Qualitätsanforderungen an Reindampf in der pharmazeutischen Industrie

Reindampf wird in der Pharmazeutischen Industrie vorwiegend zur Sterilisation verwendet. Dies beruht darauf, dass Wasser sich hervorragend als Energieüberträger eignet. Bei der Verdampfung wird eine große Menge Energie benötigt, die bei der Kondensation kurzfristig abgegeben werden kann. In der Dampftabelle sind die Enthalpiewerte für trockenen, gesättigten Wasserdampf dargestellt.

Erste Voraussetzung für das Speisewasser ist, dass es Trinkwasserqualität besitzt. Weitere Vorgaben an das Speisewasser werden von dem Hersteller definiert.

Diese Vorgaben werden von gereinigtem Wasser (PW- purifed water) eingehalten, so dass in der Praxis das Reindampfsystem aus einem bestehenden PW-System gespeist wird. Das Speisewasser sollte entgast werden, bevor es in den Verdampfer gelangt. Dies ist notwendig, um die Menge der nichtkondsierbaren Gase (NKG) zu reduzieren und bei der Leitfähigkeitsmessung aufgrund des gelösten CO2 keine Störgröße zu bekommen. Gerade bei einer online Leitfähigkeitsmessung, bei der die Leitfähigkeit nur nach der Stufe 1 entsprechend der Pharmakopöe bewertet wird, kann es zu Überschreitungen aufgrund des gelösten CO2 kommen. Als Abhilfe kommt entweder eine Membranentgasung oder ein Entgasungsbehälter zum Einsatz.

Zur Erzeugung des Dampfes kommen dann das Naturumlaufverfahren, das Fallstromverfahren oder die Reindampferzeuger mit externen Wärmetauschern zum Einsatz.

Die Erzeuger sind zusätzlich mit Tröpfchenabscheider versehen, um ein Mitreißen von Kondensat und der darin gelösten Verunreinigungen, wie beispielsweise Endotoxine, zu verhindern.

Um das Reindampfsystem betreiben zu können, muss die Temperatur und der Druck gemessen werden. Diese Parameter werden zur Steuerung der Anlage benötigt. Wichtig hierbei ist, dass Reindampf durch Verdampfung bei mindestens 100 C erzeugt werden muss und keine Zusätze enthalten darf. Zuzüglich zu diesen beiden Parametern müssen weitere qualitätsrelevante Parameter überprüft werden, die in den entsprechenden Regularien festgelegt sind. Zum einen sind Anforderungen an das Kondensat des Reindampfes in der Monografie Pure Steam der USP [7] gefordert, diese entsprechen den Anforderungen von Water for Injection (WfI). Das heißt, dass der Endotoxingehalt nicht größer als 0,25 EU / mL sein darf und die Leitfähigkeit und der TOC-Gehalt müssen den Anforderungen der Kapitel <643> und <645> der USP [7] entsprechen. Darüber hinaus sind in der Norm DIN EN 285 [1] und in der Norm DIN 59850 [2] Vorgaben über die Reindampfqualität festgelegt. In diesen beiden Normen werden zusätzlich zur Überprüfung des Kondensats noch Grenzwerte für die Eigenschaften des Dampfes angeben. Die zu untersuchen den Parameter sind: Überhitzung, Trockenheit und nicht kondensierbare Gase. Die Prüfungen können entweder mit der in der DIN EN 285 [1] beschriebenen offine-Methode, oder jedem vergleichbarem Messsystem durchgeführt werden. Bei den verfügbaren, alternativen Systemen besteht die Möglichkeit diese drei Parameter, die im Folgenden genauer vorgestellt werden, online zu bestimmen.

Die nichtkondensierbaren Gase (NKG) verhindern einen direkten Kontakt des Dampfes mit dem Sterilisiergut und machen eine vollständige Sterilisation unmöglich. Während des Prozesses soll der Dampf kondensieren und mit der dabei übertragenden Enthalpie mögliche vorhandene Biomasse zerstören. NKGs wirken wie ein Isolator und verhindern die direkte Energieübertragung durch Ausbildung von Gasschichten oder Taschen. NKG_s werden durch das Speisewasser eingebracht, speziell wenn keine Entgasung vorgeschaltet ist. Dies wird gerade dann begünstigt, wenn sich das Speisewasser über einen längeren Zeitraum in einem Lager und Verteilsystem befindet, das zur Atmosphäre geöffnet ist. Durch die permanente Umwälzung und den Einsatz von Sprühkugeln kann sich Luft, insbesondere CO₂ , im Speisewasser lösen. In der unten abgebildeten Tabelle sind die potenziell auftreten den NKG_s zusammengefasst. Gemessen werden die NKG_s am höchsten Punkt des Verteilsystems, da sich an dieser Stelle Gastaschen vermehrt ausbilden können. Der Dampf soll maximal einen Volumenanteil von 3,5 % NKGs im Kondensat haben.

