Energieeffizienter Betrieb von Reinräumen

Wer braucht schon einen 20-fachen Luftwechsel?

Korrespondenz:

Dr.-Ing. Detlef Behrens, Behrens Projektmanagement GmbH, Hasenberg 6, 35041 Marburg; E-Mail: behrens1@behrens-pm.de

Prof. Dr. Cornelia M. Keck Cornelia M. Keck ist Pharmazeutin und promovierte 2006 an der Freien Universität (FU) in Berlin. 2009 wurde sie zur Adjunct Professor for Pharmaceutical and Nutritional Nanotechnology an der University Putra Malaysia (UPM) ernannt und erlangte 2011 ihre Venia legendi (Habilitation) an der Freien Universität Berlin. Sie wurde als Professorin für Pharmakologie und Pharmazie an die Universität der Angewandten Wissenschaften in Kaiserslautern berufen. Seit 2016 ist sie Professorin für Pharmazie und Biopharmazie an der Philipps-Universität Marburg.

Dr.-Ing. Detlef Behrens Dr. Behrens war 20 Jahre als Projektmanager, Betriebsleiter und Betriebsingenieur u. a. bei Novartis, CSL Behring, Lichtwer Pharma und Henning Berlin tätig. 2011 gründete er die Behrens Projektmanagement GmbH. Er ist außerdem Dozent an den Hochschulen Marburg und Gießen im Bereich Qualitäts- und Risikomanagement.

Prof. Dr. Frank E. Runkel Prof. Dr. Runkel ist seit 20 Jahren Professor an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) für den Studiengang Biopharmazeutische Technologie und Geschäftsführender Direktor des Institutes für Biopharmazeutische Technologie an der THM. Zuvor war er als Projektleiter, GMP-Beauftragter (Firma SmithKline Beecham-Wülfing GmbH & Co. KG) und Herstellungsleiter bei Engelhard Arzneimittel GmbH & Co. KG, Frankfurt tätig.

Einleitung

Die Frage nach der erforderlichen Mindest-Luftwechselrate (LWR) für Reinräume der Klasse C (ISO 8 in Betrieb [1]) beantworten Mitarbeiter aus Herstellung und Technik oft mit „größer 20-fach pro Stunde“. Hintergrund dieser Aussage ist eine Textstelle im Aseptic Guide der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) [2]: „Air change rate is another important cleanroom design parameter. For Class 100,000 (ISO 8) supporting rooms, airflow sufficient to achieve at least 20 air changes per hour is typically acceptable“. In einer früheren Auflage des Baseline Pharmaceutical Engineering Guides zu Sterile Manufacturing Facilities der International Society for Pharmaceutical Engineering (ISPE) [3] wurde ebenfalls dieser Mindestwert empfohlen. In der seit 2018 verfügbaren 3. Auflage dieses Leitfadens [4] wird dieser Wert jedoch nicht mehr genannt. Der Vorschlag lautet nun, die Lüftungsanlagen auf Basis der zu erwartenden Partikel- und Keimbelastung von Räumen in Kombination mit anderen Parametern wie z. B. der Erholzeit auszulegen. Die ISPE verweist hierzu ausdrücklich auf Sun et al. [5], die ein Modell für die Reinraumtechnik beschreiben. Dies eröffnet die Möglichkeit, mit reduzierten LWR-Anforderungen unterhalb der FDA-Empfehlung von 20 h^–1 auszukommen.

Bemerkenswert ist auch, dass die Empfehlung der FDA nur besagt, dass ein 20-facher Luftwechsel „üblicherweise akzeptabel“ ist, was nicht einmal eine konkrete Forderung darstellt.

In den GMP-Richtlinien der Europäischen Union [6], insbesondere im Annex 1 [7] ist ebenfalls keine Vorgabe für die Mindest-Luftwechselrate gegeben. Die Vorgaben beziehen sich hauptsächlich auf die Einhaltung der Grenzwerte für Partikel und koloniebildende Einheiten (KBE). Darüber hinaus wird eine Erwartung an die Erholzeit für das Erreichen des At-Rest-Grenzwerts nach der In-Operation-Phase von 15–20 min beschrieben.

