Produkttransfer mit Druckluft-Membranpumpen

Kontamination unerwünscht

15.05.2007 Dosierungs-, Reinigungs-, Abfüll- oder Separationsprozesse sind wichtige Verfahrensschritte in der biopharmazeutischen Produktion. Im Mittelpunkt derartiger Abläufe steht oft die Frage: Wie werden die empfindlichen Medien gefördert? Druckluft-Membranpumpen bieten auf diesem Gebiet nun alternative Lösungen und zusätzliche Optionen.

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Bisher konnten sich aktive Fördersysteme innerhalb biopharmazeutischer Prozesse nur zögerlich durchsetzen. Passive Fördersysteme wie beispielsweise manuelle, über Schwerkraft betriebene oder Stickstoff-Drucksysteme sind in kritischen Anwendungen immer noch häufiger zu finden. Die Bedeutung der passiven Fördersysteme nimmt jedoch beständig ab. Der Grund: Früher gab es mehrstöckige Prozessanlagen, die aber heute aus Kostengründen kaum mehr geplant werden.

Bei einem manuellen Transfersystem werden die in einem Container hergestellten Produkte im gleichen Container zum nächsten Prozessschritt transportiert. In einem Schwerkraftsystem muss das Produkt während des Prozesses nach unten abfließen, in modernen Produktionsanlagen steht jedoch meist nicht genügend Raumhöhe zur Verfügung.
Inertgas-Drucksysteme nutzen generell Stickstoff zur Förderung von Flüssigkeiten; der Vorratsbehälter wird derart unter Druck gesetzt, dass die Flüssigkeit aus dem Behälter zum gewünschten Punkt gepresst bzw. gefördert wird. Das bei diesem System vorhandene Druckkessel-Gefahrenpotenzial und die Schwierigkeiten mit einem CIP-System sind nachteilig.
Die häufigste Anwendung für hochreine Pumpen ist die Wassereinspritzung in Förderkreisläufe (WFI – water for injection). Weder mit Schwerkraft- noch mit Inertgas-Drucksystemen kann der konstante Bedarf von Prozesswasser innerhalb einer Produktion sichergestellt werden, da das Prozesswasser ständig in Bewegung gehalten werden muss. Diese Forderung ist derzeit nur mit aufwändig modifizierten Sanitär-Kreiselpumpen zu erreichen. Dabei sind hochreine Edelstähle in extrem gut polierter Ausführung und doppelt wirkende Gleitringdichtungen mit Spülvorrichtung erforderlich, um den hohen hygienischen Anforderungen gerecht zu werden.

Kreuzkontamination bei Probenahme aus Vakuum ausgeschlossen

Verschiedene Hersteller haben in den letzten Jahren das Design von Verdrängerpumpen zur Förderung von viskosen und scherempfindlichen Produkten weiter verbessert. Seit mehr als 100 Jahren verfügbar, erfolgten jedoch erst in den letzten zehn bis 15 Jahren die Weiterentwicklungen, damit sie auch in biopharmazeutischen Prozessen eingesetzt werden können. Verbesserungen in der Reinheit der Werkstoffe, Wechsel vom Gussgehäuse zu gewalztem Material sowie Weiterentwicklungen im Dichtungsbereich verbunden mit einer durch Polieren verbesserten Oberflächenqualität haben dazu beigetragen, dass diese Pumpen für einen erweiterten Bereich der Anwendungen in der Biopharmaindustrie eingesetzt werden können. Mit Druckluft betriebene Membranpumpen sind dagegen eher als jüngere Lösung anzusehen; sie sind aber schnell in Schlüsselfunktionen vorgedrungen.

