Biotechnologie-Prozesslinien sind die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte – Substratvorbehandlung, Fermentation, mikrobielle Zellabtrennung und Downstream-Aufreinigung –, mit denen biologische Medien in pharmazeutische und biotechnologische Produkte umgewandelt werden. Jede Stufe erfordert hygienische, zuverlässige Ausrüstung, die eine schonende Behandlung schersensitiver Materialien mit hoher Trennleistung und einfacher Reinigbarkeit für regulierte Umgebungen verbindet. Diese Seite stellt die wichtigsten Ausrüstungskategorien und Auswahlkriterien für Prozessingenieure und Einkaufsteams vor, die Bioprozesslinien aufbauen oder modernisieren.

Euroflow liefert Alfa Laval-Ausrüstung, die speziell für die Biotechnologie- und Pharmaindustrie entwickelt wurde. Das Separationsportfolio umfasst vollständig geschlossene, leicht sterilisierbare Tellerseparatoren sowie die Culturefuge-Serie, die eigens für die empfindliche Zellkulturverarbeitung mit vollhermetischem Hohlspindeldesign konzipiert wurde. Membranfiltrationssysteme decken Ultrafiltration und Diafiltration mit modularen Rahmen-Membraneinheiten und GR-Membranen ab, die eine effiziente Reinigung ermöglichen und den FDA-Anforderungen an pharmazeutische Ausrüstung entsprechen. Wärmeübertragungslösungen reichen von gedichteten Plattenwärmetauschern über Spiralwärmetauscher bis hin zu hygienischen Rohrbündelwärmetauschern wie Pharma-line für cGMP-orientierte Anwendungen. Für die Flüssigkeitsförderung bieten hygienische Alfa Laval-Kreiselpumpen (darunter LKH UltraPure für pharmazeutische Wassersysteme), SX Drehkolbenpumpen für scherminimale Förderung sowie Tri-Clover UltraPure Rohre und Fittings optimale Reinigbarkeit und Systemintegrität.

Die nachfolgenden Abschnitte erläutern Ausrüstungstypen nach Prozessstufe, ihre Einordnung in Upstream- und Downstream-Operationen sowie ihre Funktionsweise. Themen umfassen die schonende Zellhandhabung beim Ernten, die Vollbrothklärung und -aufreinigung mit Membranfiltration, Wärmetauscherlösungen für die Fermentationstemperaturregelung und Medienvorbereitung sowie die Dokumentations- und Testoptionen (z. B. Q-doc und Factory Acceptance Testing), die Installation und Qualifizierung erleichtern.

Eine Biotechnologie-Prozesslinie besteht aus aufeinanderfolgenden Stufen mit jeweils eigenen Zielsetzungen und hygienischen Anforderungen. Die Auswahl der richtigen Ausrüstung beginnt damit, jede Verfahrensoperation ihrer Funktion, den Mediencharakteristika und den regulatorischen Anforderungen zuzuordnen. Die nachstehende Übersichtstabelle verknüpft die wesentlichen Prozessstufen mit den entsprechenden Ausrüstungstypen und repräsentativen Alfa Laval-Produkten, die in Bioprozessumgebungen eingesetzt werden.

Die Substratvorbehandlung sichert die Medienqualität und Sterilisation für den Fermentationsschritt. Zuckerbasierte Medien werden typischerweise mit effizienten gedichteten Plattenwärmetauschern aufbereitet. Hochviskose oder feststoffreiche Einsatzstoffe – beispielsweise Hydrolysate – profitieren von hygienischen Rohrbündel- oder Spiralwärmetauschern mit geringer Verschmutzungsneigung. Wenn vor der Inokulation eine Partikelentfernung erforderlich ist, kann die Klärung mit Tellerseparatoren durchgeführt werden.

Die Fermentationstemperaturregelung erfordert reaktionsschnelle Wärmeübertragung und hygienische Medienführung. Spiralwärmetauscher eignen sich besonders gut für viskose Fermentationsbrühen und anspruchsvolle Betriebsbedingungen. Für die Prozess- und Betriebsmittelflüssigkeitsförderung in pharmazeutischen Umgebungen bieten LKH UltraPure Kreiselpumpen eine zuverlässige Umwälzung mit äußerer Wellenabdichtung und offenem Laufraddesign, das den hygienischen Betrieb unterstützt. Unique DV-ST UltraPure Membranventile überzeugen durch hochwertige Schweißnähte und Werkstoffe, die das Rouging-Risiko in Sterilrohrleitungen minimieren.

