Inline-Sterilisation

Karin Koller

Pumpen übernehmen in den meisten Fällen den kontrollierten Flüssigkeitstransport. Wie bei allen anderen Komponenten sollte der Prozess vor der Auswahl genau definiert sein, damit die für die Applikation optimalen Pumpen gewählt werden können. Für den Steril- und Hygienebereich eignen sich besonders Peristaltik- und Membranpumpen. Erstere sind einfach zu handhaben und fördern auch scherempfindliche Flüssigkeiten schonend. Sie können jedoch nicht verwendet werden, wenn mit Gegendruck gefördert werden soll, was gerade bei Fermentationen mit hohen Belüftungsraten oder mit Drucküberlagerung der Fall ist. Trotz einfacher Reinigbarkeit können diese Pumpen nicht in ein CIP-System integriert werden. Da der Schlauch einer Peristaltikpumpe nicht druckbelastbar ist, kann dieses System nicht in situ sterilisiert und somit nicht vollständig in die Anlage integriert werden. Der Schlauch muss vor Prozessbeginn separat autoklaviert und nach der Anlagensterilisation steril an den Kessel angeschlossen werden.

Membranpumpen können fest verrohrt in die Anlage eingebaut werden. Dies gewährleistet die volle Integrierbarkeit in den Prozess. Die meisten herkömmlichen Membranpumpen bestehen aus zwei gegenüberliegenden Kammern. Jede der beiden Kammern wird mit einer Membran geöffnet und geschlossen. Die beiden Membranen sind mit einem Kolben miteinander so verbunden, dass bei jeder Bewegung des Kolbens eine der beiden Kammern geöffnet und die andere geschlossen wird. Dadurch wird mit jedem Takt alternierend Flüssigkeit in die sich öffnende Kammer gesaugt und aus der sich schließenden Kammer herausgedrückt. Die Bewegung der Membranen erfolgt zumeist pneumatisch bei im Hygienebereich verwendeten Pumpen. Durch dieses Verfahren könnte es bei jeder Öffnung einer Kammer zu einem Rückfluss des Fördermediums kommen. Mit Rückschlagventilen am Pumpeneintritt und dem Flüssigkeitsaustritt wird dies jedoch verhindert. Dadurch wird ein zuverlässiger, stabiler Fluss erzeugt, der auch den für die jeweilige Pumpe spezifizierten Gegendruck überwinden kann.

Das gängige Design von Membranpumpen hat jedoch Nachteile bei sterilen Anwendungen. Durch die Kopplung der beiden Membranen können zu keinem Zeitpunkt beide Pumpenkammern gleichzeitig vollständig geöffnet werden. Dies vermeidet zwar das Ausfließen von Flüssigkeit und macht die Pumpe selbstansaugend, erschwert jedoch den Reinigungsprozess und verhindert eine sichere Inline-Sterilisation. Eine Pumpenkammer, die nur teilweise oder gar nicht geöffnet ist, kann nicht von den Reinigungslösungen durchspült oder von Dampfstrom des SIP-Prozesses (Sterilization in Place) sterilisiert werden. Für den Reinigungsprozess minimiert sich dieses Problem, wenn die Pumpe selbst zur Förderung der Reinigungsmedien verwendet wird und durch den Betrieb die beiden Kammern alternierend öffnet und schließt. Ist dies nicht der Fall, entstehen unweigerlich schwer zu reinigende Stellen, die zu einer Kontaminationsquelle oder zum Verkleben der Membranen führen können. Letzteres beeinträchtigt die Qualität des Pumpvorgangs und die Lebensdauer der Membranen. Ersteres gefährdet den gesamten Prozess. Ist die Membranpositionierung nicht exakt definiert, besteht die Gefahr einer Vakuumbildung nach der Sterilisation.

Zusätzlich vermeiden viele Anlagenkonstrukteure nach Möglichkeit federbetriebene Rückschlagventile in Leitungen, da selbst nach dem CIP-Prozess geringe Medienrückstände in der Feder verbleiben und somit eine Kontaminationsquelle darstellen könnten. Während der Sterilisation könnte es zu einem Verkrusten der Rückstände kommen. Kugelbetriebene Rückschlagventile laufen Gefahr, undicht zu werden, wenn sich kleine Partikel in ihnen verfangen. Somit stellen Rückschlagventile ein wesentlich größeres Betriebs- und Sterilitätsrisiko als Membranventile dar.

Membranpumpen werden nicht nur zur kontinuierlichen Förderung von Flüssigkeiten eingesetzt, sondern auch zur über Regler kontrollierten Dosierung im Bedarfsfall, wie beispielsweise bei der Antischaum- und pH-Regelung. Für diese Applikationen muss die Fördergeschwindigkeit der Pumpe genau regulierbar sein. Bei den oben beschriebenen Pumpen wird die maximale Förderleistung über die Reduktion der Luftzufuhr der Ventile, eine Verkürzung der Weglänge des Kolbens oder über ein zusätzliches Ventil in der Dosierleitung gedrosselt. Bei den ersten beiden Varianten müssen Kompromisse mit der Dosiergenauigkeit bei geringen Fördervolumina eingegangen werden. Wird ein zusätzliches Ventil eingebaut, bedeutet das eine Anlagenkomponente und somit eine mögliche Kontaminationsquelle mehr.

