CITplus - Betreiber einer Pharma-Produktion legen bei der Auswahl von Pumpen Priorität auf Hygienesicherheit und Reinigungsfähigkeit. Der globale Wettbewerb zwingt die pharmazeutische Industrie und deren Lohnfertiger aber auch, so kosteneffizient wie möglich zu produzieren. Hygienegerechte E-Solutions-Pumpen helfen, Anlagen so nah wie möglich am (Kosten-)Optimum zu fahren.

Bei der Suche nach neuen Wirkstoffen für Arzneimittel müssen Pharma-Forscher naturgemäß kreativ und experimentierfreudig sein. Die für die Produktion verantwortlichen Ingenieure sind beim Austausch traditioneller, bewährter Technik eher zurückhaltend. Schließlich haben die Produktqualität und Hygiene erste Priorität. Hinzu kommt: Der Aufwand zur Validierung und Dokumentation eines Herstellungsverfahrens ist immens - auch das erklärt die Zurückhaltung, ein zertifiziertes Herstellverfahren zu verändern.
Dennoch müssen die Betreiber, um ihre Anlagen kostengünstig betreiben zu können, so nahe wie möglich am Optimum fahren. Die Zeiten, in denen Produktionskosten in der Pharma-Industrie keine Rolle zu spielen schienen, sind vorbei.

Vom Batch- zum Konti-Betrieb
Traditionell arbeitet die Pharma-Industrie batchweise mit Multipurpose-Anlagen. Typisch sind der geringe Automatisierungsgrad und lange Stillstandszeiten für das Reinigen und den Umbau beim Produktwechsel. Beim Batch-Betrieb entnehmen Pumpen flüssige Medien aus Behältern, sie befüllen Reaktoren, übernehmen Mischaufgaben, fördern Produktlösungen zur Aufreinigung.
Verstärkt geht die Entwicklung in Richtung kontinuierlicher Anlagen: Diese sind einfacher zu automatisieren und schon deshalb effizienter. Diese Überzeugung steckt auch hinter der F³-Factory: Es ist dies ein EU-Projekt, das sich mit der Entwicklung und Implementierung von standardisierten und modularisierten Produktionsanlagen befasst. Ziel ist es, die Vorteile der flexiblen, aber ineffizienten Batch-Produktion mit den Kostenvorteilen einer kontinuierlichen Produktionsanlage in Form von klein- bis mittelskaligen Produktionsanlagen in Containerbauweise zu verknüpfen.
Beispielsweise ersetzen Betreiber die diskontinuierliche Batch-Trennung durch eine kontinuierliche Aufreinigung. Immer größere Verbrauchsmengen und die Vielfalt der Medien und Konzentrationen von Eluenten und Pufferlösungen für die Chromatographie können beim Batch-Prozess schnell zu einem unwirtschaftlichen Betrieb führen. Der kontinuierliche Betrieb ist deutlich effizienter. Intelligente Pumpensysteme (‚E-Solutions‘) unterstützen eine kontinuierliche Betriebsweise.

E-Solutions: Pumpe mit integriertem Frequenzumformer
Was ist eine E-Solutions-Pumpe? Dieses von Grundfos angebotene Programm gründet auf dem selbst entwickelten und gefertigten MGE-Motor: Es handelt sich dabei um einen drehzahlgeregelten Hocheffizienzmotor mit einem Leistungsbereich zwischen 0,37 (1-phasig) und 22 kW (3-phasig), mit integriertem Frequenzumrichter und einem PI-Regler, der über spezifische Pumpenfunktionen verfügt. Da alle Komponenten - Pumpe, Motor, Frequenzumrichter, Sensor, Anwendungs-Software, Regler - aus einer Hand stammen, ist das zuverlässige Zusammenspiel gewährleistet.
E-Pumpen mit dem MGE-Motor bieten im Vergleich zu Pumpen mit separatem Frequenzumrichter wesentliche Vorteile:

• vollständige Systemintegration
• einbaufertiges Komplett-Aggregat ermöglicht eine einfache Montage wie bei Standardpumpen mit konstanter Drehzahl
• sehr robust da u. a. kein zusätzlicher Lüfter zur Kühlung des Frequenzumformers erforderlich ist
• geringere Kosten für die Verkabelung - kein geschirmtes Kabel und kein zusätzlicher Filter zwischen Frequenzumrichter und Motor
• erforderlich
• platzsparende Montage - keine Schaltschränke/Schalträume oder Platz an der Wand erforderlich
• aufeinander abgestimmte Komponenten.

