DE102017009812A1

DE102017009812A1 - Schlauch-in-Rohr Wärmeübertrager nach Rohr-in-Rohr Prinzip zur Wärmeübertrageroberflächen-berührungsfreien Temperaturänderung sensitiver Produktströme

Info

Publication number: DE102017009812A1
Application number: DE102017009812.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-22
Filing date: 2017-10-22
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Die zu Grunde liegende Erfindung ermöglicht die Temperierung von sensitiven Produktströmen. Beispielsweise in der pharmazeutischen oder feinchemischen Produktion innerhalb eines Einweg-Schlauches durch ein Rohr-in-Rohr-Prinzip. Bei diesem wird die äußere Mantelrohrleitung mit einem Wärmeübertragermedium und der innere Schlauch mit dem Produktstrom durchströmt.
Der modularisierte Aufbau ermöglicht eine Reihenschaltung einzelner Rohr-in-Rohr Elemente, was die Leistung über die Wärmeübertragerfläche erhöht. Weiterhin können durch die Teilung der äußeren Rohrleitung in zwei Halbschalen und entsprechenden Klemmverbindungen Schläuche verschiedener Durchmesser eingeführt werden.
Durch die beschriebenen Eigenschaften und der mobilen Ausführung ist die Erfindung in der Lage, Wärme in mehreren Prozessschritten einer Produktion nacheinander zur Verfügung zu stellen oder abzuführen, ohne dass wesentlich erhöhte operative Kosten anfallen. Insbesondere, wenn verschiedene Prozessschritte bereits mit Einweg-Rohrleitungen verbunden sind. Die Anschaffung weiterer Einweg-Materialien ist nicht notwendig und die Reinigung und Sterilisation bzw. die entsprechende Validierung hinfällig. Dies gilt auch für die Validierung neuer Einsatzstoffe, sofern die Kunststoffleitung bereits etabliert ist. Das Risiko durch die Anschaffung einer neuen Prozessoperation wird daher erheblich reduziert.