Beim Ernten muss die Trenntechnik Ausbeute und schonende Behandlung in Einklang bringen. Vollhermetische Culturefuge-Separatoren und Alfa Laval-Tellerseparatoren ermöglichen eine geschlossene, CIP-fähige Zellabtrennung für Bakterien, Hefen und empfindliche Säugetierzellkulturen. Bei hohem Feststoffanteil oder größeren Biomassestrukturen bieten Dekanterzentrifugen eine robuste Feststoffhandhabung. Im Downstream-Bereich unterstützen Rahmen-Membranfiltrationseinheiten die Aufkonzentrierung, Entsalzung und Pyrogenentfernung für Produkte wie Antibiotika, Enzyme und bestimmte Polysaccharide. Tri-Clover UltraPure Rohre und Fittings sind nach Industriestandards zertifiziert; das Q-doc-Paket stellt eine umfassende Rückverfolgbarkeit sicher.

Die nachstehende Referenztabelle bietet einen weiteren schnellen Überblick von der Anforderung zur Ausrüstungsauswahl für gängige Prozessstufen.

Die Ausrüstungsauswahl variiert je nach Organismustyp, Produktklasse und der Position einer Verfahrensoperation in der Prozesslinie erheblich. Bakterielle Fermentationen zur Antibiotikaproduktion erfordern beispielsweise eine Vollbrothklärung sowie membranbasierte Aufkonzentrierung und Entsalzung, während Säugetierzellkulturen für Biologika eine vollständig geschlossene, schonende Trennung verlangen, um Zelllyse und die Freisetzung intrazellulärer Verunreinigungen zu vermeiden. Die nachstehende Tabelle fasst typische Branchen-Anwendungskontexte und die damit verbundenen hygienischen sowie leistungsbezogenen Anforderungen zusammen.

Im Upstream-Bereich werden bei der Medienvorbereitung und Sterilisation gedichtete Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, deren Auswahl nach Viskosität und Verschmutzungsneigung erfolgt. Während der Fermentation muss die Temperaturregelung reaktionsschnell und gleichzeitig reinigbar sein; Spiralwärmetauscher erfüllen diese Anforderung bei viskosen oder feststoffhaltigen Fermentationsbrühen. Brühe- und Betriebsmitteltransfers werden durch hygienische Kreiselpumpen abgewickelt; in pharmazeutischen Wasserkreisläufen unterstützen LKH UltraPure Kreiselpumpen die kontinuierliche Umwälzung und helfen durch ihre äußere Wellenabdichtung sowie den offenen Laufradtyp, Biofilmbildung zu verhindern und einen kontaminationsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Die mikrobielle Zellabtrennung ist ein entscheidender Downstream-Schritt. Tellerseparatoren bieten eine geschlossene, leistungsstarke Trennung für Bakterien und Hefen. Für Säugetierzellkulturen erhält die Culturefuge-Serie die Zellintegrität durch ihr vollhermetisches Design und eine scherschonende Beschleunigung, wodurch das Lyse-Risiko reduziert und hohe Hygieneanforderungen erfüllt werden. Bei hohem Feststoffgehalt oder großvolumiger Biomasse sorgen Dekanterzentrifugen für einen kontinuierlichen Feststoffeintrag und eine robuste Handhabung, die die Tellerabscheidung ergänzt.

Weiter im Downstream-Bereich ermöglicht die Rahmen-Membranfiltration Rückgewinnung, Aufreinigung, Aufkonzentrierung, Entsalzung und Pyrogenentfernung bei Anwendungen wie Antibiotika und Enzymen. Durch Auswahl geeigneter Membranen mit definiertem Molekulargewichts-Trennbereich (MWCO) lassen sich zudem Polysaccharide mit definierter Molekülgröße herstellen. GR-Membranen sind gegenüber einem breiten pH-Bereich beständig und ermöglichen zusammen mit geeigneten Werkstoffen Systeme, die die FDA-Anforderungen an pharmazeutische Ausrüstung erfüllen. Wenn Messtechnik und Tankhygiene kritisch sind – etwa in Wassersystemen und Vorlagebehältern – unterstützen Alfa Lavals hygienische Instrumentierung und Sani SB Rotations-Sprühköpfe die Überwachung und gründliche Benetzung zur Aufrechterhaltung von Passivschichten und Minimierung von Rouging.