Die FDA-Forderung an eine Mindest-LWR stammt aus den späten 1950er-Jahren [8]. In dieser Zeit wurde in den USA eine LWR von mindestens 20 h^–1 in Operationssälen gefordert. Diese Vorgabe wurde 1960 zum ersten Mal in der frühen Version des Federal Standards 209B aufgegriffen. Später wurde die Forderung von 20 h^–1 für die Klasse 100 000 (ISO 8) widerrufen, da erkannt wurde, dass für die Aufrechterhaltung der Reinheitsklasse auch ein geringerer Luftwechsel ausreicht. Dennoch übernahm die FDA 1987 den Wert von 20 h^–1 im Aseptic Guide und beließ diese Empfehlung auch in der 2004er-Revision des Guides [8].

Fedotov ermittelte in einer Studie, dass pharmazeutische Reinräume einen bis zu 25-fach höheren Energiebedarf haben als normale Büroräume [8]. Tschudi beziffert den Energiebedarf für den Betrieb der Lüftungsanlagen, sog. HVAC-Anlagen (Heating, Ventilation and Air Conditioning), mit 50–75 % der Gesamtkosten für den Betrieb [9]. Dass die erwartete Erholzeit von 15–20 min auch mit geringeren LWR erreicht werden kann, wurde bereits in früheren Studien gezeigt [10–12]. Angesichts der aktuellen Diskussion über Energieeinsparungen und dem Bestreben nach CO₂-Neutralität stellt sich die Frage, welche Mindest-LWR zur Erreichung der Partikel- und KBE-Grenzwerte überhaupt benötigt wird. Die Beantwortung dieser Frage ist Gegenstand der hier durchgeführten experimentellen Studie.

Material und Methoden

Die Versuche wurden in einem Trainingsraum der Firma TIS in Kirchzarten durchgeführt. Dabei wurden verschiedene LWR mit verschiedenen Bekleidungen des Personals kombiniert (Abb. 1):

• LWR 20 mit Reinraumkleidung

• LWR 10 mit Reinraumkleidung

• LWR 20 mit kurzer Straßenkleidung

• LWR 10 mit kurzer Straßenkleidung

Die verwendete Reinraumkleidung bestand aus einem Tyvek®-Overall, Haarhaube, Mund-Nasen-Maske, Überschuhen und Handschuhen, also Reinraumkleidung, wie sie üblicherweise in pharmazeutischen Reinräumen der Klasse C Verwendung findet.

Abbildung 1: Verwendete Kleidung; links: Reinraumkleidung, rechts: kurze Straßenkleidung (Quelle aller Abbildungen: die Autoren).

Ziel dieses Studiendesigns war, die Möglichkeit einer Halbierung der FDA-Empfehlung zu eruieren und gleichzeitig auch die Robustheit der Luftreinhaltung im Rahmen der zulässigen Grenzwerte zu testen. Beim Testraum handelt es sich um einen GMP-gerecht gestalteten Raum von 38,4 m² Größe mit vorgelagerter Schleuse (Abb. 2). Die HVAC-Anlage ist variabel, sodass verschiedene LWR für die Messungen eingestellt werden konnten.

Abbildung 2: Testreinraum mit Versuchsanlage.

Als Messtechnik dienten insgesamt 4 Partikelzähler, die an verschiedenen Stellen im Raum platziert wurden, sowie 2 Luftkeimsammler zur Erfassung und Bewertung des mikrobiologischen Status des Raums:

• 3 optische Partikelzähler: MET ONE 3400

• 1 optischer Partikelzähler TSI BioTrak®

• 1 Merck Millipore RCS®

• 1 Impact Air® Iso-Con Slit-to-Agar

Alle Geräte wurden vor dem Einsatz kalibriert. Die Partikelzähler wurden so eingestellt, dass ein Messwert für Partikel/m³ Luft je Minute ausgegeben wurde. Die Luftkeimsammler wurden während der In-Operation-Phase der Versuche mit 7 min (RCS) und 8 min (Impact Air) Laufzeit betrieben. Die verwendeten Agar-Streifen und -Platten wurden 4 Tage inkubiert und anschließend ausgezählt. Die Anzahl der gefundenen KBE wurde in Relation zur beprobten Luftmenge gesetzt und in KBE/m³ umgerechnet.

Alle Versuche wurden 2-mal durchgeführt. Im Raum wurde für Simulationszwecke eine kleine Prozessanlage betrieben, die von 2 Mitarbeitern im Reinraum „bedient“ wurde. Weitere Einrichtungen im Raum waren Tische, eine Reinraumwerkbank (außer Betrieb) sowie ein Kühlschrank (in Betrieb).

Für den Versuchsablauf wurde ein Testplan mit 5 Phasen erstellt (Tab. 1).

