(Bild: Netzsch)

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| von Rainer Gozzer, Manager für Geschäftsfeld Nahrung & Pharmazie, Netzsch
  • Die Produktion von Insulin stellt Pumpen vor ganz besondere Herausforderungen: Zum einen muss die Förderung höchsten hygienischen Ansprüchen genügen, zum anderen dürfen die auftretenden Scherkräfte nicht zu hoch sein, da sie sonst die Zellkulturen zerstören können.
  • Die Hygienepumpen des Fallbeispiels erfüllen diese Anforderungen. Daneben profitiert der Betreiber von einer praktisch wartungsfreien Konstruktion der Pumpsysteme.

Bei einem der größten Insulin-Hersteller kommen zum Transport von Gradienten, Zellkulturen und Faltungssuspension spezielle Hygienepumpen zum Einsatz, die auf Reinigbarkeit und schonende Förderung ausgelegt sind. Durch diesen rasanten Anstieg rückt biotechnologisch hergestelltes Insulin zunehmend in den Fokus des Interesses. Dabei gilt es nicht nur die Qualität und Wirksamkeit der Präparate zu erhöhen, auch die Produktion müssen Betreiber immer effizienter gestalten, um die Nachfrage wirtschaftlich decken zu können. Einen wichtigen Beitrag können hier auf Hygiene und präzise Dosierung ausgelegte Pumpensysteme leisten, wie sie beispielsweise bei einem der führenden Pharmaunternehmen für diesen Bereich im Einsatz sind. Durch verschiedene Konstruktionsmerkmale erleichtern diese sogenannten Nemo-Hygienepumpen die Reinigung sowie das
Material-Handling und verhindern Kontaminationen im Produktionsprozess.

Präzise und sanfte Förderung

Seit den ersten Insulinanaloga Ende der 1990er Jahre ist die Zahl der Präparate zur Diabetes-Therapie, die sich immer mehr der Wirkungsweise natürlichen Insulins anzunähern versuchen, stetig gewachsen. Sie entstehen zumeist biotechnologisch aus rekombinanter DNS in verschieden Hefen oder Bakterien, wobei zahlreiche Hilfsstoffe zum Einsatz kommen, darunter Zinkchlorid, Salzsäure und Natriumhydroxid. Für die Produktionsprozesse bedeutet diese Form der Synthese eine enorme Herausforderung: Zum einen ist es wichtig, die Bemessung aller verwendeten Substanzen exakt einzuhalten, um die erwünschten Ergebnisse zu erzielen. Zum anderen sind die verwendeten Zellkulturen extrem empfindlich; Scherkräfte während der Förderung können sie leicht zerstören und so ganze Chargen unbrauchbar machen. Hinzu kommen die hohen Hygiene-Standards in der Medizin- und Pharmaindustrie, die Betreiber in jedem Produktionsschritt einhalten müssen. Die dazu notwendigen, häufigen und langwierigen Reinigungszyklen allerdings schränken die Produktivität ein.

Hersteller von Insulin müssen effizient produzieren, um die Nachfrage bedienen zu können. Darunter darf allerdings auf keinen Fall die Qualität leiden. (Bild: Netzsch)

Hersteller von Insulin müssen effizient produzieren, um die Nachfrage bedienen zu können. Darunter darf allerdings auf keinen Fall die Qualität leiden. (Bild: Netzsch)

Hohe Ansprüche an die Hygiene

Einer der führenden Anbieter von Insulin-analoga setzt daher bereits seit mehreren Jahren für das Beschicken der Plattenfilter sowie zum Fördern von Zellmasse und Faltungssuspension spezielle Hygiene-Exzenterschneckenpumpen von Netzsch Pumpen & Systeme ein. Die Anlagen konstruierte der Pumpenbauer eigens im Hinblick auf die Reinigung mit einer möglichst totraumfreien Förderkammer und legte diese auf das CIP- beziehungsweise das SIP-Verfahren aus. Je nach Anforderung an den Hygienegrad kommen dabei zwei unterschiedliche Bauformen zum Einsatz: eine Variante mit Biegestab zum Fördern des Gradienten zu den Filtern und ein Modell mit einem speziellen Hygienegelenk zum Transport der Zellkulturen. Dieses Bolzengelenk ist offen gestaltet, sodass es vom Medium umspült wird, wodurch sich eine externe Schmierung erübrigt und eine Ansammlung von Reststoff am Gelenk verhindert wird. Der Biegestab überträgt demgegenüber die Drehbewegung des Antriebs ganz ohne bewegliche Teile, was durch seine Spaltfreiheit noch höheren Ansprüchen an Reinigbarkeit und Keimfreiheit genügt. Zudem ist diese Konstruktion praktisch wartungsfrei, da sie keine sich bewegenden Teile enthält.

