Autor: Technische Abteilung Mycond
Die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in der pharmazeutischen Industrie ist ein kritisches Element des Produktionsprozesses, das sich direkt auf die Produktqualität, die Effizienz der Anlagen und die Einhaltung internationaler Standards auswirkt. Die richtige Luftentfeuchtung bestimmt die Stabilität chemischer Verbindungen, die Erhaltung der Eigenschaften aktiver Wirkstoffe und die mikrobiologische Sicherheit fertiger Arzneiformen.
Warum die Feuchtekontrolle für die Pharmaindustrie kritisch ist
Die pharmazeutische Industrie arbeitet unter äußerst strengen Hygieneanforderungen, insbesondere nach GMP (Good Manufacturing Practice), die klare Vorgaben für die Raumklimaparameter der Produktionsräume machen. Erhöhte Feuchtigkeit schafft ein günstiges Milieu für die Vermehrung von Mikroorganismen, was für sterile Produktion absolut inakzeptabel ist.
Der Einfluss der Feuchtigkeit auf die Qualität pharmazeutischer Produkte ist vielschichtig. Überschüssige Feuchte in der Luft kann zur Hydrolyse aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe (API), zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften von Hilfsstoffen und zur beschleunigten Degradation von Arzneiformen führen, was letztlich die Wirksamkeit und Sicherheit der Medikamente mindert.
Je nach technologischem Prozess werden unterschiedliche Klimabedingungen benötigt. Für die Tablettierung ist in der Regel eine niedrige Feuchte (10–20% rF) bei moderater Temperatur (etwa 20°C) erforderlich, während bei der Herstellung mancher steriler Lösungen teilweise eine hohe Temperatur in Kombination mit niedriger Feuchte gefordert ist.
Hygroskopische Eigenschaften pharmazeutischer Materialien
Hygroskopizität ist die Fähigkeit von Stoffen, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen. Dieses Phänomen ist für die pharmazeutische Industrie besonders wichtig, da die meisten aktiven pharmazeutischen Wirkstoffe (API) und Hilfsstoffe ihrer Natur nach hygroskopisch sind.
Der Mechanismus der Feuchteaufnahme hygroskopischer Stoffe beruht auf physikalisch-chemischen Prozessen der Adsorption (Bindung von Wassermolekülen an der Oberfläche) und der Absorption (Eindringen von Wassermolekülen in die Struktur des Stoffes). Dieser Prozess hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit ab: Je höher sie ist, desto mehr Feuchtigkeit können hygroskopische Materialien aufnehmen.
Zu den typischen in der Pharmazie verwendeten hygroskopischen Stoffen zählen Natrium- und Kaliumsalze, Hydroxide, Nitrate, Sulfate, Phosphate und viele API. Einige von ihnen können Feuchtigkeit in Mengen aufnehmen, die ihre eigene Masse übersteigen, was den technologischen Prozess kritisch beeinflusst.
Übermäßige Feuchteaufnahme führt zu ernsthaften Problemen: Verklumpung von Pulvern, Verlust ihrer Fließfähigkeit, Blockaden in Fördersystemen und sogar zu chemischen Reaktionen mit entstehendem Kondensat. Dies stört nicht nur den Produktionsablauf, sondern kann auch zu Ausschuss und erheblichen finanziellen Verlusten führen.
Feuchteanforderungen in der Tablettierung
In der Tablettierung werden üblicherweise strenge Klimaparameter festgelegt: 10–20% relative Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 20°C. Diese Bedingungen sind notwendig, um die optimale Fließfähigkeit der Pulver zu erhalten und ein Anhaften an den Presswerkzeugen zu verhindern.
Niedrige Luftfeuchte beeinflusst direkt die Geschwindigkeit der Tablettenpressen. Bei erhöhter Feuchtigkeit steigt die Reibung, was zu einer Verlangsamung der Anlagen, erhöhtem Verschleiß der Teile und insgesamt zu geringerer Produktionseffizienz führt. Darüber hinaus wirkt sich die Feuchtigkeit auf die Haltbarkeit der Produkte aus – je niedriger sie während der Herstellung ist, desto länger bleiben die Eigenschaften des Endprodukts erhalten.
In der pharmazeutischen Industrie wird häufig der Taupunkt anstelle der relativen Feuchte spezifiziert. So wird beispielsweise statt „20% relative Luftfeuchtigkeit“ der Parameter „Taupunkt -11°C“ verwendet. Das verhindert Mehrdeutigkeiten bei Temperaturschwankungen, denn die relative Feuchte ist ein relativer Wert, der sich mit der Temperatur ändert, während der Taupunkt als absoluter Feuchtegehalt der Luft stabil bleibt.
