Achema

Bild: Wika; iStock, luismmolina

Druckmessung für die Pharmabranche Doppelmembran hält Grenzen aufrecht

02.05.2018

Sie steuern den Prozessdruck, spüren Leckagen auf und überwachen Pumpen, Reinigungsvorgänge oder Füllstände: Druckmessgeräte müssen in Pharmaprozessen viele Aufgaben erfüllen. Gleichzeitig darf von ihnen keine Gefahr für das Endprodukt ausgehen. Es gilt, die Sterilgrenze in jeder Prozessphase einzuhalten – und das möglichst ohne Aufwand.

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Der Risikofaktor Mensch wird in den sensiblen Verfahren der Pharmaindustrie auf ein Minimum reduziert. Die Anlagen fahren weitestgehend vollautomatisch, die Steuerung der Prozesse beruht auf elektronischen Geräten und Systemen. So übernehmen heute häufig Messumformer und programmierbare Transmitter und Schalter die Druckmessung. Die Messinstrumente sollten nicht nur Messwerte zuverlässig erfassen und weiterverarbeiten, sondern darüber hinaus robust, wartungsarm und leicht bedienbar sein.

Das hat nicht nur ökonomische Gründe: Die Eigenschaften unterstützen zusätzlich die Prozesssicherheit in Produktrichtung. Untersuchungen zufolge ist die Mehrzahl der Geräteschäden, die eine Produktkontamination nach sich ziehen können, auf falsche Handhabung zurückzuführen. Erst in zweiter Linie treten Schäden auf, die durch Korrosion oder unvorhersehbare Ereignisse wie einen überhöhten Druckstoß verursacht werden.

Eine Prozesstrennung auf Dauer

Für Anwendungen in der Pharmaindustrie bieten sich in mehrfacher Hinsicht Druckmittler-Lösungen an. Ein solches System besteht aus dem Druckmittler mit eingebauter Membran aus CrNi-Stahl oder einem Sonderwerkstoff, dem eigentlichen Messgerät und der Übertragungsflüssigkeit, einem gemäß der GMP-Richtlinien nachweislich prozesskonformen Glyzerin oder Paraffinöl. Die Membran nimmt den Druck auf und überträgt ihn hydraulisch auf den Messumformer, den programmierbaren Transmitter oder einen Schalter. Somit ist das Messgerät dauerhaft vom Prozess getrennt und liefert, vor Einwirkungen geschützt, ein genaues Messergebnis.

Druckmittler sind flexibel einsetzbar. Nahezu alle Druckmessgeräte können mit ihnen hygienegerecht an einen Prozess angeschlossen werden. Die Instrumentierung wird somit für die jeweilige Aufgabe passgenau dimensioniert. Das ist ein Vorteil gegenüber Messgeräten mit Keramiksensor, die zum Beispiel oft nur mit hochwertigen und daher nicht für alle Anwendungen notwendigen Transmittern lieferbar sind.

Keramiksensoren werden in erster Linie wegen ihrer hohen Genauigkeit in der sterilen Verfahrenstechnik eingesetzt. Sie messen den Druck direkt mit einem frontbündigen kapazitiven Sensor ohne Übertragungsflüssigkeit, die in einem Schadensfall in den Prozess eindringen könnte. Keramiksensoren gelten im Vergleich zur metallischen Druckmittlermembran als langfristig widerstandsfähiger gegenüber Scherkräften oder Korrosion. Ein Sensorschaden würde dem Anwender außerdem durch den Ausfall des Signals unmittelbar mitgeteilt, während ein Druckmittlersystem im Fall einer beschädigten Membran den Messvorgang zunächst fortsetzt.

Sterilgrenze auch bei Schäden einhalten

Aber auch ein Keramiksensor ist vor Schäden nicht gefeit. Diese können durch harte Wasser- und Dampfschläge im Prozess oder bei einer abrupten Hitze-Kälte-Folge, wie bei einem Sterilisationsvorgang, auftreten. Zerspringt die Keramik, können über die Sensorbelüftung Luft und Fremdkörper von außen in den Prozess gelangen und ihn kontaminieren. Bei einem Druckmittler bleibt der Prozess dagegen auch bei einer angegriffenen Membran stets geschlossen. Die Sterilgrenze wird somit eingehalten. Es besteht allerdings die Gefahr, dass Produkte bei geschlossenem Prozess kontaminiert werden. Aufgrund der Messgenauigkeit ist die Stärke der Druckmittlermembran begrenzt. Daher kann es bei Überbeanspruchungen im Prozess langfristig zu Verformungen und damit zu Toträumen kommen.

An diesen Stellen können sich Produktpartikel absetzen und in Folge Mikroben bilden. Ähnliche Einflüsse lassen sich auch bei Keramiksensoren nicht ausschließen. Der Schwachpunkt hier ist die Dichtung zwischen Sensor und metallischem Prozessanschluss.

Zum einen können Stoffe in die Dichtung eindiffundieren, die beim nächsten Prozessschritt wieder freigesetzt werden. Zum anderen kann die Dichtung bei hoher Temperatur-Dynamik überstrapaziert werden und sich dadurch ein Spalt am Prozessanschluss öffnen, ein Ort für potenzielle Ablagerungen. Bleiben diese unbemerkt, werden sie auf Folgeprozesse übertragen. Derartige Kreuzkontaminationen haben in der Regel schwere wirtschaftliche Folgen mit Kosten in Millionenhöhe.

