Simulation von Batchverfahren

Tobias Guddat

Durch die zunehmende Globalisierung der Märkte unterliegt auch die Herstellung von Chemikalien zunehmend dem Druck des internationalen Wettbewerbs. Eine weitere Reduzierung der Produktionskosten kann meist nur durch Vergrößerung der Produktionsmaßstäbe erreicht werden. Jedoch sind auch hier Grenzen gesetzt. Dies bedeutet, dass sich die Hersteller nach Alternativen umsehen müssen, wollen sie neue Märkte erschließen. Alternativen sind Produkte mit hoher Wertschöpfung wie Pigmente und spezielle Feinchemikalien. Zur Deckung der Nachfrage für diese Spezialprodukte sind oft geringe Produktionsmengen ausreichend. Es lohnt sich daher nicht, kontinuierliche Anlagen zu betreiben, sondern die Herstellung chargenweise durchzuführen. Auch Wirkstoffe in der Pharmaindustrie werden vornehmlich in Batchanlagen hergestellt. Ein Vorteil von diskontinuierlichen Verfahren ist das Verteilen der Investitionskosten auf mehrere Produkte.

Diskontinuierliche Verfahren erfordern andere Werkzeuge und Betrachtungsweisen bei der Planung und Optimierung der Anlagen. Teilweise ergeben sich auch andere Aufgabenstellungen als bei kontinuierlichen Anlagen, zum Beispiel die Taktplanung und die optimale Ausnutzung vorhandenen Equipments. Simulationswerkzeuge für kontinuierliche Prozesse, für dynamische und logistische Simulationen sind in der chemischen Industrie seit Jahren im Einsatz. Für Batchprozesse mit komplexen Rezepturen dagegen, wie sie bei der Produktion von Pharmaka, Pflanzenschutzmitteln oder Feinchemikalien verwendet werden, fehlten diese Werkzeuge bisher. Der Grund liegt darin, dass die Entwicklung von Prozessmodellen für stationäre Prozesse wesentlich einfacher ist als für diskontinuierliche Prozesse, und dass aufgrund der großen Kapazitäten in den kontinuierlichen Anlagen die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Simulationswerkzeugen eher gegeben war.

Aufgrund des mangelnden Angebots an Simulationswerkzeugen für diskontinuierliche Verfahren ist es nicht ungewöhnlich, dass die Bilanzierung meist mit Tabellenkalkulationsprogrammen erfolgt. Festverdrahtete nicht-skalierbare Tabellenkalkulationen zur Beschreibung von Batchverfahren unterliegen keinen Standards und sind Mitarbeiter spezifisch. Die Bilanz kann also nur vom ursprünglichen Ersteller an Verfahrensänderungen angepasst werden. Da solche Bilanzen selten ausführlich dokumentiert werden, ist ein Wiederbeleben eines Verfahrens bereits nach einigen Monaten nahezu unmöglich. Ferner können stoffliche Rückführungen mit Tabellenkalkulationsprogrammen nur durch Makros abgebildet werden, die die Mengenbilanzen iterativ lösen. Siemens Axiva dagegen verfügt über das Know-how und die Software-Tools zur Simulation von Batchverfahren und bietet diese für die verschiedensten Aufgabenstellungen als Dienstleistung an.

Neue Verfahren werden im Labor entwickelt und müssen auf den Technikums- oder Produktionsmaßstab übertragen werden. Im Vergleich zu kontinuierlichen Verfahren gibt es bei Batchverfahren zusätzliche Fragestellungen, zum Beispiel der optimale Einsatz des vorhandenen Equipments. Welche Apparate aus dem Apparatepool sind am besten geeignet? Welche Kombination ermöglicht die größte Kapazität? Bei Verfahren mit vielen Apparaten ergibt sich eine große Anzahl von Varianten, die durch Unterstützung mit einem Simulationswerkzeug schnell überprüft werden können (Abb. 1). Zur Lösung bieten sich Simulationskonzepte an, die auf der Rezeptur oder der Herstellanweisung aus der Laborentwicklung beruhen. Die Programmstruktur muss eine logische Trennung von Rezeptur und realer Apparate einer Anlage gewährleisten. Damit wird ermöglicht, dass eine Rezeptur ohne Änderung auf andere Apparate in derselben oder einer anderen Anlage übertragen werden kann.

Hinter der Spezifikation der Rezepturschritte stehen entsprechende Prozessmodelle. Sie stehen in unterschiedlicher Modellierungstiefe vom Short-Cut-Modell bis hin zum rigorosen Modell zur Verfügung. Auf Basis dieser Prozessmodelle kann eine vollständige Mengen- und Energiebilanz des Prozesses berechnet werden und in vielen Fällen auch die Zeit, die für diese Operation notwendig ist. Somit kann beispielsweise durch Verknüpfung mit den entsprechenden Utilities der Dampf-, Kälte- und Kühlwasserbedarf einer Neuanlage ermittelt werden (Abb. 2). Da der Bedarf über den Zeitverlauf der ganzen Produktion vorliegt, ergibt sich hieraus sowohl der Gesamtbedarf als auch die abzudeckenden Spitzenlasten. Nun kann leicht simuliert werden, wie sich durch andere zeitliche Abfolgen Spitzenlasten vermeiden lassen. Dasselbe gilt für die Auslastung der einzelnen Apparate, einschließlich des Verlaufs der Füllstände in den Behältern oder für die Planung von Lagerkapazitäten.

