Hygienegerechte Membranpumpen arbeiten mit überkritischen Fluiden

Sicherheit bei der Hochdruckextraktion

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Bei der Hochdruckextraktion mit überkritischem Kohlendioxid (Supercritical Fluid Extraction kurz SFE) stellen Prozess- und Dosierpumpen wesentliche Komponenten der Anlagentechnik dar. Sind typische Extraktionsverfahren zur Veredelung im Nahrungsmittelbereich wie die Kaffee- und Tee-Entkoffeinierung bereits seit längerem etabliert, werden zunehmend Technikumanlagen zur Herstellung höherwertiger Stoffe und pharmazeutisch aktiver Substanzen in industrielle Verfahren übergeführt.

Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl

Vor allem im Übergangsbereich zwischen Nahrungs-, Nahrungsergänzungsmittel und hochwirksamen Extrakten mit spezifischen therapeutischen Nutzen, z. B. bei der Herstellung von so genanntem Functional Food oder Nutraceuticals, ist das umweltschonende und ungefährliche Verfahren der Extraktion mit CO2 als vorteilhaft erkannt worden. Die schonende Rohstofferschließung durch CO2-Extraktion kann meist ohne Wirk-, Geschmacks- oder sonstige Qualitätsverluste durchgeführt werden. Aus festen oder flüs-sigen Rohstoffen als Einsatzprodukte können ohne oder zumindest unter reduziertem Einsatz potentiell gefährlicher Lösemittel und ohne Umgebungskontamination schneller und kostengünstiger Wertstoffe gelöst werden. Es verbleiben keine störenden Lösemittelbestandteile im extrahierten Produkt. Darüber hinaus ist das Lösemittel CO2 im geschlossenen Kreislauf wieder verwendbar.
Umweltfreundliche Extraktion mit CO2
Das Lösungsvermögen, bei Gasen nur sehr gering vorhanden, lässt sich durch Komprimieren mit geeigneten Pumpen erheblich steigern. Unter bestimmten Bedingungen (Druck, Temperatur) lassen sich Gase verflüssigen. Oberhalb der so genannten kritischen Temperatur kann selbst bei hoher Druckaufwendung der Zustand der flüssigen Phase nicht mehr erreicht werden. Ein überkritischer Zustand des Gases wird herbeigeführt. Die Dichte und die Dielektrizitätskonstante als Parameter des Lösungsvermögens steigen. Bei Druckminderung wird dieses wieder herabgesetzt.
Bei Kohlendioxid als unbrennbares und preisgünstiges Gas arbeitet man im überkritischen Temperaturbereich u003E 31°C und im Druckbereich zumeist zwischen 100 bis 500 bar. Extrahierbar sind nicht polare und lipophile organische Verbindungen relativ geringer Polarität. Polare Verbindungen wie die meisten Pharmazeutika lassen sich jedoch durch die Zugabe kleiner Mengen organischer Lösemittel (Modifizierer) zum CO2 extrahieren.
Aufbau einer Hochdruckextraktionsanlage
In einer Extraktionsanlage (Abb. 1) strömt flüssiges CO2 über einen Wärmetauscher der Dosierpumpe zu. Diese sorgt für die notwendige Dosierung und erfüllt gleichzeitig die Forderung nach Druckerhöhung (Abb. 2) auf Extraktionsdruck. Das CO2 wird im Wärmetauscher auf über-kritische Temperatur erwärmt. Im Extraktor bzw. in der Extraktionskolonne lösen sich die extrahierbaren Stoffe im überkritischen CO2. Durch Änderung von Druck bzw. Temperatur werden die Extrakte im nachgeschalteten Separator abgeschieden, d. h. der Wertstoff wird gewonnen. Das gasförmige CO2 wird nach der Kühlung wieder verflüssigt und in einem Vorlagebehälter für erneute Prozessverwendung bereitgestellt.
Als Verfahren sind Chargenbetrieb oder kontinuierlicher Gegenstrombetrieb bekannt.
Hygienegerechte Prozess-Membranpumpen
Das Herz dieser Hochdruckprozesse, üblicherweise in der Druckstufe bis 350 bar, in Sonderfällen auch bis zu 700 bar, stellen sichere, zuverlässig und wirtschaftlich arbeitende Dosiermembranpumpen dar. Membranpumpen bilden bei allen wichtigen Extraktionsprozessen den Standard für mehr Sicherheit. Sie sind notwendig für die verwendeten Produkte, die nicht an die Umwelt treten sollen, sind robust, trockenlaufsicher und zuverlässig beim Fördern. Sie finden Einsatz insbesondere dann, wenn extrem dünnflüssige, nicht schmierende Fluide eben Flüssiggase gepumpt werden. Sie sind konstant in der Förderung selbst bei Druckschwankungen.
