Tiefenfilter Tiefenfilter mit immobilisierter Aktivkohle als sinnvolle Alternative zu losen Kohlen

In 90 Prozent aller Wirkstoffbetriebe wird Aktivkohle zur Entfärbung oder Desodorierung eingesetzt. Allerdings sind die feinen Kohlenstäube oft nur schwer aus dem Endprodukt zu entfernen. Dieser Beitrag beschreibt ein Filterverfahren, das auf immobilisierter Kohle in einem Tiefenfilter basiert.

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Der klassische Herstellungsprozess pharmazeutischer Wirkstoffe (Active Pharmaceutical Ingredients, APIs) beinhaltet an zentraler Stelle die sorgsame Abtrennung aller während der einzelnen Syntheseschritte auftretenden Nebenprodukte. Häufig geht es dabei um die Entfernung nicht erwünschter Farbverunreinigungen durch leistungsstarke Aktivkohlen, die in großer Vielfalt am Markt erhältlich sind. Sie zeichnen sich generell durch ein ausgeprägtes Adsorptionsvermögen infolge ihrer sehr hohen Porosität aus. Die „Aktivierung“ der damit verbundenen sehr großen inneren Oberflächen kann auf chemischem Wege oder mittels Dampf erfolgen. In beiden Fällen lassen sich zahlreiche adsorptive Stellen generieren, an denen sich später die abzutrennenden Kontaminationen binden lassen. Die Auswahl der optimalen Aktivkohle richtet sich nach den chemisch-physikalischen Charakteristika der Verunreinigungen.

Aktivkohleeigenschaften

Die adsorptiven Eigenschaften kommerziell verfügbarer Aktivkohlen unterscheiden sich stark, doch lassen sich diese Unterschiede mit bloßem Auge nicht feststellen. Das wesentliche Kriterium für die Eigenschaften einer Aktivkohle ist deren Porenstruktur. Die Nomenklatur der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) unterscheidet an dieser Stelle drei Porenklassen: Mikroporen (Durchmesser <2 nm), mesoporen (2-50 nm) und makroporen (>50 nm). Die Adsorption findet primär in den Mikroporen (und bedingt in den Mesoporen) statt. Die Makroporen (und in geringerem Maße die Mesoporen) ermöglichen dagegen den Zugang zu diesen adsorptiven Stellen und bestimmen damit die Prozesskinetik. Die Porengrößenverteilung ist sowohl von den Ausgangsmaterialien (z.B. Braunkohle, Holz, Kohle, Kokosnussschalen, Torf) als auch von der Aktivierungsmethode abhängig. Diese Aktivierung kann mittels zweier verschiedener Verfahren erfolgen. Die Dampfaktivierung führt primär zur Bildung von Mikroporen. Die Anwendung chemischer Verfahren, beispielsweise mittels Phosphat, unterstützt dagegen die Ausbildung offenporiger Strukturen.

Die Auswahl kommerziell verfügbarer Aktivkohlen ist sehr groß, doch wird dieses Spektrum in der Industrie nur bedingt genutzt. Zahlreiche Betriebe fokussieren auf historisch gewachsenen „Leitkohlen“, die unabhängig von den anwendungsspezifischen Anforderungen in allen Prozessen eingesetzt werden. Die damit vermeintlich verbundenen Vorteile (Reduzierung des Dokumentationsaufwandes, Senkung der Kosten) bestehen allerdings nur bei oberflächlicher Betrachtung, da die stark prozessabhängige Zusammensetzung der Verunreinigungen eine ebenso prozessspezifische Optimierung aller Arbeitsschritte erfordert. Die durchdachte und gezielte Auswahl der für den jeweiligen Prozess „optimalen“ Aktivkohle führt daher unter dem Strich zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Das Kostensenkungspotenzial ist erstaunlich hoch.

Nachteile loser Aktivkohle

Die meisten industriellen Abläufe basieren auf dem klassischen Ansatz, die Aktivkohle in loser Form in den Prozess einzuschleusen. Diese Vorgehensweise wird in vielen Bereichen mittlerweile sehr kritisch betrachtet. Mehrere gravierende Nachteile sind zu bedenken, die in erster Linie mit der Handhabung der Aktivkohle zusammenhängen. So wird das feine Kohlepulver (Powdered Activated Carbon, PAC) in der Regel als Sackware in den Prozess eingebracht. Die damit verbundene enorme Staubentwicklung hat neben der hohen Belastung und Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter unerwünschte Verunreinigungen der Produktionseinrichtungen (Rührwerke, Ventile etc.) zur Folge. Sowohl der finanzielle als auch der zeitliche Aufwand für die Reinigung ist sehr hoch.

Das Kohlepulver muss darüber hinaus nach Beendigung der Adsorption wieder entfernt werden. Hierzu wird aus einem breiten Spektrum unterschiedlichster Methoden ein geeignetes Filtrationsverfahren ausgewählt. Es muss die Entfernung aller Kontaminationen sicherstellen, sodass eine Verunreinigung nachfolgender Prozessschritte mit Aktivkohleresten vollständig ausgeschlossen werden kann.

Vorteil immobilisierter Aktivkohle

Das Bestreben, die Verwendung loser Aktivkohle einzuschränken oder gar zu vermeiden, hat zur Entwicklung neuer Materialien geführt, die das Kohlepulver als elementaren Bestandteil bereits enthalten. Hierbei handelt es sich primär um Filtermodule auf Zellstoffbasis, in deren Matrix die Aktivkohle immobilisiert wurde. Sie erlauben es Wirkstoffherstellern, die oben beschriebenen Probleme elegant zu umgehen und ohne weiteren Reinigungsaufwand sauber zu arbeiten.

