Sauberkeit und Entleerbarkeit sind für Biopharmaunternehmen von entscheidender Bedeutung

Dec 01, 2023

Sauberkeit und Entleerbarkeit gehören zu den kritischsten Problemen, mit denen sich biopharmazeutische Hersteller oder Eigentümerunternehmen bei ihren Prozesslinien auseinandersetzen müssen. Eigentümer stehen vor der Gefahr, jedes Jahr Millionen von Dollar zu verlieren, weil die Prozessleitungen nicht richtig geneigt sind und sich in Ventilen und Anschlüssen verfangen.

Einige Hersteller führen einen Vorgang kontinuierlich durch, aber in den meisten Fällen führen Hersteller mehrere Chargen durch und müssen zwischen ihnen mit SIP (Steam in Place), CIP (Clean in Place), bei dem ein chemisches Mittel im Reinigungsprozess verwendet wird, oder beiden reinigen.

Minimierung von Rückstandspfützen

Wenn ein Ventil in einem ordnungsgemäß konstruierten System geschlossen wird, sollte das gesamte stromabwärts gelegene System vollständig entleert werden, wodurch die Bildung von Restpfützen, Reservoirs oder Einschlüssen entlang von Prozessleitungen oder in oder um Ventile oder Armaturen minimiert wird.

Einige spezifische Richtlinien zur Entleerbarkeit sind im ASME-BPE-Abschnitt SD 3.12 enthalten.

Obwohl der ASME-BPE-Standard keine bestimmte Neigung vorgibt, halten sich die meisten Unternehmen an die allgemein anerkannte Richtlinie von mindestens 1/8 Zoll oder 1/4 Zoll pro Fuß. Mit anderen Worten: Pro Fuß Schlauch sollte die Leitung mindestens 1/8 Zoll bis 1/4 Zoll abfallen.

Zu den Variablen, die sich auf die Entwässerbarkeit eines Systems auswirken, gehören: Systemgefälle, Toträume; Innenoberflächenbeschaffenheit der Schläuche, Verhältnisse von Fitting zu Ventil; sowie Auswahl und Design von Ventilen und Anschlüssen. Sowohl Eigentümer als auch Bauunternehmer können in der Entwurfs- und Bauphase Maßnahmen ergreifen, um die Reinigungsfähigkeit und Entleerungsfähigkeit eines Systems zu verbessern.

Es liegt jedoch in der Verantwortung des Eigentümers, deutlich zu machen, dass Entleerbarkeit und Reinigungsfähigkeit oberste Anforderungen sind.

Spezielle abgewinkelte Winkelanschlüsse, die relativ neu auf dem Markt sind, sind auf einen idealen Winkel von 88 oder 92 Grad ausgerichtet, mit einer engen Toleranz von +/-0,5 Grad (Abb. 1). Solche Winkel gewährleisten eine ordnungsgemäße Entwässerung. Bei standardmäßigen 90-Grad-Anschlüssen erlaubt ASME-BPE eine typische Variabilität von +/-1,3 Grad.

Einige Bauunternehmer werden versuchen, diese Toleranz zu nutzen und standardmäßige 90-Grad-Anschlüsse für den Einsatz in unterschiedlichen Gefälleanwendungen in solche mit spitzer Richtung und solche in stumpfer Richtung vorzusortieren. Dieser Vorgang ist zeitaufwändig und ungenau.

Zusätzliches Angeln

Normalerweise erfordern Standard-90-Grad-Anschlüsse eine zusätzliche Abwinkelung, um die gewünschte Neigung zu erzielen. Wie wird dieses zusätzliche Angeln erreicht? Es gibt zwei gängige Methoden. Eine Methode erfordert ein Plandrehwerkzeug. Direkt hinter der 90-Grad-Beugung des Ellenbogens wird ein Gehrungsschnitt ausgeführt. Anschließend wird ein gerades Rohrstück stumpf an den Gehrungsschnitt angeschweißt, wodurch ein Gefälle entsteht. Um die Neigung anzupassen, kann ein gewisses Bücken erforderlich sein. Eine zweite Methode erfordert nur die bloßen Hände. Ein gerades Rohrstück wird stumpfgeschweißt oder auf andere Weise an der Armatur befestigt. Dann greift der Installateur das gerade Rohrstück und zwingt es in die gewünschte Neigung oder Position. In Abb. 2 ist Abschnitt A auf Gehrung geschnitten und Abschnitt B an seinen Platz gebogen.