Dichtungstechnik gegen Kontaminationen

Um den Anforderungen des CIP- beziehungsweise des SIP-Verfahrens zu entsprechen, sind die Pumpen mit zusätzlichen Spülstutzen und einer Bypass-Leitung ausgestattet. Dadurch lässt sich im gesamten System die vorgeschriebene Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s realisieren. Außerdem ermöglicht eine tangentiale Ausführung der Stutzen das vollständige Entleeren der Pumpe. Die verwendeten Materialien sind auf die bei der Reinigung herrschenden Temperaturen und die besonderen Spülflüssigkeiten – neben VE-Wasser auch verdünntes Natriumhydroxid und verdünnte Phosphorsäure – abgestimmt. Darüber hinaus wurden für die Insulinproduktion die Rotoren in spezieller Ausführung eingebaut, damit sowohl Produkt- wie auch Reinigungsfahrten problemlos möglich sind und die Pumpen eine einwandfreie Performance erreichen. Besondere Bedeutung kommt im Zusammenhang mit der Hygiene auch den Dichtungen zu: Hier kommen Einzel-Gleitringdichtungen mit gekapselter Wellenfeder zum Einsatz. Für höhere Ansprüche an die Sterilität gibt es auch eine Aseptik-Ausführung mit gekammerten Doppeldichtungen, die mit Sterilkondensat oder Detektorflüssigkeit beaufschlagt werden können.

Um den Anforderungen des CIP- beziehungsweise SIP-Verfahrens zu genügen, sind die Pumpen mit Spülstutzen sowie einer Bypassleitung ausgestattet. (Bild: Netzsch)

Um den Anforderungen des CIP- beziehungsweise SIP-Verfahrens zu genügen, sind die Pumpen mit Spülstutzen sowie einer Bypassleitung ausgestattet. (Bild: Netzsch)

Druckstabile und schonende Förderung

Eine spezielle Herausforderung im Synthetisierungsprozess ist für herkömmliche Pumpensysteme das Beschicken von Plattenfiltern, da diese je nach Füllgrad unterschiedlichen Differenzdrücken unterliegen. Dieser schwankende Gegendruck erschwert es in der Regel, eine hohe Mengen-Konstanz zu erreichen. Die eingesetzten Hygienepumpen profitieren hier von ihrer Konstruktion, die eine gleichmäßige Fördermenge unabhängig von den umgebenden Druckverhältnissen ermöglicht. Bei dieser Konstruktion bildet ein gewendelter Rotor mit einem geometrisch darauf abgestimmten Stator gleichförmige Kammern. Mit der Drehung des Rotors bewegen sich die Kammern von der Saug- zur Druckseite, wodurch sich die Fördermenge über die Drehzahl genau regulieren lässt. Gleichzeitig wird so Pulsation und Scherkräften vorgebeugt und eine kontinuierliche, druckstabile Förderung erreicht. Diese Art der Förderung spielt auch bei dem besonders heiklen Transport von Zellmasse in unterschiedlichen Bearbeitungsstadien eine wichtige Rolle: Während bei den meisten anderen Pumpverfahren auf das Fördermedium starke Scherkräfte wirken, erzeugt die Hygienepumpe kaum mechanische Belastungen für die transportierten Stoffe. So lässt sich verhindern, dass die Pumpe die Zellen und Zellstrukturen bei der Förderung beschädigt oder gar zerstört, was sie für die Insulinherstellung wertlos machen würde. Der schonende Umgang mit den Kulturen war daher eine essentielle Anforderung des Pharmaunternehmens. Zusätzlich ermöglicht das besondere Arbeitsprinzip auch eine präzise Förderung und Dosierung, die sich linear zur Drehzahl einstellen lässt.

Hohe Verfügbarkeit

Für die konkreten Produktionsschritte wählte der Betreiber Förderanlagen in unterschiedlichen Größen und mit verschiedenen Rotor-Geometrien, die den jeweiligen Bedürfnissen an Menge und Druck entsprachen. Aufgrund der räumlichen Bedingungen und der Einbindung in den Produktionsstrang kamen sowohl Modelle in Blockbauweise mit angeflanschtem Motor wie auch in Lagerstuhlausführung zum Einsatz. Die Hygienepumpen selbst entsprechen in ihrer Konstruktion den aktuellen EHEDG- und QHD-Richtlinien sowie den Normen des 3A Sanitary Standards. Der Hersteller verwendet hier nur Elastomere, die den entsprechenden Vorschriften entsprechen. Die Metallkomponenten bestehen aus Edelstahl, alle produktberührenden Oberflächen sind auf einen Mittenrauwert von Ra < 0,8 mm poliert. Die ersten Förderanlagen ließ der Betreiber im Jahr 2002 in der Insulinproduktion installieren, seither fügte er mehrfach weitere Pumpen zur Kapazitätsvergrößerung hinzu. Dabei zeigte sich eine unerwartet hohe Robustheit der Anlagen: Bei der Erstausrüstung waren die Projektpartner davon ausgegangen, dass pro Gerät und Jahr ein Stator und eineinhalb Rotoren benötigt würden. Tatsächlich liegen die Wartungsintervalle bei fünf Jahren bis zum Austausch eines Stators, die Rotoren muss der Betreiber sogar erst nach zehn Jahren auswechseln.

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