In Industrien, wie in Nahrungsmittelbetrieben, wo Qualität, Konsumentenvertrauen und Marken-Integrität unverzichtbar im Mittelpunkt stehen, noch viel mehr in der Pharmaindustrie kommen weiter gehende Forderungen hinzu. Hygienegerechte Konstruktionen, soweit funktionell möglich, sowie höhere Oberflächenqualitäten müssen zusätzlich in die Spezifikation von Hochdruckpumpen aufgenommen werden. Wachsender Bedarf so genannter Sanitary-und Hygienic-Pumpen besteht für Extraktionsprozesse zur Herstellung neuer hochwertiger Qualitätsprodukte wie diätetische Zusatzmittel bzw. Nutraceuticals, spezieller Extrakte zur Herstellung von Functional Food als auch kosmetischer Produkte bis hin zu Phytopharmazeutika (Abb. 3) und aktiven Wirkstoffen in der pharmazeutischen Industrie. (Tabelle). Höhere Anforderungen an die konstruktive Ausführung, Material und Oberflächengüten führen jedoch zu entsprechenden Anlagenkosten und machen eine technische Realisierung dieser Standards nur für Prozesse entsprechender Wertschöpfung sinnvoll. Wo CO2 als biologisch kompatibel und von der FDA als Generally regarded as safe (GRAS) eingestuft wurde, muss die Anlagentechnik entsprechenden Richtlinien und Vorschriften genügen, um im speziellen Fall eine GMP-gerechte Produktion zu gewährleisten. Ist einmal die Entscheidung gefallen, keine Kompromisse bei der Komponentenauswahl einzugehen, gibt es kaum Alternativen bei den verfahrenstechnischen Apparaten wie den druckerzeugenden Aggregaten: Hermetische, leckagefreie Dosierpumpen mit überwachter Sandwichmembran in spezieller reinigbarer Ausführung sollten sorgfältig anwendungsspezifisch ausgewählt und ausgelegt werden.
Selbstverständlich erfüllen die Hochdruckpumpen von Lewa die für Extraktionsprozesse notwendigen besonderen Kundenanforderungen wie
• vielfältige Anschlussgeometrien (HD-Ausführungen druckseitig, Hygieneflansche saugseitig)
• Sonderventile, wenn erforderlich
• Heiz- und Kühlausrüstung
• Hygienic Design optional (Ra 0,8 mm; CIP/SIP)
• konform gamäß FDA; 3A; ASME BPE; EHEDG
• Dokumentation zur Quantifizierung/Validierung
• Sonderwerkstoffe, z. B. Hastelloy für hochkorrosive Medien
• Ausrüstung für die Aufstellung im explosionsgefährdeten Bereich
Zukünftige Entwicklungen
Auch für die folgenden, den SFE-Verfahren ähnlichen industriellen Prozesse im Nahrungsmittel- und Pharmabereich, die die Vorteile überkritischer Fluide nutzen, stehen Dosiermembranpumpen für mittlere bis hohe Drücke im Mittelpunkt des Interesses. Genannt sei die überkritische Flüssigkeits-Chromatografie (Supercritical Fluid Chromatography SFC) bei der Aufarbeitung von biotechnologischer oder pharmazeutischer Fluide, die überkritische Fluid Fraktionierung (Supercritical Fluid Fractionation SFF) sowie die überkritische Flüssigkeits-Reaktion (Supercritical Fluid Reactions SFR). Partikelformation zur Wirkstoffformulierung, insbesondere im Pharmabereich, stellen interessante innovative Verfahren dar. Die mit Hilfe von Hochdruckmembranpumpen im superkritischen CO2 gelösten parenteralen Wirkstoffe bzw. therapeutischen Proteine werden dabei schlagartig in einem z.B. Niederdruckreaktor entspannt und kleinste mikronisierte Partikel entstehen (Rapid Expansion of Supercritical Solutions RESS). Auch der Zellaufschluss im Rahmen der Aufarbeitung biotechnologisch gewonnenen Materials (z. B. Bakterienzellen) könnte unter Ausnutzung superkritischer Fluide ein solches zukunftsträchtiges Verfahren im Bereich der hygienegerechten Prozesstechnik darstellen.
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