Reinigung bewegt

Dr. Karin Koller

Die Reinigung einer Anlage ist nicht ein notwendiges Übel, für das man kaum einen Gedanken verschwendet. Sie ist ein wichtiger Bestandteil des Produktionsprozesses. Bei der Reinigung werden nicht nur Medienbestandteile und Zellrückstände aus dem Kessel entfernt, sondern auch Reste von Metaboliten, Hilfsstoffen und dem produzierten Wirkstoff. Besonders in Multipurpose-Anlagen kann jede Verunreinigung aus einem früheren Batch das gesamte Produkt unbrauchbar machen. Kreuzkontaminationen, vor allem mit Wirkstoffen oder möglichen Allergenen, müssen unbedingt vermieden werden, um die Produktsicherheit zu gewährleisten.

Die Validierbarkeit hat oberste Priorität bei der Entwicklung des CIP-Prozesses in biopharmazeutischen Anlagen. Für die Validierung der Reinigung müssen die schwer zu reinigenden Stellen im Reaktor identifiziert werden. Die Reinigungsmittel müssen auf ihre Eignung zur Entfernung aller Rückstände des Produktionsprozesses überprüft werden. Die Entfernbarkeit der Reinigungsmittel ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium. Mit Swab-Tests und Rinse-Tests wird die Vollständigkeit der Reinigung überprüft. Toxizität, Umweltbelastung, Wasserverbrauch und Heizaufwand müssen evaluiert werden. Die Erstellung detaillierter Risikoanalysen empfiehlt sich.

Nicht nur die Art der Reinigungsmittel, sondern auch die gesamte Ausrüstung und die Führung des CIP-Prozesses spielen eine Rolle. In der Anschaffung zwar aufwändiger, bei den Betriebskosten jedoch aufgrund von geringerem Wasser- und Chemikalienverbrauch wesentlich günstiger sind vollautomatisierte CIP-Systeme. Der Zeitaufwand für die Reinigung mit automatischen CIP-Anlagen ist viel geringer als bei anderen möglichen Reinigungssystemen, da alle Komponenten bereits vormontiert sind und der Reinigungsprozess nahtlos an die Produktion anschließen kann. Ein automatisiertes CIP-System besteht aus Mischtanks für die Reinigungsmittel, Sonden, Pumpen, Leitungssystemen, Ventilen, einer komplexen Steuerung und vielen weiteren Komponenten. Die Sprühkugel, die sowohl in automatisierten als auch in manuellen CIP-Systemen benötigt wird, erscheint als technisch nicht sehr avancierte Komponente oft als eine Selbstverständlichkeit und deren Funktionalität und Eignung für den Prozess wird nicht intensiv evaluiert.

Bereits einfache Bioreaktoren für Standardfermentationen sind mit vielen Einbauten ausgestattet. Dazu gehören Strombrecher, Begasungsrohr, Rührwerk und Sonden. Werden diese bei der Reinigung von oben nur über eine einfache Sprühkugel besprüht, kann es zur Bildung von Sprühschatten kommen. Die betroffenen Zonen der Anlage werden nur ungenügend gereinigt. Produktübertragung und Kontamination mit Medienbestandteilen sind die Folge. Im Extremfall bilden sich minimale Taschen von Schmutz, in denen Mikroorganismen die Sterilisation überdauern können. Diese Fremdkeime beginnen in der Kultivierungsphase zu wachsen, kontaminieren den Fermenter und machen die gesamte Produktion unbrauchbar.

Abhilfe gegen dieses Problem kann durch den Einbau von zwei oder – je nach Fermentergröße – mehreren statischen Sprühkugeln in den Fermenterdeckel geschaffen werden. In Kombination mit einem CIP-Ventil, das die Einbauten auch von unten besprüht, wird es bezüglich der Vollständigkeit der Reinigung keine Probleme geben. Zwei oder mehrere statische Sprühkugeln verursachen jedoch unter Umständen andere Probleme. Sie dürfen nicht eingebaut werden, wenn der Wasserdruck der Reinigungs- und Spüllösungen nicht ausreichend hoch ist, da sich der Druck während der Reinigung auf alle Sprühkugeln verteilt. Bei zu geringem Druck der CIP-Lösungen verringert sich die Reichweite der einzelnen Sprühkugeln und vollständige Reinigung kann nicht mehr gewährleistet werden. Selbst wenn das CIP-System mit ausreichendem Wasserdruck versorgt werden kann, stellt sich die Frage, ob der Einbau von mehreren Sprühkugeln aus Platzgründen und bezüglich des Energie- und Ressourcenverbrauchs die optimale Lösung ist.