Bei umfangreichen Rezepturen mit mehreren Reaktionsschritten und entsprechend vielen Nebenreaktionen stellt sich oftmals die Frage, wie die Ausbeuteverbesserung an einer bestimmten Stufe die Gesamtkosten beeinflusst. Bei Abbildung des ganzen Verfahrens in einer Prozesssimulation können die spezifischen Kosten für eingesetzte Edukte sowie die Entsorgungskosten für die Abfallströme vorgegeben und die Kosten für das Endprodukt berechnet werden. Dies erlaubt also die direkte Verknüpfung der Ausbeutesteigerung einer oder mehrerer Stufen mit den Produktionskosten, bezogen auf eine bestimmte Menge Endprodukt. Durch die Simulation ist es somit möglich, die Reaktionen mit dem größten Einfluss auf die Produktionskosten zu identifizieren. Dasselbe gilt natürlich auch für bestimmte Trennschritte im Prozessablauf wie Batchdestillationen. Falls mehrere alternative Syntheserouten möglich sind, können diese ebenfalls bereits im Laborstadium hinsichtlich ihrer Kosten bewertet werden.

Eine häufige Fragestellung ist die Ermittlung der Emissionen eines diskontinuierlichen Verfahrens. Zum Beispiel werden beim Befüllen von Behältern und Reaktoren ohne Gaspendelleitung Emissionen durch das verdrängte Gasvolumen freigesetzt. Auch das Spülen von Leitungen oder Trocknungsschritte erzeugen Emissionen. Nicht unerheblich sind die Emissionen während des Betriebs und vor allem während des Anfahrens von Vakuumpumpen. Durch Hinterlegung von Phasengleichgewichtsmodellen und thermischen Stoffdaten ist es möglich, die Emissionen aller Einzeloperationen und die Hauptemissionsquellen zu identifizieren. Interessant sind diese Berechnungen vor allem dann, wenn es darum geht, die Unterschreitung von Emissionsgrenzwerten basierend auf Worst-case-Szenarien rechnerisch nachzuweisen. Außerdem ist es damit möglich, Fahrweisen zu ermitteln, bei denen einzelne Konzentrationsspitzen nicht zeitgleich auftreten. Dies wirkt sich nachhaltig auf die Dimensionierung von Ablufteinheiten wie zum Beispiel Kryokondensator oder Waschkolonne aus. Auch ist es möglich, die so ermittelten Emissionen zu Halbstundenwerten zu summieren (Abb. 3). Damit kann der Nachweis der Unterschreitung der Mindestmengenströme oder der zulässigen Grenzwerte geführt werden.

Des Weiteren ergeben sich bei der Planung von Batchprozessen Fragestellungen, wie die optimale Auslastung der Apparate und damit der Anlage erreicht werden kann. Wie können vorhandene Apparate optimal eingesetzt werden, um die Zykluszeit zu verkürzen? Welchen Einfluss hat etwa die Installation zusätzlicher paralleler Einheiten? Für einfache Rezepturen sind diese Fragestellungen trivial. An umfangreichen Anlagen mit vielen Rückführungen kann die Beantwortung aber an einem Prozessmodell wesentlich schneller und einfacher durchgeführt werden als durch Ausprobieren im täglichen Betrieb. Die Ergebnisse sind Taktpläne, die in Standardprojektsoftware exportiert und als Gantt-Chart dargestellt werden können.

Neben verfahrenstechnischen Engpässen interessieren oftmals auch logistische Beschränkungen. Solche Engpässe sind beispielsweise die nicht vorhandene Analytik am Wochenende, keine Entsorgungsmöglichkeit, da der Tankwagen ausfällt, oder der Ausfall von Pumpen. Hierzu gibt es Logistiktools, die eine statistische Überlagerung von logistischen Engpässen, und damit Rückschlüsse auf eine reale mit Störungen behaftete Jahresproduktionskapazität zulassen.

Auch die Dokumentation von Verfahren bekommt einen immer größeren Stellenwert. Dies hängt nicht zuletzt mit den erhöhten Dokumentationsanforderungen durch GMP im Pharmabereich zusammen. Außerdem fordern die Genehmigungsbehörden bei einer Konzessionierung eine exakte Mengenbilanz. Der Aufwand für eine konsistente und lückenlose Dokumentation ist am geringsten, wenn alle Daten nur einmal vorgehalten werden und Änderungen damit nur an einer Stelle durchgeführt werden müssen. Sind die Verfahren erst einmal in ein Simulationstool eingegeben, so können fast beliebige Dokumente erstellt werden.

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