Es gibt eine Reihe von Gründen, die für die rasche Einführung dieser Technologie in hochreinen Anwendungen sprechen: geringe Scherkräfte und keine drehenden Abdichtungen, die das Produkt beeinträchtigen könnten. Die Almatec Membranpumpe der Baureihe Biocor erfüllt auch Prozessanforderungen in kritischen Anwendungen. Die Pumpen der Baureihe bieten hohe Reinheit und Oberflächenqualität (poliert, Oberflächenrauigkeit <0,4µm), Rückverfolgbarkeit der verwendeten Werkstoffe, 3A- und EHEDG-Zertifikate ebenso wie FDA und USB-Class VI zertifizierbare Elastomere. Mit der Entwicklung ist es gelungen, die gleichen Anforderungen wie herkömmliche Hygiene-Pumpen zu erfüllen, die Zertifikate von Anwendungen für CIP-(Clean in Place) und SIP-(Steam in Place) Reinigungsprozesse aufweisen.
Doch für einige Prozesse ist ein hundertprozentiger Reinigungsnachweis nicht möglich. Für diese Anwendungen sind Pumpen in Werkstoffen hoher Reinheit für den einmaligen Gebrauch verfügbar, wie beispielsweise die A-Serie aus reinem, ungefüllten PTFE. Die Gehäuseteile dieser Pumpen sind aus soliden Blöcken gefertigt und dadurch sehr stabil. Außerdem sind die Pumpen gegenüber nahezu allen chemischen Stoffen beständig. Ein Einsatz der „Einmal“-Pumpen ist immer dann sinnvoll, wenn ein Produktaustausch vorgesehen ist und die Fördermedien keine Kreuzkontamination zulassen. In manchen Fällen verursacht die Reinigung einer herkömmlichen Pumpe höhere Kosten als eine neue Membranpumpe. Dann ist eine Pumpe der A-Serie für den einmaligen Einsatz eine Lösung.
Komplexe biologische oder chemische Reaktionsprozesse unter strikten Bedingungen erfordern zur Kontrolle häufige Probenahmen. Die Fähigkeit der Druckluft-Membranpumpen zur Probenahme auch aus dem Vakuum zusammen mit der Vermeidung von Kreuzkontamination sind weitere Vorteile.
Die Druckluft-Membranpumpe beseitigt die vorhandenen Einschränkungen der passiven Gasdrucksysteme für kontinuierliche Produkttransfer-Prozesse. Denn eine passive Förderung erfordert, dass der Reaktor zu verschiedenen Zeitpunkten entweder separat gefüllt oder separat entleert wird. Mit einem aktiven Pumpsystem können beide Prozesse parallel durchgeführt werden. Der Prozess ist somit immer luftdicht abgeschlossen und hygienisch rein. Prozesse wie Chromatographie, Separation, Reinigung sowie Filterbeschickung bzw. -entleerung erfordern meist eine schonende Förderung ohne Scherkräfte und möglichst konstanten Druckaufbau; Merkmale, die Druckluft-Membranpumpen mit Pulsationsdämpfer bieten. Für die Förderung von Lösemitteln oder leicht flüchtigen Chemikalien sind außerdem in gefährdeten Zonen spezielle Pumpen einsetzbar.

Förderung ohne Scherkräfte mit möglichst konstantem Druckaufbau

Oftmals überschneiden sich Produkt-Transferprozesslinien und entsprechende CIP-Kreisläufe. In solchen Fällen wird eine Pumpe benötigt, die für den Einsatz mit CIP-Flüssigkeiten und Kuppel-Produkten ausgelegt ist. Inertgas-Drucksysteme sind dabei oft problematisch: Der Prozessreaktor für diese Systeme muss mit einem speziellen Kugelsprühkopf gereinigt werden. Ohne Entleerungsmöglichkeit müssen Rückstände von Fördermedium sowie Reinigungsmitteln zur Entsorgung oder Rückgewinnung mit einer geeigneten Pumpe abgesaugt werden. Für eine optimale Reinigung des Reaktors darf die Reinigungsflüssigkeit im Behälter nicht ansteigen, denn es könnte sich eine Schaumkrone bilden und das Reinigungsergebnis beeinträchtigen. Für diese Aufgabe ist die selbstansaugende und trockenlaufsichere Druckluft-Membranpumpe gut geeignet. Sie werden aber auch für Produktrückgewinnung oder Schlammbeseitigung eingesetzt, da der Abzug von Produkt oder Rückständen aus Filter- oder Separationsprozessen häufig intermittierend erfolgt.

Mit der weiteren Entwicklung biotechnologischer und pharmazeutischer Prozesse wird eine höhere Aufmerksamkeit auf die Prozessoptimierung gerichtet als in anderen Prozessen. Der eindeutigen Trennung zwischen mechanischen Vorgängen und Nebenleistungen vom Prozessbereich kommt eine Schlüsselstellung zu. Teile der Infrastruktur lassen sich in mechanische Bereiche sowie Servicebereiche aufteilen. So lassen sich deutliche Einsparungen realisieren. Strikte Vorgaben und Anforderungen an Hilfsmittel können durch die räumliche Trennung vermieden werden, was weitere Kosteneinsparungen zur Folge hat.

Fazit: Druckluft-Membranpumpen erlauben die strikte Trennung von Anwendungs- und Antriebsseite. Der Antriebsteil und die Energieversorgung können außerhalb des eigentlichen Anwendungsbereiches positioniert werden und damit in unklassifizierten Arealen liegen. Elektromotoren, mit Öl gefüllte und geschmierte Lagerstellen können somit aus dem Reinbereich verbannt werden. Natürlich muss jede Anwendung hinsichtlich des optimalen Flüssigkeitstransports genau untersucht werden. Druckluft-Membranpumpen stellen dabei sicherlich eine Alternative für viele Förderaufgaben dar.

Weiterentwicklungen machen den Einsatz auch in schwierigen Umgebungen sicher

Heftausgabe: Mai 2007

Über den Autor

Wallace Wittkoff , Global Product Engineer, Wilden Pump & Engineering
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