Doppelt schließt besser

Um solche Schäden zu verhindern, bauen Pharmaunternehmen beispielsweise in hochsensiblen Prozessen Druckmessgeräte nach jedem Batch aus und untersuchen sie auf Beschädigungen. Dieser Aufwand und dadurch hervorgerufene Unsicherheitsfaktoren lassen sich mit einer Lösung von Wika vermeiden: Ein Druckmittlersystem mit Doppelmembran und Membranüberwachung schaltet Risiken und Folgeschäden wie oben beschrieben aus. Der Raum zwischen den beiden Membranen wird evakuiert und das Vakuum mit einem Messgerät kontrolliert.

Die Form der Überwachung lässt sich je nach Sensibilität des Prozesses individuell festlegen. Bei regelmäßiger Vor-Ort-Aufsicht reicht zur Kontrolle ein Manometer mit Grün-Rot-Anzeige, in anderen Fällen ein optisches oder akustisches Warnsignal im Leitstand. Bei Medien mit hohem Gefährdungspotenzial können Betreiber einen Druckschalter einsetzen, der im Schadensfall den Prozess sofort stoppt.

Sollte die messstoffberührte Membran in Folge anhaltender Extrembelastung oder durch ein aggressives Medium beschädigt werden, schottet die zweite Membran den Prozess weiterhin zuverlässig ab und setzt die Drucküberwachung bis zur Behebung des Schadens fort. Da ein Bruch innerhalb des Systems unmittelbar erkannt und gemeldet wird, können sich außerdem keine Mikroben unbemerkt hinter der Membran festsetzen. Zudem meldet sich der „Alarm“ sofort, falls die Membran während der Wartung oder Kalibrierung beschädigt wurde, und verhindert so, dass ein defektes Gerät in den Prozess eingebaut wird. Die Sicherheitsfunktion des selbstüberwachenden Druckmittlersystems erhöht zugleich den Schutz der prozessabgewandten Seite: Im Fall einer beschädigten Membran können keine gefährlichen Substanzen in die Umwelt austreten.

Mobile Messung bei niedrigen Drücken

Trotz des äußerst hohen Automatisierungsgrads von Pharmaprozessen muss nicht jede Messstelle zwingend elektronisch ausgestattet sein. Hierfür kommen vor allem Plattenfedermanometer mit frontbündiger Membran in Frage. Sie erlauben die Messung niedriger Drücke und sind aufgrund ihrer Konstruktion sicher bei Überlast. Auch bei Druckstößen halten sie den Prozess geschlossen. Gleichwohl können sich Anwender auch für den Fall einer eventuellen Beschädigung der Plattenfeder wappnen. Wika bietet für solche Manometer ebenfalls eine Membranüberwachung an, die einen Bruch des Messglieds unmittelbar anzeigt.

Plattenfedermanometer eignen sich vor allem für mobile Tanks, in denen Zwischen- und Endprodukte gelagert oder zur nächsten Verarbeitungsstufe transportiert werden. Sie kontrollieren zum Beispiel die Abfüllung und die Inertgas-Überlagerung. Der Trend zur Entwicklung und Herstellung von Individualmedizin führt dazu, dass die Maße solcher Behälter geringer werden und Prozesse mit kleinen Einheiten und Batches zunehmen. Der Messinstrumentierung steht daher nur ein begrenzter Platz zur Verfügung. Da kann es für Plattenfedermanometer rasch eng werden: Je niedriger der zu messende Druck, umso größer muss der Membrandurchmesser und damit auch der Prozessanschluss sein.

Diesem Problem begegnet Wika mit einem Manometer für kleine Außenflächen: Typ PG43SA-C misst im Niedrigdruckbereich mit einer im Verhältnis deutlich kleineren Membran. Die reduzierte Anschlussgröße kombiniert das Gerät mit einer weiteren, speziell für diese Messaufgabe am Tank wichtigen Eigenschaft: Es ist autoklavierbar. Das Manometer kann ohne vorherige Demontage mit dem Behälter unter Sattdampfbedingungen bei Temperaturen bis 134 °C sterilisiert werden. Der Prozess bleibt somit auch in der mobilen Phase geschlossen, die Qualitätssicherung gewahrt.

Je empfindlicher die pharmazeutischen Produkte, zum Beispiel Injektionsstoffe, desto wichtiger ist das konsequente Einhalten der Sterilgrenze im Herstellungsprozess. Risikovermeidung hat bei der eingesetzten Messtechnik einen genauso hohen Stellenwert wie Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die besondere Herausforderung besteht darin, die funktionstechnischen und konstruktiven Eigenschaften in einer wirtschaftlichen Lösung zu verschmelzen. Denn Pharmaprozesse werden angesichts der Wettbewerbssituation zunehmend effizienter gestaltet – jedoch stets ohne Einschränkung der Sicherheit.

Wika auf der Achema (11. - 15. Juni 2018) in Frankfurt am Main: Halle 11.1, Stand C3

Bildergalerie

  • Das programmierbare Druckmittlersystem mit Doppelmembran und Membranüberwachung schottet empfindliche Pharmaprozesse nach außen ab.

    Bild: Wika

  • Das mechanische Druckmessgerät mit Membranüberwachung überwacht mobile Tanks.

    Bild: Wika

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