Neben diesen Handhabungsvorteilen und der Flexibilisierung der Abläufe erlaubt der Einsatz aktivkohlehaltiger Schichten in vielen Fällen eine deutliche Steigerung der Effizienz des Adsorptionsprozesses im Vergleich zu loser Aktivkohle. Die Leistungsunterschiede zwischen dem klassischen Batchprozess und dem Modul- oder Schichtenprozess werden umso deutlicher, je höher die Anforderungen an den Adsorptionsprozess sind.

Eine genauere Betrachtung des Batchprozesses macht zunächst deutlich, dass die Adsorption von der Kontaktwahrscheinlichkeit zwischen frei verfügbaren adsorptiven Stellen der Aktivkohle und den Verunreinigungen der Prozesslösung abhängig ist. Je mehr dieser Kontaminanten adsorbiert worden sind, desto schwieriger wird es für die verbliebenen Verunreinigungen, frei verfügbare Aktivkohlestellen zu finden. In der Regel wird dies dadurch kompensiert, dass größere Mengen an Aktivkohle verwendet werden als rechnerisch erforderlich wären.

Zwangsdurchströmung

Die Vorteile des Modulprozesses hängen damit zusammen, dass eine Zwangsdurchströmung der Aktivkohleschichten gewährleistet ist. Die Verunreinigungen kommen somit während des Adsorptionsprozesses intensiv mit der Aktivkohle in Kontakt. Virtuell lassen sich die aktivkohlehaltigen Schichten in mehrere aufeinander folgende Bereiche unterteilen, wobei die oberen Bereiche zuerst beansprucht werden. Ihr Adsorptionsvermögen wird mit zunehmendem Volumenstrom deutlich minimiert. Andererseits können die unteren Bereiche weiterhin ungehindert die nachfolgenden Kontaminationen adsorbieren, sodass sich bei geeigneter Durchströmrate das volle Potenzial der Schichten ausnutzen lässt.

Die Adsorption an Aktivkohlen ist ähnlich anderer Adsorptionsprozesse ein kinetisch gesteuerter Prozess. Typische Verweilzeiten von Verunreinigungen in einer Aktivkohlematrix liegen bei etwa 120 Sekunden (bei einer Flussrate von etwa 200 LMH). Nur in dieser Zeit kann die Adsorption stattfinden, sodass zur Effizienzoptimierung in der Regel nur Aktivkohlen mit höchstem Aktivierungsniveau, d.h. Kohlen mit einem hohen Maß an frei verfügbaren adsorptiven Stellen, verwendet werden. Die zu entfernenden Verunreinigungen lassen sich unter diesen Bedingungen sehr effektiv und schnell abreichern.

Filtermodule auf Zellstoffbasis

Das sehr umfangreiche Angebot an Aktivkohlemodulen der SUPRAdisc Produktlinie (wahlweise als 12“ und 16“ Module verfügbar) basiert auf einer Vielzahl sowohl chemisch als auch mit Dampf aktivierter Kohlen. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Leistungsfähigkeit dieser Module in erster Linie von der Menge an Aktivkohle abhängt, die pro Modul immobilisiert wurde. Die maximal mögliche Aktivkohlemenge wiederum korreliert mit der Dicke der einzelnen Schichten sowie der Zahl der Schichten pro Modul. Eine große Filterfläche alleine ist dagegen kein Garant für eine optimale Adsorption! Einige der Module werden daher gezielt mit einer sehr hohen Aktivkohlebelegung produziert. Typische Werte liegen bei 1000 Gramm Aktivkohle pro Quadratmeter Filterfläche.

Zur Filtration kritischer Lösungen haben sich die gekapselten Filtermodule der SUPRAcap 200 Familie etabliert. Sie stehen bei völlig identischen Adsorptionseigenschaften für ein geringeres Kreuzkontaminationsrisiko, einen geringeren Reinigungsaufwand sowie einen verbesserten Mitarbeiterschutz gegenüber toxischen Substanzen. Zur Prozessentwicklung und -optimierung stehen zudem die kleinflächigeren SUPRAcap 60 Filterkapsulen zur Verfügung. Sie ermöglichen eine einfache und schnelle Durchführung verlässlicher Skalierungsstudien.

Zusammenfassung

Auch in der Zukunft werden Aktivkohlen eine sehr zentrale Rolle in der Wirkstoffherstellung spielen. Anders als bislang aber bieten sich dem Anwender innovative Möglichkeiten, Prozesse durch Verwendung leistungsstarker Filtermodule mit immobilisierter Aktivkohle effizienter, sauberer und sicherer zu gestalten. Darüber hinaus kommt es zu einer deutlichen Kostensenkung gegenüber klassischen Verfahren mit losem Aktivkohlepulver. Pall bietet mit seinem breiten Produktspektrum alle notwendigen Werkzeuge für dauerhaften Erfolg und maximale Konkurrenzfähigkeit im API-Bereich. Die flexiblen Produktionsabläufe ermöglichen es zudem, mit anwenderspezifischen Kohlen gezielt auf Kundenwünsche einzugehen.

Dr. Mühl ist Business Development Manager bei der Pall Filtersystems GmbH; Dr. Sievers ist Marketing Manager bei der Pall GmbH, Life Science, Biopharmaceuticals.

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