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Automatisierungstechnik für Single-use-Anlagen

Zuverlässige Fluid Control vom Einwegventil bis zur IIoT-Lösung
Automatisierungstechnik für Single-use-Anlagen

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Single-Use-Technologien sorgen für geringere Arbeits-, Material- und Anlagenkosten und können darüber hinaus die Markteinführung eines Arzneimittels beschleunigen. Eine zentrale Rolle für effiziente Einwegsysteme kommt der Flüssigkeitsregelung (Fluid Control) zu. Mit automatisierten Systeme und Prozesslösungen lassen sich beispielsweise Produktentwicklungszeiten verringern, die Sicherheit für das Personal erhöhen und die Produktivität der Anlagen steigern.

Da Biologika und personalisierte Medizin auf dem Vormarsch sind, stellt die biopharmazeutische Industrie zusehends von Großserien-Produktionsverfahren auf die Herstellung von Einwegsystemen um. Single-Use-Technologien bieten Abhilfe für eine der größten Herausforderungen, mit denen es Hersteller von Biopharmazeutika zu tun haben: Ausfallzeiten. In der Regel bestehen diese Produkte aus platinvernetztem Silikon oder biopharmazeutischem Kunststoff und werden nach jedem Gebrauch entsorgt. Infolgedessen ist der Reinigungsschritt zwischen den Chargen bei Single-Use-Produkten nicht mehr notwendig; der Wechsel zur nächsten Charge erfolgt also schneller als mit der Edelstahlapparatur. Beispielsweise kann die Umstellung einer Prozesslinie bei einem Bioreaktor aus Edelstahl bis zu zehn Stunden für das gleiche Produkt in Anspruch nehmen, und bis zu drei Wochen für eine komplette Produktumrüstung. Im Vergleich dazu braucht man bei einem Einwegbioreaktor lediglich ein paar Stunden zwischen den Chargen. Aufgrund der schnellen Umrüstung sorgen Single-Use-Produkte für einen wesentlich höheren Durchsatz und ermöglichen kleinere und effizientere Chargen. Außerdem können sie den Herstellern zu einer besseren Ökobilanz am Produktionsort verhelfen und die Kosten für Lüftung, Heizung und andere Betriebsmittel reduzieren.

Biopharmazeutische Unternehmen, die auf die Single-Use-Produktion umsteigen, sollten mit Fluidexperten wie Emersonzusammenarbeiten, die Produkte für die Prozessautomatisierung anbieten. Dazu gehören Automatisierungslösungen für Ventile, Luftaufbereitungsanlagen und ganzheitliche Instrumentierungslösungen. Ein solcher Experte kombiniert seine Produkte mit relevantem Branchen-Know-how, um die jeweils am besten passende Lösung zu finden. Dabei stehen für Single-Use-Systeme vielfältige Möglichkeiten von der Automatisierung einzelner Ventile bis hin zu modernsten Steuersystemen bereit.

Das richtige Schlauchquetschventil

Für eine automatisierte Prozesssteuerung sorgen zum Beispiel Einweg-Schlauchquetschventile bei Bioreaktoren und Gärtanks, Chromatografie, Skid-Systemen für die Tangentialflussfiltration (TFF) und bei anderen Laboranwendungen in der Arzneimittelforschung. Dabei sind vor allem Ventile interessant, bei denen der Quetschmechanismus die flexiblen Rohre fixiert und so jegliche Störungen der Prozessmedien minimiert und Beschädigungen der Rohrleitungen durch wiederholten Gebrauch verhindert.

Noch vor dem Produktdesign sollte der Fluidexperte immer die Bedienersicherheit vor Augen haben. So müssen Quetschventile zum Beispiel eine Schutzvorrichtung enthalten, sodass die Bediener sicher rund um den Quetschmechanismus hantieren können, sowie eine Handnotbetätigung zum Einführen oder Entfernen der Rohre ohne Ventilbetätigung. Zusätzlich zur erhöhten Sicherheit für den Bediener ermöglicht dieses verbesserte Ventildesign einen schnelleren Aufbau, senkt die Kosten und erleichtert außerplanmäßige Wartungsarbeiten. All diese Faktoren sind entscheidend für die Maximierung der Betriebszeit bei Single-Use-Anwendungen.

Zudem kommt das richtige Quetschventil nicht mit den Prozessmedien in Kontakt, verfügt über eine lange Lebensdauer und bietet eine zuverlässige Quetschkraft, ohne dass eine elektrische Verbindung notwendig wäre. Aufgrund möglicher Rohrbrüche oder Wassereinwirkung sollte es außerdem korrosionsbeständig sein.

Automatisierte Prozesssteuerung

Da der Markt für Single-Use-Systeme weltweit wächst, zahlt es sich aus, mit einem einzigen globalen Anbieter zusammenzuarbeiten. Der Anbieter sollte eine breite Palette von Systemen und Lösungen im Programm haben, die die Produktqualität erhöhen, zuverlässig arbeiten und die Betriebskosten reduzieren. Neben den Quetschventilen, die Abhilfe für viele Probleme aufgrund von Stillstandszeiten und Bedienersicherheit bei Single-Use-Anwendungen bieten, sind Wegeventile, Kommunikationsprotokolle, Luftaufbereitungsanlagen und weitere Technologien erforderlich , die allesamt miteinander kompatibel sein sollten. Winkelkolbenventile bewähren sich beispielsweise beim Einsatz mit aggressiven Flüssigkeiten wie Dampf, Heißwasser, Lösungsmitteln und leichten Schlämmen in CIP- und SIP-Anwendungen. Diese Ventile in geradliniger Gehäusebauart werden mit Luft- oder Wasserdruck betrieben und mit fortschrittlichem Zubehör angeboten. Dazu gehören eine optische/elektrische Stellungsanzeige, ein kompakter Stellungsregler für die Proportionalregelung und ein Hubbegrenzer für noch mehr Präzision.

