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Getrennt aus der Krise

Effektive Prozessentwicklung nach cGMP mit Membrantrennverfahren
Getrennt aus der Krise

Gerade in krisengeschüttelten Zeiten ist der ökonomische Einsatz der gegebenen R&D-Ressourcen ein Schlüssel zum Erfolg auf dem Weg zur schnellen Entwicklung neuer Produkte und Prozesse. Membran-Pilotanlagen können hierbei einen wichtigen Beitrag leisten. Darüber hinaus sind sie ein ideales Tool, um bestehende Prozesse zu optimieren und damit die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Martin Awe

Die Crossflow-Membrantechnologie hat sich in den letzten Jahrzehnten als technisch innovatives sowie gleichermaßen kostengünstiges Separationverfahren neben den konventionellen Trennprozessen wie der Destillation, Extraktion und Kristallisation etabliert. Nicht nur niedrige Investment- und Betriebskosten, sondern auch eine höhere Produktausbeute sowie eine vereinfachte Prozessführung stehen hierbei auf der Habenseite. Entsprechend der Trenngrenze unterteilt man die Membranfiltration in vier Verfahren: Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO).
Von der Idee zum Prozess
Die wichtigste Komponente in einem Membranprozess ist die zu verwendende Membran. Je früher in der Entwicklung die richtige Membran ausgewählt wird, desto sicherer und erfolgreicher sind die weiteren Schritte und der endgültige Prozess. Neben der Prozesserfahrung des Membranherstellers bzw. -lieferanten sind kleine Labor-Membransysteme ein erstes Mittel zur Ermittlung der geeigneten Membran. Ein solches System ist die Laboratory Cell CF-1 von KMS. Kleine Mengen (ca. 500 ml) des zu filtrierenden Mediums reichen hier für Versuche aus. Flatsheet-Membraneinsätze mit einer Membranfläche von 28 cm2 werden – wie die spätere Pilot- und auch großtechnische Anlage – im Crossflow betrieben. Die Pumpe der Laboratory Cell CF-1 erlaubt die Prozesssimulation bis zu Drücken von 9 bar. Für RO-Anwendungen kann durch eine externe Gasquelle der Betriebsdruck auf bis zu 35 bar erhöht werden.
Nach erfolgreicher Auswahl einer oder mehrerer Membranen durch dieses „Membranscreening“ erfolgt im nächsten Schritt die Ermittlung der optimalen Prozess- und Betriebsparameter, wie z. B. Druck, Temperatur, Überströmungsgeschwindigkeit, Beständigkeit der Membran, Prozessführung (Batch, Semi-Batch, kontinuierlich), Leistungsverlauf über einen längeren Zeitraum, Prozesssicherheit, Anzahl der Membranstufen sowie die geeignete Reini-gungsstrategie. Ein ideales Werkzeug für diese Aufgabe ist eine Membran-Pilotan-lage, die für die Anforderungen an die Prozesse in der pharmazeutischen, der biotechnologischen und der chemischen Industrie ausgelegt ist. Pilotierungen mit kleinen Membrananlagen bieten eine zuverlässige Grundlage für das spätere Up-scaling und die Verifizierung des Prozesses. Verschiedene Betriebsszenarien und -zustände lassen sich hiermit simulieren. Aus einer verkürzten Entwicklungszeit ergeben sich verringerte Entwicklungskosten so dass sich die Investitionen bis zur Marktreife in einem begrenzten Rahmen halten lassen. Auch bei der Optimierung bestehender Prozesse lassen sich Membran-Pilotanlagen gezielt einsetzen.
Welche Anforderungen sollte eine Membran-Pilotanlage für Anwendungen in der chemischen, pharmazeutischen oder biotechnologischen Industrie erfüllen? Um für möglichst viele Anwendungen und Prozesse gewappnet zu sein, sollte der Einbau von sowohl MF-, UF-, NF- als auch RO-Membranen vorgesehen sein. Dies betrifft sowohl die Wahl des Membrangehäuses als auch die Auslegung der Pumpen. Eine kompakte und mobile Bauweise erlaubt den flexiblen Einsatz in der Entwicklungs- und Produk- tionsumgebung – nicht nur für ein Produkt oder einen Prozess an einem Standort. Schnell verschickt an die Niederlassung im Ausland, lässt sie sich dort für vollkommen andere Aufgaben verwenden. Flexible Anschlüsse erlauben auch den Einsatz in Übersee. Gerade diese variable Verwendung bietet für international produzierende Unternehmen die größtmögliche Rendite ihrer Investition in eine Pilotanlage.
Die Einhaltung von Standards wie cGMP und Atex ist eine Grundvoraussetzung. Zur Validierung des Anlagendesigns und der Rückverfolgbarkeit der verwendeten Materialien muss die mitgelieferte Dokumentation umfassend und vollständig sein (z.B. FAT, IQ, Hazop, QC etc). Alle Materialen sollten so ausgewählt sein, dass sowohl wässrige Ströme als auch organische Lösemittel verarbeitet werden können.
Zusätzliche Membrangehäuse, die einen seriellen und parallelen Betrieb erlauben, sind ein weiteres Plus bei der Auswahl der geeigneten Anlage. Um auch geringe Mengen bei gleichzeitig ausreichender Volumenkonzentrierung aufbereiten zu können, sollte das Hold-up-Volumen der Anlage möglichst wenige Liter betragen. Eine umfassende Mess- und Regeltechnik, eine Vorrichtung zur Regulierung der Prozesstemperatur sowie ein Datalogging, das den Export in gängige Tools wie Excel oder LabVIEW ermöglicht, runden das Leistungspaket einer „idealen“ Pilotanlage ab. Ein Beispiel hierfür ist die Spirapro-Pharma-Pilotanlage von Koch Membrane Systems (KMS).
Die Anlage wurde speziell für die Anforderungen an die Bedingungen in der pharmazeutischen und biotechnischen Industrie entwickelt und kann wahlweise mit einem oder zwei Membrangehäusen in Serie oder parallel betrieben werden. Die Gehäuse sind für Standard-Spiralmembranen vom Typ 2540 ausgelegt und ermöglichen so – je nach Prozess und Anwendungsfall – den Einsatz von verschiedenen Spiralmembranen dieser Größe. So können z. B. zur Filtrierung von Strömen, die eine hohe Säure- oder Laugenkonzentrationen aufweisen, auch die lösemittelstabilen SelRO-NF-Membranen von KMS eingesetzt werden. Der 25-Liter-Prozesstank kann wahlweise auf bis zu 100 Liter aufgestockt werden, der Anschluss an einen externen Prozesstank ist auch möglich. Das Hold-up-Volumen der Anlage beträgt 5 l. Der maximale Betriebsdruck beträgt 40 bar mit einer drehzahlgeregelten Feed- und Rezirkulationspumpe. Zur Erfassung der wichtigsten Betriebsparameter ist eine Bedieneinheit sowie ein Datalogger montiert, der auch den Datenexport per USB ermöglicht.
cav 402

