Vortrag Kaeltetechnik GT SGVC

Pharmaceuticals
Ökonomisch/Ökologische Bewertung der
Kältebereitstellung für die Gefriertrocknung aus
prozesstechnischer Sicht
Dominik Bolten, F. Hoffmann-La Roche
1
Pharmaceuticals
► Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
2
• Die zu trocknenden hochwertigen Pharmazeutika sind
– in wässriger Lösung sehr instabil
– temperaturempfindlich
Pharmaceuticals
Warum Einsatz der Gefriertrocknung in der
Pharma-Industrie?
• Es bestehen hohe Anforderungen an die kristalline Struktur des „Kuchens“
(Stichwort: Lösungseigenschaften)
• Zur Erhaltung ihrer pharmazeutischen Wirkung scheiden andere Trocknungsverfahren aus
• Die Lagerkosten sinken aufgrund reduzierter Kühlbedürfnisse während der Lagerung
3
Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
► Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
4
• Die Feuchte geht aus dem gefrorenen Produkt bei Temperaturen < 0°C und unter
Vakuum (z.B. 3×10-3 mbar) direkt aus dem festen in den dampfförmigen Zustand über
• Das Produkt muss durch Abkühlung auf Temperaturen < -50°C gefroren werden (die
erforderliche Temperatur ist produktspezifisch und von der eutektischen Temperatur
abhängig)
Pharmaceuticals
Die Gefriertrocknung ist eine Vakuumsublimationstrocknung
• Einfrier- und Sublimationsgeschwindigkeit beeinflussen wesentlich die Trocknungszeit und
kristalline Struktur des Produktes
5
Pharmaceuticals
Der GT-Prozess im Zustandsdiagramm von Wasser
AB
Einfrieren
BC
Evakuieren
CD
Sublimieren
DE
Nachtrocknen
K
Kondensieren
6
• Die sich in wässriger Lösung befindenden Produkte sind in Vials abgefüllt
• Die Vials werden auf die übereinander angeordneten Platten gestellt
Pharmaceuticals
Der Prozessverlauf in der Liquida Herstellung erfolgt
diskontinuierlich in Kammertrocknern
• Die Kühlung erfolgt dabei im Kontakt mit den gekühlten Platten
• 1. Phase: Einfrieren des Produktes in den Vials auf < -50°C
• 2. Phase: Durch Beheizung der Platten unter Vakuum erfolgt die Trocknung über
Sublimation
• 3. Phase: Nachtrocknung durch Erhöhung der Plattentemperatur (Desorption)
• Die aus dem Produkt sublimierten Dämpfe kondensieren an dem gekühlten Kondensator
zu Eis
► Es bestehen 2 Kühlaufgaben:
- Kühlung der Platten
- Kühlung des Kondensators
7
Pharmaceuticals
Der Trocknungsprozess läuft in 3 Phasen ab
Temperatur 1. Phase: Einfrieren bis auf -50 °C Produkttemperatur
2. Phase: Haupttrocknung durch Sublimation
+20°C
• dabei Evakuieren der Kammer bei p = 10^-3 mbar Absolutdruck
• Zuführung der Sublimationswärme durch Beheizung der Platten
0°C
• Temperatur am Eiskondensator: – 75 °C
-20°C
3. Phase: Nachtrocknung
-40°C
• Entfernung von adsorptiv gebundenem Hydratwasser durch Erhöhung
der Plattentemperatur auf +20°C
-60°C
• Dabei wird der Druck noch einmal
um eine Potenz reduziert
• Temperatur am Eiskondensor: -90°C
-80°C
-100°C
Zeit
Einfrieren
Platte (Produkt)
Haupttrocknung
Kondensator
Nachtrocknung
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Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
► Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
9
Die Direktive K6 besagt, dass
