In der Pharmaindustrie ist es entscheidend, die höchsten Standards an Hygiene und Präzision einzuhalten. Ein wesentlicher Aspekt zur Gewährleistung dieser Standards ist die Qualität des Schweißens bei der Konstruktion von Rohrleitungssystemen. Das Orbitalschweißen, insbesondere bei der Anwendung auf Edelstahlrohre, hat sich in diesem Bereich als eine wichtige Technik erwiesen. Dieser Artikel untersucht die Bedeutung des Orbitalschweißens in der Pharmaindustrie und die Vorteile seiner Anwendung bei Edelstahlrohren.
*Was ist Orbitalschweißen?*
Orbitalschweißen ist ein automatisierter Prozess, bei dem der Schweißbogen 360 Grad um ein stationäres Werkstück, wie ein Rohr oder eine Röhre, rotiert. Diese Technik ist hochgradig kontrolliert und präzise, wodurch gleichmäßige und konsistente Schweißnähte gewährleistet werden. Die Automatisierung des Orbitalschweißens reduziert menschliche Fehler und verbessert die Wiederholbarkeit der Schweißnähte, was es besonders geeignet für Anwendungen macht, die hohe Standards an Sauberkeit und Zuverlässigkeit erfordern.
*Bedeutung in der Pharmaindustrie*
In der Pharmaindustrie ist die Integrität der Rohrleitungssysteme von entscheidender Bedeutung, da sie Flüssigkeiten transportieren, die für den Herstellungsprozess kritisch sind. Verunreinigungen oder Mängel in diesen Systemen können die Produktqualität und -sicherheit beeinträchtigen. Orbitalschweißen ist für diese Umgebung ideal, da es hochwertige, kontaminationsfreie Schweißnähte produziert. Dies ist besonders wichtig in pharmazeutischen Anwendungen, bei denen selbst kleinste Unvollkommenheiten die Wirksamkeit und Sicherheit der Produkte beeinflussen können.
*Vorteile der Verwendung von Edelstahlrohren*
1. *Korrosionsbeständigkeit:* Edelstahl ist bekannt für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, die in der Pharmaindustrie wichtig ist, da Rohre aggressiven Reinigungsmitteln und hohen Temperaturen ausgesetzt sein können.
2. *Sauberkeit und Hygiene:* Edelstahlrohre sind nicht porös und leicht zu reinigen, was hilft, die erforderlichen Sterilitäts- und Hygienestandards in pharmazeutischen Herstellungsumgebungen aufrechtzuerhalten.
3. *Festigkeit und Haltbarkeit:* Edelstahl bietet die Festigkeit und Haltbarkeit, die erforderlich sind, um Hochdruckumgebungen und mechanischen Belastungen standzuhalten, und gewährleistet die langfristige Zuverlässigkeit der Rohrleitungssysteme.
4. *Einfach zu sterilisieren:* Edelstahl kann leicht sterilisiert werden, was für die Aufrechterhaltung der in pharmazeutischen Prozessen erforderlichen Sauberkeit entscheidend ist.
*Vorteile des Orbitalschweißens mit Edelstahl*
1. *Präzision und Konsistenz:* Orbitalschweißen gewährleistet eine hohe Präzision und Konsistenz der Schweißnähte, was entscheidend für die Aufrechterhaltung der Integrität von Edelstahlrohren in pharmazeutischen Anwendungen ist.
2. *Minimiertes Kontaminationsrisiko:* Die automatisierte Natur des Orbitalschweißens reduziert das Risiko von Kontaminationen, was in Umgebungen, in denen Sauberkeit von größter Bedeutung ist, kritisch ist.
3. *Erhöhte Festigkeit und Haltbarkeit:* Die Gleichmäßigkeit der Orbitalschweißnähte trägt zur Gesamtfestigkeit und Haltbarkeit der Edelstahlrohre bei, was für die langfristige Leistung entscheidend ist.
4. *Reduzierte Arbeitskosten:* Durch die Automatisierung des Schweißprozesses können die Arbeitskosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden, was eine schnellere Projektfertigstellung ermöglicht, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.
