Dr. techn. Karin Koller
Der Prozess muss spätestens in der Planungsphase bis ins Detail bekannt sein, um den reibungslosen Betrieb der gesamten Anlage zu gewährleisten. Energetische Berechnungen und ökonomische Überlegungen spielen bei der Planung ebenso eine Rolle wie die Dauer der einzelnen Prozessschritte oder die geometrische Auslegung der Peripherie. Für eine großtechnische Anlage zur Proteinproduktion aus Zellkultur mit sechs Produktionsreaktoren zu je 15000 l müssen beispielsweise insgesamt 18 Bioreaktoren und über 60 Kessel konzipiert, gebaut und nach Fertigstellung betrieben werden.
Der biotechnologische Prozess besteht aus den in den Bioreaktoren kultivierten Vorkulturen und der in den Produktionsreaktoren durchgeführten Herstellung des Produkts. Für diesen Prozess ist eine große Anzahl von weiteren Prozessschritten notwendig. Diese gliedern sich in einen Upstream- (Herstellung des Rohprodukts) und einen Down-stream-Prozess (Aufarbeitung des Produkts). Der Upstream-Prozess besteht aus der Erzeugung und Bereitstellung des Kulturmediums, der Kultivierung der Zellen und deren Gewinnung. Dafür sind Bioreaktoren, Kessel zur Medienherstellung und für den Medientransfer, Zentrifugen, Geräte zur Filtration und Einrichtungen für den Transfer zum Erntekessel notwendig. Im Downstream-Prozess wird das Produkt mit chromatographischen Methoden gereinigt. Neben Filtern und Chromatographen erfordert dieser Prozess Kessel zur Herstellung und Bereitstellung der Puffer und Einrichtungen für deren korrekten Transfer.
Da die Zellkultur zur Vermeidung von Kontaminationen steril geführt werden muss, werden sämtliche Kessel und alle Transferleitungen sterilisiert. Am Prozessende muss die Anlage in einem CIP-Verfahren (Cleaning in Place) möglichst vollautomatisch gereinigt werden. Jeder Prozessschritt, sei er physikalisch (Heizen, Kühlen, Flüssigkeitstransfer, Sterilisation), chemisch (Reinigung) oder biologisch (Kultivierung), benötigt optimale Bedingungen zum Erreichen der höchstmöglichen Effizienz. Die Durchführung der Sterilisation, des Produktionsprozesses und der Reinigung, die Dimensionierung der dafür notwendigen Geräte und eine sinnvolle Reihenfolge aller Prozessschritte müssen exakt geplant werden. Zeit und Geld sind dabei auch entscheidende Faktoren. Energiebilanzen, beispielsweise für den Verbrauch an CIP-Lösungen, Dampf, Kühl- und Heizflüssigkeit, oder die Auslegung der Klimatechnik geben Aufschluss über die günstigsten Gesamtbedingungen. Zunächst wird jeder Prozessschritt in jedem Kessel einzeln bilanziert, in weiterer Folge müssen auch der gleichzeitige Betrieb mehrerer Anlagenteile und das Zusammenspiel der verschiedenen Kessel und Prozessschritte berücksichtigt werden.
Die Temperaturregelung ist erforderlich zur Aufrechterhaltung der Kultivierungstemperatur, zur Sterilisation und zur Temperierung von Medien, Puffern und Reinigungsflüssigkeiten. Kessel von über 1 m³ werden indirekt durch Flüssigkeiten temperiert, die durch eine an die äußere Oberfläche des Kessels geschweißte halbierte Rohrschlange gepumpt werden. Bei der Planung der Temperaturregelung müssen Durchmesser und Länge der Rohrschlange, Art und Temperatur der verwendeten Flüssigkeiten, die Flussrate und der Aufbau des Heizkreislaufs genau evaluiert werden. Über den Wärmeübertragungskoeffizienten lassen sich das Design der Wärmetauscher und die Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Kühlflüssigkeiten und dem Medium bestimmen. Bei einer Anlage genügt es nicht, dass der Temperaturkreislauf lediglich darauf ausgerichtet ist, die Kessel in ausreichendem Maße zu temperieren, es muss auch den Kundenspezifikationen Genüge getan werden. Der Prozess wird im Vorfeld auf Effizienz und Rentabilität konzipiert. Dabei sind auch Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit Kriterien. Zu lange Phasen bis zum Erreichen der Temperatur könnten den Prozess verzögern oder das Produkt schädigen. Anschaffungs- und Betriebskosten sind ebenso zu berücksichtigen wie die Regelgenauigkeit. Gleichzeitig gibt es unveränderliche Faktoren, z. B. regulative Bestimmungen und der zur Verfügung stehende Platz. Bei der Planung des Heizkreislaufs sind die Variablen die Art der Rohrschlange, die Anzahl der Wärmetauscher und die Temperatur der Heiz- und Kühlflüssigkeiten. Hier gilt es, die Balance zwischen Präzision und Geschwindigkeit, Aufwand und Ökonomie zu finden.
