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Komplette Elimination von Sprühschatten in Bioreaktoren

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10.10.2012 Ein möglichst vollständig automatisierter und lückenlos validierter CIP (Cleaning-In-Place)-Prozess ist eine Grundvoraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb von pharmazeutischen und biotechnologischen Anlagen. Dabei ist die Reinigung ebenso strengen Qualitätskriterien unterworfen wie der Produktionsschritt selbst. Speziell für den CIP-Prozess konzipierte Komponenten wie das Jet CIP Valve erhöhen die Qualität der Reinigung und ermöglichen höchste Validierungsstandards.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Die moderne Alternative zur herkömmlichen CIP-Reinigung bilden Jet CIP Valves. Diese Ventile werden meist in Kombination mit den Sprühkugeln verwendet.
  • Je nach Größe und Geometrie des Fermenters und der dazugehörigen Einbauten werden ein oder mehrere Ventile in den unteren Bereich des Kessels montiert. Dadurch wird die Reinigung des Kessels von unten ermöglicht.
  • Das Reinigungsmittel wird über eine Flach- oder Kegelstrahldüse versprüht. Die Sprührichtung und der Sprühwinkel werden so ausgerichtet, dass der Strahl den Rührer oder andere Einbauten von seitlich unten abspritzt.
  • Während der Kultivationsphase bleibt das Ventil statisch und kesselbündig abgedichtet und entspricht somit allen Vorgaben der Zulassungsbehörden.

In der Biotechnologie müssen höchste Hygiene- und Reinheitsstandards eingehalten werden. Die gründliche Reinigung von Bioreaktoren und Fermentationsanlagen verhindert nicht nur Kreuzkontaminationen bei Mehrzweckanlagen, sondern ist auch der erste Schritt zu reproduzierbaren Fermentationen. Gerade in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, aber zunehmend auch in anderen Industriezweigen, unterliegt die Anlagenreinigung den Vorgaben der current Good Manufacturing Practice (cGMP), der Food and Drug Administration (FDA), der European Hygienic Equipment Design Group (EHEDG) oder anderen regionalen oder überregionalen Zulassungsbehörden.

Bei der Anlagenreinigung wird nicht nur der Reaktorkessel mit geeigneten Lösungen gespült, sondern auch alle Zudosierleitungen, Zu- und Abluftrohre mit den entsprechenden Ventilen und Filtern sowie Ernte- und Probenahmeventile müssen reproduzierbar gereinigt werden.

Reinigung erfolgreich?

Bei validierten Systemen dürfen nach der Reinigung nachweislich keine Reste der Ausgangsstoffe oder des Produkts oder Spuren des Reinigungsmittels über die definierten zulässigen Konzentrationen hinaus vorhanden sein. Der Grad der Sauberkeit muss in engen, genau definierten Grenzen reproduzierbar erreicht und nachgewiesen werden. Dazu werden am Ende der Reinigung Proben durch Abwischen der Oberfläche (Swab-Test) entnommen. Probenahme der Spüllösung gibt Aufschluss über den Reinheitsgrad in schwer zugänglichen Bereichen. Geeignete Analysemethoden sind etwa Messung der Leitfähigkeit, des pH-Werts der optischen Dichte, des Proteingehalts oder der biologischen Belastung.

Für die Validierung müssen schwer zu reinigende Stellen der Anlage definiert werden. Dafür wird die Anlage mit Protein verunreinigt. Nach Einfärben des Proteins und einem Spülgang können die schwer reinigbaren Stellen visuell identifiziert werden. Nach der CIP-Reinigung werden die definierten Stellen speziell untersucht. Für diese Analyse sollte der gereinigte Teil der Anlage während der Validierungsphase nach Möglichkeit weitestgehend in Einzelteile zerlegt werden. Nach der Validierung muss vollständig dokumentiert werden, dass kritische Parameter, wie die Temperatur, die Reinigungsmittelkonzentration, die Einwirkzeit, die Anzahl der Spülgänge und die Flussrate, bei jeder Reinigung reproduzierbar erreicht werden.

Die Reinigung der Anlage kann über mobile Behälter und Verbindungen oder voll automatisiert über feste Rohrleitungen und Tanks erfolgen. Die erste Methode ist platzsparender und flexibler. Sie kommt hauptsächlich in kleineren Anlagen zur Anwendung, besonders wenn mehrere Reaktoren auf engem Raum gereinigt werden müssen. Automatisierte Reinigung vor Ort erleichtert die Reproduzierbarkeit und ermöglicht die Validierung des Reinigungsprozesses. Die Integration des Reinigungskreislaufs in vollständig geschlossen betriebenen Anlagen erhöht außerdem die Betriebssicherheit.

