Intelligent steuern mit PAT

Prozessanalytik: Kosten- und Leistungsdruck fordern kreative Lösungen

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12.03.2009 Die Prozessanalytik wird seit Jahrzehnten von Chemikern und Ingenieuren als Werkzeugkasten zum Monitoring und zur Verbesserung von Entwicklungs- und Produktionsprozessen eingesetzt. In dieser Zeit haben sich die Bestandteile des Werkzeugkastens zwar deutlich verändert, dennoch ist das Grundprinzip gleich geblieben: Man muss den Prozess einer chemischen oder physikalischen Veränderung beobachten, verstehen und kann dann den oder die kritischen Parameter durch eine intelligente Prozesssteuerung innerhalb der gewünschten Grenzen halten.

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In der chemischen Industrie sind allgemein zwei Arten von Prozessen vorzufinden. Das sind kontinuierlich betriebene Anlagen und Prozesse in der Großindustrie sowie sogenannte Batch-Prozesse in Spezialchemie und Pharmaproduktion. Etwa 15% der Produktionsprozesse werden mit kontinuierlich arbeitenden Anlagen betrieben. Bei 85% der Prozesse handelt es sich allerdings um Batch-Prozesse mit einem deutlich geringeren Produktionsvolumen. Die Anlagen sind oft nicht speziell an den Prozess angepasst und eine spezifische Prozesssteuerung fehlt in den meisten Fällen.

Im Idealfall ergeben sich aus einem integrierten systematischen Ansatz aus Prozessanalytik und Prozesssteuerung wesentliche Vorteile für die wettbewerbsfähige Herstellung von kundennahen Produkten. Folgende Ziele stehen dabei im Mittelpunkt:

  • Erhöhung der Produktivität durch Maximierung des Materialflusses und der Ausbeute,
  • Minimierung des Energie- und Ressourcenbedarfs sowie der Sicherheitszuschläge im Produktionsbetrieb,
  • weniger Reklamationen, höhere operative Flexibilität,
  • vorausschauende Wartung, integrierte Selbstdiagnose, zunehmende Fernkalibrierung und Steuerung im Rahmen der fortschreitenden Globalisierung,
  • 100 %-konstante und zertifizierte Qualität und
  • verbesserte Netzwerkfähigkeit (WLAN/Feldbus)

 

Während vor 10 bis 15 Jahren die Produktion in vielen Fällen aus Kostengründen von den westlichen Industrieländern nach Osteuropa und Asien verlagert wurde, wird inzwischen ein Nebeneffekt der Globalisierung sichtbar. Sobald die Globalisierung weltweit gleiche Wirtschaftsstandards erzeugt hat, sind auch die Löhne rund um den Globus vergleichbar. Es bleiben dann nur noch das Innovationspotenzial der Forschung und die Qualität der Prozesse in Entwicklung und Produktion als Wettbewerbsvorteil erhalten. Inzwischen geht man davon aus, dass die Personalkostenunterschiede bei hoch qualifizierten Mitarbeitern etwa ab dem Level Ingenieur aufwärts in Osteuropa bei weniger als einem Drittel Kostenvorteil und in China nur noch bei 50 % Kostenvorteil liegen. Der verbleibende Kostenunterschied lässt sich bereits heute mit technischen Mitteln der Kosten- und Ressourceneinsparung und durch höhere Qualität ausgleichen. Einen Schlüssel hierzu stellt die Prozessanalytik dar.

Werkzeuge der Prozessanalytik

Erreicht werden können diese Ziele aber nur, wenn auch die erforderlichen Werkzeuge vorhanden sind. In einem speziellen Bereich, der Pharmaindustrie, wird der Einsatz der Prozessanalysentechnik seit einigen Jahren sehr stark durch die PAT (Process Analytical Technology)-Initiative der amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA (Food and Drug Administration) und weitere Ansätze wie QbD (Quality by Design) und PQLCI (Product Quality Life Cycle Implementation) vorangetrieben.