• ab Ende 2009 keine teilchlorierten Kältemittel (HFCKWs, z.B. R22) mehr verwendet
werden dürfen (gesetzlicher Ausstiegstermin: Ende 2014)
Pharmaceuticals
Roche hat sich mit der Direktiven K6 zum Ausstieg aus der
Verwendung halogenierter Kältemittel verpflichtet
• ab Ende 2015 keine fluorierten Kältemittel (HFKWs, z.B. R134a) mehr verwendet werden
dürfen (per Gesetz vorerst unbegrenzter Einsatz erlaubt)
►
Für die Kälteanlagen der Gefriertrocknungsanlagen dürfen nur noch natürliche
Kältemittel verwendet werden
►
Es gibt zwei Alternativen für die GT:
» Einsatz von flüssigem Stickstoff (LN2)
» Kompressionskältetechnik auf Basis natürlicher Kältemittel
10
Ozonabbaupotential
• Das aus den chlorierten Kältemitteln freigesetzte Chlor baut in der Stratosphäre Ozon ab
• Der ODP -Wert (ODP = Ozone Depleting Potential) macht eine Aussage über das
Ozonabbaupotential
Pharmaceuticals
Halogenierte Kältemittel tragen zum Abbau der Ozonschicht
und zur globalen Erwärmung bei
• ODP ist bezogen auf R 11 = 1
• Ziel: ODP = 0
Globale Erwärmung (Treibhauseffekt)
• Die von der Erdoberfläche ausgesandten Wärmestrahlen werden von Treibhausgasen
absorbiert, dadurch kommt es zur globalen Erwärmung der erdnahen Schicht
• Der GWP Wert beschreibt das direkte Treibhauspotential eines Stoffes
• GWP ist bezogen auf CO2 = 1
• Ziel: GWP = 0 bzw. so niedrig wie möglich
• Der GWP Wert für fluorierte Kohlenwasserstoffe liegt um das 100 bis 10`000 fache höher
als derjenige von CO2.
11
Pharmaceuticals
Was ist zu tun?
Ozonzersetzungspotential (ODP) und
Treibhauspotential (GWP) von Kältemitteln
1.0
R12
0.9
0.8
ODP (R11=1)
0.7
0.6
0.5
Natürliche Kältemittel
Fluorierte Kältemittel
ODP = 0
GWP = 0 bzw. niedrig
ODP = 0
GWP sehr hoch
0.4
0.3
0.2
0.1 H2O
NH3
0.0
0
N2
CO2
1
R22
Propan
10
R134A
100
1000
R507
10000
R23
100000
GWP (CO2=1, 100a)
12
Thermodynamische Eigenschaften:
• Die geforderten Temperaturen (-60°C Platte, -90°C Kondensator) müssen deutlich
oberhalb des Kältemittel-Tripelpunktes liegen
Pharmaceuticals
Anforderungen an das zu verwendete Kältemittel
Ökologische Eigenschaften:
• Das Kältemittel muss die Direktive K6 erfüllen (natürliche Kältemittel, z.B. NH3, CO2,
brennbare Gase)
Sicherheitstechnische Eigenschaften:
• Bei Einsatz brennbarer Kältemittel (ND-Stufe) soll der Dampfdruck möglichst über dem
Atmosphärendruck liegen, um im Inneren der Anlage ein explosives Gemisch zu vermeiden
13
erfüllt Temperaturanforderungen nur teilweise
erfüllt Temperaturanforderungen nicht
Pharmaceuticals
Welche Kältemittel sind zu wählen?
Dampfdruck bei -60°C und -90°C unter Atmosphärendruck (Vakuum)
Temperaturanforderungen erfüllt, Dampfdruck über Atmosphärendruck
erfüllt Temperaturanforderungen nicht, niedriger Dampfdruck (Vakuum)
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Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
► Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
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Typische Kältemittel:
• R 403B (R22/218/290) (56/39/5)
ODP = 0.031
GWP = 3700
• HP 80 (R125/22/290) (60/38/2)
ODP = 0.02
GWP = 2570
• R 404A (R125/143a134a) (44/52/4) ODP = 0
Pharmaceuticals
