Eine Wissenschaftlerin in Schutzbrille mit einer Mikropipette zur Testanalyse
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Ventile für die Pharmaindustrie: Wie Armaturen die Qualität von Medikamenten sicherstellen

 

Ventile für die Pharmaindustrie: Wie Armaturen die Qualität von Medikamenten sicherstellen

Mit dem Durchschnittsalter der Weltbevölkerung wächst der Bedarf an neuen Medikamenten und fortschrittlichen Produktionsprozessen in der Pharmaindustrie. Membranventile spielen eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung einer effizienten und kontaminationsfreien Produktion.

Infografik zum Anstieg des weltweiten Arzneimittelverbrauchs

Wir brauchen neue Ansätze für Medikamente

Das Durchschnittsalter der Menschheit wächst – und damit auch ihr Bedarf an Medikamenten. Nach Schätzung der Vereinten Nationen wird die Zahl der Menschen mit einem Alter über 65 Jahren bis 2070 auf 2,2 Milliarden Menschen steigen – und damit erstmals höher sein als die der Kinder. Diese Entwicklung wird zu einer Zunahme von nicht übertragbaren Krankheiten wie Krebs oder Diabetes führen. Das European Cancer Information System rechnet beispielsweise mit einem Anstieg der Krebsfälle um 18 Prozent bis 2040 in der EU. Zusätzlich steigen die Lebensstandards in Ländern wie China, Indien und dem asiatisch-pazifischen Raum. Daher ist die weltweite Nachfrage nach Medikamenten in den letzten fünf Jahren um 14 Prozent gestiegen und soll bis 2028 um weitere 12 Prozent zulegen, was jährlich 3,8 Billionen definierte Tagesdosen bedeutet. Um diesen Entwicklungen zu begegnen, brauchen wir neue Ansätze für Medikamente – und sicherere Verfahren für ihre Herstellung.

Biopharmazeutika bieten neue Möglichkeiten

Ein besonders dynamisches Feld der Entwicklung neuer Medikamente sind Biopharmazeutika. Dies sind Arzneimittel, die mithilfe lebender Zellen hergestellt werden, in die menschliche Gene eingefügt wurden. Sie ermöglichen hochpräzise und oft sehr wirksame Behandlungsansätze, die mit herkömmlichen Arzneimitteln nicht erreichbar wären. So hat die Gewinnung von Insulin durch Bakterien oder Hefezellen statt aus den Bauchspeicheldrüsen von Tieren die Produktion sicherer und effizienter gemacht. Ein weiteres Beispiel sind monoklonale Antikörper, die zur Behandlung von Krebs und Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden, wie Trastuzumab für Brustkrebs und Adalimumab für rheumatoide Arthritis.

Da Biopharmazeutika oft große, komplexe Moleküle wie Proteine oder Antikörper sind, die in lebenden Zellen hergestellt werden, unterscheidet sich ihre Produktion erheblich von der chemischen Synthese konventioneller Medikamente. Ihre Herstellung ist ein komplexer Prozess, der eine präzise Kontrolle und spezialisierte Technologien erfordert.

Der erste Schritt besteht darin, das Gen für das gewünschte Protein oder den Antikörper zu identifizieren und zu isolieren. Dieses Gen wird dann in eine Wirtszelle integriert, die von einem Menschen oder einem Tier stammen oder auch eine Bakterie oder eine Hefezelle sein kann. Diese produziert dann das gewünschte Protein. Etwa 80 Prozent aller Biopharmazeutika werden mithilfe von CHO-Zellen (Chinese-Hamster-Ovary-Zellen) hergestellt, die alle von Zellen aus den Eierstöcken eines einzigen chinesischen Hamsters abstammen, die 1957 an der University of Colorado entnommen wurden.

Während der Kultivierung, auch Upstream-Prozess genannt, werden die so veränderten Zellen in Bioreaktoren kultiviert und produzieren dort das gewünschte Protein. Diese Bioreaktoren können mehrere Tausend Liter umfassen und sind so gestaltet, dass Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffzufuhr und Nährstoffkonzentrationen präzise gesteuert werden. Nach der Kultivierung werden die Zellen und das Kulturmedium geerntet.

Biopharmaka haben einen Anteil von 46 % am weltweiten Umsatz von Medikamenten
Biopharmaka haben einen Anteil von 59 % an neu zugelassenen Medikamenten in Deutschland

Danach folgt der Downstream-Prozess, währenddem das Kulturmedium mit den Zellen gereinigt wird. Filtration, Zentrifugation oder Chromatografie entfernen Zelltrümmer, Nebenprodukte und andere Verunreinigungen. Schließlich wird das Protein in einer stabilen Formulierung aufbereitet und unter sterilen Bedingungen in Fläschchen, Spritzen oder andere Darreichungsformen abgefüllt. Bei all diesen Prozessen spielen Armaturen wie etwa die SISTO-C-Membranventile von KSB eine entscheidende Rolle für die Steuerung.

