Anlagenbau & Prozesstechnik

Wartung von Edelstahlausrüstung in der cGMP-Produktionsumgebung

08.01.2020 - Edelstahl (SS, Stainless Steel) ist normalerweise das bevorzugte Trägermaterial für die meisten Kontakt­flächenbereiche von Produkten, die den Anforderungen der guten Herstellungspraxis (GMP, Good ­Manufacturing Practice) entsprechen.

Besonders die austenitischen Edelstahl-Serien (z. B. 304L und 316L) sind preisgünstig und infolge der hohen Rostflecken- und Korrosionsbeständigkeit bei pharma­zeutischen Anwendungen sehr beliebt. Das englische Wort für Edelstahl, „Stainless Steel“, bedeutet zwar rostfreier Stahl, doch eigentlich ist er eher rostfleckenbeständig. Diese Eigenschaft beruht auf seiner ­Fähigkeit, auf natürliche Weise eine oxidreiche passive Schicht auf der Oberfläche zu bilden.

Passivierung wird wichtig, wenn die Korrosionsbeständigkeit von Metallen verloren geht, aus denen die Produktionsausrüstung besteht. Passivierung ist ein Prozess, bei dem sich eine passive Schicht auf der Edelstahloberfläche bildet. Dieser Vorgang erfolgt auf natürliche Weise in Gegenwart von Sauerstoff, nachdem die Oberfläche von Fremdstoffen gereinigt wurde .
Die passive Schicht auf der Edelstahloberfläche wird zum primären Schutzmittel zur Verhinderung einer Korrosion. Edelstahl kann korrodieren, wenn das Chrom/Eisen-Verhältnis signifikant reduziert wurde, was zu Oxidation und der anschließenden Freisetzung von Eisenoxiden führt, die Ablagerungen auf Oberflächen bilden.

Zusammenfassung von gängigen Tests zur Bewertung der Wirksamkeit der Passivierungsbehandlung



Rouging
Rouging ist der übliche Begriff für das sichtbare Korrosionsprodukt von Edelstahl, es kann sich aus mehreren Arten von Eisenoxiden zusammensetzen; Eisen (III)-oxid ist dabei die vorherrschende Form. Rouging wird normalerweise bei Wasseraufbereitungssystemen, Prozesstanks und Pipelinesystemen vorgefunden, die routinemäßig korrosiven Lösungen ausgesetzt sind. Rouging scheint ein häufiges Problem zu sein. Aufsichtsbehörden wie die US-Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administration) haben in mindestens einem Warnschreiben darauf hingewiesen, dass Korrosion in pharmazeutischen Direktkontakt-Systemen nicht akzeptabel ist. Der Grund dafür ist, dass Rouging auf Produktkontaktflächen eine Umgebung bilden kann, in der Prozessrückstände und Mikroben fest im Rougingbereich anhaften und daher schwieriger zu reinigen und desinfizieren sind. Rückstände und Mikroben könnten auch in den Rougingschichten vorliegen, in die Standardreiniger und Desinfektionsmittel möglicherweise nicht eindringen können.
Im Hinblick auf die mit Rougingoberflächen einhergehenden Risiken wäre es sinnvoller, wenn sich Hersteller mehr auf Behandlungen konzentrieren würden, die eine Rougingbildung verhindern. Manche Unternehmen verfolgen einen reaktiven Ansatz und warten ab, bis Rouging festgestellt wurde bzw. die Produktion beeinträchtigt hat, bevor sie Korrekturmaßnahmen ergreifen. Prozessattribute wie beispielsweise erhöhte Temperatur, extreme pH-Lösungen oder Oberflächenschäden (wie minderwertige Schweißqualität usw.) können Edelstahloberflächen korrodieren. Wenn ein Prozess oder ein Oberflächenzustand zu irgendeinem Zeitpunkt während der Nutzungsdauer der Ausrüstung bekanntermaßen zu Korrosion führt, dann sollte unbedingt eine Untersuchung durchgeführt und das Auftreten von Korrosion verhindert werden.