*Fazit*
Orbitalschweißen ist eine Schlüsseltechnologie in der Pharmaindustrie, insbesondere bei der Verwendung von Edelstahlrohren. Seine Fähigkeit, präzise, konsistente und kontaminationsfreie Schweißnähte bereitzustellen, macht es unverzichtbar für die Aufrechterhaltung der hohen Standards in der pharmazeutischen Herstellung. Die Kombination von Orbitalschweißen mit den inhärenten Vorteilen von Edelstahl—wie Korrosionsbeständigkeit, Sauberkeit und Haltbarkeit—stellt die Schaffung zuverlässiger und effektiver Rohrleitungssysteme sicher, die für die Herstellung sicherer und hochwertiger pharmazeutischer Produkte von entscheidender Bedeutung sind.
Die Oberflächenrauheit (Ra) beschreibt, wie glatt oder rau die innere Oberfläche eines Bauteils ist, das mit Wasser oder Produkt in Kontakt kommt. Gemessen wird sie in Mikrometern (µm). Je kleiner der Ra-Wert, desto glatter die Oberfläche – und desto geringer das Risiko für Bakterien und Biofilm.
Eine raue Oberfläche bietet Bakterien ideale Haftbedingungen. Das erschwert die Reinigung, erhöht das Risiko von Endotoxinen und kann letztlich zu Problemen bei der Einhaltung von FDA- oder EMA-Vorgaben führen.
Wie erreicht man die gewünschte Glätte?
Um die hygienischen Anforderungen zu erfüllen, werden Oberflächen in mehreren Schritten behandelt:
1.Mechanisches Polieren: Senkt Ra bis ca. 0,5 µm, reicht aber allein nicht aus.
2.Elektropolieren (EP): Entfernt eine sehr dünne Schicht, beseitigt Mikrostrukturen und reduziert Ra zuverlässig auf < 0,4 µm.
3.Passivierung: Entfernt freies Eisen und bildet eine schützende Chromoxidschicht.
Oberflächenqualitäten nach ASME BPE
• SF1: Mechanisch poliert ≤ 0,51 µm Ra – geeignet für Reinstwasser (PW).
• SF4: Mechanisch poliert + elektropoliert ≤ 0,38 µm Ra – Standard für WFI-Loops.
• 2B-Finish: Werkzustand (0,5–0,8 µm) – für Hygienesysteme ungeeignet.
• BA (Bright Annealed): Glatter als 2B (0,3–0,6 µm), aber allein nicht ausreichend.
• Elektropoliert: Bis ≤ 0,25 µm – optimal für besonders sensible Systeme.
Nicht nur Rohre betroffen
Die Oberflächenrauheit ist nicht nur bei Rohrleitungen entscheidend, sondern auch bei:
• Tanks
• Wärmetauschern
• Ventilen
• Mess- und Regeltechnik (z. B. Durchflussmesser, Probeentnahmestellen)
• Jeder Komponente, die mit Wasser oder Produkt in Kontakt kommt
Kurz gesagt: jede einzelne Komponente im Loop muss geprüft und dokumentiert werden.
Warum ist das so wichtig?
Studien wie der PDA Technical Report 60 und der ISPE Baseline Guide Vol.4 zeigen, dass Oberflächen mit Ra > 0,5 µm Hotspots für Biofilm sind. Selbst moderne CIP-/SIP-Systeme reinigen Mikrorisse nicht vollständig
Wie überprüft man die Oberflächenrauheit?
Entscheidend ist nicht nur die Vorgabe, sondern auch die Kontrolle:
• Kontakt-Profilometer: z. B. Mitutoyo Surftest oder Hommelwerke, messen mit einer feinen Nadel direkt die Rauheit.
• Optische Profilometer ohne Kontakt: Laser- oder Weißlichtverfahren, wenn Berührungsmessung nicht möglich ist.
Beim Design von Purified Water (PW), Water for Injection (WFI)- und Pure Steam (PS)-Verteilsystemen spielt die Wahl des Ventils eine zentrale Rolle. Sie entscheidet, ob das System FDA-konform ist oder Validierungsprobleme verursacht.