Heute sind bei der GT hauptsächlich Kompressionskälteanlagen mit halogenierten Kältemitteln im Einsatz
GWP = 3800
► Indirekte Kühlung der Platten über ein Wärmeträgermedium (Silikonöl)
► Direktverdampfung am Kondensator
► 2-stufiger Kaltdampfprozess
Vorteil dieser Technologie:
► Keine aufwendige Sicherheitstechnik erforderlich (NG Installation möglich)
► Die Kältemittel sind nicht brennbar
16
•
Direktverdampfung des Kältemittels
im Kondensator
•
Kühlung via Wärmeträgermedium
in der GT- Kammer
Pharmaceuticals
Prinzipschaltbild – Kompressionskälteanlage nach
Stand der Technik
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Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
► Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
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Pharmaceuticals
Bei Verzicht auf halogenierte Kältemittel stehen zwei
Lösungsvarianten für die Kältebereitstellung zur Auswahl:
Variante 1:
Einsatz von flüssig-N2 (LN2) als Kältemittel
Variante 2:
2-stufige Kompressionskälteanlage auf Basis natürlicher Kältemittel
(z.B. NH3-brennbares Kältemittel)
19
•
Direktverdampfung von flüssig-N2
im Kondensator
•
Kühlung via Wärmeträgermedium in der GTKammer ohne Kompressionskälteanlage
Pharmaceuticals
Prinzipschaltbild Variante 1– Einsatz von flüssig N2
20
•
Kühlung via Wärmeträgermedium
im Kondensator
•
Kühlung via Wärmeträgermedium
in der GT- Kammer
Pharmaceuticals
Prinzipschaltbild Variante 2 – Kompressionskälteanlage
auf Basis natürlicher Kältemittel
21
Einsatz von flüssig-N2 als Kältemittel
- Hohe Betriebskosten (können durch Einspeisung ins N2-Netz gesenkt werden)
g
n
u
t
r
e
w
e
- ökologisch u. energetisch sehr ungünstige
Lösung
B
e
h
e
c
d
s
i
n
e
m
+ niedrige Investitionskosten
s
o
s
n
a
f
o
k
m
ö
u
+ geringer
Platzbedarf
im
Gebäude
h
e
c
n
i
s
i
e
g
h
r
o
c
l
ü
i
l
F
o
r
k
e
ö
d
r
e
o
f
n
i
r
2-stufige Kompressionskälteanlage
auf Basis natürlicher Kältemittel
e
e
t
g erforderlich (Ex-Installation der Kälteanlage)
is - Hohe Sicherheitsstandards
n
u
t
h
c
a
r
t Investitionskosten
B- eHohe
- Leicht erhöhte Sicherheitstechnik wegen der erstickenden Wirkung von N2
Pharmaceuticals
Beide Varianten haben ihre Vor- und Nachteile:
- Eigener Maschinenraum (Brandabschnitt) mit besonderen Ansprüchen erforderlich
+ niedrige Betriebskosten
+ ökologisch u. energetisch gute Lösung
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Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
► Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
23
⇨ Technisch- ökonomischer Vergleich
(Wirtschaftlichkeitsbetrachtung)
Pharmaceuticals
Die ökonomisch, ökologische Bewertung umfasst zwei
Betrachtungen:
⇨ Ganzheitliche ökologische Bewertung
(TEWI-Vergleich)
24
Grundlagen:
Pharmaceuticals
Im Technisch- ökonomischen Vergleich wird die
Wirtschaftlichkeit der beiden Varianten - Konventionelle
Kompressionskälteanlage u. flüssig N2 Einsatz - verglichen
• Zwei Kälteverbraucher:
⇨ Gefriertrocknungskammer
Plattentemperatur:
⇨ Eis-Kondensator:
Kondensatorschlange:
Qo = 60 kW bei -60°C
Qo = 5 kW bei -100°C
• Der Vergleich beruht auf energetischer Bilanzierung der Verdampfung bzw. –Sublimation
