Für die Trocknung als wesentlichen Bestandteil der Produktion gibt es eine Vielzahl von Verfahren. Eines dieser Verfahren ist die Wirbelschichttrocknung. Hierbei wird durch einen Lochboden heiße Luft unter Druck vertikal durch eine aus Festkörperpartikeln bestehende Wirbelschicht geleitet. Hierdurch beginnen die Partikel, in der Luft im Behälter zu schweben und zu trocknen. Durch dieses Fluidisieren ähnelt die Schicht einer kochenden Flüssigkeit. Das sich ständig bewegende Partikelsystem steht in großflächigem Kontakt mit dem Gasstrom, der die Feuchtigkeit abtransportiert. Dies führt zu einer hocheffizienten Trocknung. Das Gas sowie alle Lösungsmittel aus dem Ausgangsmaterial werden über einen Filter abgeleitet und können zur Wiederverwendung recycelt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Wirbelschichttrocknung bei der Verarbeitung von Pulvern oder Granulaten in der chemischen, agrochemischen, keramischen und pharmazeutischen Industrie ebenso wie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie weit verbreitet. In der Arzneimittelherstellung ist dieser Heißluftprozess essenziell in der Granulierung von festen Darreichungsformen (Oral Solid Dosage, OSD), da er optimale Voraussetzungen für starke Bindungen zur Agglomeration von Pulverformulierungen schafft. Erst dadurch wird die Herstellung perfekt komprimierter Tabletten oder Filmtabletten möglich.
Steuerungssystem regelmäßig aktualisieren
Derartige Anlagen haben in der Regel eine lange Lebensdauer, da es keine beweglichen Teile gibt und somit nur geringe Investitionen oder Stillstandzeiten für Wartung und Reparaturen erforderlich sind. Während also der Wirbelschichttrockner selbst über viele Jahre hinweg betrieben werden kann und sogar Anlagen, die vor über 35 Jahren installiert wurden, noch verbreitet in Betrieb sind, sollte das Steuerungssystem, das den Prozess regelt, regelmäßig aktualisiert werden. Diese Maßnahme kann die Zeit-, Kosten- und Energieeffizienz der Trocknungs- und Granulierungsprozesse verbessern und gleichzeitig die Qualität und Einheitlichkeit des Endprodukts erhöhen.
Ältere Lösungen basieren oft noch auf einfachen, festgelegten Betriebsfunktionen, wie festen Chargenzeiten und Zulufteigenschaften. Sie können Schwankungen des Ausgangsmaterials nicht ausgleichen und daher zu einer Unter- oder Übertrocknung sowie zu einer Überhitzung der Partikel führen, was die Qualität und den Wert der Produkte schmälert: Wird das Granulat zu stark getrocknet, können die daraus hergestellten Produkte brechen; wird es nur unzureichend getrocknet, führt das zu einer inhomogenen Wirbelschicht, schlechter Fließfähigkeit oder Problemen mit der Produktstabilität. Kommt es hierdurch zu Abweichungen, müssen unter Umständen ganze Chargen entsorgt oder überarbeitet werden, was wiederum die Produktionszeit und -kosten erhöht.
Abgesehen von der Beeinträchtigung der Qualität des Endprodukts und seines potenziellen Marktwerts kann eine suboptimale Trocknung auch die Herstellungszeiten erheblich verlangsamen, da heiße Materialien länger zum Abkühlen brauchen. Ist darüber hinaus der Luftdurchsatz zu gering, erreicht das Material den fluidisierten Zustand nicht. Ist er zu hoch, kann zusammen mit der heißen Luft eine große Menge an Partikeln aus der Trocknungsumgebung entweichen und in die Filter gelangen. Das hat nicht nur unerwünschte Produktverluste zur Folge, sondern kann auch zu einem Dichtsetzen des Außenfilters führen. Durch den resultierenden Druckanstieg im Behälter kann die Anlage beschädigt werden. Und nicht zuletzt führen suboptimale Verarbeitungsbedingungen zu einem übermäßigen Energieverbrauch und damit teuren und weniger nachhaltigen Verfahren.