Im Gegensatz zur vorbeugenden Wartung, die mit dem Ziel erfolgt, die Ursache des potenziellen Problems oder der unerwünschten Situation einzudämmen, wird eine korrektive Wartung zur Behebung eines Problems oder Fehlers nach der Feststellung durchgeführt. Zum Beispiel weiß ein Bediener bei einem vorbeugenden Wartungsverfahren für Edelstahl genau, was bei den festgelegten Wartungsterminen auszuführen ist. Im Gegensatz dazu hängen die kritischen Parameter und das Gesamtverfahren im Falle einer korrektiven Wartung davon ab, was vorgefunden wurde. Bei der korrektiven Wartung ist häufig eine Beurteilung des Schweregrads des Rougingproblems erforderlich, bevor eine Behandlungsempfehlung erfolgen kann. Diese Beurteilung wird als Risikobewertung bezeichnet und umfasst eine Überprüfung der potenziellen Auswirkung auf den Patienten, das Produkt, das Personal und die Ausrüstung. Wenn sich Rouging einmal gebildet hat, kann es unbekannte Variablen in Verbindung damit geben und die Korrektur des Problems dauert dann normalerweise viel länger als eine vorbeugende Wartung. Viele Fachliteraturveröffentlichungen über Edelstahlkorrosion befassen sich mit korrektiver Wartung.

Es gibt keinen weltweit akzeptierten Test, mit dem garantiert werden kann, dass eine Edelstahloberfläche ausreichend passiviert wurde. Wenn die Edelstahlausrüstung einer Passivierungsbehandlung unterzogen wurde, sollten generell Dokumente erstellt werden, die das Passivierungsverfahren beschreiben und dabei die kritischen Parameter hervorheben. Eine Testmatrix wurde als Leitfaden für die Annahmekriterien vorgeschlagen, um bestätigen zu können, dass eine Oberfläche passiviert ist [3]. Im Allgemeinen sieht der Gesamtumfang dieser Testmethoden vor, entweder zu verifizieren, dass die Oberfläche durch die Entfernung von Fremdstoffen passiviert wurde (z. B. freies Eisen oder hydrophobe Beläge) oder durch direkte Messung der Qualität der passiven Schicht. Tabelle 1 fasst die Vorteile und Nachteile der gebräuchlichen Passivierungs-Testmethoden zusammen [2-3]. Repräsentative Prüfstücke aus ähnlichem Material und mit ähnlicher Oberflächenbearbeitung wie die Produktionsausrüstung können zur Validierung eines Passivierungsprotokolls herangezogen werden.
Passivierungsbehandlungen sind sehr vom Chromgehalt, der Oberflächenbearbeitung und den maschinellen Bearbeitkeitsmerkmalen der Güteklassen in jeder Edelstahlart abhängig. Die chemische Behandlung sollte zur Wiederherstellung der inerten Oxidschicht beitragen, indem eine konsistente, sich im Vergleich zur natürlich entstehenden Schicht schneller ausbildende passive Schicht erzeugt wird. Passivierungsbehandlungen, bei denen Zitronensäuremischungen und Phosphorsäure eingesetzt werden, sind bei einer großen Anzahl von Edelstahlarten höchst wirksam. Die herkömmlichen Passivierungsmethoden mit Salpetersäure sowie sonstige Methoden sind in der Tabelle zusammengefasst. Die letztendliche Auswahl der Passivierungschemie und -methode hängt von den vom Endverwender auferlegten Annahmekriterien sowie von den unternehmensweiten, lokalen und nationalen abfallrechtlichen Bestimmungen ab. Normalerweise kann ein Passivierungsprozess Folgendes umfassen:

  • Alkalische Reinigung (entweder Einzeldurchlauf oder rückgeführt) zur Entfernung aller Kontamina­tionsstoffe, Öle, Fremdmaterialien usw.
  • Spülung mit Wasser
  • Säurebehandlung (entweder Einzeldurchlauf, rückgeführt oder eingetaucht) zur Auflösung von freiem Eisen und Sulfiden und zur Beschleunigung der Oxidschichtbildung
  • Spülungen mit Wasser
  • Trocknung
  • Sichtprüfung und Tests, wie angemessen

Häufig bei Passivierungsbehandlungen von Edelstahl verwendete Säuremittel