Wenn man versucht, die Prozesse bei der Herstellung von Biopharmazeutika zu beschreiben, fallen einem meistens Wörter wie „komplex“, „präzise“ oder „rein“ ein. „Schnell“ oder „zügig“ scheint da wenig zu passen. Das trifft allerdings nicht unbedingt zu. Denn die erfolgreichsten Hersteller produzieren Arzneimittel, die einerseits für den Patienten sicher sind und andererseits – zeitnah auf den Markt gebracht – das Ertragspotenzial der Patentzeit erhöhen.
Single-use spart Zeit und Kosten
Die derzeit gebräuchlichsten biopharmazeutischen Herstellungsverfahren erfordern Handhabung, Transfer, Aufbereitung und Reinigung hochmolekularer Wirkstoffe, die in lebenden Organismen, beispielsweise tierischen Zellkulturen, Bakterienzellen oder Hefe hergestellt werden. Dies muss in einer flüssigen Phase unter Handhabung dieser Materialien mittels einer Pumpentechnologie erfolgen, die zuverlässig die volumetrische Konsistenz und Präzision, die entsprechenden Drücke und Volumenströme sowie die pulsationsarme Förderung bieten kann, die für den Prozess notwendig sind. Darüber hinaus sind niedrige Scherkräfte, geringe Wärmezufuhr und Materialkompatibilität erforderlich, um das biologische Arzneimittel vor einer Schädigung schützen.
Traditionell werden sowohl in Up- wie auch in Downstream-Prozessen dauerhafte Pumpen- und Prozessanlagen aus Edelstahl eingesetzt. Der Betrieb und dann die Reinigung, Wartung und Qualitätskontrolle dieser Systeme, bevor der nächste Produktionslauf beginnen kann, erfordern jedoch einiges an Zeit und Kosten. Dieser Aspekt gab den Anlass zur Entwicklung von Single-Use-Pumpen, bei denen die Pumpenkammer als Einwegelement ausgeführt ist, das zwischen den Produktionsläufen leicht entfernt und ausgetauscht werden kann. Die Revalidierung der Ausrüstung, die ein Edelstahlsystem erfordert, entfällt somit.
Auch wenn Single-Use-Pumpen für die biopharmazeutischen Hersteller ein wahrer Segen waren – und Verdrängerpumpen mit 4-Kolbenmembran-Technologie für viele zur ersten Wahl wurden – gab es immer noch Verbesserungspotenzial in Bezug auf Zeitverkürzungen bei Produktumstellungen und die Vereinfachung des Installationsprozesses. Der Durchbruch in diesem Bereich gelang im Jahr 2017 mit der Entwicklung eines Wechselsystems für Förderkammern, das die benötigte Zeit für den Austausch einer Einweg-Pumpenkammer für den Single-Use-Einsatz auf einige Sekunden senkt.
Auf der Basis der Grundoperationen
Das Fundament der biopharmazeutischen Herstellung bilden die unterschiedlichen Grundoperationen. Dazu behören beispielsweise die Tangential- oder Querstomfiltration, verschiedene chromatographische Verfahren zur Aufreinigung und die Virusfiltration. Auch wenn es bei jeder Grundoperation einen eigenen Kriterienkatalog für den Betrieb gibt, haben sie doch gemeinsam, dass ein wirksames, kontaminationsfreies Medikament, das für die menschliche Verabreichung geeignet ist, nur dann produziert werden kann, wenn der Hersteller eine Reihe unveränderlicher Betriebsparameter und -strukturen genau beachtet. Eine weitere Gemeinsamkeit der verschiedenen Grundoperationen besteht darin, dass eine Pumpentechnologie benötigt bzw. genutzt wird, die ihren spezifischen Betriebsparametern gerecht werden kann. Die 4-Kolbenmembranpumpe hat sich bei nahezu allen Prozessen bewährt, während konkurrierende Technologien, wie Peristaltikpumpen (Schlauchpumpen), Drehkolben-, Kreisel- und Kolbenpumpen, Schwierigkeiten haben können, eine Reihe der strengen Produkthandling- und -transferanforderungen zu erfüllen.
