Druckregelung schwerwiegende Auswirkungen haben:

  • zu kleine Durchflussmenge, bedingt durch niedrigen Einlassdruck am Reinigungsgerät;
  • Vorgegebene Durchflussmenge wird überschritten, wenn ein zu hoher Einlassdruck vorherrscht; dies führt zu Problemen beim Entleeren der Prozessanlage;
  • Zerstäubungsdruck wird erreicht oder sogar überschritten, so dass die Strahleinwirkung verloren geht.

Als Abhilfe können variable Sollwerte für den Druck eingesetzt werden; diese müssen jedoch sorgfältig bestimmt werden. Die Regelung über die Durchflussmenge hingegen ist einfach, aber alleine nicht ausreichend.

Bei der Durchflussmessung und einer entsprechenden Pumpendruckregelung müssen folgende Eigenschaften betrachtet werden:

  • Die Durchflussmenge stellt ein konstantes Volumen vom Pumpenauslauf bis zum zu reinigenden Gerät dar, unabhängig von der Länge des Leitungssystems und der statischen Höhe, da Wasser nicht komprimierbar ist.
  • Das Verhältnis zwischen Druck und Durchflussmenge für ein bestimmtes Reinigungsgerät – beispielsweise einen Sprühkopf – wird durch seine Eigenschaft bestimmt.
  • Bei jedem Reinigungsweg ist ein separater Sollwert für die Durchflussmenge im Steuersystem zu programmieren, der genau den Anforderungen des Reinigungswegs entspricht.
  • Beim Umschalten von einem zum anderen Reinigungsweg kann ohne Druckregelung ein zu hoher oder zu niedriger Druck entstehen.

Zur Durchflussmessung am Ausgang der Pumpe eignen sich besonders Massemengenmess- und Ultraschallmessgeräte oder solche ohne bewegliche Teile. Induktionsdurchflussmesser können nicht verwendet werden, da das Spülwasser – gereinigtes Wasser oder WFI – nur eine geringe Leitfähigkeit besitzt. Verglichen mit der alleinigen Druckregelung ist diese Lösung zwar kostenintensiver, doch die vorher aufgezeigten Vorteile wiegen dies bei Weitem auf.

Andere Parameter mit Einfluss auf Ergebnis

Zu den Grundlagen eines guten Reinigungsresultates gehört neben Durchfluss und Druck auch die Temperatur. Deshalb muss dieses Messergebnis ebenfalls herangezogen werden, da die Reinigung in einem vorgegebenen Temperaturbereich erfolgen soll. Leitwertmessung und pH-Erfassung stellen neben den aufgezeigten Messungen die zusätzlich notwendigen Überprüfungsparameter dar und sind je nach Reinigungskonzept die Prüfgröße für das qualifizierte Reinigungsresultat.

Gleichwohl bleibt die einwandfreie Druckregelung und Volumenstrommessung die entscheidende Größe, die in Verbindung mit der CIP-Pumpe für gleich bleibende Verhältnisse am zu reinigenden Ort sorgt.

Grundsätzlich gilt:CIP-Parameter lassen sich variabel und individuell bestimmen

Heftausgabe: November-Dezember 2006
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Über den Autor

Barnabás Kovács , Product Manager Liproline Process Solutions, Christ Pharma & Life Science
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