Aufkonzentrier- und Aufreinigungsverfahren

Viele Prozesse erfordern nach der Klärung eine Aufkonzentrierung und einen Pufferwechsel. Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über gängige Verfahren im Membran- und Separationsportfolio von Alfa Laval.

Separation: Betriebsprinzipien von Tellerseparatoren und Dekantern

Tellerseparatoren trennen Biomasse von der Fermentationsbrühe, indem sie in einem rotierenden Trommelraum ein starkes Schwerefeld erzeugen. Ein Stapel konischer Teller unterteilt die Prozessflüssigkeit in dünne Schichten und verkürzt so die Absetzwege, sodass Zellen und Zelltrümmer schnell zur Peripherie wandern, während die geklärte Flüssigkeit nach innen zum zentralen Ablauf strömt. Bei biopharmazeutischen Anwendungen – wie in der Culturefuge-Serie – erfolgen Zu- und Ablauf durch eine Hohlspindel, um eine Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche zu vermeiden, Scherung und Schaumbildung zu reduzieren und eine sterile Eingrenzung zu gewährleisten. Die Systeme sind vollständig geschlossen, leicht sterilisierbar und für eine zuverlässige Reinigung an Ort und Stelle (CIP) ausgelegt.

Dekanterzentrifugen arbeiten mit einem horizontalen Rotor und einer intern laufenden Schneckenfördereinrichtung, die mit Differenzdrehzahl betrieben wird und abgeschiedene Feststoffe kontinuierlich zum Austrag transportiert. Dekanter bewältigen höhere Feststoffbeladungen und faserhaltige Materialien, die einen Tellerseparator überfordern würden, und eignen sich daher für Anwendungen mit großvolumiger Biomasse und feststoffreichen Einsatzstoffen. In vielen Prozesslinien ergänzen sich Tellerseparatoren und Dekanter: Tellerseparatoren erzielen bei moderaten Feststoffgehalten hohe Kläreffizienzen, während Dekanter bei hohem Feststoffvolumen und großen Partikelgrößen den kontinuierlichen Feststofftransport übernehmen.

Wärmeübertragung bei der Medienvorbereitung und Fermentation

Wärmetauscher übernehmen die Sterilisation, Pasteurisierung und Fermentationstemperaturregelung. Gedichtete Plattenwärmetauscher bieten eine effiziente Erwärmung und Kühlung für Medien mit geringer bis mittlerer Viskosität und sind auf Reinigbarkeit ausgelegt. Bei erhöhter Viskosität oder Verschmutzungsrisiko bieten Spiralwärmetauscher einen einzigen Strömungskanal, der Verstopfungen widersteht und für hygienische Anwendungen geeignet ist. Für Anwendungen, bei denen cGMP-Dokumentation im Mittelpunkt steht, werden Pharma-line hygienische Rohrbündelwärmetauscher mit streng kontrolliertem und dokumentiertem Schweiß- und Fertigungsverfahren hergestellt; ein prüfbares Innenrohrbündel ist verfügbar, um Sichtkontrollen der produktberührten Flächen zu ermöglichen.

Pumpen, Ventile und Rohrleitungen: hygienische Integrität sicherstellen

Jeder Transferschritt ist ein hygienekritischer Punkt. In pharmazeutischen Wasserkreisläufen und hygienischen Versorgungsleitungen unterstützen LKH UltraPure Kreiselpumpen die kontinuierliche Umwälzung und helfen durch äußere Wellenabdichtung, einfache Leckageerkennung und ein offenes Laufraddesign, das eine hygienische Strömungsführung fördert, Biofilmbildung zu verhindern. Für die scherstressarme Produktförderung sind Alfa Laval SX Drehkolbenpumpen auf schonende Behandlung ausgelegt.