Im Fermenterdeckel sind immer Dosiersysteme für Medien und Korrekturmittel, Zu- und Abluftfilter und Sonden eingebaut. Der Platz für weitere Einbauten ist limitiert und wird weiter verringert, wenn der Reaktor über einen Obenantrieb oder ein mechanisches Schaumabscheidersystem verfügt. Oft reicht der Platz im Fermenterdeckel nicht aus, um mehrere Sprühkugeln zu montieren. Um Platz zu schaffen, müssen vor jeder Reinigung Einbauten entfernt werden. Dies involviert unter Umständen auch das Öffnen des Fermenterdeckels. Der damit verbundene Aufwand – eine Hebevorrichtung wird benötigt oder bei größeren Reaktoren sogar ein Kran – macht alle Vorteile des CIP-Prozesses zunichte, setzt Mitarbeiter unnötigen Gefahren aus und kostet Zeit und Geld.

Statische Sprühkugeln haben außerdem ein Sprühverhalten, das zum Risiko für den gesamten Reinigungsprozess werden kann. Das Reinigungsmittel trifft mit dem intendierten Druck punktuell nur im unmittelbaren Einflussbereich der Bohrungen der Sprühkugel auf. Da die Kugeln fest montiert sind, treffen die Reinigungsmittelstrahlen immer auf den gleichen Stellen im Kessel auf. Die Bereiche dazwischen werden vom Reinigungsmittel nur überspült und nicht mit mechanischer Kraft gereinigt. Die Öffnungen der Sprühkugeln sind relativ feinporig und können leicht durch ungenügend gelöste Partikel des Reinigungsmittels oder andere Verunreinigungen blockiert werden. Sind verstopfte Sprühöffnungen vorhanden, wird die Anlage an den entsprechenden Stellen nicht oder nur unzureichend gereinigt. Es besteht keine Möglichkeit zu überprüfen, zu welchem Zeitpunkt die Öffnungen verstopften bzw. ab wann die Reinigung nicht mehr regulär war.

Rotiert die Sprühkugel an einer statischen Lanze, verringert sich zwar das Problem der punktuellen Besprühung, das Problem der Sprühschatten bleibt aber nach wie vor bestehen. Sind Sprühkugel und Lanze in Bewegung, lösen sich beide Probleme von selbst. Es wird nicht mehr punktuell besprüht. Die Reichweite des Reinigungsmittels vergrößert sich und der gesamte Wirkungsbereich der Sprühkugel wird aktiv besprüht. Durch die Drehbewegung selbst wird eine zusätzliche mechanische Komponente in den Reinigungsprozess integriert. Dies verkürzt die Reinigungszeit, reduziert den Chemikalienverbrauch und eliminiert Sprühschatten. Statt mehreren Sprühkugeln ist nur noch eine einzige erforderlich.

Bioengineering hat die rotierende, mit Sprühkugel versehene CIP-Lanze RotaCIP entwickelt, um den Reinigungsprozess sicherer, schneller und umweltverträglicher zu machen. RotaCIP wird an einer für den Reinigungseffekt optimalen Stelle im Fermenterdeckel oder in einen Seitenstutzen platziert und verbleibt auch während der Kultivierung im Reaktor. Aufwändiger Ein- und Ausbau der Sprühkugel ist nicht erforderlich und RotaCIP ist vollständig in einen automatisierten CIP-Prozess integrierbar. Die Sprühkugel, die sich am Ende eines leicht gebogenen Rohrs befindet, wird durch die Rückstrahlkraft der Reinigungslösung angetrieben und rotiert entlang einer horizontalen Ebene. Dies gewährleistet gleichmäßiges Besprühen des gesamten Reaktorinnenraums. Sprühschatten können nicht entstehen.

RotaCIP ist modular aufgebaut und wird individuell an die Behältergeometrie angepasst. Material und Ausführung entsprechen allen gängigen steril- und hygienetechnischen Vorschriften. Die Rotation erfolgt über ein Gleitlager und ist dadurch nicht nur hygienisch, sondern auch sicher und wartungsarm. Bei herkömmlichen Sprühkugeln kann nicht überprüft werden, ob sie tatsächlich einwandfrei funktionieren. Bei RotaCIP kann die Rotation mit einem Sensor überwacht werden. Dadurch kann zu jedem Zeitpunkt des CIP-Prozesses nachweislich dokumentiert werden, dass die Sprühkugel ordnungsgemäß rotiert und mit ausreichendem Wasserdruck den Kesselinnenraum und die Einbauten benetzt.

Online-Info www.cav.de/0909477