cav: KMS ist seit über 35 Jahren weltweit führender Anbieter von Separations- und Filtrationsprodukte für die chemische und pharmazeutische Industrie sowie für den Food & Lifescience Sektor. Welchen Herausforderungen, Aufgabenstellungen muss sich Ihr Unternehmen, Herr Awe, in naher Zukunft stellen, um weiterhin erfolgreich am Markt agieren zu können?
Awe: Als Wegbereiter der Membranindustrie hat KMS den Stand der Technik stets vorangetrieben. Daher wird die Forschung und Entwicklung neuer Produkte und Prozesse auch weiterhin im Fokus unserer Aktivitäten stehen.
cav: Welchen Stellenwert haben Ihrer Meinung nach internationale Messeereignisse wie die Achema 2009 in der derzeitigen Wirtschaftskrise?
Awe: Leitmessen wie die Achema stellen weiterhin eines der bedeutendsten Vertriebs- und Kommunikationsinstrumente dar. Sie sind der zentrale Ort, um mit aktuellen und potenziellen Kunden in Kontakt zu treten und unsere Produktinnovationen vorzustellen.
cav: Welche Impulse erwarten Sie von der Achema für Ihr Unternehmen?
Awe: Als Technologiegipfel mit weltweiter Ausstrahlung erwarten wir uns von der Achema positive Signale für die Prozessindustrie und wichtige Impulse für Investitionsentscheidungen.
cav: Welche Schwerpunkte setzen Sie bei Ihrer Messepräsentation in Frankfurt und welche Produktinnovationen wird KMS auf der Achema 2009 präsentieren?
Awe: Mit unserem 18“-MegaMagnum-Umkehrosmose-Modul sowie dem 1500er Puron-Modul für Membranbio- reaktoren haben wir konsequent den vom Wasser- und Abwassermarkt geforderten Weg hin zu größeren Membranmodulen angeführt und umgesetzt. In der Prozesstechnik werden wir unsere neuen Hochtemperatur-Membranen vorstellen, die eine bessere und einfachere Reinigung für Anlagenbetreiber bieten. Außerdem sind wir dabei, bestehende und erprobte Membranverfahren auch für andere Anwendungen zu öffnen, so beispielsweise in der weißen Biotechnologie.
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