von Wasser
• Die Investitionskosten für beide Varianten basieren auf aktuellen Angeboten
• Für die Variante Kompressionskälteanlage wurde eine zweistufige Kaskade gewählt
– HD-Stufe: Ammoniak (-38/+15°C) kondensierend an Kaltwasser
– ND-Stufe: Ethylen (-100 bzw. -60/-35°C)
25
Kompressionskälteanlage:
• Redundante Ausführung der Kälteanlage
(2 komplette Kälteanlagen mit doppelt ausgeführten Verdichtern)
Pharmaceuticals
Basis für die Auslegung beider Varianten
Flüssig N2 Anlage:
• LN2-Tank wird vom N2-Lieferant gestellt
• Lediglich bauseitig Fundamente und vakuumisolierte Leitung erforderlich
• Keine redundante Ausführung
26
Pharmaceuticals
Die Investitionskosten der beiden Varianten liegen weit
auseinander
Kompressionskälteanlage:
Flüssig N2 Anlage:
HD-Stufe
ND-Stufe
Kälteträgernetz
Sylthermfüllung
Summe pro Anlage
1‘000‘000.- CHF
Kälteträgernetz
Sylthermfüllung
Betonsockel für N2-Tank
Sicherheitseinrichtungen
Summe für 2 Anlagen:
2‘000‘000.- CHF
Summe:
400‘000.- CHF
Sicherheitszuschlag:
100‘000.- CHF
TOTAL:
500‘000.- CHF
Containment für 2 Anlagen
Lüftung
Kühlwasseranschluss
EMSR 2 Anlagen
Hilfsmittel, Diverses
Summe für 2 Anlagen:
TOTAL für 2 Anlagen:
650‘000.- CHF
2‘650‘000.- CHF
Hohe Investitionskosten
Niedrige Investitionskosten
27
• Kompressionskälteanlage
– Elektrische Energie der Verdichter
– Kaltwasser
Pharmaceuticals
In der Betriebskostenanalyse zeigen sich ebenfalls
deutliche Unterschiede beim Vergleich der beiden Verfahren
• flüssig N2 Anlage
– Flüssig N2
– LSVA Steuer für den Transport des flüssig N2 zum Werk (entfernungsabhängig)
Die spezifischen Kosten pro kWh thermische Kälteleistung sprechen für sich:
• LN2:
5.0 CHF/kWh*
• Kompressionskälteanlage
0.7 CHF/kWh*
LN2
hohe Betriebskosten
Kompressionskälteanlage
niedrige Betriebskosten
28
* bezogen auf den Referenzfall
Pharmaceuticals
Referenzfall (bezogen auf gewichtete, mittlere Jahresproduktionsrate)
• Abzuscheidende Eismenge:
315 kg (max. 540 kg, min 205 kg)
• Flüssig N2-Preis:
0.275 CHF/m3
Î Die Variante „Kompressionskälteanlage“ ist zu Beginn aufgrund der höheren
Investitionssumme deutlich teurer
Î Break even point bei 16 a
Akummulierte Kosten (CHF)
Î Im Betrachtungszeitraum von 15a ist
die N2-Variante im Referenzfall unter den
vorgegebenen Parametern günstiger
3'500'000
3'000'000
2'500'000
2'000'000
Kälteanlage
1'500'000
N2 Variante
1'000'000
500'000
0
0
5
10
15
20
Jahre
(Diskontierung der Geldströme mit 6 % Verzinsung)
29
Bei Begrenzung des Bewertungszeitraumes auf < 15 a
• stellt die flüssig N2-Variante selbst bei
⇨ grossen, abzuscheidenden Eismengen
⇨ massiver Preissteigerung für flüssig N2 oder
⇨ deutlich günstigerem Investitionsaufwand für die Kälteanlage
Pharmaceuticals
Fazit des Wirtschaftlichkeitsvergleich
aus ökonomischer Sicht die günstigere Variante dar.
Lässt man unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit längere
Bewertungszeiträume (>15a) zu, so bietet die Kompressionskälteanlage
finanzielle Vorteile.
30
Für die Bewertung der Umweltverträglichkeit einer Kälteanlage reicht der GWP-Wert
(Global Warming Potential) des Kältemittels alleine nicht aus
z.B.