Die Eingliederung eines elektronisch geregelten Pumpenantriebes in ein zentrales Bussystem ermöglicht zudem den Austausch von Parameter- und Prozessdaten. Dieser Datenaustausch dient der zentralen Überwachung, Steuerung und eventuellen Visualisierung/Aufzeichnung des Pumpenbetriebs. Für die Pharmaproduktion ist eine umfassende Datenverfügbarkeit während und nach der Herstellung zur Freigabe, Analyse und Rückverfolgbarkeit unverzichtbar. Der Betreiber profitiert davon in vielerlei Weise:

• Schaffung produktschonender Abläufe: Das Abgleichen des Pumpenbetriebs mit anlagentypischen und anlagenbedingten Abläufen
• inimiert die Beeinträchtigung sensibler Medien.
• Schonender Pumpenbetrieb: Fehlbetrieb wie Kavitation, Druckstöße oder Überlast können ermittelt werden, um diese im Programmablauf zu vermeiden (das führt zu einem geringeren Materialverschleiß an Pumpe und Anlage).
• Energiebewußter Umgang: Zielgerechter Einsatz senkt die Energiekosten; die hydraulische Leistungsnutzung wird effektiver.
• Wartungsintervalle der Pumpe optimieren: Regelmäßige Wartung der Verschleißteile einer Kreiselpumpe senkt die Störanfälligkeit und erhöht die Lebensdauer der Pumpe.
• Beim Reinigen einer Pharma-Anlage ist ein drehzahlverstellbarer Antrieb von Vorteil: Dann arbeitet die Pumpe mit der maximalen Drehzahl, um das gewünschte höhere Fördervolumen für die CIP-Reinigung bereit zu stellen.

Ein in der Praxis wesentlicher Vorteil des MGE-Motors: Der Betriebselektriker kann auf die eingespielte Software zugreifen und bei Bedarf an eine veränderte Steuerung anpassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Antrieb sehr leise läuft, bewegt sich die Taktfrequenz doch außerhalb des hörbaren Bereichs. Der Motor ist natürlich spritzwassergeschützt (wichtig in der Pharma-Industrie). Eine E-Pumpe kann ohne Zusatzkosten anstelle von ungeregelten Standardpumpen installiert werden - sie muss nur ans Netz angeschlossen und in das Rohrleitungssystem eingebaut werden.
Mit einem MGE-Motor ausgerüstet werden aus dem Programm der Marke Hilge Hygiene- und Sterilpumpen (z. B. Euro-Hygia, Contra und Maxa), aus dem klassischen Grundfos-Programm mehrstufige Pumpen der Baureihen CR, MTR und SPK, einstufige Inline-Pumpen der Baureihe TP sowie einstufige Norm- und Blockpumpen der Baureihen NB bzw. NK.
Ist ein integrierter FU nicht einsetzbar, sind externe FU-Lösungen für den Schaltschrankeinbau (IP 20) oder Wandaufbau (IP 54) für Leistungen von 0,55 bis 250 kW verfügbar.

