Magnetrührwerke für Pharmazie, Biotechnologie und Lebensmitteltechnik

Von: ANDREAS DIEL - Zeta Holding

Magnetgekuppelte Rührwerke sind in Anwendungen, bei denen es auf Sterilität und gute Reinigbarkeit ankommt, nicht mehr wegzudenken. Konstruktive Aspekte wie die vollkommene Dichtheit, geringer Wartungsaufwand und mehr Platz auf dem Behälterdeckel für Stutzen aller Art sprechen für diese Rührwerke.

Strömungsbild

Die Auslegung der Magnetrührwerke erfolgt im Wesentlichen nach den gleichen Grundsätzen wie bei konventionellen Rührwerken, mit der einen oder anderen Besonderheit.

So ist die in der Regel exzentrische Positionierung im Behälterboden für Magnetrührwerke typisch. Aus Gründen der Reinigbarkeit wird auf stromstörende Einbauten im Behälter verzichtet. Ausnahmen davon können z.B. magnetgekuppelte Fermenterrührwerke sein oder von oben montierte Magnetrührwerke.

Da das übertragbare Drehmoment der Magnetkupplung (nicht: des Antriebs !) der entscheidende Faktor für die Baugröße und den Preis darstellt, spielt ein optimiertes, der Rühraufgabe angepasstes Drehmoment bei der Rührwerksauslegung eine wichtige Rolle.

Auch aus diesem Grund werden mit Magnetrührwerken überwiegend Produkte im wässrigen bis niedrigviskosen Bereich ( d.h. turbulente Strömungsverhältnisse, Re > 105 ) gerührt, mit üblichen Drehfrequenzen zwischen 200 und 500 1/min. Der Antrieb (Motor, Getriebemotor) muss selbstverständlich das benötigte Drehmoment bereitstellen. Ein überdimensionierter Antrieb bringt jedoch keinen Zusatznutzen, da die Größe der Magnetkupplung der limitierende Faktor ist.

Die Drehmomente der eingesetzten Magnetkupplungen liegen in der Mehrzahl unter 50 Nm. Aberauch für große Behälter mit Volumina über 30 m³ stehen bio-m® Standardkupplungen mit Drehmomenten Mt > 150 Nm zur Verfügung.

Rühraufgaben

"Rühren" wird gerne in Projektspezifikationen als Rühraufgabe genannt, insbesondere während des Basic Engineerings, wenn die genaue Rühraufgabe dem Planer noch nicht eindeutig bekannt ist. Hier behilft man sich in der Rührwerksauslegung mit vereinfachten Berechnungen, die einige Faktoren wie Behältergröße, das Verhältnis Füllhöhe zu Behälterdurchmesser (H/D) oder eine erhöhte Viskosität mit der Erfahrung des kompetenten Rührwerkslieferanten kombinieren.

Genauere Auslegungen erfordern eine weitergehende Definition der Rühraufgabe und der Produktdaten (insbesondere Viskosität, Produktdichte, spezielles Fließverhalten), die oft zusammen mit dem Rührwerksspezialisten erarbeitet wird. So werden unnötige Überdimensionierungen (Investitionskosten, Platzbedarf, Energieverbrauch, Gewicht) ebenso vermieden wie zu schwache Auslegungen.

Homogenisieren

Beim möglichst vollständigen Abbau von Konzentrationsgradienten und Temperaturunterschieden in gut miteinander mischbaren Flüssigkeiten spricht man von der Rühraufgabe Homogenisieren. Hier interessiert die erreichbare Mischzeit vor dem Hintergrund einer definierten Mischgüte (i.d.R. Δc / c < 5 %). Im Labor werden hierzu Mischzeitcharakteristiken n x θ über Re aufgenommen, mit denen – bei geometrischer Ähnlichkeit – die erreichbaren Mischzeiten im Produktionsmaßstab berechnet werden können. Für abweichende geometrische Bedingungen (anderes Durchmesserverhältnis Rührorgan zu Behälter d2/D, anderes Verhältnis H/D) gibt es näherungsweise Umrechnungsmöglichkeiten [ 1, 2, 3].

Am Beispiel eines 12 m³ Behälters für Media Preparation in einer biotechnologischen Anlage konnte aktuell die im Labor gemessene Mischzeitcharakteristik für den bio-m® Magnetimpeller, Einbau exzentrisch ohne Stromstörer, bei einem vom Kunden gewünschten Garantieversuch bestätigt werden. Dazu wurden im Behälter Leitfähigkeitssonden am Behälterboden, bei halbem Füllniveau und nahe der Flüssigkeitsoberfläche angebracht. Die Änderung der Leitfähigkeit wurde ausgelöst durch die Zugabe von NaCl als Feststoff in das vorgelegte demineralisierte Wasser.

Die Zeit zwischen NaCl-Zugabe und einer konstant werdenden Anzeige der Leitfähigkeit an allen 3 Sonden wurde mit einem Mehrkanalschreiber festgehalten. Der Versuch wurde bei mehreren Drehzahlen gefahren, um die Mischzeit bei unterschiedlichen Reynoldszahlen zu bestimmen.

Interessant war die Bestätigung, dass der bio-m® Magnetimpeller auch bei einem ungünstigen geometrischen Verhältnis H/D > 1 eine ausgezeichnete und schnelle Durchmischung ermöglicht.

