Totraumfrei und CIP-/SIP-tauglich

Der Autor: Michael Groth Leiter Geschäftsfeld Nahrung & Pharmazie, Netzsch Pumpen & Systeme

Rund 285 Millionen Menschen leiden nach Schätzungen der International Diabetes Federation (IDF) weltweit an Diabetes, bis 2030 werden es Hochrechnungen zufolge 438 Millionen sein. Allein in Deutschland ist dann mit acht Millionen Erkrankten zu rechnen. 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. Produziert werden sie 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 muss die Bemessung aller verwendeten Substanzen exakt eingehalten werden, 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 in jedem Produktionsschritt eingehalten werden müssen. Die dazu notwendigen, häufigen und langwierigen Reinigungszyklen allerdings schränken die Produktivität ein.

Einer der führenden Anbieter von Insulinanaloga setzt daher bereits seit mehreren Jahren bei der Beschickung der Plattenfilter sowie zur Förderung von Zellmasse und Faltungssuspension spezielle Hygiene-Exzenterschneckenpumpen der Netzsch Pumpen & Systeme GmbH ein. Die Anlagen wurden eigens im Hinblick auf die Reinigung mit einer möglichst totraumfreien Förderkammer konstruiert und auf das CIP- beziehungsweise das SIP-Verfahren ausgelegt. Je nach Anforderung an den Hygienegrad kommen dabei zwei unterschiedliche Bauformen zum Einsatz, eine Variante mit Biegestab zur Förderung des Gradienten zu den Filtern und ein Modell mit einem speziellen Hygienegelenk zum Transport der Zellkulturen. Dieses Bolzengelenk ist offen gestaltet, so dass 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.

Um den Anforderungen des CIP- beziehungsweise des SIP-Verfahrens zu entsprechen, werden die Pumpen mit zusätzlichen Spülstutzen und einer Bypassleitung ausgestattet. Dadurch lässt sich im gesamten System die vorgeschriebene Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s realisieren. Außerdem erlaubt eine tangentiale Ausführung der Stutzen eine vollständige Entleerung 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 eine einwandfreie Performance erreicht wird.

Besondere Bedeutung kommt im Zusammenhang mit der Hygiene auch den Dichtungen zu: Hier werden Einzel-Gleitringdichtungen mit gekapselter Wellenfeder verwendet. Für höhere Ansprüche an die Sterilität gibt es auch eine Aseptik-Ausführung mit gekammerten Doppeldichtungen, die mit Sterilkondensat oder Detektorflüssigkeit beaufschlagt werden kann.

Eine spezielle Herausforderung im Synthetisierungsprozess ist für herkömmliche Pumpensysteme die Beschickung von Plattenfiltern, da diese je nach Füllgrad unterschiedlichen Differenzdrücken unterliegen. Dieser schwankende Gegendruck erschwert es in der Regel, eine hohe Mengenkonstanz zu erreichen. Die Nemo- Hygienepumpen profitieren hier von ihrer Konstruktion, die eine gleichmäßige Fördermenge unabhängig von den umgebenden Druckverhältnissen erlaubt. 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, druck-stabile Förderung erreicht.

Diese Art der Förderung spielt auch bei dem besonders heiklen Transport von Zellmasse in verschiedenen Bearbeitungsstadien eine wichtige Rolle. Während bei den meisten anderen Pumpverfahren auf das Fördermedium starke Scherkräfte wirken, erzeugen die Nemo-Hygienepumpen kaum mechanische Belastungen für die transportierten Stoffe. So lässt sich verhindern, dass die Zellen und Zellstrukturen bei der Förderung beschädigt oder gar zerstört werden, was sie für die Insulinherstellung wertlos machen würde. Der schonende Umgang mit den Kulturen war daher eine essenzielle Anforderung des Pharmaunternehmens. Zusätzlich ermöglicht das besondere Arbeitsprinzip der Pumpen auch eine präzise Förderung und Dosierung, die sich linear zur Drehzahl einstellen lässt.

Für die konkreten Produktionsschritte wurden Förderanlagen in unterschiedlichen Größen und mit verschiedenen Rotor-Geometrien gewählt, die den jeweiligen Bedürfnissen an Menge und Druck entsprachen. Aufgrund der räumlichen Bedingungen und der Einbindung in den Produktionsstrang kamen sowohl Ausführungen in Blockbauweise mit angeflanschtem Motor wie auch Lagerstuhlausführungen zum Einsatz. Die Nemo-Hygienepumpen selbst entsprechen in ihrer Konstruktion den aktuellen EHEDG- und QHD-Richtlinien sowie den Normen des 3A Sanitary Standards. Verwendet werden 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 Nemo-Förderanlagen wurden 2002 in der Insulinproduktion installiert, seither wurden mehrfach weitere Pumpen zur Kapazitätsvergrößerung hinzugefügt. Dabei zeigte sich eine unerwartet hohe Robustheit der Anlagen: Bei der Erstausrüstung war man 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 müssen sogar erst nach zehn Jahren ausgewechselt werden.

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