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Schnell, genau und chemisch beständig Mikro-Hydraulikventile für Medikamententester

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bei der Kontrolle von Medikamenten sind die Vorgaben bezüglich Qualität und Funktionssicherheit der eingesetzten Geräte extrem hoch. Das gilt auch für die darin verwendeten Komponenten wie beispielsweise die hoch beanspruchten Magnetventile in den Flüssigkeitskreisläufen.

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Magnetventile werden in Testsystemen für die Medikamentenüberwachung hohen Beanspruchungen ausgesetzt.
Magnetventile werden in Testsystemen für die Medikamentenüberwachung hohen Beanspruchungen ausgesetzt.
(Bild: ©christopher-oliver, ©watkung, ©arsdigital - stock.adobe.com, Lee [M] Lena Steinshorn)

Die Qualität moderner Medikamente wird durch umfassende Kontrollen sowohl bei der Entwicklung als auch im Verlauf der Produktion überwacht. Hierfür gibt es genormte Testverfahren, die mithilfe halb- und vollautomatischer Systeme durchgeführt werden. Bezüglich der Zuverlässigkeit dieser Tests stellen die zuständigen Behörden strenge Anforderungen.

David Kötterheinrich, Teamleiter Marketing der Erweka GmbH in Heusenstamm weiß: „Tabletten sind sehr komplexe Produkte. Die eigentliche Wirkstoffzusammensetzung ist hierbei nur ein Teilaspekt unter vielen anderen“. Die Tablette ist ein Aggregat, eine Mixtur aus den eigentlichen Wirkstoffen sowie Füllstoffen, Additiven, Bindemitteln, Zerfallsmitteln und Gleitmitteln. Ihre Form erhält sie durch hohen Druck in einer Presse. Um lager- und transportfähig zu sein, muss sie bestimmte mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Abriebbeständigkeit aufweisen. Nach der Einnahme soll sie in der Regel nicht sofort zerfallen, sondern über einen definierten Zeitraum hinweg möglichst gleichmäßig den Wirkstoff freigeben.

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Die Einhaltung dieser sowie etlicher weiterer Eigenschaften muss sowohl bei der Entwicklung des Medikaments als auch später produktionsbegleitend durch Tests überprüft und nachgewiesen werden. Erweka ist Spezialist für die Entwicklung und den Vertrieb derartiger Testeinrichtungen für die pharmazeutische Industrie. Angeboten wird eine breite Palette von über 40 verschiedenen Testgeräten. Das Unternehmen gehört auf diesem Gebiet sowohl technologisch als auch von der Marktdurchdringung her zur Spitzengruppe und ist in über 110 Ländern vertreten.

Genaue Kontrolle der Auflösung

„Die Kontrolle des Zerfalls und der Wirkstofffreisetzung erfolgt über die Analyse des Anstiegs der Wirkstoffkonzentration in Testflüssigkeiten in speziellen Dissolution-Testern“, ergänzt Kötterheinrich. In diesen Anlagen werden die Tabletten in Behälter mit Testflüssigkeiten gegeben, welche menschlichen Verdauungsflüssigkeiten wie dem Magensaft nachempfunden sind. Das Testmedium wird auf Körpertemperatur gebracht und z.B. durch einen Rührer in Bewegung gehalten. In definierten Intervallen werden kleine Mengen der Flüssigkeit abgezogen und mithilfe einer speziellen Pumpe über feine Schlauchleitungen beispielsweise zu einem Probensammler transportiert. Getestet wird zeitparallel mit mehreren Proben in jeweils eigenen Behältern, sodass pro Entnahmezeitpunkt mehrere Proben gleichzeitig entnommen werden müssen.

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Erweka: Testgeräte für die Pharmazie

Erweka ist ein internationaler Hersteller von Testgeräten für die pharmazeutische Industrie und beliefert neben großen Pharma- und Life-Science-Unternehmen auch Entwicklungs- und Testlabore sowie Universitäten auf der ganzen Welt mit Geräten zur Prüfung und Entwicklung von Arzneimitteln.

