Sauberes Einwegkonzept

Die Autoren: Dr. Manfred Mühl, Business Development Manager, Pall Filtersystems Dr. Dirk Sievers, Technical Marketing Manager Pall Life Sciences, BioPharmaceuticals

Industrielle Aktivkohlen, die in großer Vielfalt kommerziell verfügbar sind, zeichnen sich aufgrund ihrer sehr hohen Porosität durch ein sehr hohes Adsorptionsvermögen aus. Ihre Herstellung beinhaltet die Aktivierung verkohlter Rohmaterialien wie Holz, Kohle oder Torf durch oxidative Hitzebehandlung. Diese erfolgt durch chemische Aktivierung, z. B. mit Phosphorsäure, oder durch Dampfaktivierung, z. B. mit Wasserdampf und Kohlendioxid. In beiden Fällen entstehen adsorptive Stellen, die später als Bindungsstellen für die abzutrennenden Verunreinigungen dienen. Die Auswahl der optimalen Aktivkohle für eine spezifische Anwendung ist abhängig von den chemisch-physikalischen Eigenschaften dieser Verunreinigungen und der Trägerflüssigkeit.

Der Vorteil loser Aktivkohlen in Pulverform (Powdered Activated Carbon, PAC) liegt in der großen Flexibilität hinsichtlich der eingesetzten Aktivkohlemenge und der eingestellten Kontaktzeit. Auf den ersten Blick erscheint zudem das Preis-Leistungsverhältnis sehr günstig, doch werden in einer solchen Betrachtung wichtige Aspekte außer Acht gelassen.

In der Praxis wird lose Aktivkohle als Sackware in den Prozess eingebracht. Die starke Staubentwicklung bedeutet eine erhebliche partikuläre Belastung der Anlagenmimik (Rührwerke, Ventile etc.) und der Mitarbeiter. Die erforderlichen Gegenmaßnahmen, die systembedingt langen Prozesszeiten und die abschließende zeitaufwendige Entfernung der Aktivkohle, mit der eine Verunreinigung der nachfolgenden Prozessschritte zuverlässig ausgeschlossen werden muss, führen oft zu einer wahren Kostenexplosion. Aus heutiger Sicht ist die Wirtschaftlichkeit konventioneller PAC-Prozesse kritisch zu hinterfragen.

In den vergangenen Jahren wurden in vielen Prozessen lose Aktivkohlen sukzessive durch zellstoffbasierte Tiefenfiltermodule mit immobilisierter Aktivkohle ersetzt. Sie machen es möglich, die beschriebenen Probleme auf elegante Weise zu umgehen und von zusätzlichen Anwendungsvorteilen zu profitieren. Der Einsatz dieser einfach zu handhabenden Filter erlaubt eine flexible Gestaltung der Arbeitsabläufe und eine oft deutliche Steigerung der Adsorptionseffizienz. Somit lässt sich meist mit einer geringeren Aktivkohlemenge beispielsweise ein höherer Entfärbungsgrad erzielen. Diese Unterschiede fallen umso deutlicher aus, je höher das Anforderungsprofil an den Prozess ist.

Wie lässt sich diese Beobachtung erklären? Im Kern geht es um die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Verunreinigung in der Prozessflüssigkeit mit einer freien Adsorptionsstelle auf der Aktivkohlenoberfläche in Kontakt treten wird. Je mehr Verunreinigungen adsorbiert werden, desto weniger freie Adsorptionsstellen verbleiben. Sie zu finden, wird für die verbleibenden Verunreinigungen immer schwerer. Im Falle loser Aktivkohlen lässt sich diese Problematik nur durch Zugabe von weiterem Aktivkohlepulver abschwächen.

Der Einsatz von Aktivkohlefiltermodulen dagegen zwingt die durch das Modul filtrierten Verunreinigungen, mit der im Modul immobilisierten Aktivkohle in Kontakt zu treten. Die Kontaminationen werden zunächst in den anströmseitigen Schichten gebunden, während in den anderen Bereichen noch reichlich unbelastete Bindungsstellen zur Verfügung stehen. Die Einhaltung geeigneter Anströmraten ist dabei von entscheidender Bedeutung.

In der Regel werden mit Flussraten von 200 l/m²/h gute Ergebnisse erzielt. Eine höhere Anströmung senkt die Verweildauer in der Filtermatrix und bewirkt eine rasche Abnahme der Adsorptionsleistung.

