4-Kolben-Membranpumpen Warum 4-Kolben-Membranpumpen für die Biopharmaproduktion eine gute Wahl sind

Bei der Herstellung von Biopharmazeutika kommen Grundoperationen wie Chromatographie, Virusfiltration und Tangentialflussfiltration zum Einsatz, die jeweils einzigartige Anforderungen stellen. Allen gemeinsam ist, dass die Medien möglichst pulsations- und scherkraftfrei gefördert werden müssen. Ein Fall für 4-Kolben-Membranpumpen.

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Drei der häufigeren Grundoperationen bei der Herstellung von Biopharmazeutika sind die Chromatographie, Virusfiltration und Tangentialflussfiltration (TFF), die jeweils spezifische Betriebsbedingungen erfordern. Die Chromatographie z.B. erfordert einen konstanten Volumenstrom während des Prozesses, während die Pumpendrücke unterschiedlich sein können. Die Virusfiltration wiederum zeichnet sich durch konstante Drücke aus, aber die Volumenströme ändern sich, wenn Filter verschmutzen oder verblocken. Bei der TFF besteht die größte Herausforderung darin, Volumenstrom und Druck während des gesamten Prozesses konstant zu halten. Allen Grundoperationen gemeinsam ist, dass die Medien hochempfindlich und in vielen Fällen auch teuer sein können. Die Förderung muss daher pulsations- und scherarm sein, um das Material nicht zu schädigen.

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Im Folgenden soll am Beispiel der Chromatographie aufgezeigt werden, welche Aufgaben Pumpen übernehmen, worauf es dabei ankommt und welche Vorteile 4-Kolbenpumpen gegenüber den hierfür üblicherweise eingesetzten Drehkolben- und Schlauchpumpen haben.

Beispiel: Chromatographie

Typische Chromatographiesäulen aus Glas, Stahl oder Kunststoff sind mit speziellen Harzen befüllt. Das Produkt durchströmt die Säule und wird durch selektive Adsorption an der stationären Phase (Harz) gereinigt. Die stationären Phasen sind sehr teuer – ein Protein-A-Harz z.B. kann bis zu 8000 Euro pro Liter kosten – weshalb eine ordnungsgemäße Beschickung mit dem Harz extrem wichtig ist.

Bei einigen Chromatographiesystemen werden Puffer-Gradienten benötigt, um eine Aufreinigung der Proteine zu erreichen. Oft ist mehr als ein Puffer erforderlich, weshalb zwei oder mehr Pumpen benötigt werden. Bei dieser Anwendung werden z.B. Hochsalz- und Niedrigsalz-Puffer kontinuierlich und in sich ändernden Verhältnissen gemischt, um die Adsorption des Zielmoleküls an das Chromatographieharz zu beeinflussen. Aus diesem Grund ist eine präzise Förderung notwendig, damit die richtigen pH-/Leitfähigkeitsbedingungen für die spezifische Adsorption und eine hochauflösende Reinigung erreicht werden.

Dies erfordert eine Pumpentechnik, die einen exakten Fluss in einem weiten Regelbereich erzeugt, der geringe und ­hohe Fördermengen zulässt, während die Elution fortschreitet. Auch sollte die Pulsation möglichst gering sein, um eine Störung in der gepackten Säule zu verhindern. Kann die Pumpe diese Anforderungen nicht erfüllen, so wird möglicherweise nicht die richtige Pufferkonzentration erreicht, was sich auf den Reinigungsgrad des Produkts auswirken kann.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass während der Ladung der Probe der Gegendruck im System zunimmt. Pumpen ohne Schlupf bieten in diesen Situationen Vorteile, da ihre Volumenströme konsistent und die linearen Geschwindigkeiten stabil bleiben. Vereinfacht ausgedrückt hat eine Pumpe mit minimalem Schlupf einen leichter zu regulierenden Förderstrom, der nur inkrementelle Anpassungen der Drehzahl der Pumpe erfordert (gemessen in 1/min).

Vor dem Hintergrund dieser Betriebsanforderungen wurden im Laufe der Jahre verschiedene Pumpentechniken verwendet. Zwei Pumpentypen, die zu den populäreren bei biopharmazeutischen Herstellern gehören, sind die Drehkolbenpumpe und die Schlauchpumpe.

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