Das Unternehmen wurde 1951 in Deutschland gegründet und bietet nach eigenen Angaben als einziges Unternehmen in der Branche die gesamte Palette an Testgeräten für feste und andere Darreichungsformen an. Das Erweka-Motto lautet: „Unser Maßstab ist Spitzenqualität. Von der Entwicklung über die Konstruktion und Fertigung bis hin zum Service für unsere Geräte orientieren wir uns kompromisslos an unserem Premiumanspruch.“

Je nach Aufgabenstellungen gibt es solche Anlagen in unterschiedlichen Konfigurationen mit mehr oder weniger hohem Automatisierungsgrad bis hin zu dem Spitzenmodell Robo-Dis II, einem komplett vollautomatischen System, das bis zu 40 Batches selbständig abarbeiten kann, ohne dass ein menschlicher Eingriff erforderlich würde. Hier brauchen die Proben nicht gesammelt zu werden, da der Robo-Dis II auch gleich mit den erforderlichen Analysesystemen wie UV-Vis-Spektrophotometrie oder HPLC-Chromatographie ausgerüstet ist.

Präzise Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen

„Natürlich benötigt nicht jedes Pharmazieunternehmen einen Quasi-Alleskönner wie Robo-Dis II“, verrät D. Kötterheinrich. Häufig entschieden sich die Kunden für eine halbautomatische Anlagenkonfiguration, die aus separaten Einheiten besteht und lediglich die Freisetzungsversuche sowie die Probenahme für die späteren Analysen erledigt. Eine typische Konfiguration besteht beispielsweise aus dem Dissolutiontester mit acht Stellen, dem DT 828, einer Pumpe (entweder eine Peristaltikpumpe oder eine Kolbenpumpe) mit z.B. bis zu acht parallelen Schläuchen sowie dem Probensammler FRL 824, der automatisch gesteuert sequentiell bis zu 24 mal Proben der Flüssigkeiten aus dem Tester gleichzeitig in jeweils bis zu acht HPLC-Vials füllt, die in einem Gestell angeordnet sind. Nach Abschluss des Tests wird der Inhalt der Röhrchen analysiert. Aus den Daten lässt sich der Verlauf der Freisetzung des Wirkstoffs ermitteln.

Voraussetzung für die automatische Entnahme der Proben sind Hydraulikventile, mit denen kleinste Flüssigkeitsmengen zeitlich exakt getaktet aus den im Kreislauf zirkulierenden Testmedien ausgeschleust und in die Glasröhrchen gefüllt werden können.

Höchste Zuverlässigkeit ist ein Muss

„Als Premiumhersteller müssen wir dem Kunden für seine Investition einen möglichst hohen Gegenwert liefern“, sagt David Plonsker, Projektmanager R&D bei Erweka. Dazu gehöre eine entsprechend hohe Qualität und Zuverlässigkeit der Systeme ebenso wie im Fall des Falles ein schneller und effizienter Service.

Das Ziel sei, dem Anwender eine möglichst hohe Verfügbarkeit sowie Langlebigkeit seines Systems zu bieten, um so die „Total Cost of Ownership“ gering zu halten. Dieser Anspruch beeinflusse natürlich die Auswahl aller funktionswichtigen Bauteile der Anlagen und gelte damit auch für die Magnetventile im Probensammler. Diese sorgen dafür, dass der von der Pumpe angetriebene Flüssigkeitsstrom entweder im Kreislauf geführt oder in definierter Menge in die Probebehälter abgefüllt wird.

Trotz hoher Beanspruchung der Hydraulikventile …

„Die Magnetventile, mit denen wir den Flüssigkeitskreislauf von den Testbehältern zu den Proberöhrchen umlenken, sind besonders hohen Beanspruchungen ausgesetzt“, verrät D. Plonsker. Es handelt sich um miniaturisierte 3/2-Wege-Magnetventile, deren Innenleben aus inerten Kunststoffen besteht.