− Ventilarten und Hygienisches Design
Nicht jedes Ventil ist für PW/WFI/PS-Loops geeignet. Internationale Richtlinien wie ASME BPE und EHEDG definieren klare Hygienestandards:
• Membranventile (Diaphragm Valves, Two-Way):
Der Goldstandard in PW- und WFI-Systemen. Garantieren vollständige Entleerbarkeit und vermeiden Toträume.
• Kugelhähne & Klappenventile (Ball & Butterfly Valves):
Enthalten Hohlräume und Totzonen, daher für Hygieneloops ungeeignet, außer in spezieller pharmazeutischer Ausführung.
• Rückschlagventile (Check Valves, federlos):
Müssen federfrei ausgeführt sein, um mikrobielles Wachstum zu verhindern.
− Arten von Block-T-Ventilen
• Standard Use Point: einfacher Entnahmepunkt.
• Mit Probenahmeport: zusätzlicher Anschluss für QC-Probenahme.
• Mit Drain-/Return-Port: zur Rückführung ins Loop oder zum Ablassen.
− Auslass-Design
Wesentliche Kriterien:
• Erforderlicher Durchfluss am Entnahmepunkt.
• Strömungsgeschwindigkeit ≥ 1,0 m/s zur Vermeidung von Biofilm.
• Abgangswinkel < 90° (optimal 45°–60°) für gute Entleerung.
• Abzweiglänge ≤ 1,5D (ASME BPE).
− Point-of-Use-Kühlung
In großen Pharmawerken wird WFI bei 80–85°C verteilt, um mikrobiologische Kontrolle zu sichern. Manche Anwendungen benötigen jedoch gekühltes WFI (20–25°C):
• Abfüllanlagen
• QC-Labore
− Mögliche Lösungen:
• POU-Kühler direkt nach dem Block-T-Ventil.
• Integriertes Block-T-Ventil mit Kühleinheit.
− Vorteile:
• Sofortige Kühlung ohne Toträume.
• Platzsparend, leicht zu reinigen und zu sterilisieren (CIP/SIP).
• Optimale Integration in pharmazeutische Prozesse.
- Auslegungstemperatur von RO-Membranen
Die meisten Hersteller wie Dow FilmTec, Toray und Hydranautics testen und spezifizieren ihre Membranen bei 25°C. Bei dieser Temperatur erreicht die RO-Anlage:
• Maximale Salzrückhaltung (typisch 99,5%–99,7%).
• Optimierten Energieverbrauch.
• Permeatfluss entsprechend der Auslegung.
- Auswirkung hoher Zulauftemperaturen
Steigt die Temperatur des Zulaufwassers über 25°C:
• Die Viskosität sinkt → Salzdiffusion steigt → Rückhalterate sinkt.
• Die Leitfähigkeit des Permeats nimmt deutlich zu.
• Ab ca. 45°C beginnt die Polyamid-Schicht abzubauen, was zu dauerhaften Membranschäden führt.
- Auswirkung niedriger Zulauftemperaturen
Im Winter kann die Zulauftemperatur auf 18°C oder sogar 10°C fallen:
• Höhere Viskosität → Permeatfluss sinkt um ca. 3% pro Grad unter 25°C.
• Bei 18°C reduziert sich der Fluss um ca. 20%.
• Bei 10°C kann die Reduktion bis zu 45% betragen.
• Die Pumpe muss mit höherem Druck arbeiten → deutlich mehr Energieverbrauch.
- Kann man das mit einer stärkeren Pumpe ausgleichen?
Ja, das ist möglich:
• Durch den Einbau einer leistungsstärkeren Pumpe.
• Oder durch den Einsatz eines Frequenzumrichters (VFD), um die Pumpendrehzahl zu erhöhen.
- Dies ist jedoch nur eine vorübergehende Lösung und hat Nachteile:
• Deutlich höherer Energieverbrauch.
• Höheres Risiko für Fouling und Scaling durch höhere Fließgeschwindigkeiten.
• Überschreitung des maximalen Betriebsdrucks kann die Membranen dauerhaft beschädigen.
- Die ideale Lösung: Wärmetauscher vor der RO
Die beste Lösung ist die Installation eines Wärmetauschers direkt nach der Vorbehandlung und vor der RO, um:
• Die Zulauftemperatur bei 25 °C ± 2 °C zu stabilisieren.