Feuchtekontrolle beim Verpacken
In der Verpackungsphase pharmazeutischer Produkte spielt die Feuchtekontrolle ebenfalls eine entscheidende Rolle. Erhöhte Feuchte kann dazu führen, dass das Produkt an der Verpackungsanlage anhaftet, was zu Dosierfehlern, mangelhafter Versiegelung von Blistern oder fehlerhafter Befüllung von Flaschen führt.
Übermäßige Feuchtigkeit wirkt sich negativ auf die Integrität von Verpackungsmaterialien und Etiketten aus. Das zeigt sich etwa in Form von Ablösung der Klebeverbindungen, Verformung von Karton oder Papier sowie Verwischen von Druckinformationen. Für Verpackungszonen werden üblicherweise Anforderungen von 30-40% relativer Luftfeuchte bei 20-22°C festgelegt, um einen optimalen Ausgleich zwischen Produkterhalt und Funktionalität der Verpackungsmaterialien sicherzustellen.
Lagerung hygroskopischer Pulver
Für Lager pharmazeutischer Rohstoffe gelten je nach Material spezifische Anforderungen. So sind für Impfstoffe optimale Bedingungen 50% relative Luftfeuchte bei 20°C, während für viele API trockenere Bedingungen erforderlich sind.
Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Entfeuchtung von Silos nach der Reinigung. An den Wänden verbleibendes Wasser kann zur Quelle erhöhter Feuchtigkeit werden und zur Verklumpung der Pulver führen. Daher ist nach Nassreinigung eine gründliche Entfeuchtung mit Taupunktkontrolle erforderlich.
Die Erhaltung der Fließfähigkeit des Produkts auf dem gesamten Weg vom Silo über die Fördersysteme bis zur Endlagerung wird durch einen ganzheitlichen Ansatz der Feuchtekontrolle an allen Punkten von Transport und Lagerung gewährleistet.
Vergleich der Entfeuchtungstechnologien
In der pharmazeutischen Industrie werden verschiedene Technologien zur Luftentfeuchtung eingesetzt. Die Kondensationstrocknung, die auf dem Abkühlen der Luft unter den Taupunkt basiert, hat erhebliche Einschränkungen, wenn es gilt, niedrige Feuchten zu erreichen. Diese Technologie ist nur bis zu einem Taupunkt von etwa +5°C wirksam, was für pharmazeutische Prozesse häufig nicht ausreicht.
Die Adsorptionstrocknung bietet deutliche Vorteile, wenn sehr trockene Luft benötigt wird. Diese Technologie ermöglicht Taupunkte von -20°C und darunter, was einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 1% bei normaler Raumtemperatur entspricht. Solche Parameter sind für die Arbeit mit besonders hygroskopischen Stoffen erforderlich.
Zur Optimierung des Energieeinsatzes werden häufig kombinierte Systeme eingesetzt, bei denen die Vorkühlung der Luft kondensativ erfolgt und die Endtrocknung mittels Adsorption. Das ermöglicht eine deutlich höhere Energieeffizienz des Gesamtsystems.
Methodik zur Berechnung der Feuchtelasten
Für die korrekte Auslegung von Entfeuchtungssystemen müssen alle Feuchtequellen im Raum berücksichtigt werden. Die Hauptquelle ist in der Regel die Zuluft, insbesondere in Regionen mit hoher atmosphärischer Feuchte. Weitere Quellen sind die Feuchteabgabe durch das Personal (etwa 50-100 g/h pro Person), Infiltration durch das Öffnen von Türen und Diffusion durch die umschließenden Bauteile.
Eine Beispielrechnung für einen Tablettierraum mit 100 m² und der ständigen Anwesenheit von 3 Bedienern kann wie folgt aussehen: Die Feuchtelast aus der Zuluft (1000 m³/h) beträgt im Sommer etwa 5 kg/h; durch das Personal – 0,3 kg/h; durch Infiltration – 0,5 kg/h. Gesamtlast – 5,8 kg/h Feuchtigkeit, die entfernt werden muss, um die Sollparameter einzuhalten.
Separat ist der Einfluss der Abluft zu berücksichtigen, insbesondere lokaler Absaugungen über Mischern und anderer verfahrenstechnischer Ausrüstung, da dies die Luftbilanz beeinflusst und entsprechend in die Berechnung der erforderlichen Entfeuchterleistung einfließt.