CO2
⇨
GWP = 1
NH3
⇨
GWP = 0
LN2
⇨
GWP = 0
R 404A
⇨
GWP = 3260
Pharmaceuticals
Für eine ganzheitlich - ökologische Bewertung ist eine
umfassende Betrachtung erforderlich
Es müssen zusätzliche Informationen hinsichtlich des Energieverbrauches der Kälteanlage
berücksichtigt werden
⇨ Diese Anforderungen erfüllt die TEWI-Betrachtung
31
(TEWI = Total Equivalent Warming Impact in [kg CO2/a])
Pharmaceuticals
Der TEWI Wert gibt an, um wieviel mal stärker oder
schwächer eine bestimmte in die Atmosphäre emittierte
Menge des Gases im Vergleich zur gleichen Menge CO2
zum Treibhauseffekt beiträgt
TEWI = GWP *µL *mo + na* f *εK * Q0
direkter Anteil
indirekter Anteil
mit:
GWP
Treibhauspotential des Kältemittels [kg CO2/(kgKältemittel/a]
µL
mittlere jährliche Leckrate der Kälteanlage in % der Füllmenge [-]
Mo
Kältemittelfüllmenge [kg]
na
jährliche Betriebstunden [h/a]
f = 0,688
Emission von CO2 und anderen Treibhausgasen bei der Energieerzeugung [kg CO2/kWh]
εK
Kälteleistungszahl, entspricht 1/COP
Q0
Kälteleistung [kW]
32
• Beschränkt man die ökologische Bilanzierung auf die Produktionsstätten von Roche
(sprich: Bilanzhülle um das Werk), so fällt die Bewertung sehr günstig aus
⇨
Pharmaceuticals
Für eine ökologische Bewertung der Verwendung von
flüssig N2 reicht die werksinterne Betrachtung nicht aus
Dies würde einer ganzheitlich-ökologischen Bilanzierung allerdings nicht gerecht
werden
• Bezieht man die flüssig-N2 Erzeugung und den Transport mit in die ökologische
Betrachtung ein, so wird die Ökobilanz und somit der TEWI-Wert deutlich ungünstiger
• Bei kurzen Transportwegen vom Herstellungsort bis zur Roche Site verliert der
Transportweg an Bedeutung
33
TEWI
Kältemittel
Prozent
direkt
indirekt
total
R404A
0.1
0.9
1
100 %
LN2
0
1
1
537 %
2-stufig
0.05
0.95
1
89 %
Pharmaceuticals
TEWI-Vergleich verschiedener KältebereitstellungsTechnologien
NH3 /Ethylen
*
geschätzte Leckrate bei R404a, NH3 /Ethylen von 5%
** beim indirekten TEWI von LN2 wurde die CO2 Emission bei der LN2 Herstellung berücksichtigt
*** in allen Fällen wurde die gleiche thermische Kälteleistung zugrunde gelegt
34
• Bei Einsatz von LN2 ist der TEWI 5x schlechter als bei Betrieb einer heute üblichen
Kompressionskälteanlage auf Basis halogenierter Kältemittel (z.B. R 404A)
• Der TEWI-Wert einer 2-stufigen Kompressionskälteanlage auf Basis natürlicher Kältemittel
(z.B. NH3/Ethylen) stellt die ökologisch günstigste Lösung dar
Pharmaceuticals
Fazit der ökologischen Bewertung
Konflikt mit der Direktiven K6
• Die Verwendung von LN2 ist K6 konform, aber ökologisch ungünstig
• Halogenierte Kältemittel, deren CO2 Bilanz günstiger als die von LN2 ist, sind gemäss der
Direktiven K6 heute nicht mehr zulässig
• Kompressionskälteanlagen auf Basis natürlicher Kältemittel sind heute noch nicht Stand
der Technik!
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Pharmaceuticals
Gefriertrocknung in der Pharma Industrie
Prozessbedingungen bei der Formulierung in der Pharma
Warum der Vergleich flüssig N2 – Kompressionskältetechnik?
Stand der Anlagentechnik heute
Lösungen ohne halogenierte Kältemittel
Ökologisch/ökonomische Bewertung beider Verfahren
► Umsetzung in der Praxis und weiteres Vorgehen
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• In Zusammenarbeit mit einem GT-Lieferanten wurde ein Pilotprojekt für eine 2-stufige
Kompressionskälteanlage auf Basis natürlicher Kältemittel initiiert
Pharmaceuticals
Roche bekennt sich im Rahmen der K6 zum Verzicht auf die
halogenierten Kältemittel und unterstützt die Entwicklung
nachhaltiger, ökologisch sinnvoller Lösungen
• Ziel des Pilotes: Entwicklung einer K6 konformen, technisch umsetzbaren Lösung, die eine
Alternative zum Einsatz von LN2 darstellt
Für zeitnahe, dringende Neuanlagen:
• Anwendung der LN2-Technologie
Bei Möglichkeit der „Zweitverwendung“ des gasförmigen N2 als
Inertisierungsstickstoff, die fallweise zu prüfen ist, kann diese Alternative sowohl
ökologisch als auch ökonomisch die günstigste Variante darstellen.
37
Pharmaceuticals
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
38
Pharmaceuticals
Back-up Folien
39
Pharmaceuticals
Phasendiagramm von Wasser
Dampfdruck von Wasser:
bei -100°C
1.1*10^-3 Pa
bei -150°C
3.3*10^-10 Pa
40
seltener
Fall
sehr unwahrscheinlich
Pharmaceuticals
Sensitivitätsanalyse
unrealistisch
unrealistisch
41