• Die Auslegung und Leistung des Systems zu sichern.
• Den Energieverbrauch zu senken und die Lebensdauer der Membranen zu verlängern.
• Probleme durch saisonale Temperaturschwankungen des Zulaufwassers zu vermeiden.
WFI = Water for Injection, WFI ist hochreines Wasser, das speziell für den menschlichen Körper über Injektionen verwendet wird.
Es muss sein:
• Frei von Mikroorganismen
• Vollständig frei von Endotoxinen
• Frei von organischen Substanzen, die mit Medikamenten oder dem Körper reagieren könnten
Verwendung von WFI:
• Zubereitung von intravenösen (IV) oder intramuskulären (IM) Injektionen
• Reinigung steriler Produktionsanlagen
• Herstellung steriler Arzneimittel oder Augentropfen
• Produktion von sauberem Dampf (für Sterilisation)
• Manchmal in CIP-Linien oder bei der Herstellung bestimmter APIs
Herstellung von WFI:
Zwei Hauptmethoden:
1. Thermische Destillation – die traditionelle, zuverlässige und am häufigsten verwendete Methode
2. Membransysteme (RO + UF) – benötigen strengere Kontrolle und Überwachung, weniger verbreitet
Die meisten pharmazeutischen Anlagen nutzen einen Multi-Effect Destiller (MED).
Funktionsweise des MED:
MED arbeitet in Stufen (Effects):
1. Rohwasser (PW oder Soft Water) tritt in die erste Stufe ein und wird mit Prozessdampf erhitzt, bis es kocht
2. Der erzeugte reine Dampf erhitzt die nächste Stufe
3. Jede Stufe erzeugt mehr Dampf, der am Ende kondensiert wird und WFI liefert
Typisches Design: 3–7 Stufen für höhere Energieeffizienz und geringeren Dampfkonsum
Komponenten jeder Stufe:
• Evaporator: verdampft Wasser und trennt Verunreinigungen
• Separator: entfernt Tropfen oder Verunreinigungen im Dampf
• Condenser: wandelt reinen Dampf wieder in Wasser um
Häufige Betriebsfehler und ihre Auswirkungen:
1. Instabiler Dampfdruck
• reduziert Destillationseffizienz, kann Mikroben oder Endotoxine nicht vollständig entfernen
2. Vernachlässigung der Separatorprüfung
• winzige Tropfen können Verunreinigungen ins WFI tragen
3. Betrieb über der Auslegungsdurchflussrate
• verkürzt Aufenthaltszeit, mindert Destillationseffektivität
4. Einsatz eines Standardkondensators ohne DTS
• Risiko kontaminierten Wassers im WFI-Leitungsnetz
5. Betrieb ohne wirksamen Steam Trap
• Kondensatansammlung verringert Wärmeübertragung
6. Auslassen der periodischen Kalibrierung der Sensoren (Druck/Temperatur/Level)
• falsche Messwerte können Betriebsprobleme verschleiern
Rouging bezeichnet eine dünne rötlich-braune (teilweise schwarze) Schicht, die sich auf der Innenseite von Edelstahlrohrleitungen bildet, insbesondere in PW- (Purified Water) und WFI- (Water for Injection) Kreisläufen.
Die Ursache ist eine Schädigung der passiven Oxidschicht, wodurch Eisen oxidiert und charakteristische Eisenoxide entstehen.
Warum tritt es häufiger bei Erwärmung auf?
1- Heißwasser-Sanitisierung
• In GMP-konformen Wassersystemen erfolgt die Sanitisierung meist im Bereich von 65–80°C, wobei sichergestellt wird, dass der kälteste Punkt im Kreislauf mindestens 60°C für eine ausreichende Zeitspanne erreicht.
• Dieser Bereich ist mikrobiologisch wirksam und reduziert gleichzeitig das Risiko von Rouging im Vergleich zu längerer oder stärkerer Hitzeeinwirkung.
2- Überhitztes Wasser / Reindampf
• Durchführung bei 121°C unter Druck, eingesetzt zur Sterilisations-Schockbehandlung in Notfällen oder nach schwerwiegender Kontamination.
