A new method for monitoring clean-in-place processes by using quantum cascade lasers

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neues Messprinzip zur Beobachtung von Reinigungsprozessen von Rührkesseln in der pharmazeutischen Industrie vorgestellt. Während bisher erst am Ende des Reinigungsprozesses der gesamte organische Kohlenstoffgehalt der Reinigungsflüssigkeit bestimmt wird, kann ein Äquivalenzwert durch den Einsatz der Infrarotspektroskopie nahezu kontinuierlich gemessen werden und folglich der gesamte Reinigungsprozess optimiert werden. Bei diesem Sensor wird ein Quantenkaskaden Laser mit externer Kavität im Bereich zwischen 1030-1230 cm-1 als Lichtquelle eingesetzt. Das Prozesswasser wird über ein Fließ-Injektionssystem in eine CaF2 Flusszelle mit 165 -m Schichtdicke injeziert und das transmittierte Licht mit einem MCT-Detektor gemessen. Die Performance und Anwendbarkeit dieses Sensors wird anhand eines Laborreaktors, einer industrie-nahen Anlage an der Technischen Universität Wien sowie bei einem Kooperationspartner (CMC Biologics, Kopenhagen) gezeigt. Um ressourcenschonend zu Arbeiten werden anstatt zeitaufwändiger Fermentationen zwei typische Kohlenstoffquellen, nämlich Glycerol und Xanthan, als Kontaminationen eingesetzt. Weiters wird die Herstellung von oberflächen-emittierenden Quantenkaskadenlasern mit ringförmiger Kavität im Bereich 1470-1530 cm-1 gezeigt, um in Zukunft auch die Absorption von Proteinen im Prozesswasser bestimmen zu können.

This thesis introduces a new measurement principle to monitor cleaning processes of stirrer vessels in the pharmaceutical industry. Until now, the cleanliness of a vessel is evaluated by quantifying the total organic carbon of the cleaning liquid at the end of the cleaning sequence. With infrared spectroscopy, in contrast, it is possible to monitor the cleaning liquid continuously, allowing to shorten the cleaning process. The sensor is based on an external quantum cascade laser emitting radiation in the range of 1030-1230 cm-1. Samples from the process stream are continuously injected into a 165 -m flow cell whereas the windows are made out of CaF2. Finally, the transmitted radiation is quantified by an MCT-detector. The performance and applicability of the sensor are evaluated at a laboratory vessel, an industrial-scale plant at the Vienna University of Technology as well as at a co-operation partner (CMC Biologics, Copenhagen). In order to save resources and time consuming fermentations, two typical carbon sources, namely glycerol and xanthan gum, are used as contamination substances. Moreover, the manufacturing process of ring cavity surface emitting lasers in the wavelength range of 1470-1530 cm-1 is shown. Its intention is to quantify proteins in the process stream in the future as well.