Prozessdaten in Echtzeit. PAT ist Wegbereiter für Industrie 4.0 - prozesstechnik online

PAT ist Wegbereiter für Industrie 4.0

Prozessdaten in Echtzeit

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Mit dem Voranschreiten von Industrie 4.0 wird sich auch die Prozessanalysentechnik stärker verbreiten. Durch moderne PAT-Methoden werden sichere und präzise Daten verfügbar und auswertbar gemacht und das in Echtzeit. Dies ist die Basis, um abgestimmte Aktionen abzuleiten. Bei vielen Anwendern stößt das Thema zwar auf Interesse, es herrscht jedoch noch Unsicherheit. Hier gilt es, konkrete Informationsarbeit zu leisten, um vor allem die Betriebs- und Produktionsleiter zu überzeugen.

PAT ist in der Basis-, Fein- und Spezialchemie inzwischen fest etabliert. Auch die Petrochemie hat die Vorteile erkannt und im Bereich Food & Feed ist vor allem die Milch- und Bierindustrie an Lösungen sehr interessiert. Auch in Pharmazie, Lifesciences und Biotechnologie nimmt das Thema PAT zunehmend Fahrt auf, wenngleich die Verbreitung dort noch deutlich geringer ist als in der chemischen Industrie. Dies ist häufig noch der Tatsache geschuldet, dass Pharmawirkstoffe in der Regel nicht kontinuierlich, sondern in Batchprozessen hergestellt werden. So erfolgt die Qualitätssicherung und Chargenfreigabe meist noch offline in einem Labor. Durch strenge Regulatorien und viel Dokumentationsaufwand unterliegt der Lifesciences- und Biotechnologiesektor allerdings auch besonderen Bedingungen. Verfahren und Produkte sind stark an nationale und internationale Regelwerke gekoppelt, die nachträgliche Anpassungen im Prozessumfeld nicht einfach machen. Ansatzpunkte für PAT gibt es hier dennoch genügend. So können in der Tablettenproduktion spektroskopisch z. B. die Überwachung der Mischgüte, Synthese und Reaktionsendpunktüberwachung auch die Homogenität der Mischung, Feuchte, Polymorphismus und Gleichförmigkeit der Beschichtung überwacht werden.

Basis für Optimierungen

Trends wie Industrie 4.0 und Continuous Flow Production nehmen eine treibende Rolle ein, Online-Analysenmesstechnik zu forcieren. Denn diese ist Voraussetzung, um kontinuierliche Prozesse überhaupt betreiben zu können. So kann z. B. der Wirkstoffgehalt in der Tablettenmatrize in Echtzeit kontinuierlich gemessen werden, ohne den Produktionsprozess unterbrechen zu müssen. Diese Echtzeitmessungen wiederum schaffen die Voraussetzung für die Freigabe der Reaktionsprodukte (Real time release) im Sinne von Zulassungsbehörden wie die FDA. So unterstützt Online-Analytik auch aktiv das Verständnis von Reaktionsprozessen, was wiederum Basis für Optimierungen darstellt.

Die Integration von PAT-Systemen wird häufig noch als sehr aufwendig und komplex angesehen. Allerdings überwiegen mittelfristig die Vorteile, da aus der Verknüpfung von Datenmanagement, Analysedaten und Prozessmodell ein deutlich effizienteres Prozessdesign und dessen Bedienung resultieren. Besonders interessant ist die Analytik mittels Licht, bei der entweder berührungslos oder per Tauchsonde Signale gemessen und ausgewertet werden. Messungen mittels Raman-, MIR-, NIR- oder UV/VIS-Spektroskopie sind in vielen Branchen und Applikationen möglich und unterstützen aktiv die Prozessführung und -überwachung. Wie viel Nutzen es bringt, bisher im Labor ausgeführte Analysearbeiten direkt an die Linie zu verlagern, zeigen zwei sehr unterschiedliche Beispiele: die Online-Überwachung der Zellviabilität und die Inline-Analyse von Inhaltsstoffen bei Softdrinks.

