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PAT wird immer digitaler

Roadmap gibt klare Hinweise auf die Zukunft der PAT
PAT-Lösungen gesucht

Stoßen klassische Messwerte an ihre Grenzen kommt die Prozessanalysentechnik, kurz PAT, zum Einsatz. Im Zuge nachhaltiger Prozesse, geschlossener Stoffkreisläufe und Themen wie Single-Use und personalisierte Medizin nimmt die PAT in den kommenden Jahren auch in der Pharmaindustrie eine zentrale Rolle ein. Wie sich die Namur-Experten diese Rolle vorstellen, haben sie in der Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ zusammengefasst.

Für Prozesssensoren in der pharmazeutischen Industrie gelten enorm hohe Anforderungen bezüglich der Hygiene und der Genauigkeit. Aber auch eine hohe Robustheit der Technik und der im Zuge der Digitalisierung eingesetzten Software ist gefordert, denn die Bedeutung von Zustandsüberwachung und Selbstdiagnose steigt ständig. Auf der anderen Seite wächst der Druck auf die Industrie durch den Klimawandel und dem damit verbundenen Verzicht auf fossile Rohstoffe. Nachwachsende Rohstoffe werden dadurch zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die führt auf lange Sicht zu einer erhöhten Produktion von Pharmazeutika mithilfe von biotechnischen Prozessen, so die Namur-Experten. Hierfür werden neue, innovative PAT-Messtechniken benötigt, die nicht nur den besonderen Anforderungen der Branche gerecht werden, sondern zudem vor allem smart sind. Der schon seit vielen Jahren anhaltende Prozess der Übertragung von Laboranalyseverfahren in die Produktion wird weitergehen, sind sich die Experten sicher.

Digitalisierung als Erfolgsfaktor

Die PAT der Zukunft wird smart sein und neben dem eigentlichen Messwert eine Vielzahl anderer Lebenszyklusdaten, auch Vitalitätsdaten genannt, digital zur Verfügung stellen. So lassen sich beispielsweise Aussagen über den Zustand des Gerätes treffen und vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen anstoßen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aus den gewonnenen Vitalitätsdaten zusätzlich Rückschlüsse auf den Prozess ziehen zu können.

Unterstützt wird dies durch den digitalen Zwilling einer PAT-Komponente. Er kann im einfachsten Fall aus einer Bezeichnung wie Name, Tag oder Seriennummer bestehen, aber auch mit vielen weiteren Daten angereichert werden und schließlich ganze Funktionen repräsentieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit dieser Komponente zu interagieren, auch wenn diese physisch in der Anlage noch gar nicht vorhanden ist. Dies kann beispielsweise die Inbetriebnahme von PAT-Geräten erheblich erleichtern. So kann das Personal bereits vor dem Start der Anlage am digitalen Zwilling eines PAT-Gerätes geschult werden oder es können im Vorfeld Einstellungen ausgewählt werden. Das hat Auswirkungen auf den Lieferprozess: Nach Bestellung einer PAT-Komponente wird zunächst der digitale Zwilling geliefert. Noch bevor das eigentliche Gerät produziert ist, kann es über den digitalen Zwilling konfiguriert werden. Der daraus entstehende Parametersatz wird in der Cloud abgelegt. Bei der eigentlichen Inbetriebnahme des Gerätes wird dieser wieder heruntergeladen. Das Gerät ist sofort betriebsbereit.

Für neue Geschäftsmodelle zwischen Anwender und Hersteller wie beispielsweise die Lieferung von Messdaten statt Messgeräten oder die Zusammenstellung neuer verfahrenstechnischer Anlagen mithilfe standardisierter Module sind digitale Daten ein essenzieller Baustein. Durch Anreicherung der Mess- und Vitaldaten und durch Verdichtung via künstlicher Intelligenz können weitere Informationen über die des Prozesssensors hinaus generiert werden.

Schnittstellen standardisieren

Um das volle Potenzial der Digitalisierung auch in der Pharmaindustrie nutzen zu können, müssen IT und OT zusammenwachsen. Dies geht allerdings nur, wenn standardisierte Schnittstellen vorhanden sind. Propietäre Lösungen wie sie sich derzeit häufig am Markt finden haben irgendwann ausgedient. Um digitale Daten durchgängig und nahtlos verfügbar zu machen, empfiehlt die Roadmap 2027+ an dieser Stelle das herstellerunabhängige Informationsmodell PA-DIM mit einer strukturierten Hierarchie für den standardisierten Datenzugriff. Es setzt auf OPC-UA-Definitionen auf und berücksichtigt auch die Anforderungen an die Informationssicherheit.

Eine häufige Frage in diesem Zusammenhang heißt: Edge oder Cloud? Die Antwort muss heißen: Edge und Cloud. Prozesse, die eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit benötigen, werden zukünftig direkt im Gerät oder auf einer benachbarten Steuerung durchgeführt. Umfangreiche und zeitunkritische Berechnungen werden in die Cloud verlagert, wo die häufig benötigte größere Rechenleistung zur Verfügung steht.

Um PAT einfach in Betrieb nehmen oder austauschen zu können, fordern die Experten in ihrem Papier eine Herstellerunabhängigkeit. D. h., Geräte, die eine bestimmte Funktion ausführen, müssen auch durch Geräte anderer Hersteller mit derselben Funktion ersetzbar sein. Dazu bedarf es eines übergreifenden Modells, das die Fähigkeiten, Dienste und Merkmale von Prozesssensoren verarbeiten kann. Basis für dieses Konzept ist die sogenannte Verwaltungsschale, in der alle Industrie-4.0-Funktionen abgebildet werden.

