二軸スクリューポンプが滅菌発酵プロセスで完全な排出性を確保する仕組み

発酵バッチの終了時、生成物を槽から取り出すことは業務の一部に過ぎない。移送ライン、ポンプ、バルブ、下流設備も、システムが洗浄工程に移行する前に完全に空にする必要がある。

ここで、排出性は単なるデータシート上の仕様ではなく、実用的な装置上の課題となる。移送経路内の滞留部に生成物が残存すれば、次の洗浄サイクルで除去すべき物質が増加する。無菌処理においては、このことがバッチ切り替えをより困難にし、あらゆる接液部品の設計の重要性を高める。

サニタリーツインスクリューポンプは、内部流路、製品排出、逆転運転、CIP/SIPサイクルを総合的に考慮した上で、この発酵システムの一部分として設計することができる。

バッチ終了時こそ排出性が試される

生産中は、ポンプは主として発酵培地やプロセス液を所定の流量で移送することが求められる。バッチが終了すると、優先順位が変わる。

洗浄を開始する前に、残留生成物を移送経路から除去する必要がある。少量の残留物であっても、次バッチで異なる処方を扱う場合や、発酵プロセスでバッチ間の厳格な衛生管理が要求される場合には、特に重要となる。

ポンプ自体に関して言えば、接液流路内に不必要な凹みやデッドスペースを設けないことを意味する。SLGPは流路にデッドコーナーのない構造として設計されており、製品排出とその後の洗浄を支援する形状となっている。

これが、ポンプ選定時に排出性を考慮すべき理由の一つであり、発酵システムの他の部分が設計された後で後付けで考慮すべきものではない。

移送中にポンプ内部で生じること

SLGPは、インペラーで液体を遠心力で吐き出す方式に依存しない。二本のスクリューがポンプチャンバー内で回転し、閉じたキャビティを形成して、生成物を吸込側から吐出側へ連続的に移送する。

スクリューはポンプハウジングに接触しない。その結果、通常運転中は回転スクリューとケーシングとの間に金属接触は生じない。

発酵設備において、この構成は連続的な容積式移送機構を提供すると同時に、内部流路を洗浄サイクルに開放した状態を維持する。生産中に使用された同一の接液面は、その後洗浄媒体に曝露される。

この区別は重要である。すなわち、排出性とは単にポンプがどれだけ速く液体を移動できるかということではない。通常の製品移送が終了した後にポンプ内部に何が残るかにも関わる。

洗浄前の移送経路の空化

発酵システムがポンプ出口で終了することは稀である。ポンプは発酵槽から貯槽、ろ過設備、充填設備、あるいは別の処理段階へと接続されることが多い。

製品移送が完了すると、接続配管内に一部の物質が残留する場合がある。ポンプを逆転させる機能は、この残留製品を処理するための別の選択肢を提供する。

SLGPは軸回転方向を変更することで、正転・逆転運転に対応する。したがって、ポンプ自体を改造することなく、ポンプ方向を変更できる。

配管レイアウトによっては、逆転運転を製品回収またはライン空化手順に組み込むことができる。ポンプは材料を指定された槽へ向けて戻すことができ、最終区間の移送経路を完全に重力に依存させずに済む。

これは、完全な発酵設備を設計する際に特に有用である。なぜなら、ポンプの逆転機能をプロセス配管の配管経路と併せて考慮できるからである。

洗浄回路に組み込まれるポンプ

製品が除去されると、システムは洗浄工程に移行する。従来の構成では専用のCIPポンプが使用されることが多いが、それは追加の配管、バルブ、設置スペース、および機器インターフェースを意味する。