Vorteile eines intelligenten Steuerungssystems
Durch zeitnahe System-Upgrades auf fortschrittliche, vernetzte und datengestützte Systeme sind erhebliche Wettbewerbsvorteile möglich. Diese sind im Allgemeinen intelligent und bieten wesentlich größere Kontrolle über die Regelung von Fluidisierungs- und Trocknungsprozessen. So können die Hersteller Produkte von gleichbleibender und hoher Qualität liefern und dennoch den Energieverbrauch, die Produktionszeiten und die Lebensdauer ihrer Anlagen verbessern.
In- und Online-Sensoren sowie andere Analysegeräte messen eine Vielzahl von Parametern in Echtzeit. Dazu gehören Temperatur, Druck, Produktfeuchte, Luftfeuchtigkeit, Luftdurchsatz und -geschwindigkeit am Ein- und Auslass, Lösungsmittelkonzentration im Abgas sowie Encoder-Feedback zur Überwachung der Drehzahl von Lüftermotoren. Moderne Geräte können relevante Daten an eine Steuerung (beispielsweise eine SPS) und ein SCADA-System für automatische Feedback- und/oder Feedforward-Regelung weitergeben. So ermöglichen sie einen reaktionsfähigen Betrieb, der sich an das konkret zu verarbeitende Ausgangsmaterial sowie an die jeweilige Phase des Trocknungsvorgangs anpasst.
Hersteller, die die Möglichkeiten ihrer Wirbelschichttrockner erweitern möchten, sollten mit einem führenden Spezialisten für Industrieautomatisierung und Systemintegration wie Optimal Industrial Automation zusammenarbeiten. Als Full-Service-Anbieter kann Optimal dabei helfen, die Vorteile zu maximieren und während des gesamten Lebenszyklus der Systeme Unterstützung leisten.
Was Sie bei der Aufrüstung Ihres Steuerungssystems beachten sollten
Angesichts der großen Relevanz der Steuerungssysteme für die Leistung von Wirbelschichttrocknern und die Produktqualität, sollte bei der Aufrüstung der konkrete Anwendungszweck im Vordergrund stehen. Um die vorhandenen Systeme aufzuwerten, sind diverse Aspekte zu berücksichtigen. In stark regulierten Branchen wie der pharmazeutischen Industrie empfiehlt es sich, die Eingriffe auf ein Minimum zu begrenzen, um die Anforderungen der Revalidierung im Rahmen zu halten. Aber auch für Unternehmen in anderen Branchen ist dieser Ansatz hilfreich, weil er den Investitionsaufwand verringert und die vorhandene Ausrüstung – auch im Interesse der Nachhaltigkeit – bestmöglich ausschöpft.
Die Minimierung von Systemänderungen bedeutet auch, dass man mit Neuanschaffungen nach Möglichkeit beim Hersteller der alten Komponenten bleibt, sofern diese noch verfügbar sind. Dies gewährleistet die Kompatibilität mit den übrigen Komponenten und kann gleichzeitig den Programmieraufwand reduzieren. Vor allem erleichtert es das Reverse Engineering der Steuerumgebung, das notwendig sein kann, wenn die technische Dokumentation des Systems unvollständig ist oder fehlt.
Nicht zuletzt ist die Sicherheit ausschlaggebend. Bei jeder Änderung an Wirbelschichttrocknern müssen die Betriebsrisiken minimiert werden. Moderne Steuerungssysteme können Strategien zur Unfallverhütung verbessern, unerwartete Ausfallzeiten und Kosten reduzieren und die Nutzungsdauer von Wirbelschichttrocknern verlängern. Durch genaue und reproduzierbare Messungen des Auslassluftstroms lassen sich beispielsweise Verstopfungen, die zu einer Überhitzung und damit zur Beschädigung oder zum Schmelzen von Komponenten, zu Bränden oder gar Explosionen führen können, erkennen und melden. Ebenso können moderne SPSen mit fortschrittlichen Schutzfunktionen, die der erforderlichen Sicherheitsanforderungsstufe (Safety Integrity Level, SIL) entsprechen, Risiken reduzieren.