Weitere Beispiele

Ventilblöcke in modularem, flexiblem Aufbau vereinfachen die Installation, Inbetriebnahme und Systemintegration bei Single-Use-Anwendungen. So lassen sich Engineering-Kosten einsparen und die Markteinführung beschleunigen. Mit den Plug-and-Play-Systemen werden hohe Durchflussraten und sehr gute Ein- und Ausgangsfähigkeiten (Input/Output) erzielt. Sie sind mit allen gängigen Industrieprotokollen kompatibel und mit einer Druckabsperr-Funktion ausgestattet, wodurch einzelne Ventile ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses ersetzt werden können: Und das wiederum sorgt für eine weitere Reduzierung der Stillstandszeiten und des Wartungsaufwands bei Single-Use-Anwendungen. Die Effizienz der Ventile lässt sich darüber hinaus dank moderner Elektronik weiter optimieren. Elektronische Feldbus-Plattformen versorgen pneumatische Ventilinseln mit Feldbus- und Ethernet-Konnektivität und besitzen außerdem eine Grafikanzeige zur Konfiguration, Inbetriebnahme und Diagnose. Sie ermöglichen speicherprogrammierbaren Steuerungen in Single-Use-Systemen das effizientere Ein-/und Ausschalten von Ventilen. Sie regeln auch die kanalbasierte Übertragung von E/A-Daten von Sensoren, Anzeigeleuchten, Relais, einzelnen Ventilen oder anderen E/A-Geräten über diverse industrielle Netzwerke. Weitere Optimierungsmöglichkeiten sind:

  • Stillstandszeiten lassen sich durch hochwertige Luftaufbereitungsanlagen für die pneumatischen Systeme reduzieren. Modulare Filter-Regler-Öler-Einheiten (FRL), jeweils mit Spannschellen zwischen den Gehäusen, erleichtern Montage, Installation und Wartung. Dank der optionalen Endplatten lässt sich die Ventilinsel durch Lösen der Schrauben schnell entfernen, sodass Ausfallzeiten bei Single-Use-Systemen auf ein Minimum beschränkt sind.
  • Die Leistung der Produktionsanlage lässt sich mit hochmodernen Steuersystemen optimieren. Prozessleitsysteme können den Herstellungsprozess durch mehr Agilität bei Single-Use-Anwendungen verbessern, indem sie dem jeweiligen Bedarf in Echtzeit gerecht werden. Diese benutzerfreundlichen Automationssysteme umfassen meist eine ganze Reihe von Serviceleistungen, die komplexe Betriebsabläufe vereinfachen und Projektrisiken reduzieren. Sie lassen sich nach spezifischen Anforderungen der Biotech-Industrie flexibel anpassen: Die Skalierbarkeit ganz ohne zusätzliche Komplexität ist gewährleistet.
  • Die Digitalisierung von Komponenten und Systemen liefert den Produktionsmitarbeitern und -managern direkt verwertbare Echtzeitdaten. Dank fortschrittlicher Technologien für die Vernetzung und sensorgesteuerte, intelligente Komponenten können alle Beteiligten in der gesamten Wertschöpfungskette Informationen und Daten austauschen. Diese Lösungen unterstützen und verbessern Faktoren wie Produktionseffizienz, Energiemanagement und Integration der Single-Use-Lösung.

Anwenderspezifischer Schaltschrank

In Reinräumen oder Umgebungen mit Spülvorgängen bedarf es einer schnellen, einfachen und platzsparenden Methode zum Schutz empfindlicher elektrischer und pneumatischer Komponenten. Integrierte Schaltschränke sind hier die Lösung: Als vormontierte, geprüfte und einsatzbereite Einheit schützen sie empfindliche Anlagen vor Korrosion und Beschädigungen. Diese schlüsselfertigen Paketlösungen bleiben auch dann intakt, wenn sie regelmäßig aggressiven Reinigungsmitteln ausgesetzt sind. Derartige Schaltschränke sind nicht nur ideal bei Biotech-Anwendungen, sondern auch in den Bereichen Life Sciences, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, Chemie- und Verpackungsindustrie. Die Ventilsysteme verfügen über ein innovatives Display mit deutlicher Anzeige der Standardeinstellungen für eine schnellere Installation und Inbetriebnahme. Eine individuelle Abschaltfunktion sorgt dafür, dass das Ventilsystem für Dauerprozesse geeignet ist. Denn das Ventil kann auch ausgetauscht werden, wenn die Ventilinsel unter Druck steht.

Emerson Electric Co., Saint Louis, United States


Autor: Audrey Richard

Product Marketing Manager for Life Sciences,
Emerson

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