Der Hinweis sei gestattet, dass die Bestimmung der Mischzeit eine wesentlich zutreffendere verfahrenstechnische Aussage ermöglicht als die Angabe einer schwer zu verifizierenden Umwälzmenge [4].

Wärmeübergang

Die Unterstützung des Aufheizens und Abkühlens des Behälterinhalts ist eine verbreitete Rühraufgabe. Das Rührwerk führt dabei dem Wärmeübertrager (Behälterwand mit Doppelmantel oder Halbrohrschlangen, ggf. zusätzliche Wärmeübertrager im Behälter) Flüssigkeit mit möglichst großem Temperaturgefälle zu und verteilt andererseits die Flüssigkeit aus der Umgebung des Wärmeübertragers mit klein gewordenem Temperaturgefälle wieder im Behältervolumen.

Mit bekannten Rührorgan-Kennwerten C kann der innere Wärmeübergang αi (Flüssigkeit / Behälterwand) gut berechnet werden. Der exzentrische Einbau im Behälterboden verringert zwar prinzipiell die Wirkung eines Rührwerks auf den Wärmeübergang, die vorwiegend radiale Strömungsrichtung (siehe Strömungsbild) des bio-m® Impellers ermöglicht dennoch einen hohen C-Wert und damit einen guten Wärmeübergang.

Insbesondere bei Kühlvorgängen ist eine exakte Auslegung des Rührwerks wichtig, da die eingebrachte Antriebsleistung des Rührwerks in Wärme dissipiert wird und so die abzuführende Wärmemenge zusätzlich erhöht.

Die Betrachtung des Gesamtsystems Behälter / zur Verfügung stehende Wärmeübertra-gungssysteme / Rührwerk erlaubt das Berechnen von Aufheiz- bzw. Abkühlzeiten, wenn alle kalorimetrischen Produktdaten zur Verfügung stehen.

Lösen

Unter Lösen versteht man das in Lösung bringen von Feststoffen in einem Lösungsmittel wie Wasser oder Ethanol (Ex-Schutz nach RL 94/9/EG "ATEX" beachten), z.B. bei der Herstellung von Pufferlösungen, beim Medienansatz in der Fermentation oder in der Wirkstoffproduktion. Lösen ist ein chemischer Vorgang, den das Rührwerk indirekt unterstütz. Das Rührwerk hat dabei die Aufgabe, den Feststoff aufzuwirbeln (Suspendieren), damit die ganze Oberfläche für den Stoffaustausch zur Verfügung steht. Außerdem wird Flüssigkeit mit der größtmöglichen treibenden Konzentrationsdifferenz an den Feststoff herangeführt.

Feststoffdichte, Korngröße und Feststoffmenge sind wichtige Angaben, um ein Rührwerk für das Suspendieren auszulegen. Damit wird die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffe im Schwarm ermittelt und daraus die notwendige Rührleistung ermittelt [u.a. 5].

Die radiale Strömungsrichtung des bio-m® Magnetimpellers am Behälterboden entlang verhindert Feststoffablagerungen, wie sie bei axial fördernden Rührorganen gerne entstehen.

Kombinierte Rühraufgaben

Rühraufgaben treten häufig in kombinierter Form auf. Als Beispiel kann der Fermentationsprozess dienen, bei dem das in Schwebe halten der Mikroorganismen, die homogene Verteilung von Nährmedien, die Versorgung mit Sauerstoff (Begasung) und eine mit größer werdendem Behältervolumen immer schwieriger werdende Wärmeabfuhr als Aufgaben zu bewältigen sind. Die dominierende Rühraufgabe bestimmt dabei die Rührwerksauslegung; anschließende Kontrollberechnungen stellen sicher, dass auch die nachgeordneten Rühraufgaben erfüllt werden.

Prozessspezifische Parameter

Oft sind weitere verfahrenstechnische Parameter prozessspezifisch zu berücksichtigen. Die Vermeidung von Scherkräften steht z.B. bei der Zellkulturfermentation oder in der Blutplasmafraktionierung im Vordergrund. Manche Prozesse verlangen nach einer Trombenbildung, um das Einsaugen von pulverförmigen Feststoffen zu unterstützen, in anderen Prozessen soll eine Trombe gerade verhindert werden, da kein Gas in die Flüssigkeit eingetragen werden darf.

Neben der mechanischen Zuverlässigkeit und der Reinigbarkeit [6] ist auch das verfahrenstechnische Wissen für eine korrekte Auslegung von Magnetrührwerken und damit für das einwandfreie Funktionieren des Prozesses eine wichtige Voraussetzung.

[1] Henzler, H.J.: Untersuchungen zum Homogenisieren von Flüssigkeiten und Gasen, VDI Forschungsheft 587, 1978
[2] Liepe, Sperling, Jembere: Rührwerke, Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung, Eigenverlag FH Köthen 1998
[3] Zlokarnik, Marko: Rührtechnik, Theorie und Praxis, Springer Verlag 1999
[4] Kipke, K.D.: Die Bedeutung der Umwälzmenge in der Rührtechnik, Chemie-Technik 5 (1976) Nr. 5
[5] Kipke, K.D.: Suspendieren in einem 21 m³ Behälter, Chem.-Ing.-Tech. 64 (1992) Nr.7
[6] Diel, Andreas: Harte Prüfung, Magnetrührwerke im Test, Process – PharmaTec 2 2004