Die Absperrung in sterilen Leitungen übernehmen Membranventile. Alfa Laval Unique DV-ST UltraPure Ventile sind aus hochlegiertem Edelstahl mit definiertem Schwefel- und niedrigem Delta-Ferrit-Gehalt gefertigt, um einfache, qualitätssichere Schweißungen zu gewährleisten und das Rouging-Risiko zu minimieren. Geschmiedete Ausführungen reduzieren Materialeinsatz und Gewicht, senken den Energiebedarf für das Aufheizen und verringern Rohrspannungen. Tri-Clover UltraPure Rohre und Fittings, zertifiziert nach ISO 2037 und ASME BPE mit 100 % Eingangs- und Ausgangskontrolle, sichern selbstausrichtende, spaltfreie, korrosionsbeständige Verbindungen in hygienischen Systemen, die einfach zu reinigen und zu warten sind.

Membranfiltration: Aufkonzentrierung und Aufreinigung

Rahmen-Membranfiltrationssysteme ermöglichen die Aufkonzentrierung, Entsalzung und Aufreinigung von Produkten aus Großfermentationen, Extraktionen oder Hydrolysen – darunter Antibiotika, Enzyme und bestimmte Polysaccharide wie Hydroxyethylstärke (HES). Durch Auswahl eines geeigneten MWCO werden Zielmoleküle zurückgehalten, während kleinere Solute permeieren. Die Diafiltration – durch kontinuierliche Wasserzugabe zum Zulauf – erhöht den Reinheitsgrad weiter. Alfa Laval GR-Membranen sind gegenüber einem breiten pH-Bereich beständig, der den branchenüblichen Reinigungspraktiken entspricht, und ermöglichen in Verbindung mit geeigneten Werkstoffen Systeme, die die FDA-Anforderungen an pharmazeutische Ausrüstung erfüllen.

Reinigbarkeit, Dokumentation und Qualifizierungsunterstützung

Hygienische Konstruktionsmerkmale – wie spaltfreie Innenräume, vollständig entwässerbare Geometrien und äußere Wellenabdichtungen bei Kreiselpumpen – verkürzen Reinigungszyklen und reduzieren das Kontaminationsrisiko. Alfa Laval Separatoren und Wärmetauscher sind für eine zuverlässige CIP-Reinigung ausgelegt, und die vollständig geschlossenen Separatorkonstruktionen vereinfachen Sterilisation und Reinigung. Für die Tankhygiene nutzen Toftejorg dynamische Tankreinigungsgeräte Hochdruck-Rotationsstrahldüsen, um Rückstände effizient zu entfernen und den Bedarf an Reinigungsmitteln und Spülwasser zu reduzieren.

Dokumentation und Tests beschleunigen die Qualifizierung. Das Alfa Laval Q-doc-Paket bündelt Werkstoffzertifikate, Prüfzertifikate und -berichte, Fertigungsverfahren sowie Qualitätsverfahren für Geräte und Ersatzteile und erfüllt die wachsenden Anforderungen an Rückverfolgbarkeit gemäß Gesetzgebung und Industriestandards. Das Factory Acceptance Testing (FAT) in Alfa Lavals Werk in Tumba, Schweden, ermöglicht es Kunden, hydraulische Kapazität, Start- und Stoppfunktionen, Austraggeräte, Düsenlagen, Rohrneigungen, Oberflächengüten, elektrische Verdrahtung und erforderliche Dokumentation vor der Auslieferung zu prüfen. Viele Unternehmen führen anschließend einen Site Acceptance Test (SAT) durch und nutzen die FAT-Ergebnisse während der Installationsqualifizierung (IQ) und Betriebsqualifizierung (OQ), um die Zeit bis zur validierten Inbetriebnahme zu verkürzen.

Auswahl zwischen Tellerseparator und Dekanterzentrifuge

Die Entscheidung hängt von Organismusgröße und -struktur, Feststoffgehalt sowie der Frage ab, ob sich das Zielprodukt in der Flüssigphase oder in der Biomasse befindet. Tellerseparatoren eignen sich für Bakterien und Hefen, wenn eine hocheffiziente Klärung mit hermetischer Eingrenzung gefragt ist. Dekanter werden bevorzugt, wenn das Feststoffvolumen hoch oder die Partikel groß sind und ein robuster Dauerbetrieb beim Feststofftransport erforderlich ist. Bei empfindlichen Säugetierzellen bieten hermetische Culturefuge-Konstruktionen schonende Beschleunigung und vollständig geschlossenen Betrieb zum Schutz der Produktintegrität.