Tabelle 1

Ergebnisse

In Abb. 3 ist beispielhaft der Versuchsverlauf in den 5 beschriebenen Phasen dargestellt. Vor Beginn des Versuchs war das Versuchspersonal im Raum, um die Messtechnik einzurichten und zu starten. Dann verließen beide Personen den Raum. Wie erwartet sinkt in der Startphase die Partikelbelastung leicht. Dies ist auf Sedimentation der Partikel bei ausgeschalteter Lüftung zurückzuführen. Entsprechend steigt beim Wiedereintreten des Personals in den Raum bei weiterhin ausgeschalteter Lüftungsanlage die Partikelbelastung an. Das Personal bewegte sich während der Anwesenheitszeit mit langsamen, reinraumgerechten Bewegungen im Raum. Mit Einschalten der Lüftung nach 10 min erfolgt eine deutliche Abreicherung der Partikel. Ab Minute 15 entwickelt sich ein Gleichgewicht von Partikelabreicherung durch die Lüftung und Partikelemission durch das Personal. Dies entspricht der In-Operation-Phase in einem Produktionsbetrieb. Erst nach Verlassen des Raumes sinkt die Partikelanzahl bei weiterlaufender Lüftungsanlage weiter ab.

Abbildung 3:Versuchsverlauf in 5 Phasen (Partikel >0,5 μm, Mittelwerte aller Partikelzähler).

Da der Fokus dieser Studie auf der wissenschaftlichen Fragestellung nach der Partikelbelastung während der In-Operation-Phase lag, wird in den folgenden Diagrammen nur diese Phase zwischen 15–25 min gezeigt.

Abbildung 4 zeigt die In-Operation-Phase mit den Mittelwerten aller Partikelzähler für die Partikel >0,5 μm. Die Partikelkonzentration liegt bei 20-facher LWR erkennbar unter der bei 10-fachem Luftwechsel. Das absolute Niveau der Messwerte liegt aber erheblich unter dem zulässigen Grenzwert für den Ruhezustand in Reinraumklasse C. Auch mit LWR 10 ist zwischen den gemessenen Werten und dem At-Rest-Grenzwert noch ein deutlicher Unterschied im Bereich von Faktor 7. Bis zum zulässigen Grenzwert In Operation also etwa Faktor 70.

Abbildung 4:Partikel >0,5 μm/m3 bei LWR 20 und LWR 10 mit Reinraumkleidung.

Ein überraschendes Bild zeigt sich bei der Verwendung von kurzer Straßenkleidung im Reinraum (Abb. 5). Auch hier liegen die gemessenen Werte noch deutlich unterhalb des At-Rest-Grenzwerts des Annex 1. Insgesamt ist das Niveau zwar etwa doppelt so hoch wie mit Reinraumkleidung, dennoch würden hier keine zulässigen Grenzwerte überschritten.

Abbildung 5: Partikel >0,5 μm/m3 bei LWR 20 und LWR 10 mit kurzer Straßenkleidung.

Bei den Partikeln >5 μm (Abb. 6) ist ebenfalls erkennbar, dass eine 20-fache LWR besser ist als eine 10-fache. Auch hier bleiben die Messwerte unterhalb des At-Rest-Grenzwerts, auch wenn der Faktor der Unterschreitung nicht mehr so deutlich ist. Der Abstand zum In-Operation-Grenzwert ist trotzdem weiterhin erheblich.

Abbildung 6: Partikel >5 μm/m3 bei LWR 20 und LWR 10 mit Reinraumkleidung.

Erst bei der Verwendung von Straßenkleidung ist es in dieser Studie gelungen, die At-Rest-Grenzwerte zu überschreiten und Messwerte im Bereich einer echten In-Operation-Phase zu generieren. Dies trifft sowohl auf LWR 20 als auch auf LWR 10 zu (Abb. 7).

Abbildung 7: Partikel >5 μm/m3 bei LWR 20 und LWR 10 mit kurzer Straßenkleidung.

Parallel zur Partikelmessung wurden Luftkeimmessungen durchgeführt. In den Ergebnissen zeigt sich ein großer Unterschied zwischen den verwendeten Kleidungen (Tab. 2). Mit Reinraumkleidung wird die Grenze von 100 KBE/m³ deutlich unterschritten. Bei kurzer Straßenkleidung zeigt sich das erwartete Ergebnis, dass durch Exposition großer Hautflächen auch eine signifikant höhere Emission von Keimen auftritt. Beim Impact-Air-Slit-to-Agar-Luftkeimsammler wurde bei LWR 10 eine Überschreitung des Grenzwerts gemäß Annex 1 festgestellt.