Die Wahl der Reinigungsmittel stellt einen zentralen Faktor in der Planung des CIP-Prozesses dar. Da die Verunreinigungen immer organischer Natur und durch den Sterilisationsprozess häufig an den Rändern eingetrocknet oder sogar eingebrannt sind, erfolgt die Reinigung meist mit verschiedenen, sukzessiv verwendeten Lösemitteln. Diese müssen nach dem Reinigungsschritt oft auch neutralisiert werden.

Verschiedene Parameter beeinflussen die Reinigung

Die Effizienz des Reinigungsprozesses hängt aber nicht nur von den Eigenschaften der verwendeten Reinigungsmittel ab, sondern auch von der Temperatur, von der Einwirkzeit und von hydromechanischen Faktoren ab. Die Reinigung von Reaktoren kann mit Niederdruck-CIP (bis 3 bar), Mitteldruck-CIP (bis 10 bar) oder Hochdruck-CIP (25 bis 60 bar) erfolgen. In biotechnologischen Anlagen wird meist die Niederducktechnik angewendet, um Sonden, Berstscheiben oder andere Installationen zu schonen und Aerosole zu vermeiden.

CIP-Sprühdüsen werden als statische, rotierende oder höhenverstellbar rotierende Einbauten verwendet. Rotierende Sprühdüsen zeichnen sich durch einen geringen Reinigungsmittelverbrauch aus, sind aber in sterilen Bereichen ungünstiger – insbesondere da deren Validierungsmöglichkeiten oft unzureichend sind. Daher haben sich in der Biotechnologie statische CIP-Sprühköpfe durchgesetzt.

Sprühkugeln sind zumeist im oberen Teil des Reaktors oder im Reaktordeckel montiert. Dadurch erfolgt die Besprühung ausschließlich von oben. Aufgrund der für biotechnologische Zwecke notwendigen Einbauten wie den Strombrechern oder dem Rührwerk mit Propeller- oder Scheibenrührern kann es jedoch zur sogenannten Schattenbildung kommen. Dies bedeutet, dass bei dem Besprühen durch die CIP-Sprühkugel Bereiche des Kesselinnenraums nicht erreicht werden können, da die Einbauten den Reinigungsmittelstrahl dementsprechend ablenken. Diese Bereiche müssen als schwer zu reinigende Stellen qualifiziert werden.

Sicherheit muss sein

Früher wurden die Sprühschatten umgangen, indem der Reaktorkessel vollständig oder teilweise mit Reinigungslösung befüllt und dann erhitzt wurde. Dies stellte aber nicht nur eine signifikante Verringerung der Betriebssicherheit dar, sondern war wegen des enorm hohen Verbrauchs an Reinigungsmitteln ökonomisch unvorteilhaft und ökologisch hochgradig bedenklich. Da­rüber hinaus verlängert sich insbesondere bei Kesseln mit großen Volumina durch mehrfaches Füllen und Entleeren die Reinigungszeit erheblich. Das Verlegen von CIP-Lanzen im Kessel, die das Rührwerk von unten besprühen, ist ein anderer Ansatz. Diese werden entweder fix verrohrt oder während der Reinigung eingebracht und danach wieder entfernt. Zwar ist festes Verrohren bezüglich Validierung um einiges einfacher, jedoch ist aufgrund der zusätzlichen Fläche der Einbauten und deren Sprühschatten fraglich, ob damit überhaupt ein positiver Effekt erzielt wird. Die temporäre Installation einer CIP-Lanze für die Reinigung von unten kommt zwar theoretisch mit weniger Einbaufläche aus, allerdings birgt der ständige Ein- und Ausbau von Komponenten nicht nur ein erhöhtes Risiko für den Betreiber (Personenrisiko, Risiko Beschädigung der Anlage), sondern ist in der Regel auch ein sehr zeitintensiver Prozess, der meist nicht befriedigend validiert werden kann.

Ventile mit Sprühkugeln kombiniert

Die moderne Alternative bilden Jet CIP Valves. Diese Ventile werden meist in Kombination mit den Sprühkugeln verwendet. Je nach Größe und Geometrie des Fermenters und der dazugehörigen Einbauten werden ein oder mehrere Ventile in den unteren Bereich des Kessels montiert. Dadurch wird die Reinigung des Kessels von unten ermöglicht. Das Reinigungsmittel wird über eine Flach- oder Kegelstrahldüse versprüht. Die Sprührichtung und der Sprühwinkel werden so ausgerichtet, dass der Strahl den Rührer oder andere Einbauten von seitlich unten abspritzt.
Um Totzonen während des Fermentationsprozesses unter gleichzeitiger Beibehaltung der vollständigen Reinigungswirkung zu vermeiden, wird das CIP-Ventil nur während der Reinigungsphase in den Reaktorinnenraum ausgefahren. Während der Kultivationsphase bleibt das Ventil statisch und kesselbündig abgedichtet und entspricht somit allen Vorgaben der Zulassungsbehörden. Das eingefahrene Ventil benötigt keine Steuerluft, sondern schließt selbstständig durch Federkraft. Somit kann das CIP-Ventil bei einem Ausfall der Steuerluft die Fermentation nicht beeinträchtigen.