Alle derzeit verfügbaren Aktivkohlefiltermodule auf Zellstoffbasis werden in konventionellen Edelstahlgehäusen betrieben. Welche systembedingten Nachteile können damit verbunden sein? Welche Argumente lassen den Einsatz alternativer Kunststoffkomponenten im Rahmen moderner Einwegsysteme ratsam erscheinen?

Konventionelle Edelstahlgehäuse sind nicht immer leicht zu handhaben. Insbesondere der Umgang mit größeren 16-Zoll-Gehäusen, möglicherweise im 3-hoch-/4-hoch-Modus, ist ohne Hebehilfe nur mit zwei Mitarbeitern und unter erschwerten Bedingungen möglich. Eine geringe Raumhöhe verhindert zudem das Abnehmen und Aufsetzen der Gehäuseglocke, sodass mitunter kostspielige Systeme mit geteilter Filterglocke erforderlich sind.

Konventionelle Edelstahlgehäuse bergen im 3-hoch-/4-hoch-Modus die Schwierigkeit, die Module effizient anzuströmen. Die in dieser Prozessphase oft geringe Partikelfracht der Prozessflüssigkeit hat zur Folge, dass sich kein relevanter Differenzdruck aufbauen kann. In der Folge ist eine Ventildrosselung auf der Abströmseite erforderlich, um auch die oberen Module und damit das verfügbare Adsorptionspotenzial der Aktivkohle effektiv zu nutzen.

Konventionelle Edelstahlgehäuse sind zudem oft Bestandteil von Multi-Purpose-Anlagen, die nach jedem Einsatz kosten- und zeitaufwendig gereinigt werden müssen. Die Kosten für einen Reinigungszyklus (Chemikalien für Cleaning-in-Place, CIP; Water-for-Injection, WFI) mögen variieren, sind aber keineswegs zu vernachlässigen. Die Reinigung muss zudem validiert werden.

Die genannten Optimierungspotenziale lassen Raum für innovative Einweglösungen. Der Einweggedanke führte nun zu einer revolutionären Weiterentwicklung großflächiger Aktivkohlefiltermodule konventioneller Bauform. Die Stax-AKS-Aktivkohle-Einwegplattform, die auf gekapselten Tiefenfiltermodulen mit immobilisierter Aktivkohle basiert, vereint die Vorteile einer effizienten Adsorption mit den Vorzügen des Einwegkonzepts.

Stax-AKS-Aktivkohlekapsulen mit Seitz-Tiefenfilterschichten werden in einem stabilen Edelstahlgestell betrieben, das in drei Größen für den Labor-, Pilot- und Prozessmaßstab erhältlich ist und optional mit Rollen ausgestattet werden kann. Aktuell stehen sieben Hochleistungskohlen zur Verfügung.

Die Systeme ermöglichen den zur optimalen Entlüftung erforderlichen vertikalen Betrieb der Kapsulen. Sie zeichnen sich durch ein ergonomisches Design mit geringer Stellfläche, intuitive Bedienbarkeit und geringes Totvolumen aus. Mit eigenständigen Entlüftungs- und Verteilerplatten erlauben sie ein Höchstmaß an Flexibilität. Alle produktberührenden Teile sind als Einwegkomponenten ausgelegt, womit Investitionen und Rüstzeiten auf ein minimales Maß reduziert werden.

Die Systeme können wahlweise in der klassischen T-Variante, bei der sich Ein- und Auslass auf gleicher Höhe befinden, oder in der Inline-Variante mit Anströmung von unten nach oben bzw. von oben nach unten betrieben werden. Das Inline-Verfahren bietet insbesondere bei großen Filterflächen wesentliche Vorteile, indem es Differenzdruckunterschiede aufgrund hydrostatischer Effekte elegant ausgleicht. Es stellt auf diese Weise sicher, dass die verfügbare Filterfläche gleichmäßig angeströmt wird.

In der Gesamtbetrachtung ist es wichtig zu verstehen, dass die Leistungsfähigkeit der im vorliegenden Artikel beschriebenen Aktivkohlefilter primär von der Menge an Aktivkohle abhängt, die pro Filter immobilisiert wurde. Die maximal mögliche Aktivkohlemenge wiederum korreliert mit der Dicke der einzelnen Schichten sowie der Anzahl an Schichten pro Modul bzw. Kapsule. Eine große Filterfläche alleine ist dagegen kein Garant für eine optimale Adsorption.

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