Tabelle 2

Diskussion

Mit Blick auf die Ergebnisse der Partikelmessungen zeigt sich für die im Annex 1 genannten Partikelgrößen >0,5 μm und >5 μm, dass selbst bei Verwendung ungeeigneter Kleidung die festgelegten Grenzwerte nicht einmal annähernd erreicht werden. Mit Reinraumkleidung wurden bei LWR 10 die In-Operation-Grenzwerte um das ca. 10-fache (bei 5 μm) und das 70-fache (bei 0,5 μm) unterschritten. Die Notwendigkeit einer LWR 20 oder mehr ist hierbei zur Aufrechterhaltung der Reinraumklasse also nicht gegeben.

Generell wurde festgestellt, dass eine LWR 20 eine bessere Abreinigung der Partikelbelastung im Raum erzielt als eine halbierte LWR 10 h^–1. Dies konnte erwartet werden, spielt aber im Hinblick auf die absolut gemessenen Werte keine wesentliche Rolle. Dennoch kann es Gründe geben, warum eine höhere LWR erforderlich ist:

• zur Wärmeabfuhr beheizter Anlagen

• bei prozessbedingt höheren Partikelemissionen, z. B. bei Verarbeitung von Pulvern

Räume mit diesen Anforderungen sind in aseptischen Produktionsbereichen aber eher die Ausnahme als die Regel. Sofern also keine besonderen Anforderungen vorliegen, besteht keine Notwendigkeit, diese Räume mit einer höheren LWR als 10 h^–1 auszulegen.

Dass bei den Partikelmessungen selbst mit kurzer Straßenkleidung keine Überschreitung regulatorischer Grenzwerte festzustellen war, ist im Rahmen dieser Studie eine Überraschung. Dass Kompromisse bei der Qualität der Reinraumkleidung im Bereich der aseptischen Produktion dennoch nicht anzuraten sind, zeigen die Ergebnisse der Luftkeimmessung. Diese ist erforderlich, um auch die Keimemission des Personals effektiv unter Kontrolle zu halten. Bei einer von Moschner [13] durchgeführten Untersuchung wurde ermittelt, dass Personal in reinraumuntauglicher Kleidung (Jogginganzug) bei Bewegung etwa 70-mal mehr Keime emittiert als mit reinraumgerechter Kleidung (Overall). Dies zeigt die klare Notwendigkeit geeigneter Reinraumbekleidungen, die aus dicht gewebten Polyesterfasern bzw. Folien gefertigt sind und somit keine Partikel oder Keime abgeben.

Im Vergleich zu den anderen Werten fällt der Unterschied zwischen den beiden Luftkeimsammlern bei LWR 10 auf. Hier liegt der Wert beim Impact Air mehr als doppelt so hoch als beim RCS-Messsystem. Der Grund hierfür könnte in der Positionierung beider Geräte liegen: Während der RCS in etwa 1,5 m Höhe innerhalb der Anlage platziert war, stand der Impact-Air-Luftkeimsammler im unteren Bereich der Prozessanlage. Emittierte Keime des Personals würden durch Sedimentation eher den Weg in die Ansaugöffnung des untenstehenden Geräts finden als in das höher gelegene RCS.

Demnach ist auch zur Aufrechterhaltung des Keimstatus im Reinraum ein 10-facher Luftwechsel absolut ausreichend.

Fazit

Reinräume der Klasse C können anforderungsgerecht mit einer LWR von 10 h^–1 betrieben werden, sofern nicht andere Anforderungen, wie z. B. eine höhere Wärmelast der Produktionsanlagen, einen höheren Luftwechsel erfordern. Die Empfehlung im Aseptic Guide der FDA [2] kann somit als deutlich übertrieben angesehen werden. Dies wurde auch bereits von der ISPE erkannt, die diese Empfehlung in der aktuellen Version des Baseline Guides „Sterile Product Manufacturing Facilities“ [4] nicht mehr enthält. Die FDA ist damit die einzige Organisation, die den Wert eines 20-fachen Luftwechsels noch in ihrer Richtlinie von 2004 empfiehlt. 19 Jahre später kann diese Empfehlung jedenfalls nicht mehr als Current Good Manufacturing Practice bezeichnet werden.

Literatur

Der letzte Zugriff auf alle Links erfolgte am 8. Febr. 2023.