Single-Use Ventile Schutzschild für Single-Use-Prozesse: So sorgen Einweg-Ventile für Sicherheit

Bye-bye, Edelstahl: Mehr als zwei Drittel aller neuen Biotechnologieprozesse nutzen Single-Use Bioreaktoren. Kein Wunder, sind doch die Einweg-Beutel-Prozesse maximal flexibel sowie sicher und haben häufig auch in Sachen Nachhaltigkeit die Nase vorn. Aber was ist mit Stellgliedern und Komponenten der Fluidtechnik? Wie funktioniert das Einmal-Ventil, und worauf muss beim Einsatz der Wundertüten geachtet werden?

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Das kommt auf jeden Fall in die Tüte: Während Politik und Gesellschaft über Plastikverbote diskutieren, sind Pharma- und Biotech im Beutel-Fieber. In immer mehr Unternehmen ersetzen Single-Use Reaktoren im verschweißten Kunststoff-Bag die klassischen Edelstahlfermenter. Dank Komponenten wie Sensoren und Ventilen lassen sich komplette Prozesslinien als Single-Use Lösung konstruieren. Auch die Zellkulturen zur Produktion der mRNA für den Corona-Impfstoff werden großteils in Single-Use Reaktoren kultiviert – was ein enormes Tempo der Entwicklung und Produktion zuließe, betonen Experten. Immerhin hätten Edelstahlreaktoren erst langwierig geplant, gefertigt und geliefert werden müssen, außerdem müssten sie zwischen den Produktionschargen gereinigt und erneut qualifiziert werden. Der Single-Use Reaktor wird, wie der Name sagt, nach einem Einsatz abgebaut und entsorgt.

Dabei begann der Siegeszug der Einweg-Produkte harmlos: Anfang der 2000er hatten sich Labormitarbeiter gerade an Pipetten zur Einmal-Nutzung gewöhnt. Zeitgleich stiegen die Anforderungen an Reinigung und Sterilisation der Edelstahlausrüstung. Was lag also näher, als auch beim Prozess auf Single-Use zu setzen?

Immerhin hat der Reaktor-aus-der-Tüte einiges für sich: Er kombiniert niedrige Anschaffungskosten mit einfachem Handling, kommt vorsterilisiert, konfektioniert und qualifiziert und kann auf aufwändige CIP- und SIP-Prozesse verzichten. Aber ist der Reaktor-Beutel nur eine Notlösung, wenn bei der Impfstoffentwicklung Edelstahlkessel nicht verfügbar sind?

Warum der Single-Use Trend erst am Anfang steht

Das sieht Dr. Malte Jesper, Produkt- und Applikationsmanager für Single-Use Lösungen bei Gemü, anders: „Kurzfristig gesehen haben Corona bzw. die Anforderungen an eine schnelle Entwicklung und Produktion von Impfstoffen und Medikamenten einen großen Schub in der Nachfrage nach Single-Use Produkten gegeben. Aber auch langfristig erwarten wir ein kontinuierliches Wachstum des Marktes. Die Akzeptanz der Technologie wächst stetig, und es entwickeln sich immer neue Anwendungsgebiete. Anfangs war der Einsatz hauptsächlich auf Upstream-Prozesse beschränkt. Inzwischen findet man die Single-Use Technologie – nicht zuletzt durch das wachsende Vertrauen – immer öfter auch in Downstream-Prozessen und kritischeren Produktionsschritten. Der wachsende Bedarf an individualisierter Medizin dürfte darüber hinaus für weiteres Marktwachstum sorgen. Da die Medikation hier nur in Kleinstmengen oder auf Abruf hergestellt wird, sind Single-Use Lösungen die beste Wahl.“

Vertrauen ist Trumpf: Single-Use Prozesse fordern Ventile-Hersteller

Einsparungen bei Ausrüstung und Chemikalien für die CIP- und SIP-Reinigung sowie schnellere Chargenwechsel sind weitere Vorteile für die Anlagenbetreiber: Dadurch, dass die aufwändigen Nachbehandlungsprozesse entfallen können, helfen Single-Use Reaktoren, bis zu 20Prozent der Personalaufwände zu reduzieren. Damit böten sie erheblichen Zugewinn an Flexibilität – und punkteten besonders bei kleinen Chargen oder für Auftragsfertiger, ist sich Jesper sicher: „Single-Use Komponenten lohnen sich auch wirtschaftlich: Bei kleinen Batchgrößen ist eine Single-Use Anlage in den meisten Fällen wirtschaftlicher als Edelstahl.“