Infografik zum Anteil von Biopharmazeutika am weltweiten Arzneimittelumsatz

Die Bedeutung von Biopharmaka nimmt zu

Biopharmazeutika haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Mittlerweile machen sie mit 46 Prozent fast die Hälfte der weltweiten Arzneimittelausgaben aus, wobei ihr Marktanteil schneller wächst als der anderer Arzneimittel. Sie sind besonders bei der Behandlung von komplexen Krankheiten wie Krebs, Autoimmunerkrankungen und genetischen Erkrankungen bahnbrechend. In Deutschland machten sie 2023 etwa 59 Prozent aller neu zugelassenen Wirkstoffe aus. Eine wachsende Zahl von Biopharma-Start-ups treibt die Innovation weiter voran und ist inzwischen für 65 Prozent aller Moleküle in der Forschungs- und Entwicklungspipeline verantwortlich. Fortschritte in Gentherapie, Zelltherapie und mRNA-Technologie eröffnen neue Möglichkeiten zur Behandlung bisher unheilbarer Krankheiten, einschließlich Erbkrankheiten und degenerativer Erkrankungen. Durch die Weiterentwicklung dieser Technologien wird der Einfluss von Biopharmazeutika in der Medizin weiter steigen und die Art und Weise, wie wir Krankheiten behandeln, grundlegend verändern.

Komplexe Prozesse benötigen präzise Steuerung

Die Herstellung von Biopharmazeutika ist ein komplexer Prozess, der hohe Anforderungen an Armaturen stellt. Da moderne Bioreaktoren meist vollautomatisiert sind, müssen Ventile eine Integration in das Prozessleitsystem ermöglichen, damit alle Produktionsschritte genau überwacht und geregelt werden können. Der Gehalt von Sauerstoff, CO₂ und Nährstoffen in den Bioreaktoren muss präzise gesteuert werden, da Schwankungen das Wachstum der Zellen und die Qualität der produzierten Medikamente beeinträchtigen können.

Besonders wichtig für Pharmaventile ist Hygiene, da Kontaminationen mit Bakterien, Pilzen oder Viren zu kostspieligen Produktionsausfällen führen können. Bereits bei der Entwicklung muss daher auf Reinigbarkeit, Selbstentleerung, Totraumfreiheit und geeignete Werkstoffe geachtet werden. In der Fertigung sind hohe Qualitätsstandards einzuhalten, um die erforderliche Oberflächengüte sicherzustellen. Zudem sollten Armaturen für Clean-in-Place-(CIP)- und Sterilize-in-Place-(SIP)-Prozesse geeignet sein, sodass sie ohne Demontage gereinigt und sterilisiert werden können. Um diese Anforderungen sicherzustellen, unterliegen pharmazeutische Anlagen einer strengen Validierung, zum Beispiel durch die Good Manufacturing Practices der EU oder die Guidelines der International Society for Pharmaceutical Engineering (ISPE). 

Membranventil SISTO-C in T-Form und Durchgangsform

SISTO-Ventile für besondere Anforderungen

Das zur KSB-Gruppe gehörende Unternehmen SISTO Armaturen S. A. ist auf die Herstellung von Membranventilen spezialisiert, die häufig in der Pharmaindustrie eingesetzt werden. Bei diesen Armaturen regelt ein flexibles Element aus Elastomer oder Plastomer, auch Membran genannt, den Durchfluss und sorgt gleichzeitig dafür, dass keine mechanischen Teile mit dem Medium in Berührung kommen. Die Armatur SISTO-C beispielsweise ist speziell für die hohen Anforderungen bei der Herstellung von Medikamenten entwickelt worden. Ihre Membran wird aus EPDM oder TFM gefertigt. Diese sind beständig gegen die hohen Temperaturen und aggressiven Reinigungsmittel bei CIP- und SIP-Prozessen und haben zudem glatte Oberflächen, die verhindern, dass sich Mikroorganismen oder Ablagerungen ansammeln. Das Ventil ist selbstentleerend und totraumfrei, sodass nach dem Betrieb oder der Reinigung keine Rückstände verbleiben. Durch die Möglichkeit zur pneumatischen Steuerung und eine Schnittstelle für Endlagenschalter kann das Ventil in eine Prozessautomatisierung integriert werden. Eine Kernkompetenz von SISTO sind die Konstruktion und Herstellung sogenannter Ventilblöcke. Diese integrieren mehrere Ventile in einem einzigen Block. Das spart Platz und reduziert die medienberührten Oberflächen im Inneren.

Kürzere Lieferzeiten durch innovative Fertigung

KSB nutzt sein Know-how nicht nur, um hochwertige Armaturen herzustellen, sondern auch, um deren Lieferzeiten zu verkürzen. Pharmaventile werden typischerweise aus geschmiedeten Rohlingen sehr hochwertiger Nickelbasislegierungen wie Alloy 2.4605 gefräst. Gerade bei solchen Sondermaterialien kann die Verfügbarkeit von Schmiedestangen zur Herstellung der Rohlinge begrenzt sein und zu langen Lieferzeiten führen. Durch additive Fertigung im Pulverbett-Schmelzverfahren beschleunigt KSB die Herstellung. Die so produzierten Ventilkörper haben zudem auch ein geringeres Gewicht, platzsparende Ventilgehäuse und bieten eine hohe Planungs- und Designflexibilität. So ist es möglich, Geometrieformen mit Hinterschneidungen wie integrierte Kühlkanäle zu fertigen, die durch Fräsen kaum umzusetzen sind. Die additiv hergestellten Gehäuseteile weisen außerdem eine höhere Werkstoffhomogenität auf. Ihre Eignung ist vom deutschen TÜV geprüft und dokumentiert. Sie erfüllen alle erforderlichen Standards wie die Anforderungen der europäischen Druckgeräterichtlinie (DGRL) 2014/68/EU.

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