Viele Hersteller bieten eine Fülle von Prozessanalysatoren an, und fast jede Methode, die im Labor eingesetzt wird, kann prinzipiell auch im Prozess verwendet werden. PAT-Geräte in Prozessen werden dabei in Prozessnähe (at-line), unter Probenahme (on-online) oder im Prozess selbst (in-line) überwacht und gesteuert. Die Art der Steuerung hängt im Idealfall von der Zeitachse des Prozesses ab. „Kostengünstiger ist die Prozessanalytik in der Regel bereits ab einer Analyse pro Tag“, erklärt Dr. StefanStieler von der BIS Prozesstechnik, „denn Prozessanalysenanlagen messen auch an Wochenenden und Feiertagen, ohne dass Schichtdienst erforderlich wäre.“

Einsatz von Prozessanalytik in der industriellen Produktion

In der großchemischen Industrie begleitet Analytik den gesamten Prozess, angefangen von der Forschung über die Entwicklung bis hin zur Produktion. In der Produktion hat PAT die Aufgaben der Qualitätssicherung und der Gewährleistung der Sicherheit der Anlagen übernommen. Durch neue Technologien und zunehmende Flexibilität zieht die Prozessanalytik heute immer mehr in die Technikumslabore ein und wird in noch weit stärkerem Maße bei der Verfahrensentwicklung und zur weiteren Optimierung von Kosten- und Energie- sowie Rohstoffeffizienz eingesetzt werden.

Die Pharmaindustrie stellt einen Sonderfall dar. Die Wirkstoffproduktionsmengen sind in vielen Fällen klein verglichen mit der Großchemie, die Qualitätsanforderungen sind jedoch besonders hoch und der regulatorische Druck zur Sicherung der Qualität bei gleichzeitiger Forderung der Politik nach niedrigeren Kosten ist enorm. Daher ist die Pharmaindustrie in einer Vorreiterrolle beim Einsatz hochflexibler Ansätze der Prozessanalytik.

Prozessanalytik der nahen Zukunft

Die optische Molekül-Spektroskopie hat sich in den letzten Jahren als „Arbeitspferd“ in der Prozessanalytik etabliert. Eine Miniaturisierung und damit eine erhebliche Reduktion der Kosten kann in absehbarer Zeit erreicht werden. Der nächste Schritt liegt darin, die optische Spektroskopie als Werkzeug auch für bildgebende Systeme zu nutzen wie z. B. im Chemical Imaging oder der Reaktionstomographie. Auch komplexe spektroskopische Analysentechniken wie die Massen- oder NMR-Spektroskopie werden langfristig als Standardverfahren in Frage kommen, nicht zu vergessen das breite Gebiet der Partikelanalytik.

Die Anwender fordern niedrigere Kosten, insbesondere für die Atex -Fähigkeit der Geräte. Dieser Wunsch verläuft parallel zum Trend der Miniaturisierung. Das führt z. B. auf dem Gebiet von MEMS-(Micro Electro Mechanical System)-Spektrometern zu vielversprechenden Geräteentwicklungen. Die Synergie von Halbleitertechnologien und Informationstechnologie in der Analytik hat aber auch bei der Miniaturisierung der Gaschromatografie zu erheblichen Fortschritten geführt. Als Beispiel ist hier der MicroSAM (Single Analyser Module) zu nennen. Weitere Entwicklungen sind auch auf dem Gebiet der Ionen-Mobilitätsspektrometer zu erwarten.

Automatisierung der PAT

Unbestritten sind die Notwendigkeit zur weiteren Automatisierung in der Prozessanalytik und der enorme Bedarf zur Integration geeigneter Software. Ziel ist dabei, Prozessanalysensysteme so modular aufzubauen, dass „Plug and play“-Installationen Wirklichkeit werden, die der Anwender vollkommen als Black-Box einsetzen kann. Auch die komplexe Datenanalyse, die aus den großen Datenmengen der modernen Prozessleitsystemen letztlich Wissen erzeugen soll, wird mehr und mehr zum Einsatz kommen. Insofern haben moderne Methoden der multivariaten Datenanalyse mittlerweile auch in Deutschland Konjunktur. Ein großes Problem bei der Umsetzung prozessanalytischer Fragestellungen in den Betrieb ist aber nach wie vor der hohe Aufwand für die Kalibrierung. Deshalb werden Systeme entwickelt, die in der Lage sind, kalibrationsfrei auch quantitative Modelle zu generieren.

Heftausgabe: März 2009

Über den Autor

ACHEMA 2009, Beitrag auf Basis des TrendberichtsProzessanalysentechnik
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