Zumeist wird das Rührwerk während der Reinigung bewegt. Diese Rotationsbewegung führt während des Besprühens noch zu einer zusätzlichen Reinigungswirkung, da das Reinigungsmittel von den Rührblättern an die Seitenwände des Kessels geschleudert wird. Die Ventile werden pneumatisch gesteuert und verfügen optional über einen digitalen Positionsmelder. Dies ermöglicht sowohl die manuelle Kontrolle des Ventils als auch das externe Ansteuern und somit die Integration in vollautomatische CIP-Kreisläufe.

Bei der Validierung von Reinigungsprozessen muss dafür gesorgt werden, dass der Fermenter vorschriftsmäßig gesäubert wird und keine Produktverschleppungen oder Kreuzkontaminationen eintreten können. Vollständig validiert ist ein CIP-System erst, wenn gewährleistet ist, dass es im eigentlichen Produktionsschritt – in der Biotechnologie ist das üblicherweise die Fermentation – zu keinem Vermischen von Reinigungsmittel und Produkt kommt. Deshalb ist während der Fermentation unbedingt darauf zu achten, dass die produktberührten Teile des Kesselinnenraums nicht mit Resten von Lösemittel kontaminiert werden.

Um dies zu gewährleisten, wird mehr und mehr das „Block and Bleed“-Prinzip angewendet. Zwischen CIP-Zu- und -Ableitung und Produkt bzw. zwischen Abwasserleitung und Produkt wird ein Sterilkreuz platziert. Die zwei Ventile in der Durchgangsleitung müssen während dem Produktionsprozess geschlossen sein, und der Ablauf zwischen diesen Ventilen ist offen, um Druckaufbau zu vermeiden.

CIP und SIP gehen Hand in Hand

Ein möglicher Reinigungsprozess kann wie folgt aussehen: Vor der eigentlichen Reinigung erfolgt eine Spülung mit Wasser. Danach findet der eigentliche Reinigungsschritt – zum Beispiel mit einer verdünnten Säurelösung – statt. Diese muss im nächsten Schritt mit einer alkalischen Lösung neutralisiert werden. Nach der Neutralisation erfolgen mehrere Spülgänge mit Wasser (meist deionisiertes Wasser oder sogar WFI). Sämtliche Schritte müssen solange wiederholt werden, bis die Anlage vorschriftsgemäß gereinigt ist bzw. die erfolgreiche Reinigung geprüft wurde.

In der Biotechnologie werden Prozesse aseptisch geführt. Daher muss nach dem Reinigungsschritt die Sterilisation erfolgen. Das bedeutet, dass alle produktberührten Teile sterilisiert werden müssen. Somit gehen der SIP- (Sterilization-in-place) und der CIP-Prozess Hand in Hand. Die mit Reinigungsmittel gespülten Bereiche müssen somit auch bedampfbar sein. Das gleiche gilt natürlich auch für das CIP-Ventil. Deshalb sind im Aseptikbereich einsetzbare CIP-Ventile immer mit einem Dampfeinlass und einem Kondensataustritt ausgestattet.

In der Steriltechnik fallen nicht nur bei sich ständig entwickelnden Fragestellungen im Fermentationsbereich komplexe Aufgaben für das Design von Installationen an. Auch der Reinigungsprozess bildet ein weitläufiges Aufgabengebiet zur Lösung von Detailproblemen, besonders im Licht der strengen Bestimmungen der Zulassungsbehörden. Die während der Fermentation aseptisch abgedichteten CIP-Ventile ermöglichen eine qualitätskonforme Reinigung von Bioreaktoren, weil die Sprühschatten ausschließen und somit schwer zu reinigende Bereiche im Reaktorinneren minimieren. Gemeinsam mit anderen technischen Installationen und Armaturen können sie in Anlagen integriert werden, um einen funktionsfähigen und validierbaren Reinigungsprozess zu gewährleisten.

 

 

Heftausgabe: Oktober 2012
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Valentin Splett, wissenschaftlicher Mitarbeiter Bioengineering

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Valentin Splett, wissenschaftlicher Mitarbeiter Bioengineering
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