SLGPは、製品移送とCIP/SIP循環の両方に使用できる。プロセスレイアウトが許せば、同一のポンプをバイパスせずに洗浄ループ内に維持できる。

洗浄媒体は、発酵生成物と接触した領域を含むポンプの内部流路を通過する。これにより、機器設計者はポンプを全体的な洗浄経路に組み込むためのより簡潔な方法を得られる。

SLGPは最高140°Cの洗浄温度、および最高130°Cの媒体温度に対応するよう設計されている。適用可能な温度限界は、選択したシール構成および実際のプロセス条件と常に関連付けて検討する必要がある。

デッドコーナーフリー構造が重要な理由

「洗浄が容易」という表現は、機器の説明でしばしば広く使用される。発酵システムにとってより有用な問いは、洗浄開始時に接液面に何が起こるかである。

SLGPの内部流路にはデッドコーナーがない。これにより、生成物が通常の流路から孤立して留まり得る幾何学的領域の数が低減される。

これは、ポンプ単体で設備全体の完全な排出を保証することを意味しない。配管の向き、バルブ設計、接続部、タンク出口、および機器の位置がすべて最終結果に影響を与える。

むしろ、ポンプは排出可能な接液システムの一部として扱われるべきである。その内部形状は、設備全体と調和するように設計される必要があり、それに反してはならない。

洗浄と生産を同一の機器で実施する

もう一つの考慮点は、生産と洗浄の両方の役割を担うポンプに要求される運転範囲である。

発酵移送中は、要求回転数は比較的低いか、プロセス段階に応じて変化する場合がある。洗浄中は、運転条件が異なる可能性がある。

SLGPは100～3,600 rpmの回転数範囲を提供する。また、異なるポンプボディおよびスクリューサイズも利用可能であり、ポンプ構成を目的の用途に合わせることができる。

これにより、機器設計者は生産移送と洗浄を完全に別々の機器機能として扱うのではなく、プロセスの異なる段階で一台のポンプを使用する自由度を得られる。

ポンプは、用途に応じて、単一メカニカルシール、ダブルメカニカルシール、ゴムシャフトシール、グランドパッキンシールなど、異なるシャフトシール構成でも供給可能である。

発酵槽出口から清浄なプロセスラインへ

排出可能なポンプは、周辺機器も同様の原則に従う場合にのみ意味を成す。

例えば、発酵システムには、槽出口、移送ポンプ、バルブ、エルボ、サンプリングポイント、下流設備が含まれる場合がある。これらの構成要素のいずれかが、バッチ後にどれだけの製品が残留するかに影響を与える。

そのため、ポンプは完全な移送経路を考慮して配置され、接続されるべきである。目的は、製品に対してプロセスからの明確な排出経路を提供し、その後洗浄媒体が同一の接液経路にアクセスできるようにすることである。

SLGPは、デッドコーナーフリーの流路、可逆的なポンプ方向、およびCIP/SIP循環への参加能力を通じて、このアプローチを支援する。

バッチ切り替えに関する実用的な設計上の考慮点

無菌発酵設備において、排出性はバッチ間の直接的な関連性を持つ。

適切に設計されたシステムは、不要な製品滞留を補うために洗浄サイクルに依存すべきではない。第一に、全体的な設備レイアウトが許す限り、製品を可能な限り完全に移送する。その後、残留した接液面を計画された洗浄および滅菌手順に曝露する。

このため、ポンプ選定はプロセス配管および洗浄戦略と共に行われるべきである。流量や圧力のみに着目すると、機器の日常的な運用における重要な側面を見落とす可能性がある。

サニタリーツインスクリューポンプは、このアプローチを支援するいくつかの特徴を提供する。すなわち、デッドコーナーフリーの流路、非接触スクリュー、可逆運転、可変速、およびCIP/SIP循環への適合性である。

無菌発酵システムにおいて、これらの特徴は、設備レイアウトに当初から組み込まれた場合に最も有効である。ポンプは単独で排出性を創造するのではなく、むしろ、残留製品を実用的な限り少なくしてプロセスラインを空にし、洗浄し、次バッチに備えるように設計された移送システムの一部となる。