Description

Technisches Gebiet:
Chemische Technik: Pharmazeutische Herstellung, Feinchemie Produktion, Zell- und Gentherapie, Medizintechnik, Kosmetik
Stand der Technik:
In der Prozessindustrie sind verschiedene Bauformen für die Wärmeübertragung etabliert, um flüssige oder gasförmige Prozessströme zu kühlen oder zu heizen. Diese Wärmeübertrager sind in der Regel vollständig aus Edelstahl oder anderen Metallen gefertigt [1].
Die Wahl der produktberührenden Materialien resultiert in Prozessen mit hochaktiven und sensitiven Substanzen in erhöhtem Reinigungsaufwand und der Reinigungsvalidierung der Wärmeübertrageroberflächen [2].
Es existieren bereits Wärmeübertrager mit geringerem Reinigungsaufwand, die aus Einweg-Materialien bestehen, welche vor jeder Nutzung neu installiert werden müssen (engl. Change-Over) siehe Marke ThermoFischer DHX™ [3] und Pantent US020110198066A1 [4].
Problem:
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Problemstellung zu Grunde, den Kontakt eines sensitiven Produktes zu weiteren Oberflächen, als der ohnehin benutzten, vorsterilisierten Einweg-Rohrleitung zu vermeiden und so Risiken sowie Folgekosten zu vermindern.
Die im Stand der Technik dargestellten Lösungen bedingen die Einführung weiterer Einweg-Materialien oder intensive Reinigung. Dies hat zusätzliche Validierungsstudien der Produktverträglichkeit mit den Oberflächen zur Folge (engl. Leachables and Extractables Studies). Weiterhin birgt die Einbindung jedes neuen Materials in den Prozessablauf Risiken [5] von Kontaminationen, Material- oder Handhabungsfehlern, die zu einem Prozessabbruch führen können. Der erhöhte Aufwand durch die (De-)Installation und die Verknüpfung der Einweg-Materialien birgt hohe Folgekosten, insbesondere durch Materialkosten, aber auch durch Personal- und Schulungsbedarf.
Lösung:
Die oben beschriebenen Probleme werden durch die in Patentanspruch 1 dargestellte Lösung behoben. 1 zeigt die Installation eines Schlauch-in-Rohr Elementes auf einem fahrbaren Wagen, bei dem Wärmeübertragermedium und Produkt im Gegenstrom geführt werden. Das Produkt hat lediglich Kontakt mit dem Schlauch in dem es geführt wird.
Es ist keine Einführung weiterer Einweg-Materialien notwendig, da lediglich die passende Länge des ohnehin vorhandenen, produktführenden Schlauches zu Prozessbeginn festgelegt werden muss. Der produktführende Schlauch ist vorsterilisiert zu erwerben und dadurch nach Anbindung an benachbarte Prozessoperationen direkt einsatzbereit.
Durch die Patentansprüche 2 bis 9 wird die Produktsicherheit, die Produktausbeute, die Wärmeübertragerleistung- und die Effizienz sowie die Handhabbarkeit erhöht und zeitgleich die spezifischen Kosten pro Heiz-/Kühlleistung gesenkt.
2 zeigt die parallele Führung mehrerer in Reihe geschalteter Schlauch-in-Rohr-Elemente. Die einzelnen, starren Mantelrohrleitungen sind miteinander verbunden, während der flexible, produktführende Schlauch umgelenkt wird. Durch die parallele Installation der in Reihe geschalteten Schlauch-in-Rohr-Elemente auf einem fahrbaren Gestell kann die Leistung hochskaliert werden, ohne dass die Grundfläche des Wagens stark zunimmt.
Erreichte Vorteile:
Durch die dargestellte Lösung kann eine erzwungene und definierte Wärmeübertragung stattfinden und durch Regelung der Durchflussraten von Produktstrom und Übertragermedium sowie Temperatur des Übertragermediums, die Zieltemperatur und Temperaturänderungsgeschwindigkeit genau justiert werden. Die Installation und Bedienbarkeit ist anwenderfreundlich und schnell, da lediglich eine Einweg-Rohrleitung in das Schlauch-in-Rohr-Element eingebracht werden muss.
Es sind keine zusätzlichen Verbindungen des produktführenden Schlauches zur Einbindung des Schlauch-in-Rohr-Wärmeübertragers in den Prozessablauf notwendig, wodurch kein zusätzliches Risiko entsteht.
Da in vielen Produktionsbetrieben Einweg-Schläuche bereits etabliert sind, sind nach Anschaffung des Systems keine Materialstudien notwendig. Die mobile und flexible Ausführung, wie in 1 dargestellt, erlaubt den direkten Einsatz (engl. Plug and Play) des Wärmeübertragers am gewünschten Einsatzort mit variablen Medienanschlüssen.
Der wesentliche Vorteil ist die Einbindung der Erfindung in eine komplette verfahrenstechnische Wertschöpfungskette, bei der viele Operationen (engl. Unit Operations) ebenfalls in Einweg-Materialien (engl. Single-Use) ausgeführt und durch Schläuche miteinander verbunden sind. Für die derzeitigen Entwicklungen in der Biopharmazie, wie einem kontinuierlichen Downstream Processing oder hochskalierter Zelltherapie Prozesse, ergeben sich weitere Einsatzmöglichkeiten.
Die Produktströme in den oben genannten Industrien haben einen sehr hohen Wert. Durch die vollständige Entleerbarkeit des produktführenden Schlauches wird der Produktverlust minimiert.
Die zur Förderung benötigten Schlauchquetschpumpen, Temperaturfühler und Betriebsmittel sind in Produktionsumgebungen entweder bereits vorhanden oder können kostengünstig angeschafft werden. Die Anbindung von Produkt- und Austauschmedium bzw. die jeweiligen Förderrichtungen ermöglichen den Betrieb in Gegenstrom und Parallelstrom.
Der flexible, mobile Einsatz mit wenig Vorbereitungszeit lässt die Einbindung in mehreren Schritten im Gesamtprozess zu, was die Auslastung des Equipments erhöht.
Der Einsatz in Reinraumbedingungen ist ebenso möglich, wie in Technika ohne Klassifizierung.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung:
Die Förderung des Produktstroms kann durch peristaltische Pumpen (sog. Schlauchquetschpumpen), durch Drucküberlagerung mit Gasen, oder hydrostatisch erfolgen. Durch die Art der Förderung und den Anstellungswinkel kann eine vollständige Entleerbarkeit des produktführenden Schlauches erreicht werden.
3 zeigt den Querschnitt eines Schlauch-in-Rohr-Elementes. Die Mantel-Rohrleitung ist zweigeteilt und durch Klemm- oder Schraubverschlüsse miteinander verbunden. Dadurch ist die flexible Einspannung von Schläuchen verschiedener Durchmesser bei gleicher Halbschalengeometrie der Mantelrohrleitung möglich. Eine Ausführung der Erfindung kann daher für mehrere Anwendungen benutzt werden. Der durch die Einspannung erreichte Druck auf den produktführenden Schlauch führt zu einer Minimierung des Luftspaltes zwischen der Mantelrohrleitung und dem Produktführenden Schlauch, was die Wärmeübertragereffizienz erhöht. Weiterhin ist zu sehen, dass der Außendurchmesser des produktführenden Schlauches die spezifische Oberfläche pro Länge bestimmt. Somit ist die Erhöhung der Wärmeübertragerleistung über den Faktor der Übertrageroberfläche durch eine Verlängerung des Schlauch-in-Rohr-Elementes bzw. der Reihenschaltung wie in 2 dargestellt, möglich.
Durch Erhöhung der Turbulenzen und damit des Wärmeübergangs, sowohl auf Produkt- als auch auf Übertragermedienseite, wird die spezifische Übertragerleistung ebenfalls erhöht. Dies zeigt 4, welche mittels Längsschnitt eines Schlauch-in-Rohr Elementes die Stromstörer in der Mantelrohrleitung darstellt.
Die Einbindung von Sensoren und Steuereinheiten in ein übergeordnetes Prozessleitsystem oder die Vor-Ort-Bedienung mittels eigener speicherprogrammierbarer Steuerung, wie in 5 dargestellt, ermöglicht die Steuerung, eine Prozessüberwachung und Dokumentation von Prozessdaten.
Die mobile, fahrbare Ausführung der Erfindung mit flexiblen Schnittstellen zu Gebäudeseitigen Mediensystemen erlaubt den Einsatz von sowohl Kühl-/Eiswasser als, auch Dampf, Sole oder Sekundärkreisläufen, welche über eine separate Temperatur-Kontrolleinheit überwacht werden können.
Beschreibung eines oder mehrerer Anwendungsbeispiele:

