Hohe Planungssicherheit

Annette Kaya

LSMW bietet ein Komplettangebot an Dienstleistungen für die pharmazeutische, chemische und biotechnologische Industrie. Diese reichen von der Beratung und Planung über die Realisierung eines Projekts bis hin zur Qualifizierung und Inbetriebnahme von Anlagen für die Life-Science-Industrie. Während eines Projekts ist es wichtig, möglichst frühzeitig ein hohes Maß an Planungssicherheit zu erlangen. Hier kann der Einsatz von Simulationswerkzeugen helfen. Die Simulation sollte dann vorwiegend in den frühen Planungsphasen, beispielsweise während der Machbarkeits- und Konzeptstudien, und im Basic Engineering erfolgen. Generell ist die Simulation mit einem gewissen Aufwand aber auch im Detail Engineering denkbar.

Die Basis zur Erstellung des Simulationsmodells können verschiedene Dokumente bilden. So sind sowohl Blockfließbilder, Massenbilanzen als auch R & I-Schemata von Bedeutung. Vor der Simulation müssen die Systemgrenzen definiert werden, d.h. der Detaillierungsgrad des Modells wird bestimmt. Die Detaillierung im Modell richtet sich in erster Linie nach den vorhandenen Daten, aus denen nach einem bei LSMW standardisierten Vorgehen die Simulation durchgeführt wird. Ein weiterer Richtwert für die Detaillierung des Modells ist die Projektphase.

Ziel einer Machbarkeitsstudie beispielsweise ist die Optimierung der Equipmentausrüstung. In dieser frühen Planungsphase wird das Reinigen des Equipments, das über verschiedene Spülschritte abläuft, vereinfacht nur in einem Schritt mit der benötigten Gesamtzeit abgebildet. Genauere Daten wie die benötigten Spülmengen für das jeweilige Equipment werden erst in späteren Projektphasen ermittelt, der Zeitbedarf für die Reinigung des Equipments ist aber für den Prozess nicht unerheblich. Wird die Simulation dann in einer späteren Planungsphase weiter eingesetzt, schafft die exakte Analyse der benötigten Betriebsmedien eine verlässliche Datengrundlage für das sichere Auslegen der Erzeuger-, Lager- und Entsorgersysteme.

Das Simulationsmodell besteht aus Equipment, Grundrezepten, Auftragsliste, Ressourcen und einer Reihe von Überwachungsinstrumenten. Jedes Equipment ist, wie in der realen Anlage, nur einmal vorhanden, kann aber mehrfach genutzt werden. In Grundrezepten wird festgelegt, welche Prozessschritte ein bestimmtes Equipment über eine definierte Zeit belegen. Das Grundrezept entspricht in der realen Anlage einer Verfahrens- oder Herstellvorschrift, die den Teilanlagen zugeordnet ist. Je nach Anforderung werden unterschiedliche Detaillierungsgrade angesetzt. Die Informationen aus den Grundrezepten können nach Excel übertragen und dadurch allen Projektbeteiligten zugänglich gemacht werden. Der Aufbau der Rezepte ist S88-konform. Die Regelung der zeitlichen Abfolge der einzelnen Grundrezepte erfolgt in der Auftragsliste.

Ressourcen sind Hilfsmittel, die für die Ausführung von Prozessschritten notwendig sein können. CIP-Anlagen, Personal, Ventilknoten oder auch Wärmelasten können als Ressourcen dargestellt werden. Das Simulationsprogramm Inosim belegt diese zu Beginn der Ausführung eines Prozessschrittes und gibt sie am Ende der Ausführung wieder frei. Ressourcen können in unbegrenzter Menge zur Verfügung stehen oder wie im realen Betrieb eine begrenzte Kapazität haben. Ist eine Ressource begrenzt, können während der Simulation Wartezeiten entstehen, wenn die benötigte Ressource zum angefragten Zeitpunkt nicht bereitgestellt werden kann.

Die CIP-Anlage ist eine Anwendungsmöglichkeit für eine begrenzte Ressource. Das gesamte zur CIP-Anlage gehörige Equipment wird als eine CIP-Ressource angenommen. Die einzelnen Spülschritte laufen über diese Ressource, d. h. zu Beginn des ersten Spülschritts wird die Ressource belegt und nach dem letzten Spülschritt wieder freigegeben. Während der belegten Zeit kann kein weiteres Equipment, das diese Ressource benötigt, reinigen. Das Equipment, das auf eine Ressource wartet, wird in eine Warteliste eingetragen. Nach Freigabe der Ressource wird die Warteliste dann chronologisch abgearbeitet. Über den Simulationszeitraum wird die Belegzeit der CIP-Anlage aufgezeichnet. Hieraus lässt sich die Auslastung der CIP-Anlage bestimmen und optimieren. In späteren Projektphasen ist es wichtig, die Größe der einzelnen CIP-Vorlagen möglichst genau zu definierten. Das bestehende Simulationsmodell wird nun um die Vorlagebehälter ergänzt, die auch miteinander vernetzt sein können. Die Steuerung der Vorlagen kann durch eine dynamische Füllstandsregelung im Simulationsmodell abgebildet werden. Diese koordiniert die Befüllung der Vorlage bei Füllstandunterschreitung und verhindert gleichzeitig eine Unterschreitung des kritischen Mindestfüllstands. Durch die Anbindung der Vorlagen an die CIP-Ressource können auch hier Parallelitäten ausgeschlossen werden.