• Nachteil: Unter diesen extremen Bedingungen bildet sich stark haftendes schwarzes/blaues Magnetit (Class III), das nur schwer zu entfernen ist.
• Daher wird dieses Verfahren nicht routinemäßig, sondern nur im Bedarfsfall angewandt.
Rouging-Klassen und ihre Auswirkungen (ASME BPE & WHO GMP):
• Class I: Leichte Verfärbung, leicht zu entfernen, oft aus anderen Anlagenteilen eingetragen.
• Class II: Erste festhaftende Ablagerungen auf der Oberfläche.
• Class III: Schwarze/blaue, stark haftende Oxidschicht – typisch bei hohen Temperaturen.
Mikrobiologische Auswirkungen:
Mit zunehmender Oberflächenrauigkeit finden Mikroorganismen Rückzugsräume. Reinigung und Sanitisierung werden schwieriger, und das Risiko für OOS-Ergebnisse steigt.
Präventionsmaßnahmen:
A) Werkstoff & Oberflächenfinish
• Verwendung von schwefelarmem Edelstahl 316L.
• Oberflächenbearbeitung gemäß ASME-BPE:
• SF1: Ra ≤ 0,5 µm
• SF4 (elektropoliert): Ra ≤ 0,4 µm, glatter und leichter zu reinigen.
• Chemische Passivierung nach Montage oder Wartung nach ASTM A967/A380 (Salpeter- oder Zitronensäure).
B) Betriebliche Steuerung
• Sanitisierung zwischen 65–80°C, Validierung, dass der kälteste Punkt ≥ 60°C erreicht.
• Keine unnötig langen Heizphasen über den validierten Bereich hinaus.
• Wechsel zwischen thermischer, thermischer Schock- und validierter chemischer Sanitisierung gemäß Risikobewertung.
• Sicherstellung von ausreichendem Durchfluss, vollständiger Entleerung und Vermeidung von Toträumen.
C) Monitoring & Trending
• Überwachung von Mikrobiologie, Leitfähigkeit und TOC.
• Sichtkontrolle von Schweißnähten und heißen Zonen auf Verfärbungen; bei Beständigkeit: De-Rouging und erneute Passivierung.
Korrekturmaßnahmen bei Rouging:
• Class I & II: Chemisches De-Rouging mit anschließender Passivierung.
• Class III: Schwieriger zu behandeln; erfordert intensivere chemische Verfahren und ggf. leichtes mechanisches Polieren.
Chlor: Die größte Gefahr für RO-Membranen
Chlor wird aufgrund seiner meist geringen Konzentration im Wasser häufig unterschätzt. Tatsächlich gehört es jedoch zu den schädlichsten Stoffen für Umkehrosmose-(RO)-Membranen.
RO-Membranen bestehen in der Regel aus Polyamid, einem Material, das sehr empfindlich gegenüber Oxidation ist. Bei Kontakt mit Chlor kommt es zu einem sogenannten oxidativen Angriff, bei dem chemische Bindungen innerhalb der Membranstruktur aufgebrochen werden. Dies führt zu dauerhaften und irreversiblen Schäden.
Diese Schäden können weder durch Reinigungsprozesse wie CIP (Clean-in-Place) noch durch betriebliche Maßnahmen rückgängig gemacht werden.
Risikobewertung nach Konzentration:
• ≤ 0,01 ppm: Nahe Null; nur kurzfristig relativ unkritisch
• 0,02 – 0,05 ppm: Beginn einer schleichenden, oft unbemerkten Schädigung
• 0,1 ppm: Deutliche Membranschädigung innerhalb weniger Tage
• ≥ 0,5 ppm: Schnelle und schwere Zerstörung der Membran
Es gibt langfristig keine „sichere“ Chlorkonzentration. Die Einwirkdauer ist ein entscheidender Faktor:
• Niedrige Konzentration über längere Zeit führt zu schleichender innerer Degradation
• Hohe Konzentration über kurze Zeit verursacht einen plötzlichen Leistungsabfall
Besonders kritisch ist, dass Chorschäden nicht immer sofort sichtbar sind, sondern sich erst später durch einen unerwarteten Leistungsabfall zeigen.
