Single-use-Membranventile für kontaminationsfreie Prozessregelung in Single-use-Anlagen

Einweg-Systeme werden in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie immer wichtiger. Sie vermeiden auf der einen Seite Kreuzkontaminationen der Produkte, da keine Rückstände in der Prozessanlage verbleiben, und tragen auf der anderen Seite dazu bei, dass die Betreiber schnelle Produktwechsel vornehmen können, da sich Reinigungszeiten auf ein Minimum reduzieren. Der vermehrte Einsatz solcher Single-use Disposables (SUD) folgt dem Trend zu vereinfachten Anlagendesigns im Upstream- und Downstream Bereich. Insbesondere bei der Herstellung von kleineren Batchgrößen, die beispielsweise häufig in Forschungs-, Pilot- und Fertigungsanlagen, bei der Fermentation oder bei der Aufreinigung von Impfstoffen und Antikörpern zum Einsatz kommen, findet die Single-use-Technologie immer mehr Anwendung.

Da nur ein sehr geringer Teil aller in der pharmazeutischen Forschung untersuchten Wirkstoffe in die Serienproduktion gelangt, ist beim Facility Layout ein hohes Maß an Flexibilität gefordert. Denn die Betreiber müssen die Anlagen an die sich ständig ändernden Anforderungen und Prozessparameter auslegen können. Dieser Multiproduktionscharakter erhöht jedoch zum einen das potenzielle Risiko einer Kreuzkontamination und hat zum anderen – bereits in einem frühen Entwicklungsstadium – eine entsprechend große Kapitalbindung zur Folge. 

Aufwendige Reingungsschritte entfallen

Gemü hat für die stärker geforderte Automatisierbarkeit von Single-use-Prozessen ein Single-use-Membranventil, das ‚Single Use Disposable Valve‘, entwickelt. „Der größte Vorteil unserer neuen Ventile liegt in der Vermeidung von Kreuzkontaminationsrisiken. Des Weiteren kommt die Single-use-Technologie insbesondere bei der Herstellung von Batchgrößen bis ca. 2.000 l zum Einsatz. Nicht zu vergessen sind die reduzierten Investitionskosten“, berichtet Bernd Haidt, Projektleiter Single Use Disposable Valves bei Gemü. Die Ventile helfen dabei, dass die Betreiber die Investitionen in Produktionsmittel zu einem späteren und damit risikoärmeren Zeitpunkt tätigen können.

Nach jedem abgeschlossenen Produktionsvorgang oder Prozessschritt werden alle benetzen Einwegkomponenten wie Schläuche, Bags, Filter und auch die entsprechenden Ventile abgebaut und entsorgt. Für den neuen Ansatz werden dann wiederum komplett neue Komponenten verbaut. Die beim klassischen rostfreien Anlagendesign notwendigen Sekundärprozesse für Reinigung und Sterilisierung (CIP/SIP) entfallen bei Single-use-Anlagen und -Prozessen praktisch komplett. Durch die vorangegangene Sterilisierung sämtlicher Prozesskomponenten, die zum Einsatz kommen, mithilfe von Gamma-Strahlen wird das notwendige Level an Sterilität erreicht. Das reduziert die Investitionskosten für solche Anlagen und eliminiert die aufwendige Reinigungsvalidierung für nicht mehr benötigte Betriebsmittel. Zudem erhöht es die Mobilität und Verfügbarkeit der Anlagen, denn für ihren Betrieb ist lediglich die Versorgung mit Strom und Druckluft notwendig. Die Gamma-Sterilisation birgt einen weiteren Vorteil: Die Single-use-Komponenten lassen sich sofort einsetzen, sie sind ‚ready to use‘. Das bedeutet, dass eine personal- und kostenintensive Anlagenqualifizierung weitgehend entfällt.