Eine weitere Möglichkeit, verschiedenste Szenarien zu testen, ist das Rezeptmodul. Öfters auftretende Folgen von Prozessschritten werden einmal als Rezeptmodul entwickelt und dann mehrmals in Teilgrundrezepten wieder verwendet. Bestimmte Prozessschritte wie Reinigungs- oder Sterilisiervorgänge werden hier zentral abgelegt. In verschiedenen Szenarien kann die Abfolge, Dauer oder Anzahl der Prozessschritte zentral im Rezeptmodul verändert werden, die beste Abfolge der Operationen wird ohne großen Aufwand ermittelt. Durch den geringen Modellieraufwand beim Abbilden verschiedener Prozessszenarien ist die Zeiteinsparung bei der Prozessoptimierung groß.

Nach dem Implementieren aller Komponenten eines Modells erfolgt die Simulation. Der Simulationslauf dauert nur wenige Minuten und dient zur Bestätigung der Machbarkeit und Funktionalität der Anlage, mögliche Problemfelder können aufgedeckt und optimiert werden. Die Anlage kann Tage, Monate oder sogar Jahre virtuell betrieben werden. Die tatsächliche Ausführung der Rezepte wird mit Hilfe des Chargenablaufplans visualisiert und überprüft. Am Ende jedes Simulationslaufs erzeugt Inosim Plan ein grafisch interaktives Gantt-Diagramm. Auf der x-Achse wird die Zeit und auf der y-Achse das Equipment mit den einzelnen Prozessschritten abgebildet. Zum besseren Überblick werden wiederkehrende Prozessschritte immer gleich eingefärbt. Durch die Möglichkeit, verschiedene Sichten zu erzeugen, können ausgewählte Bereiche separat betrachtet werden. Im Gantt-Diagramm werden BottleNecks sichtbar. Durch das Simulieren verschiedener Experimente wird eine Lösung für den Engpass erarbeitet, da auch vorherige Prozessdaten weiterhin bestehen bleiben, jedes Experiment kann so mit dem ursprünglichen Ablauf verglichen werden.

Nach der Entscheidung für das beste Experiment ist die Evaluierung von Anlagendaten eine ständig wiederkehrende Anforderung an den Anlagenbauer. Die Auslegung der Erzeuger-, Lager- und Entsorgersysteme, die von verschiedenen Prozessschritten gleichzeitig oder überlagert verwendet werden, ist analytisch kaum abzuschätzen, die Systeme werden daher häufig nach dem Worst-Case-Prinzip ausgelegt. Die Simulation führt eine Gleichzeitigkeitsanalyse für jedes Medium durch und ist eine gute Grundlage zur Definition der Systeme. Eine wesentlich bessere Näherung an den realen Prozess stellt der errechnete Gesamtverbrauch, Spitzenverbrauch und durchschnittliche Medienverbrauch dar, der für jedes Medium anhand des Simulationslaufs berechnet wird. Anhand der erhaltenen Daten wird der Spitzenwert des Mediums weiter optimiert; die Limitierung der Wasserentnahme auf einen Prozessverbraucher beispielsweise verhindert die gleichzeitige Entnahme von verschiedenen Prozessverbrauchern, der Spitzenverbrauch wird durch Vermeidung von Überschneidungen minimiert. Diese Limitierung wird in einem neuen Simulationslauf überprüft, um eventuelle Prozessengpässe zu vermeiden. Aus den erhaltenen Daten können wiederum Erzeugerdaten berechnet werden, die dann in weiterer Detaillierung des Modells mit abgebildet, überprüft und manifestiert werden können. Die Kapazitätsanalyse für jedes im Modell verwendete Equipment gibt einen Aufschluss über die Auslastung der einzelnen Teilanlagen, ebenso erfolgt ein Übertrag der Belegungszeiten der verwendeten Ressourcen nach Excel.

Halle 12, Stand 448

cav 440

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1st European Congress on Life Science Process Technology