Anforderungen bei Single-Use-Techniken

Ein besonders spannendes Feld in der pharmazeutischen Industrie sind die sogenannten Single-Use-Technologien. Bereits heute werden täglich Tausende von Einwegfermentern (disposable Fermenter) eingesetzt. Sie bestehen aus einem Kunststoffbeutel, der in ein stabilisierendes Stahlkorsett eingebracht wird. Die Sensorik ist dabei zum Teil direkt in den Beutel integriert, beispielsweise ein pH-Sensor oder ein Sensor für gelösten Sauerstoff. Hier benötigt es einfache Messzellen, die die jeweilige biotechnologische Aufgabe optimal überwachen können. Die klassische PAT wäre hier viel zu aufwendig.

Disposable Sensoren werden also nur einmal verwendet. Dementsprechend kostengünstig müssen sie sein. Eine weitere Anforderung: Die Sensoren müssen bereits kalibriert vorliegen, bevor der Beutel eingesetzt wird. Hier hat sich in letzter Zeit viel getan. Über pH und gelöstes O2 hinaus werden heute nichtinvasive Methoden wie die Raman-Spektroskopie vorangetrieben. Weitere wichtige Messgrößen in disposable Fermentern, für die entsprechende Lösungen gebraucht werden, sind Glucose, Laktat, Zelldichte, Zellvitalität sowie für gelöstes CO2 und O2 in der Gasphase oder im Abgas.

Personalisierte Medizin mit viel Entwicklungspotenzial

Für die personalisierte Medizin werden kompakte Anlagenmodule benötigt, in denen kleine Chargen eines individuellen Medikamentes hergestellt werden können. Nach einer Studie von Roland Berger wird sich das Marktvolumen für diesen Sektor von 1 Mrd. Euro (2020) auf ca. 28 Mrd. Euro (2026) entwickeln. Gänzlich neue Herstellungsprozesse erfordern dann auch spezifische PAT-Verfahren und -Methoden. Dies gilt vor allem für die Zell- und Gentechnologie. Standardmesstechnik wird zwar in angepasster Weise zum Einsatz kommen, doch die Experten sehen auch andere PAT-Strategien. Allerdings gehen sie davon aus, dass sich diese erst im Laufe der nächsten Jahre konkret herauskristallisieren werden, da sich die Herstellung personalisierter Medizin in vielen Bereichen noch im Frühstadium befindet. Aussagekräftige Parameter aus den Bereichen Biochemie und Zellbiologie müssen für die Prozesskontrolle noch erschlossen werden. Im Bereich der Klein- und Kleinstchargenproduktion ergibt sich vor allem für produktverbrauchende Messmethoden wie die Proteinanalytik, die Zytometrie oder die Nukleinsäureanalytik ein Problem: Die analytischen Geräte müssen auf eine Minimierung des Produktverbrauches entwickelt werden. Gleichzeitig sind verlustarme und sterile Schnittstellen zu den Reaktionsgefäßen nötig.

Was ist zu tun?

Die Roadmap Prozess-Sensoren 2027+ gibt zahlreiche Hinweise, was von Geräten zur Prozessanalyse in den nächsten Jahren erwartet wird. Ein fett markierter Punkt auf der Agenda ist sicherlich die Standardisierung. Nur mit ihr ist der zuverlässige und nachhaltige Betrieb der PAT möglich. Um die Möglichkeiten der Digitalisierung nutzen zu können, muss das NOA-Konzept, das mit Blick auf die PAT erarbeitet wurde, Teil der nächsten Gerätegeneration sein. Dazu müssen Anwender und Gerätehersteller eng zusammenarbeiten. Im Bereich der Pharmaindustrie müssen zudem sinnvolle und effiziente Methoden für Single-Use-Technologien und die personalisierte Medizin entwickelt werden.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: Roadmap PAT


Dr. Bernd Rademacher

Redakteur


Dr. Tobias Eifert, Process Analyzer Technology, Covestro, vertritt die Anwender im Arbeitskreis Prozessanalysentechnik von GDCh und Dechema

Statement

Was ist der Kern der Messaufgabe? Um auch in Zukunft die richtigen Antworten für diese zentrale Frage unseres Fachbereiches zu finden, hilft die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ der Namur.

Die Prozessindustrie befindet sich in einer Transformation zu nachhaltigeren Prozessen und richtet sich auf die Kreislaufwirtschaft aus. Was wird das für die PAT bedeuten? Die Messaufgaben werden sich für weite Teile der Prozessindustrie verändern. Nachhaltige Prozesse führen häufig zu neuen Fragen für die PAT (z. B. durch eine höhere Variabilität in den nachwachsenden oder rezyklierten Rohstoffströmen), die heute nur teilweise gelöst sind.

Damit die PAT diesen Prozessen optimal dienlich sein kann, müssen die aufkommenden Messaufgaben so früh wie möglich im Kern verstanden werden. Die Grundlagen hierfür werden in der Prozessentwicklung gelegt, in der die PAT durchgängig vom Labor ins Feld als integraler Bestandteil zum Einsatz kommen sollte. Für die neuen Prozesse mit Messaufgaben, die heute ungelöst sind, müssen sich PAT-Anwender, Instrumentenhersteller sowie Hochschulen und Forschungsinstitute im Trialog weiter zusammenschließen und gemeinsam die nötigen Lösungen erarbeiten.

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