Die Anlage ist nach Aufbau und Installation direkt betriebsbereit und produktiv. Ein Nachteil beim Einsatz von Single-use-Technologien war bisher, dass der Grad der Prozessautomatisierung bzw. Regelbarkeit der Systeme relativ gering war. Bis dato ließen sich durch den nahezu ausschließlichen Einsatz von Schlauchquetschventilen lediglich Auf-/Zu-Funktionen realisieren.

Bei der Single-use-Regelarmatur sind der stabile Ventilkörper sowie die flexible Membrane miteinander verschweißt und mit dem Antrieb verbunden. Nach dem Anwendungsprozess wird der Ventilkörper vom Antrieb getrennt. Der aus Polypropylen im Reinraum produzierte und verpackte Ventilkörper lässt sich bis 50 kGy gamma-sterilisieren und trennt durch eine verschweißte Membrane das Betriebsmedium hermetisch von der Umgebung und vom Antrieb. Er verbleibt für die Mehrfachnutzung in der Anlage. Die verschweißte Membrane ermöglicht, dass das Medium während des Betriebs und nach der Demontage des Ventils von der Umgebung abgeschlossen ist. Der Ventilkörper lässt sich im Ganzen entsorgen, sodass keinerlei Kontaminationen zu Stande kommen.

Über Systemanbieter kann je nach Prozessanforderung der Membranventilkörper, der in ‚Low-bioburden-Qualität‘ hergestellt und verpackt wird, als Einheit mit gamma-sterilisierten Schläuchen und Bags direkt an die Anlage geliefert werden. Das Personal muss dieses Bag-assembly lediglich mit Clamp- oder Schlauchverbindungen montieren und kann die Anlage direkt in Betrieb nehmen. Die Ventile lassen sich für sämtliche Regelungen in Sin-gle-use-Systemen wie im Upstream- und Downstream-Bereich sowie in der Fermentation anwenden. „Wir können uns auch Anwendungen außerhalb von Pharma-Anwendungen vorstellen, bei denen die Sekundärkosten für Reinigung und Validierung nicht im Verhältnis zur Abfüllmenge stehen“, erklärt Bernd Haidt.

Abläufe sind reproduzieren

Der Vorteil des Single-use-Membranventils im Vergleich zu herkömmlichen Schlauchquetschventilen besteht darin, dass sich Prozesse exakt regeln lassen. Mit der aus dem konventionellen Anlagenbau bekannten und etablierten Technologie kann der Ventilantrieb bei Bedarf eine Rückmeldung an die Anlagenüberwachung übermitteln und somit die Überwachung der Regelstrecke vervollständigen.

Diese Eigenschaft birgt insbesondere in pharmazeutischen Prozessen Vorteile, denn die Abläufe werden reproduzier- und dokumentierbar, einfacher validierungsfähig und durch den höheren Automatisierungsgrad werden zudem mögliche Fehlerquellen minimiert. Die Single-use-Membranventilreihe wird zunächst in zwei Ventilkörpervarianten in Nennweiten von 3/8‘‘ bis 1‘‘, mit Schlauchspitzen oder Tri Clamp Anschlüssen angeboten: Als Durchgangskörper zum Absperren und Regeln von Durchflüssen sowie als T-Körper, welcher eine komplett automatisierbare Entnahme von Flüssigkeiten aus einem bestehenden System ermöglicht.

Auch für weitere (Regel-)Armaturen sind ähnliche Einweglösungen als Alternativen denkbar. „Wir sind hierzu weiter mit unseren Kunden im intensiven Kontakt, konzentrieren uns jedoch derzeit auf die Einführung der Single-use-Ventile“, berichtet Haidt. Die Serienauslieferung der Single-use-Ventile wird voraussichtlich im Januar 2013 beginnen, ein mitgelieferter Validation Guide fasst die für die pharmazeutische Produktion notwendigen Qualifizierungsdaten zusammen. Über die Erfahrungen der Kunden will der Hersteller zum jetzigen Zeitpunkt noch keine konkreten Aussagen machen. „Nur so viel: Unsere Tests sind durchweg sehr positiv“, verrät Haidt.