Dies ist erforderlich, um Reaktionen mit und mögliche Zersetzungen durch die vielfältigen chemischen Substanzen in den Testmedien, die zudem oft auch Säure enthalten, zu unterbinden.

Des weiteren verfügen die Ventile über eine Medientrennung, dies bedeutet das hindurchfließende Medium ist von der Mechanik durch eine elastische Membran hermetisch getrennt. Die Membran wird durch einen federbelasteten Kipphebel und den Elektromagneten abwechselnd auf eine von zwei Auslassöffnungen gedrückt und verschließt diese, während die andere im Gegenzug freigegeben wird.

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Lee: Miniaturkomponenten für die Industrie

Die 1948 von dem Erfinder Leighton Lee gegründete The Lee Company entwickelte sich zunächst mit dem von Lee entwickelten Dichtstopfen in Expansionsbauweise, der Verbesserungen bei der Konstruktion von Ventilblöcken für Hydrauliksysteme in Fluggeräten und Fahrzeugen ermöglichte. Die Übertragung dieses Expansionsprinzips auf die Ventiltechnik begründete zusammen mit der Miniaturisierung und der Vielfalt der entwickelten hydraulischen Komponenten einen anhaltenden Erfolg nicht nur in der Luft- und Raumfahrt, sondern in zahlreichen weiteren Einsatzgebieten. 1974 gelang mit der Entwicklung eines Miniatur-Magnetventils der Durchbruch in den Markt für Tintendrucktechnologien, insbesondere im Large Character Printing (LCP)-Bereich. Weiterentwicklungen dieser Ventile sind heute mehrheitlich in der Medizin- und Analysetechnik zu finden. Für die Aktivitäten in Deutschland sowie einer Reihe süd- und osteuropäischer Nachbarländer ist seit 1978 die in Sulzbach bei Frankfurt ansässige Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH als rechtlich selbständige Vertriebstochter verantwortlich.

Dank dieses Prinzips werden Totmengen und damit Verunreinigungen durch Restflüssigkeit weitgehend reduziert. Auch müssen die Ventile möglichst schnell und reproduzierbar schalten, da dies die Genauigkeit der dosierten Mengen beeinflusst. Bei der Auswahl entschied man sich für Ventile des Typs LFR von Lee.

… ist ihre Haltbarkeit hervorragend

„Die Dauerelastizität der Dichtmembran in den Ventilen ist mit entscheidend für ihre Haltbarkeit“ ergänzt D. Plonsker. Diese Membran wird bei jedem Schaltvorgang verformt und zugleich mechanisch belastet. Aus Erfahrungen mit künstlichen Herzklappen ist bekannt, wie kritisch viele Kunststoffe auf solche Verformungen bei hohen Lastspielzahlen reagieren.

Da die Ventile bei bestimmten Betriebsarten bis zu zwei Mal pro Sekunde schalten müssen, laufen bei ihnen teils Spielzahlen im mehrstelligen Millionenbereich auf. Dies bedingt geradezu extreme Anforderungen an die Dauerelastizität der Membran ebenso wie an die Verschleißbeständigkeit der gesamten Mechanik. Dennoch ist die Ausfallrate nicht der Rede wert. „Wir setzen diese Ventile bereits seit rund fünf Jahren ein. Ich kann mich nicht erinnern, in dieser Zeit maßgebliche Ausfälle erlebt zu haben“, fasst Entwickler Plonsker seine Erfahrungen aus dem Servicebereich zusammen.

* K. Vollrath Redaktionsbüro Klaus Vollrath, 4912 Aarwangen/Schweiz, Kontakt Lee: Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH, 65843 Sulzbach Kontakt Erweka: Erweka GmbH, 63150 Heusenstamm

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