1. Temperierung von Fermentationsbrühe während der Kultivierung, der Vorbereitung oder zur weiteren Verarbeitung:
1. a) Heizen von gekühlt gelagerten Fermentationsmedien vor dem Start einer Batch-Fermentation in Single-Use Bioreaktoren. Letztere haben besonders im großen Maßstab aufgrund einer sehr geringen Oberflächen-Volumen-Relation große Schwierigkeiten eine Nährlösung in geringer Zeit auf Prozesstemperatur aufzuheizen.
2. b) Kühlen von Fermentationssuspensionen nach Ende einer Fermentation, um einerseits die biologischen Prozesse durch Temperatur zu stoppen und weiterhin definiert und schnell auf nachfolgende Prozessschritte (Separation, Filtration) zur Zellabtrennung oder zur (Zwischen-) Lagerung vorzubereiten.
3. c) Heizen oder Kühlen der Fermentationsbrühe während der Fermentation z.B. über einen separaten Bypass. Dies ist besonders bei der sogenannten Perfusion in Kombination mit einer Membran relevant.
4. d) Heizen eines Feed/Edukt- oder Kühlen des Produktstroms während der kontinuierlichen Fermentation.
2. Temperierung von Zellsuspensionen in der Zell- und Gentherapie: In der Zell- und Gentherapie sind die sehr sensitiven Zellen das Produkt. Diese müssen in verschiedenen Schritten und Maßstäben temperiert werden. Eine Temperierung via Eis- oder Wasserbad ist ab einer gewissen Skalierung nicht mehr praktikabel und zudem nicht automatisierbar oder reinraumkonform. Die Temperierung in einem Edelstahl-Wärmeübertrager bringt die oben dargestellten Schwierigkeiten mit sich, ebenso jene innerhalb eines Rührkessels, die die Zellen mechanisch schädigen können. Die Erfindung bietet die Möglichkeit einer regulierten und definierten Temperierung ohne dabei Scherkräfte oder weiteren Reinigungsaufwand zu erzeugen.
3. Temperierung von Lösungen zwischen Operationen oder vor/nach Zwischenlagerung: Physikalische Stoffeigenschaften sind stark temperaturabhängig. Sollen diese Unterschiede bewusst ausgenutzt werden oder nach einer kühlen Lagerung bewusst vermieden werden, ist eine Temperaturregelung notwendig. So kann beispielsweise vor einer AffinitätsChromatographie eine Proteinlösung bei kontinuierlicher Einspeisung innerhalb der verbundenen Kunststoffleitung (engl. Tube) temperiert werden, ohne dass ein separater, temperierbarer Haltetank notwendig wäre. Dies ist beispielweise auch über einen Bypass möglich, wodurch der Transportbehälter durch den Einsatz eines Gerätes nach Patentanspruch 1 zu einem temperierbaren Haltetank wird.
4. Mobile, dezentrale Anwendung in diversen Technika: In der Prozessindustrie muss in vielen Operationen geheizt oder gekühlt werden. Gerade im kleinen und mittleren Maßstab ist eine Installation eines festen, Edelstahl-Wärmeübertrages aufgrund der hohen Investitionskosten und geringen Flexibilität nicht geeignet. Eine mobile Prozesseinheit, die skalierbar, variabel mit entsprechenden Austauschmedien oder einer Temperiereinheit verbunden und dezentral automatisiert ist, ist für den Operator eine flexible Hilfe. Die Erfindung ist in der Lage, Prozesszeiten zu verringern und die Menge an zu beschaffenden Equipment zu verkleinern und so laufende- wie Einmalkosten zu sparen.