Doch was für die Betreiber weniger Arbeit bedeutet, erfordert ein erhebliches Vertrauen gegenüber den Zulieferern. Immerhin sind ja mit der Sterilisierung und Konfektionierung wesentliche Voraussetzungen für Qualität und Patientensicherheit outgesourct. Dieses Vertrauen kommt nicht von selbst: Nur Partner, die Reinheit, Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit garantieren können, kämen für so sensible Prozesse in Frage, weiß Jesper. „Die Verantwortung für das Bauteil geht vom Betreiber zum Lieferanten – das führt dazu, dass wir ganz andere Herausforderungen haben als bei Standardventilen. Da das Regelwerk für Single-Use Komponenten noch nicht vollständig vorhanden ist, ist es wichtig, dass wir die Kundenprozesse kennen und unser Personal intensiv schulen.“

Deshalb hat Gemü Ventile entwickelt, die typische Herausforderungen in der Biotech-Produktion ansprechen: Fast schon ein Klassiker sind in diesem Zusammenhang Schlauchquetschventile, die Gemü in einer pneumatisch angetriebenen Ausführung aus Kunststoff (Q30) oder Edelstahl (Q40) sowie als elektromotorisches Ventil (Q50 eSyStep) im Programm hat. Diese sind speziell für den Einsatz in Single-Use Anwendungen konzipiert und ermöglichen einen schnellen und einfachen Wechsel des medienführenden Schlauches, wie er in der Pharmaproduktion häufig gefordert ist.

Ventile gefragt: Kann die Fluidtechnik das Single-Use Tempo halten?

Denn wenn das Flexibilitätsversprechen aufgehen soll, müssen Wartungsvorgänge nicht nur schnell und effizient über die Bühne gehen, sondern auch die Sicherheit und Sterilität des Gesamtsystems gewährleisten. Das ist bei Schlauchquetschventilen, bei denen das Medium im Schlauch nicht mit dem Ventil in Berührung kommt, vergleichsweise einfach – aber was ist mit durchströmten Stellgliedern?

So klappt es mit dem Schlauchwechsel: Gemü bietet auf seiner Website ein kostenfreies Webinar zum Thema Single-Use:

Membranventile sind in der Pharmaindustrie nicht wegzudenkende Allrounder: Da lediglich Membran und Ventilkörper mit dem Medium in Berührung kommen, sind sie strömungsgünstig und helfen, das Risiko von Kontaminationen zu reduzieren. Auch kann, da es außer der Membran keine bewegten Teile im Ventil gibt, sich kein Medium absetzen oder ablagern – die Bauform gilt als „totraumärmstes“ Ventilprinzip. Damit kennt man sich in Ingelfingen aus, gehören doch Membranventile zu den Spezialitäten der Fluidtechnik-Experten aus dem Hohenlohe-Kreis. Diese kommen typischerweise mit sorgsam polierten Edelstahl-Ventilkörpern daher, um eine problemlose Reinigung zu ermöglichen.

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Schutzschild gegen Keime: Membran-Ventile für Einweg-Prozesse

Was aber, wenn nicht gereinigt werden muss? Mit dem Verzicht auf aufwändige Spülprozesse und aggressive Medien haben Single-Use Prozesse auch aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten einiges zu bieten, erklärt Jesper: „Studien zeigen, dass der negative Einfluss von Single-Use Komponenten für die Umwelt geringer ist als von konventionellen Edelstahlanlagen – so entfällt etwa der hohe Energiebedarf für die Reinigung.“

Untersuchungen ergaben, dass Single-Use Reaktoren 20 bis 25 Prozent weniger CO₂-Emissionen verursachen als Edelstahl-Rührkessel. NNE Pharmaplan kam zu dem Schluss, dass die Mehrkosten durch Abfallbehandlung und -entsorgung erst nach Jahren die Initialkosten für eine Sterilisation übersteigen – eine Zeit, in der die Produktion kurzlebiger Produkte vielleicht schon abgeschlossen ist.

Single-Use bedeutet nicht weniger Ventil

Wer auf Single-Use Reaktoren und Einweg-Prozesse setzt, muss bei den Komponenten keine Abstriche machen, meinen die Gemü-Entwickler: Mit den Single-Use Membranventilen der Sumondo-Reihe haben die Ventilspezialisten für jeden Geschmack das Passende. Ob mit Handrad oder pneumatischem bzw. elektrischem Antrieb, die Ventile sind stabil, korrosionsbeständig und vollständig sterilisierbar.

„Im Unterschied zur herkömmlichen Bauart ist die Membran mit dem Ventilkörper verschweißt. Die Körper und die Membran sind als geschlossene Einheit in den Flowpath verbaut“, so Jesper. Nach Abernten kann der Kunststoffventilkörper zusammen mit dem Reaktorbeutel und dem Flowpath entsorgt werden. Nur der Antrieb bleibt zurück – doch da dieser hermetisch vom durchströmten Ventilkörper und dem Flowpath getrennt ist, besteht keinerlei Kontaminationsgefahr.

Ergänzendes zum Thema

Nachgefragt bei Dr. Malte Jesper, Produkt- und Applikationsmanager für Single-Use bei Gemü

„Die größte Herausforderung ist die Zeit“

Herr Jesper, Single-Use ist längst keine Nischenanwendung mehr. Wo ist aus Ihrer Sicht der größte Nutzen?