Dampf mit einem hohen Anteil an Kondensat (Nassdampf) reduziert die übertragene Energie während des Sterilisationsprozesses und führt nebenbei zu einer unerwünschten hohen Befeuchtung des Sterilgutes. Konstruktiv durch die Tröpfchenabscheider bedingt, ist der Dampf direkt nach dem Erzeuger trocken und gesättigt. Bei Fehlfunktionen dieser Abscheider kann durch eine unzureichen de Abscheidung Kondensat mitgerissen werden. Dies führt nicht nur zu Nassdampfbedingungen, sondern birgt auch das Risiko, dass Endotoxine mitgeführt werden. Weitere Nassdampfbildung kommt durch Kondensation im Verteilsystem zu stande. Daher haben die Dimensionierung, die Isolierung und die Entwässerung des Verteilsystems einen großen Einfluss auf die Trockenheit.Die Messung sollte nahe am Verbraucher durchgeführt werden. Als Akzeptanzkriterium gibt die DIN EN 285 [1] einen Trockenheitswert von 0,95 für Metallbeladungen und 0,9 für die restlichen Beladungen an.

Überhitzter Dampf kann beim Sterilisationsvorgang nicht kondensieren, sondern muss sich erst bis auf den Siedepunkt abkühlen. Vorher kann keine Kondensationsenthalpie an das Sterilisiergut abgegeben werden und der überhitze Dampf verhält sich wie heiße Luft. Für eine erfolgreiche Sterilisation wären entweder eine längere Verweilzeit oder höhere Temperaturen nötig. Überhitzter Dampf kann aufgrund von großem Druckabfall im Verteilsystem oder im Sterilisator entstehen. Bei einer Druckerniedrigung bleibt die Gesamtenthalpie gleich. Diese Energieerhaltung führt erst zu einer kompletten Verdampfung von möglichem Kondensat und, nachdem Sattdampfbedingungen erreicht sind, zu einem Anstieg der Temperatur. Die Überhitzung von frei in die Atmosphäre ausströmendem Dampf darf maximal 25 K betragen.

Im Reindampfverteilnetz liegt, bedingt durch das kompressible Medium Reindampf, eine Expansionsströmung vor. Dabei nimmt der Druck aufgrund von Reibungsverlusten im Rohrleitungsverlauf ab. Eine Übersicht über Druckverluste im idealen System ist in der nebenstehenden Tabelle wiedergegeben. Die Dampfgeschwindigkeiten liegen bei 25-40 m/s.

Die Rohrleitung dehnt sich bei der Inbetriebnahme aufgrund des Aufheizens aus. Diesem Effekt muss bei der Planung Rechnung getragen werden, da es sonst zu Spannungen im Verteilnetz kommen kann. Die Halterungen eines Reindampfverteilnetzes müssen bei geraden Strecken eine axiale Verschiebung zulassen. In längeren Leitungsabschnitten müssen zusätzlich Dehnungsausgleicher installiert werden. Diese müssen so konstruiert sein, dass sich keine Tiefpunkte bilden. Festpunkte sind so zu montieren, dass die Rohrbewegung keinen Schaden anrichten kann. Um Energieverluste, Kondensatbildung und eine Gefährdung von Mitarbeitern zu minimieren, muss das Verteilnetz isoliert werden. Die Isolierung erfolgt im Technikbereich aluminiumkaschiert und im Reinraumbereich als Rohr-in-Rohr-System.

Da es sich bei Dampfleitungen nicht um adiabatische Systeme handelt, wird immer ein Teil des Dampfes kondensieren und muss aus dem Verteilnetz abgeführt werden. Gerade beim Anfahren wird eine groÿe Men ge von Dampf in dem noch nicht erhitzten Verteilnetz kondensieren. Das Verteilnetz muss so konstruiert sein, dass das Kondensat komplett ablaufen kann. Die Abscheidung erfolgt über Kondensatableiter, von denen unterschiedliche Konstruktionen auf dem Markt erhältlich sind. Die Kondensatabscheider müssen an allen Tiefpunkten des Verteilnetzes installiert werden. Das Gefälle der Rohrleitung zu den Tiefpunkten sollte nicht kleiner als 1% sein. Das Kondensatnetz, das an das Reindampfsystem angeschlossen ist, sollte drucklos ausgeführt werden.

Beim abgeschalteten Reindampfsystem befindet sich hauptsächlich Luft im gesamten Verteilnetz. Beim Anfahren wird diese aufgrund des Druckanstieges komprimiert. Der Anteil der nichtkondensierbaren Gase darf wie in der DIN EN 285 [1] beschrieben einen Maximalanteil von 3,5 % haben. Über einen Entlüfter kann die im System befindliche Luft ausgetragen werden. Eine Vermischung von Dampf und Luft lässt sich durch eine zeitnahe Entlüftung nach dem Anfahren verhindern.