Produktivitätssteigerung durch Aufrüstung des Steuerungssystems
Ein großer Pharmahersteller wollte die Steuerung seines Wirbelschichttrockners modernisieren. Bei dem alten System handelte es sich um eine herkömmliche Drucktastenbedienung mit nur begrenzten Automatikfunktionen. Der Spezialist für Industrieautomatisierung und Systemintegration Optimal Industrial Automation verbesserte mit einem SPS-gesteuerten System die Möglichkeiten der Steuerung für das Pharmaunternehmen. Durch die Integration von Benutzerschnittstellen in Form von HMI, Steuerungssystemen sowie Software zur Überwachung, Steuerung und Datenerfassung (Scada) schafft das Upgrade außerdem die Voraussetzungen für die Materialverfolgung.
Der Hersteller ist nun in der Lage, das Material während des gesamten Herstellungsprozesses zu überwachen, vom Rohstoff bis zum Endprodukt. Die bessere Rückverfolgbarkeit wird durch die Erstellung von Chargenberichten in Echtzeit ergänzt, eine wichtige Dokumentation für Qualitätsaudits. Darüber hinaus wurden die Dosierung der Einsatzstoffe und die entsprechenden Steuerungen eingerichtet, um zu einer vollständig integrierten, autonomen Lösung zu kommen. Dank der genannten Verbesserungen konnte der Pharmakonzern die Produktivität seines Wirbelschichttrockners um 50 % steigern und eine kurze Amortisationszeit sowie einen beeindruckenden Return on Investment (ROI) erreichen.
Erhöhte Transparenz des Trocknungsprozesses
Ein anderer führender Pharmahersteller wollte die Prozesstransparenz verbessern, um herauszufinden, inwieweit seine Wirbelschichttrocknung im Hinblick auf Produkteinheitlichkeit und Verarbeitungszeit optimierbar war. Hierfür empfahl Optimal Industrial Automation die Ausstattung der vorhandenen Anlage mit einem fortschrittlichen Prozessleitsystem. Hierbei wird in einer PAT-Umgebung mittels Inline-Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) die Feuchtigkeit in Echtzeit überwacht.
Die Daten dieses zusätzlichen Analysegeräts werden zusammen mit den Daten der vorhandenen Sensoren in ein Modell zur multivariaten Analyse (MVA) eingespeist. Die Ergebnisse werden dann in synTQ, einer prämierten PAT-Wissensplattform, dargestellt, um Betreibern und Sachverständigen eine solide Entscheidungsgrundlage zu liefern.
In der Praxis kann das Bedienpersonal die im Wirbelschichttrockner ablaufenden Trocknungsphasen in Echtzeit ermitteln und die Temperatur entsprechend anpassen, um die Qualität des Endprodukts und die Verarbeitungszeiten zu optimieren. Das System ermöglicht außerdem eine Zielgrößenregelung in Echtzeit für datengestützte nachgelagerte Verarbeitungsphasen und deren Management in einer hochgradig vernetzten, reaktionsfähigen Konfiguration.
Durch höhere Prozesstransparenz und Echtzeitfunktionalität konnte der Pharmahersteller sowohl die Zykluszeiten als auch die Produktqualität verbessern und so von einer höheren Rentabilität und einem schnellen ROI profitieren. Durch PAT genießt das Unternehmen zudem den Vorteil einer zukunftssicheren, skalierbaren Konfiguration zur Optimierung weiterer Aspekte seines Fertigungsprozesses.
Mehr Transparenz für bessere Compliance
Ein führender OSD-Hersteller wollte die Transparenz, Zugänglichkeit und Integrität seiner Prozess- und Produktdaten für die Wirbelschichttrocknung verbessern und suchte nach sicheren und konformen Speicheroptionen. Optimal Industrial Automation verbesserte die datengesteuerte Funktionalität des vorhandenen Systems durch eine zuverlässige Datenerfassung und -speicherung innerhalb einer modernen Scada-Plattform. Darüber hinaus wurde ein Data Center bei einem IT-Provider eingerichtet, über das die britische Medicines and Healthcare Products Regulatory Agency (MHRA) die Daten abrufen und anzeigen kann.
Hierdurch konnte der Arzneimittelhersteller die cGMP-Konformität verbessern. Das Unternehmen ist mit der Lösung überaus zufrieden und hat Optimal Industrial Automation gebeten, weitere Produktionsbereiche in diese Umgebung zu überführen.
Optimal Industrial Automation, Bristol, United Kingdom
Autor: Alan Messenger
Sales Director,
Optimal Industrial Automation