Drehzahlregelung: Energieeffizienz und Prozessvorteile
Die besonderen Vorteile einer drehzahlgeregelten Pumpe in der Pharma-Produktion liegen - neben der energieeinsparenden Betriebsweise - in der prozesstechnischen und produktschonenden Charakteristik begründet.
Optimierte Filtration
Filtrationsverfahren spielen in der Prozesstechnik eine wichtige Rolle. Der Vorteil: Das Filtern ist ein rein mechanischer Vorgang, schont somit thermisch sensible Produkte. Bei Membranfiltern wird das Produkt mit hoher Geschwindigkeit quer zur Membranfläche umgepumpt.
Pumpen liefern den erforderlichen hohen Volumenstrom und passen sich durch integrierte Frequenzumformer in ihrer Leistung variabel den gewünschten Leistungsstufen an. Diese Drehzahlanpassung ist unter anderem deshalb erforderlich, weil Filteranlagen mit zunehmender Standzeit eine größere Druckdifferenz aufweisen - ein Indikator für die Filtererschöpfung.
Besteht die Forderung nach gleich bleibender Mengenleistung, liefert ein Durchflussmesser den aktuellen Ist-Wert und die Pumpe regelt den ansteigenden Gegendruck durch zunehmende Drehzahl aus. Zudem können Zustandsänderungen auf der Saugseite der Pumpe ausgeglichen werden, beispielsweise beim Umstellen auf Tanks mit unterschiedlicher Zulaufhöhe.
Zur Leistungsauslegung der Kreiselpumpe wird der größtmögliche Bedarfsfall herangezogen. Dennoch arbeitet die Pumpe nahezu über den gesamten Filtrationsprozess im Teillastbereich. Ohne Frequenzumrichter müsste die Leistungseinstellung über Drosselventile oder Bypass-Schaltungen erfolgen. Dabei arbeitet die ungeregelte Pumpe mit Nenndrehzahl und belastet das Fördermedium unnötig. Scherkräfte wirken sowohl in der Pumpe als auch am Drosselventil und beeinträchtigen die Produktqualität und Filtrierbarkeit. Untersuchungen belegen, dass die Scherbelastung bei Einsatz eines Frequenzumrichters erheblich reduziert wird. Produktänderung oder -schädigung durch ein Übermaß an mechanischer Einwirkung wird somit vermieden.
Eintrag von Wärme verhindern
Umwälzvorgänge mit einer eingedrosselten Kreiselpumpe in Ringleitungen und Behältnissen tragen verstärkt Wärme in das Fördermedium ein. Je nach Anwendungsfall und Produkt ist dies wegen der möglichen thermischen Schädigung und/oder der biologischer Anfälligkeit (Verkeimungsgefahr) unerwünscht.
Muss das Fördermedium wieder auf seine Ausgangstemperatur zurückgekühlt werden, fallen Kosten für die entsprechend benötigte Kälteerzeugung an.
Ein häufiger Einsatzfall für E-Solutions-Pumpen sind Reinstwasser-Kreisläufe. Reinstwasser nach DAB 10 (aqua ad injectabilia) oder Wasser für Injektionszwecke WFI (water for injection) wird aus Trinkwasser oder gereinigtem Wasser hergestellt. Es muss pyrogenfrei sein und steril mit einer Grenzkeimzahl von < 10 KBE/ml.
Die VE- oder WFI-Wasseranlage stellt durch prozessbedingte Gegebenheiten unterschiedliche Anforderungen an Pumpen. Bei der Pumpenauslegung ist neben der maximalen Abnahmemenge die Mindestströmung im Rücklauf zu berücksichtigen. Die daraus resultierende Fördermenge legt den Leistungsbedarf der Pumpe fest. Über weite Strecken arbeitet die konventionelle Kreiselpumpe dabei überdimensioniert. Dies trifft speziell für die Fälle ‚Anforderung von Teilmengen‘ oder ‚ausschließliche Umwälzung‘ wie beispielsweise Wochenendbetrieb zu. Durch diesen hydraulischen Teillastbetrieb würde bei einer drehzahlstarr betriebenen Pumpe ein Großteil der eingesetzten Energie in Form von Wärme an das Produkt abgegeben.
E-Solutions-Pumpen vermeiden den unnötigen Wärmeeintrag, sie passen über den integrierten Frequenzumrichter die Drehzahl und somit die Leistung stufenlos dem Bedarf an. Über druck- oder mengenabhängige Regelkreise wird jeder Bedarfsfall mit entsprechender Pumpenleistung versorgt.
Energieeffiziente Sekundärprozesse
Pharmaunternehmen verbrauchen im Übrigen nicht nur in den Primärprozessen Energie, sondern auch in den Sekundärprozessen (Heizung, Lüftung, Klima, Kühlung). Wie in anderen Branchen auch, sind die Gebäudetechnik-Gewerke die größten Energieverbraucher - die Laboratorien und Reinräume sind insbesondere wegen der hohen Anforderungen an die Luftwechselraten sehr energieintensiv.
Ob Primär- oder Sekundärprozess, ob Batch- oder Konti-Betrieb: In allen Fällen verhelfen hygienegerechte E-Solutions-Pumpen zu einem gesicherten Betrieb am Optimum.
Die Risiken im forschungsbasierten Pharmageschäft sind hoch. Fällt die Entscheidung für eine neue Produktion, darf bei Lieferung und Inbetriebnahme der Anlagen nichts schief gehen. Denn jede Verzögerung, die sich auf die Markteinführung eines Arzneimittels auswirkt, kann sehr viel Geld kosten. Deshalb sind Verlässlichkeit und Erfahrung auf Seiten des Komponentenlieferanten äußerst wichtig. Das gilt auch für die Pumpentechnik. Grundfos ist als Premium-Hersteller in den Life-Science-Märkten gut eingeführt, bietet für alle relevanten Aufgabenstellungen eine geeignete Lösung. Global aufgestellt, hat dieser Anbieter zudem breites Know-how im internationalen Projektmanagement und offeriert weltweit umfassende Services. Das bietet Planern wie Betreibern einer pharmazeutischen Produktionsanlage die erwünschte Sicherheit in Sachen Verfügbarkeit.