Zur Eliminierung von Problemen vieler im Hygienebereich eingesetzter Membranpumpen hat Bioengineering mit der Kobiopumpe ein völlig neues Designkonzept für Membranpumpen geschaffen. Die Kobiopumpe besteht aus drei in Serie geschalteten, pneumatisch betriebenen Membranventilen. Die Ventile werden in einer im Regler genau definierten und für das geförderte Medium und die Applikation abgestimmten Sequenz betrieben. Dabei wird die Flüssigkeit durch den durch Öffnen des Eingangs- und des Förderventils entstehenden Unterdruck angesaugt. Die Dosierung erfolgt durch das Schließen des Eingangsventils und Öffnen des Ausgangsventils. Ein Zurückfließen des Fördermediums wird durch die Sequenz der Öffnungs- und Schließzeiten der drei Ventile verhindert, dadurch kann auf die Verwendung von Rückschlagventilen verzichtet werden. Für den Bau der Kobiopumpe werden ausschließlich zwangsgesteuerte Membranventile verwendet. Diese sind je nach Anwendung in unterschiedlicher Ausführung erhältlich und mit an das Fördermedium angepassten Membranmaterialien ausgestattet. Die Ventile haben sich bei Bioengineering bereits in anderen Bereichen der Anlage, wie beispielsweise bei Sterilkreuzen, bewährt. Dies bedeutet, dass sowohl die Ventilgeometrie als auch die verwendeten Materialien und die Oberflächenbeschaffenheit der produktberührten Teile sich für den Sterilbetrieb eignen und bestens an Verwendungen im Biotechnologie- und Pharmabereich adaptiert sind. Die Ventile besitzen keine Spalten, in denen sich Medienreste sammeln können, sie sind totraumfrei und vollständig entleerbar. Die Membranen sind mit wenigen Handgriffen austauschbar, was die Wartungsarbeiten erleichtert.

Durch die Abwesenheit von Rückschlagventilen können die Leitungen durch Umkehr der Flussrichtung einfach geleert werden. Der nachfolgende CIP-Prozess und die Sterilisation erfolgen dann über das Anwählen einer Spezialfunktion am Regler der Kobiopumpe, die alle drei Ventile öffnet. Das Reinigungsmittel und der Dampf durchströmen die Ventile vollständig, die Kontaminationsgefahr wird minimiert und die Vakuumbildung in der Abkühlphase nach der Sterilisation wird verhindert. Da die Kobiopumpe nicht einfach angetrieben, sondern über ein intelligentes Frontmodul gesteuert wird, sind bei dieser Membranpumpe eine Vielzahl von Steuer- und Kontrollfunktionen möglich. Die Kalibrierung der Fördermenge ist ebenso Standard wie die Anzeige der aktuellen Förderrate und des gesamten geförderten Volumens im jeweiligen Prozess. Die Kobiopumpe kann mit einem zweiten Regler über eine Kaskade verbunden werden. Eine mögliche Anwendung dafür ist die zusätzliche Regelung des pO2-Werts bei Zellkulturen durch Mediumsdosierung im Zusammenspiel mit der Gaszufuhr.

Zur sicheren Prozessführung werden immer mehr Anlagen automatisiert und die Integrierbarkeit von Mess- und Regelkomponenten gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Kobiopumpe lässt sich sowohl über Analog/Digital-Schnittstelle als auch über Profibus von extern steuern.

Die Förderrate der Kobiopumpe ist druck-steif und über die Pulsabstände regulierbar. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Dosierung im Verlauf des Prozesses mit sehr unterschiedlichen Flussraten zu erfolgen hat, wie bei der der pH-Regelung. Für solche Fälle verfügt die Kobiopumpe über die Funktion der Pulsmodulation. Bei dieser Funktion wird die eingestellte Pulslänge in genau definierter Weise reduziert, um sehr geringe Flussraten (bis zur Dosierung einzelner Tropfen) zu erzeugen. Dadurch wird ein Regelsystem geschaffen, das flexibel, schnell und exakt auf Änderungen des zu regelnden Parameters reagieren kann.

Das Design der Kobiopumpe von Bioengineering ist sehr klar und überschaubar durch die Verwendung von nur drei für den Sterilbetrieb zugelassenen Membranventilen. Dies minimiert die Risiken und ermöglicht die Inline-Sterilisation. Gleichzeitig gewährleistet die Pulssequenz im Zusammenspiel mit der Pulsmodulation zur Feindosierung eine weite Bandbreite exakt definierbarer Flussraten. Dank der Steuerung durch das intelligente Frontmodul ist die Kobiopumpe nicht nur eine Maschine zur Flüssigkeitsförderung, sondern ein multifunktionelles System, das zur Steuerung verschiedenster Regelkreise verwendet werden kann und zusätzlich voll integrierbar in automatisierte Anlagen ist.

Halle 9, Stand B36

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