Beide manuellen Methoden sind nicht genau. Einige biopharmazeutische Hersteller verbieten diese Methoden sogar. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Integrität der inneren Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigt wird und es zu einer Kontamination kommt, wenn Rohre zwangsweise in eine gewünschte Neigung oder Position gebracht werden.

Außerdem kann der Schlauch bei einer Temperaturänderung oder beim Abkuppeln zu Wartungszwecken aus seiner erzwungenen Position zurückfedern, wodurch der vorgesehene Winkel gestört wird, was zu Schwierigkeiten beim Wiederzusammenbau führt.

Die Alternative zu diesen manuellen Methoden sind spezielle Winkelbeschläge, die auf 88 Grad oder 92 Grad gebogen sind. Die minimale Neigung von 1/8 Zoll bis 1/4 Zoll pro Fuß entspricht 0,6 Grad bzw. 1,2 Grad, was bedeutet, dass der ideale Winkelanschluss in einer Richtung zwischen 90,6 und 91,2 Grad und in der anderen Richtung zwischen 89,4 und 88,8 Grad liegt .

Dies sind die Gradbereiche, die bei speziellen Winkelentwässerungsarmaturen (88 und 92 Grad) verfügbar sind, wenn sie mit engen Toleranzen von +/-0,5 Grad hergestellt werden und mindestens die minimale Neigung bieten. Spezielle abgewinkelte Fittings, die üblicherweise in Winkel- oder T-Form vorliegen, verfügen über eine Stirnseite zum Stumpfschweißen, mit angeschweißten Flanschen für Klemmendfittings oder mit Gewinde für Gewindefittings.

Ventiltechnik

Die Ventilauswahl sollte bewusst erfolgen. Ein Ventil ist nicht so gut wie das andere. Bei kritischen Absperranwendungen sind die beiden häufigsten Ventiltypen Wehrventile und Radialmembranventile. Das Ventil im Wehr-Stil ist der Branchenstandard und weist eine Erfolgsbilanz bei der soliden Leistung in validierten Systemen auf. Dennoch kann das Dichtungsdesign im Wehrstil eine gewisse Möglichkeit für Einschlüsse oder Kontaminationen bieten. Die Membran ist so konzipiert, dass sie an einer Dichtwulst außerhalb des Wehrbereichs abdichtet.

In der geöffneten Position hebt sich die Membran jedoch an und biegt sich, wodurch der Ventilkörper entlang des Umfangs des Behälters freigelegt wird (Abb. 3).

Wenn das Ventil schließt, schließt sich die Membran wieder zum Ventilkörper hin, sodass kleine Flüssigkeitsmengen eingeschlossen werden können.

Korrektur von Unvollkommenheiten

Neuere Radialmembranventilkonstruktionen korrigieren die Unvollkommenheit des Wehrventils. Bei diesen Konstruktionen dichtet die Membran am Rand des Ventiltopfes ab. Das Diaphragma hebt sich zu keinem Zeitpunkt über den Schüsselrand hinaus.

Dadurch kommt es nicht zum Einklemmen. Darüber hinaus sind die Form der Schüssel sowie die Ein- und Auslässe so konfiguriert, dass der Strömungsweg sauber gespült und für eine vollständige Entleerung optimiert wird.

Radiale Membranventile werden immer häufiger eingesetzt, da viele Konstrukteure und biopharmazeutische Unternehmen nach alternativen Möglichkeiten suchen, den Wasser-, Dampf- und Produktfluss sicher durch ihre sauberen Verarbeitungssysteme zu leiten.

Bei der Wahl zwischen einem Wehrventil und einem Radialmembranventil sollten Eigentümer die Empfindlichkeit der Anwendung hinsichtlich Entleerbarkeit, Einschlüsse, mögliche Kontamination und Anforderungen an den Systemdurchfluss sorgfältig berücksichtigen.

Beispielsweise würde das Wehrventil gleicher Größe eine höhere Durchflussrate bieten und die geeignete Wahl für Anwendungen sein, die einen höheren Durchfluss erfordern, während Radialmembranventile gut für Anwendungen geeignet sind, bei denen Sauberkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Bei der Wahl der Ventilkonstruktionen sollten Eigentümer und Konstrukteure auch darauf abzielen, die Anzahl der Armaturen und Ventile zu reduzieren, um die Effizienz, Kosten und Leistung des Gesamtsystems zu verbessern.