Dr. Malte Jesper: Der Nutzen von Single-Use Anlagen besteht vor allem in den Punkten Cost (bei der Single-Use Technologie können die Kosten für die aufwändigen Reinigungszyklen eingespart werden, zusätzlich sind die Investitionskosten viel geringer als bei einer herkömmlichen Edelstahlanlage), Risk (die Risiken für Kreuzkontaminationen werden minimiert, außerdem lassen sich Single-Use Anlagen viel schneller und einfacher reproduzieren als eine Edelstahlanlage) und Time (bei der Single-Use Technologie entfällt die zeitintensive Reinigungsvalidierung).

Wo hat die Technologie in Ihren Augen das größte Zukunftspotenzial?

Jesper: Ein großes Zukunftspotenzial liegt in der Einbindung von Sensorik. Zusätzlich steigen die Anforderungen nach größeren Anlagen und Armaturen, z. B. zur Nutzung in Anlagen von C(D) MOs, wodurch ein Upscaling der Technologie notwendig ist. Des Weiteren könnte eine gewisse Standardisierung für die Qualifizierung und Validierung – auch für die individuelle Medizin – Vereinfachung bringen.

Reinraum-Produktion für Single-Use Ventile

Welche Bedeutung haben Single-Use Komponenten heute für Gemü?

Jesper: Die Pharma und Biotechnologie sind sehr wichtige Branchen für Gemü. Durch den Trend der Single-Use Anwendungen gewinnt die Kunststoffproduktion unter höchsten Ansprüchen im Reinraum immer mehr an Bedeutung. Auf das Umdenken im Markt – teilweise weg vom Edelstahl, hin zu Single-Use – hat Gemü reagiert, Single-Use Produkte und -Lösungen entwickelt und in das Portfolio aufgenommen.

In der Biopharmazie wird Time-to-Market immer wichtiger. Wie wirkt sich das auf ihr Geschäft aus?

Jesper: Time-to-Market spielt eine immer größere Rolle für uns. Wo in der Vergangenheit noch Jahre im Voraus geforscht, getestet und geplant wurde, werden heute beispielsweise Impfstoffe innerhalb eines Jahres von der Idee bis zur Herstellung gebracht. Die Planung, Beschaffung und Ausführung muss hier Hand in Hand laufen. Viele Schritte und Entscheidungen finden parallel statt. Daher sind intensive Kundengespräche in einem frühen Stadium notwendig. Diese Daten benötigen wir für eine umfängliche Projektplanung in unserem Hause, um den zeitlichen Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden.

Die richtigen (Ventil-)Lösungen für jede Single-Use Challenge

Wie unterstützen Sie Kunden bei der Auslegung, Auswahl und dem Einsatz von Single-Use Systemen?

Jesper: Durch die stetige Weiterbildung unseres Fachpersonals und den intensiven Austausch mit unseren Kunden. Zudem haben wir ein großes Know-how im Bereich der Applikationen. Kontinuierliche Marktrecherche und die Bündelung der daraus resultierenden Informationen ermöglichen es uns, die richtigen Lösungen anbieten zu können.

Turbo für die Produktion: Mit der passenden Fluidtechnik klappt's!

Wer auf mehr als ein Ventil setzt, kann verschiedene Komponenten in einem Mehrwegeventilblock kombinieren und so Hold-Up-Volumen und Footprint reduzieren. Diese multifunktionalen Lösungen für die Ventil-Power heißen bei Gemü M-Block und können individuell konfiguriert und konstruiert werden. Auch hier sind die Antriebe und Single-Use Ventilkörper hermetisch getrennt, so dass die Antriebe in der Anlage verbleiben und weiter benutzt werden können. Noch weiter gehen die Flowpath-Assemblies der Ingelfinger, bei denen der komplette Prozess als vormontierte Lösung aus einer Hand geliefert wird. Eingebaut, aufgedreht und los – so soll die Out-of-the-Box-Strömungstechnik mit Sicherheit, Einfachheit und kurzen Rüstzeiten überzeugen.

Damit, ist sich Jesper sicher, sichere die Single-Use Technologie Anlagenbetreibern eine Pole-Position im Rennen um die kürzeste Time-to-Market. Das ist auch nötig: Da die Biotech- und Pharmabranche mit der Impfstoffentwicklung gezeigt haben, zu welchen Geschwindigkeiten sie fähig sind, ist ein Zurück zum scheinbar behäbigen Vor-Corona-Tempo kaum denkbar. Allen Plastikdiskussionen zum Trotz werden wir in Zukunft noch mehr Produkte aus dem Beutelreaktor sehen – die Fluidtechnik steht jedenfalls bereit, wenn die Wundertüten im großen Stil Einzug halten.

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