Überwachung der Zellviabilität

Bei dieser aus der Biotechnologie und Biopharmazeutikum stammenden Applikation geht es um das UV-/Vis-Online-Monitoring von Vitalitäts- und Apoptose-Verhalten von Säugerzellen. Die besondere Herausforderung lag dabei in der Komplexität und Variabilität des Systems, der niedrigen Konzentrationen wichtiger Analyten und der Beeinträchtigung von Messdaten durch eine störende Wassermatrix. Mittels einer spektroskopischen Ganzquarz-Tauchsonde ist es gelungen, den Prozess des Zellwachstums inline und in Echtzeit zu überwachen. Dies ermöglicht nun ein frühzeitiges Eingreifen wenn z. B. ersichtlich wird, dass der Prozess außerhalb der gewünschten Bedingungen läuft und z. B. die Mortalität der Zellen ansteigt. Besonderen Wert wurde im Rahmen der Lösung darauf gelegt, dass mit der Tauchsonde ein sehr guter Transmissionsgrad erzielt wird, sodass die Sensitivität des Systems erhöht wird und früher Maßnahmen eingeleitet werden können. Die im Prozess eingesetzten Ganzquarz-Sonden von Hellma besitzen einen monolithischen Messkopf aus Quarzglas, der flüssigkeitsdicht mit einem Quarzrohr verbunden ist. Dichtungsmaterialien werden dadurch überflüssig. Wie bei einer Küvettenmessung wird das zu untersuchende Medium nur einmal durchstrahlt. Die Verwendung eines Umlenkprismas mit zwei totalreflektierenden Flächen führt hierbei zu sehr geringen Streulichtwerten. Die Sonden sind beständig gegenüber aggressiven Säuren sowie organischen Medien und auch bei tiefen Temperaturen bis -180 °C einsetzbar.

Inline-Analyse von Inhaltsstoffen

In lebensmittelverarbeitenden Betrieben gibt es hohe Hygienestandards (3-A oder EHEDG). Dies betrifft die Produktionsanlagen und alles, was in Kontakt mit dem Produkt kommen könnte. Um die Keimzahl in Produktionsanlagen möglichst gering zu halten, werden regelmäßig Reinigungszyklen (CIP – Cleaning In Place) durchgeführt. Das optische Analysesystem misst im tiefen UV-Bereich und liefert molekulare Informationen über die chemische Zusammensetzung des Softdrinks. Durch die Inline-Platzierung einer Tauchsonde im Prozess werden präzise und zuverlässig rund um die Uhr Messergebnisse geliefert. Reichte es früher aus, die Qualität der zuckerhaltigen Getränke mittels Summenparameter wie Dichte-, Brix- und Leitwertmessungen zu überprüfen, erfordern die Softdrinks von heute die Messung spezifischer Einzelkomponentenparameter wie Gesamtsäure, Koffein, Rezeptüberprüfung, Aspartam, Acesulfam, Saccharin, Stevia, Vitamin B2, B3, B6, B12, Vitamin C und weitere mehr. Für diese Messaufgabe wird eine 3-A-zertifizierte optische UV-/Vis-/NIR-Tauchsonde von Hellma verwendet. Alle Oberflächen mit Produktkontakt lassen sich gemäß den 3-A-Standards reinigen und sterilisieren, d. h. sie sind CIP- und SIP-fähig. Bei Nutzung der Schutzhülle und Einhaltung der Temperatur- und Druckspezifikationen ist die Sonde auch autoklavierbar. Die Optik ist aus Quarz oder Saphir gefertigt, das Sondenrohr besteht aus elektropoliertem Edelstahl (316 L). Die Abdichtung erfolgt mit Kalrez- und/oder Perlast-Dichtungen. Der Wellenlängenbereich liegt zwischen 400 und 2300 mn (NIR) sowie 190 und 1100 nm für Quarz oder 240 und 1100 nm für Saphir (UV/Vis solarisationsarm).

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav1217hellma


Autor: Dr. Oliver Mandal

Produktmanager Faseroptische Systeme,

Hellma



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