Typische Anzeichen für Chorschäden:
• Erhöhte Leitfähigkeit im Permeat
• Verringerte Salzrückhaltung (Salt Rejection)
• Kein sichtbares Fouling
• Keine Verbesserung nach CIP
In solchen Fällen scheint das System mechanisch intakt zu sein, während tatsächlich ein chemischer Schaden vorliegt.
Warnsignale, die sofortige Aufmerksamkeit erfordern:
• Plötzlicher Anstieg der Permeat-Leitfähigkeit
• Leistungsabfall ohne erkennbares Fouling
• Unterschiedliche Leistung von Membranen innerhalb derselben Stufe
• Frühzeitige Probleme trotz neuer Membranen
Es ist wichtig, Chorschäden klar von Fouling-Mechanismen zu unterscheiden. Chlor verursacht weder Scaling noch Biofouling oder organisches Fouling, sondern führt zu direkter chemischer Schädigung der Membran.
Wärmetauscher können in hochreinen Wassersystemen wie PW und WFI eingesetzt werden, jedoch hängt die Auswahl vom hygienischen Design und strengen regulatorischen Anforderungen ab:
- Die Auswahl ist nicht nur eine technische Entscheidung, sondern eine Frage von Qualität und Compliance.
- Jede Komponente im System muss Kontaminationen verhindern und die Wasserreinheit sicherstellen.
- Falsches Design kann zu mikrobiologischen und betrieblichen Risiken führen.
Ein herkömmlicher Plattenwärmetauscher ist für diese Anwendungen meist nicht geeignet, aus mehreren Gründen:
- Enge Spalten und Toträume können Wasseransammlungen verursachen.
- Diese Bereiche können Biofilm begünstigen.
- Eine vollständige Reinigung und Sterilisation (CIP/SIP) ist schwierig.
- Einige Konstruktionen halten thermischen Schocks bei Dampfsterilisation nicht stand.
- Dichtungen erfüllen möglicherweise nicht FDA- oder USP-Anforderungen.
- Risiko von Extractables & Leachables aus ungeeigneten Materialien.
- Risiko von Kreuzkontamination bei Leckagen zwischen den Medien.
Im Gegensatz dazu wurde der Double Plate Hygienic Heat Exchanger speziell für hochreine Wassersysteme entwickelt:
- Doppelplatten-Design mit Leckage-Erkennungszone.
- Leckagen werden nach außen abgeleitet, nicht zwischen den Medien vermischt.
- Hygienisches Design mit vollständiger Entleerbarkeit ohne Totzonen.
- Geringe Oberflächenrauheit, oft elektropoliert.
- Reduziert die Bildung von Biofilm deutlich.
- Materialien und Dichtungen entsprechen FDA und USP Class VI.
- Hohe Beständigkeit gegen Dampfsterilisation (SIP).
- Gleichmäßige Strömungsverteilung ohne Schattenbereiche.
- Voll kompatibel mit CIP- und SIP-Prozessen.
Trotzdem werden Shell & Tube Wärmetauscher weiterhin häufig eingesetzt:
- Langjährige bewährte Anwendung in der Pharmaindustrie.
- Sehr gute Beständigkeit gegen thermische Schocks.
- Einfache Dampfsterilisation (SIP).
- Robustes und einfaches Design.
- Geeignet für hohe Durchflussraten.
- Lange Lebensdauer und einfache Wartung.
Der Double Plate Hygienic Wärmetauscher bietet jedoch wichtige Vorteile:
- Höhere Wärmeübertragungseffizienz als Shell & Tube.
- Schnellere Reaktionszeiten beim Heizen und Kühlen.
- Kompakte Bauweise für Skid-Systeme.
- Geringerer Energieverbrauch.
- Geeignet für präzise Temperaturregelung.
Daher kann der Double Plate Hygienic Heat Exchanger in PW- und WFI-Systemen eingesetzt werden und gilt oft als Best Practice, wenn:
- ein qualifizierter pharmazeutischer Hersteller gewählt wird.
- das Design den Hygienestandards (EHEDG / FDA / USP) entspricht.
- Materialqualität und Oberflächenfinish gewährleistet sind.
- keine Toträume oder Stagnationszonen vorhanden sind.
- vollständige CIP- und SIP-Kompatibilität nachgewiesen ist.