Typische Planungsfehler
Zu den häufigen Fehlern bei der Planung von Systemen zur Feuchtekontrolle für pharmazeutische Produktionen gehören:
Unterschätzung der Feuchtelast durch die Zuluft, insbesondere in Regionen mit hoher Außenluftfeuchte. Das führt zu unzureichender Leistung der Entfeuchter und folglich zur Unmöglichkeit, die geforderten Parameter einzuhalten.
Vernachlässigung der Abdichtung der Räume, was zu unkontrolliertem Feuchteaustausch mit benachbarten Zonen führt. In der Folge steigen die Energieverbräuche für die Entfeuchtung und die Aufrechterhaltung stabiler Bedingungen wird erschwert.
Falsche Wahl des Regelparameters (relative Feuchte statt Taupunkt), was bei Änderungen der Lufttemperatur zu erheblichen Schwankungen des tatsächlichen Feuchtegehalts führen kann.
Fehlende Luftschleusen zwischen Zonen mit unterschiedlichen Anforderungen an das Raumklima, was zur Vermischung von Luft mit unterschiedlichen Parametern und zur Störung des technologischen Regimes führt.
Die betrieblichen Folgen solcher Fehler können äußerst schwerwiegend sein: von Produktausschuss und erzwungenen Produktionsstillständen bis hin zu Verstößen gegen GMP-Standards und dem Rückruf von Chargen vom Markt.
FAQ zu Ingenieurfragen
Welche Luftfeuchte ist für die Tablettierung optimal?
Für die meisten Tablettierprozesse liegt die optimale relative Luftfeuchtigkeit bei 10-20% bei einer Temperatur von 20°C (was einem Taupunkt von etwa -11°C bis -5°C entspricht). Die konkreten Werte hängen jedoch von den Eigenschaften der Wirkstoffe und Hilfsstoffe ab.
Warum sind Adsorptionstrockner bei niedriger Feuchte effizienter?
Adsorptionstrockner verwenden feste Sorbentien (Silicagel, Zeolithe), die Feuchtigkeit auch bei sehr niedrigem Feuchtegehalt der Luft aufnehmen können. Kondensationstrockner, die auf Kühlung basieren, sind durch die Physik der Kondensation begrenzt und können bei Taupunkten unter +5°C nicht mehr effizient arbeiten.
Wie berechnet man die Feuchtelast durch das Personal?
Im Durchschnitt gibt eine Person je nach Aktivität 50-100 g Feuchtigkeit pro Stunde ab. Bei der Auslegung des Entfeuchtungssystems ist die maximale Anzahl gleichzeitig anwesender Personen und deren Aktivitätsfaktor zu berücksichtigen.
Was ist der Taupunkt und warum sollte er spezifiziert werden?
Der Taupunkt ist die Temperatur, auf die Luft abgekühlt werden muss, um Sättigung (100% relative Feuchte) zu erreichen. Die Spezifikation des Taupunkts anstelle der relativen Feuchte liefert einen absoluten Wert des Feuchtegehalts der Luft, der nicht von Temperaturschwankungen abhängt – besonders wichtig für eine präzise Raumklimakontrolle.
Wie beeinflusst die Luftgeschwindigkeit die Effizienz der Entfeuchtung?
Die Luftgeschwindigkeit durch den Adsorptionsrotor oder den Kühlwärmetauscher beeinflusst unmittelbar die Effizienz des Entfeuchtungsprozesses. Zu hohe Geschwindigkeit verkürzt die Kontaktzeit und senkt die Feuchteaufnahme, während zu niedrige Geschwindigkeit die Systemleistung reduziert. Optimalwerte liegen typischerweise bei 2-3 m/s für Adsorptionssysteme.
Fazit
Die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in der pharmazeutischen Produktion ist ein entscheidender Faktor, der die Produktqualität, die Effizienz der technologischen Prozesse und die Einhaltung internationaler Standards beeinflusst. Um optimale Bedingungen zu gewährleisten, müssen die Besonderheiten jeder Produktionsstufe, die Eigenschaften der verwendeten Materialien sowie die Feuchtelasten unter Berücksichtigung aller Feuchtequellen berechnet werden.
Die richtige Wahl der Entfeuchtungstechnologie – Adsorption, Kondensation oder kombiniert – sollte auf den konkreten Anforderungen an die Klimaparameter basieren. Um Taupunkte unter +5°C zu erreichen, was in pharmazeutischen Prozessen häufig notwendig ist, ist die Adsorptionstrocknung die effektivste Lösung.
Die Vermeidung typischer Planungsfehler bei der Auslegung von Feuchtekontrollsystemen ermöglicht einen stabilen Produktionsbetrieb, senkt den Energieverbrauch und erhöht die Qualität des Endprodukts – ein zentrales Ziel der technischen Unterstützung der pharmazeutischen Industrie.