Vorteile für den Single-use-Einsatz
Eine zusätzliche Erwähnung verdienen die Vorteile, die die Verwendung von 4-Kolbenmembranpumpen für den Single-Use-Einsatz bei der biopharmazeutischen Herstellung bieten kann. Der Hauptvorteil dieser Pumpen – sowohl bezogen auf traditionelle Edelstahl- als auch Single-Use-Anlagen – ist ihre Betriebsweise: Die vier Kolbenmembranen werden nacheinander von einem Verbindungsring gesteuert, der sich aus seiner Mittellage vor- und zurückbewegt. Der Hub wird dabei von einer Exzenterwelle erzeugt und die Hublänge durch den Exzentrizitätswinkel bestimmt. Die vier Pumpenkammern, deren Funktionsprinzip im Grunde dem des menschlichen Herzens entspricht, halten den Produktstrom volumetrisch konsistent , scher- und pulsationsarm in einer konstanten Vorwärtsbewegung.
Zudem gibt es in diesen Förderkammern keine rotierenden Teile, die durch Reibung verschleißen und keine hohe Wärmeentwicklung, die das Produkt beeinträchtigen könnte. Durch diese Funktionsweise sind die Pumpen trockenlaufsicher und selbstansaugend und erzeugen aufgrund des geringen Schlupfs minimale Scherung. Weiterhin zeichnen sie sich durch einen pulsationsarmen, leckagefreien Betrieb aus, während sie hervorragend trocken-/nassansaugend sind.
Regelfähigkeit und -bereiche von 4-Kolbenmembranpumpen sind zudem in der biopharmazeutischen Industrie einzigartig. Während die Produkte den Weg von der Entwicklung zu klinischen Studien und dann zur Vermarktung nehmen, ist eine ordnungsgemäße Hochskalierung wesentlich. Anders ausgedrückt, die gleiche Pumpentechnologie muss in einem Labor möglicherweise kleine Ströme mit wenigen Litern pro Minute handhaben, während sie auch
in der Lage sein muss, in der kommerziellen Produktion Volumenströme von vielen Kubikmetern in der Stunde zu fördern.
Die 4-Kolbenmembranpumpe lässt sich zudem leicht an Single-Use-Produktionskonfigurationen anpassen. Eine Single-Use-Pumpe ermöglicht es Herstellern, die oftmals hohen Kosten für Reinigung und Validierung ihrer Pumpen und Systeme im Wesentlichen einzusparen. Das Ergebnis ist ein schnellerer und kostengünstigerer Produktionsprozess, der weiterhin den gewünschten Reinheits- und Sterilitätsgrad der Produkte ohne eine Möglichkeit einer Kreuzkontamination zwischen Chargen oder Produkten bietet.
Das Kernstück der Single-Use-Pumpe ist ihre produktberührte Pumpenkammer aus Kunststoff, die als komplette Einheit ausgetauscht werden kann.
Der nächste Entwicklungsschritt
Auch wenn die Single-Use-Pumpentechnologie bei den Grundoperationen das Problem gelöst hat, wie Reinigungs- und Revalidierungszeit und -kosten nach den Produktionsläufen reduziert werden können, ließ sich der Zeitbedarf für einen Pumpenkammeraustausch noch weiter verkürzen.
Der Durchbruch erfolgte im letzten Jahr mit der Entwicklung und Einführung eines Wechselsystems für Förderkammern, dem EZ-Set von Quattroflow Fluid Systems. Es ermöglicht den Austausch der Kammer in einer Single-Use-Pumpe innerhalb von 30 s oder weniger, ohne dass Drehmomentschlüssel oder andere Spezialwerkzeuge und -ausrüstung benötigt werden. Förderkammerwechselsysteme können auch bei bestehenden Antrieben nachträglich eingebaut werden, sodass sich Nachrüstungen schnell und einfach durchführen lassen.
Der Austausch der Förderkammer erfordert lediglich fünf einfache Schritte:
- Die Druckplatte der Pumpe entfernen
- Die Förderkammer vom Ringantrieb abnehmen
- Die neue Förderkammer auf den Ringantrieb schieben
- Die Druckplatte erneut anbringen
- Die Druckplatte zur Verriegelung gemäß den Markierungen leicht drehen
Durch die Markierungen an der Seite der Druckplatte, die einen Mindest- bis Maximalbereich darstellen, kann der Nutzer die Spannkraft erkennen, da es wichtig ist, das richtige Druckniveau auf dem Pumpenantrieb zu haben. Tatsächlich lässt sich die Druckplatte derart problemlos und leicht einbauen, dass nur geringe Kräfte notwendig sind.
Suchwort: phpro0418quattroflow
Autor: Dr. Andreas Frerix
Produktmanager,
Quattroflow Fluid Systems