Qualitätsventile sind mit mehreren Kombinationen von Ein- und Auslässen erhältlich, sodass ein Mehrfachventil die Arbeit erledigen kann, für die früher zwei oder mehr einzelne Ventile erforderlich waren.

Solche Konstruktionen reduzieren nicht nur die Anzahl der Ventilkörper, sondern auch die Anzahl der Fittings, da für jedes Ventil mindestens zwei Fittings (oder Schweißnähte) erforderlich sind.

Mit anderen Worten: Die Auswahl intelligenter Ventile führt zu einer Reduzierung der Ventile, einem höheren Fitting-Ventil-Verhältnis und wahrscheinlich zu einer Reduzierung der Gesamtsystemgröße und der Toträume.

Eine der kritischeren Ventilanwendungen findet an Auslässen am Einsatzort statt. Traditionell erscheint das Point-of-Use-Ventil als statisches Null-T-Stück.

Während der vertikale Stiel des T-Stücks möglicherweise gut entwässert, ist dies bei den horizontalen Abschnitten möglicherweise nicht der Fall. In einigen Fällen können 90-Grad-Bögen an jeder Seite der horizontalen T-Abschnitte hinzugefügt oder ersetzt werden, wodurch ein Bogenkopfstück entsteht.

Eine bessere Option ist das Viking-Design, bei dem die beiden horizontalen Teile der Abschlagformation überhaupt nicht mehr horizontal sind (Abb. 4). Vielmehr steigen sie senkrecht nach unten und biegen sich um 45 Grad, bevor sie in das Ventil gelangen.

Die Schwerkraft übernimmt die gesamte Arbeit, um eine vollständige Entwässerung sicherzustellen. Darüber hinaus stimmt der Abstand zwischen den beiden vertikalen Tropfen in einer Viking-Formation mit den von ASME-BPE empfohlenen Abmessungen für U-Tropfen überein. In Viking-Formationen können Wehr- oder Radialmembranventile eingesetzt werden.

Beschlagtechnik

Wenn die herkömmliche ISO 2852-Armatur verwendet wird, sollte sich der Eigentümer der möglichen Probleme in Bezug auf Entleerbarkeit und Durchflussbehinderung bewusst sein. Wenn die Klemme in einem ISO 2852 festgezogen wird, kann die Dichtung in den inneren Strömungsweg herausragen. Bei Temperaturwechsel kann die Extrusion zunehmen.

Computational Fluid Dynamics (CFD) zeigt, dass eine solche Extrusion Turbulenzen im Strömungsweg und einen möglichen Stau verursacht, wenn das System entleert wird (Abb. 5). Fittings mit alternativem Design, wie z. B. die Fittings der Swagelok TS-Serie, verhindern das Austreten der Dichtung in den Strömungsweg. Sie tun dies, indem sie ein innovatives Design verwenden, um ein zu starkes Anziehen zu verhindern und einen alternativen Raum zu schaffen, in den die Dichtung hineinragen (beim Hochziehen und Spannen) oder sich ausdehnen kann (während der Temperaturwechselbelastung).

Abschluss

Es ist wichtig, dass Eigentümer, Planer und Auftragnehmer sorgfältige und fundierte Entscheidungen bezüglich der Komponenten des Flüssigkeitssystems treffen, um erhebliche finanzielle Verluste oder Validierungsfehler aufgrund von Kontamination oder schlechter Entleerbarkeit erfolgreich zu vermeiden. Ventile, Armaturen und Systemgefälle sind für die ordnungsgemäße Funktion des größeren Systems von entscheidender Bedeutung. Im Zuge der Weiterentwicklung der Branche werden verbesserte Fluidsystemkomponenten in biopharmazeutische Produktionssysteme integriert.

Komponenten mit innovativem Design, die die Fehlerquote verringern, wie z. B. spezielle abgewinkelte Winkel- und T-Stücke, Fittings der Swagelok TS-Serie, Mehrfachventile und Viking-Endpunktventile, ersetzen weniger präzise Alternativen und verbessern die Reinigbarkeit und Entleerbarkeit eines Systems.

Michael Bridge ist Marketing Manager, Swagelok Biopharm Services Company für Swagelok, Solon, Ohio, USA. www.swagelok.com.