Bezugszeichenliste

A: Produktführender Schlauch
B: Mantel Rohrleitung
C: Lösbare Verbindungen für Wärmeübertragermedium
D: Anschluss an Wärmeübertragermedium
E: Gefälle
F: Schlauch-in-Rohr-Element
G: Fahrbares Gestell
H: Peristaltische Pumpe
I: Krümmung/Umlenkung
J: Obere Halbschale
K: Untere Halbschale
L: Klemm-/Schraubverbindung
M: Minimaler Luftspalt
N: Stromstörer
O: Temperaturfühler
P: Speicherprogrammierbare Steuerung
Q: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 020110198066 A1 [0004]

Claims

Wärmeübertrager zur Temperaturänderung eines Produktstroms, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen modularen Schlauch-in-Rohr Aufbau mit auswechselbarem innerem produktführenden Schlauch, bestehend aus Einweg-Material und einer fest installierten, äußeren Mantel-Rohrleitung (Wärmerübertragermedium-führend), eine Wärmeübertrageroberflächen- und Wärmeübertragermediums-berührungsfreie Temperaturänderung von Produktströmen ermöglicht wird.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager auf ein mobiles Fahrgestellt montiert ist, an verschiedenen Orten mit unterschiedlichen Produktionsbedingungen installiert und mit variablen Medienanschlüssen verbunden werden kann.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Schlauch-in-Rohr-Elemente, bestehend aus fixierter Mantel-Rohrleitung und auswechselbarem produktführenden Schlauch, durch Umlenkungen und Krümmungen in Reihe geschaltet werden können.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Produktes durch wechselnde Förderrichtungen geschieht und somit eine pulsierende Stromrichtungsumkehrung ermöglicht.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass statische Strömungsbrecher innerhalb des produktführenden Schlauchs und/oder der Mantelrohrleitung der Schlauch-in-Rohr-Elemente installiert sind.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragermedium und der Produktstrom jeweils Fluide sind, die ihren Aggregatzustand innerhalb des Wärmeübertragers ändern können.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der produktführende Schlauch aus verschiedenen Geometrien, Schnittmustern und Durchmessern bestehen kann, welche zwischen zwei Halbschalen der Mantel-Rohrleitung eingespannt wird.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Anstellwinkel des Schlauch-in-Rohr-Elementes oder dem Anschluss von Medien mit Über-/Unterdruck der produktführende Schlauch, wie auch die Mantel-Rohrleitung, vollständig entleerbar sind.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Ein- und Ausgang des Produktstroms direkt oder indirekt über einen Pufferbereich miteinander verbunden sind und so eine Haltetemperatur des Produktes erreicht werden kann.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpen, Ventile und Temperaturfühler innerhalb des Wärmeübertragers entsprechend einer Prozesseinheit (engl. Package Unit) oder innerhalb benachbarter/übergeordneter Systemen, wie Prozessleitsystemen, automatisiert werden können.