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Nach 100 Jahren Prozessanalytik Arbeitskreis Prozessanalytik trifft Industrie 4.0

Redakteur: Tobias Hüser

100 Jahre Prozessanalytik sind ein Grund zu feiern, und wo könnte der Arbeitskreis Prozessanalytik besser feiern als beim Erfinder des Pfeifenanalysators? Im Feierabendhaus der BASF in Ludwigshafen diskutierten deshalb 200 Wissenschaftler, Anwender und Gerätehersteller über das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 und die automatisierte Prozessführung.

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Kolloquiums-begleitende Ausstellung der Geräte- und Softwarehersteller
Kolloquiums-begleitende Ausstellung der Geräte- und Softwarehersteller
(Bild: Arbeitskreis Prozessanalytik)

Mit dem Themenschwerpunkt „Prozessanalytik in Produktionsverfahren: Prozessführung und -automatisierung“ lockte das von der Dechema und der GDCh getragene 9. Kolloquium des Arbeitskreis Prozessanalytik knapp 200 Mitglieder und Gäste nach Ludwigshafen.

Zu Beginn stellte sich Dr. Mukul Agarwal von Bühler der Frage, wie eine intelligente Prozessführung bei komplexen Mischaufgaben, wie von Getreidemühlen zu bewältigen, gelingt. In mehreren Prozessstufen wird das Mahlgut vermahlen und zu 30 bis 80 Zwischenmehlströme aufgetrennt. Wie am Ende das Mischverhältnis der fertigen Mehle aussieht, ist von den Qualitätsmerkmalen und der Ausbeute der Zwischenmehle abhängig.

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„Diese komplexen Entscheidungen können anhand eines Software-Tools gezielter gefällt werden“, sagte Agarwal. Das Programm optimiert die möglichen Lösungen für den gesamten Bereich der Soll-Spezifikationen und erlaubt dem Obermüller, die Endmehle in kurzer Zeit sukzessiv und iterativ festzulegen.

NIR-Spektroskopie für die Pharmaindustrie

Das die NIR-Spektroskopie über die letzten Jahre vor allem bei Online-Applikationen an Bedeutung gewonnen hat, erläuterte Dr. Holger Lutz von Bruker Optics. Besonders in der Pharmaindustrie gebe es neue Handlungsfelder, so Lutz. Lange wurde die NIR-Spektroskopie dort für die Wareneingangskontrolle der Rohstoffe genutzt. Heute sei sie aber auch der Schlüssel zur Überwachung der kritischen Qualitätsattribute (CQA´s) und Prozessparameter (CPP´s) von Herstellprozessen. So könne die Produktqualität verbessert und Ausschussraten reduziert werden.

PAT in Smart Factories

Den Abschluss des ersten Veranstaltungstages bildete eine Podiumsdiskussion unter der Leitung von CT-Chefredakteur Armin Scheuermann. Dieter Schaudel (Schaudelconsult), Prof. Rudolf Kessler (Hochschule Reutlingen), Dr. Michael Kloska (BASF) und Dr. Thomas Natschläger (Software Competence Center) diskutierten über die Relevanz von Industrie 4.0 für die PAT.

Schaudel sprach mit Blick auf das Zukunftsprojekt Klartext: „Was mit dem „Internet der Dinge“ so langsam auch in den Prozessindustrien in Bewegung kommt, wird auch die PAT-Abteilungen dazu zwingen, ihr selbstgebautes und von innen verteidigtes Ghetto zu öffnen.“ Dafür müssten IT-Spezialisten in die PAT-Teams integriert und unternehmensweit neue Vernetzungen gebildet werden. Zudem forderte er die PAT-Verantwortlichen auf, die Kooperations- und Standardisierungsbemühungen der Plattform „Industrie 4.0“ aktiv oder über die Namur mitzugestalten.

Das eine wissensbasierte Produktion nur mithilfe intelligenter Sensoren gelingen wird, unterstrich Kessler. In Smart Factories werde man die gesamte chemische Zusammensetzung und gleichzeitig auch die morphologische Struktur der eingesetzten Materialien und Zwischenprodukte erfassen – sogar auf molekularer Ebene.

Dafür seien neue Konzepte der Wissensvermittlung wie z. B. interdisziplinäre Masterstudiengänge notwendig. „In Zukunft werden Industriezweige nur dann innovativ sein, wenn sie in der Lage sind, Forschungsergebnisse aus höchst unterschiedlichen Bereichen so miteinander zu verknüpfen, dass neue Systeme und Produkte entstehen“, sagte Kessler.

Am zweiten Veranstaltungstag drehte sich alles um Prozessführung und Zukunftstechnologien. Dr. Martin Gerlach von Bayer Technology Services blickte auf die Trends, die sich derzeit in der PAT-Branche abzeichnen. Eine automatisierte Prozesssteuerung arbeite längst nicht mehr nur auf der Basis von Temperatur-, Druck- und Durchflussmessungen. Temperaturprofile und Einzelstoffkonzentrationen in der Großproduktion würden ständig an Bedeutung gewinnen, wenn es darum geht, Produktionen in der Prozessindustrie am Optimum zu fahren.

Zudem spielen Konzepte wie die Mikroverfahrenstechnik und Smart Factory eine immer wichtigere Rolle in der betrieblichen Praxis. „Es zeichnet sich ein deutlicher Trend zur Miniaturisierung in der Messtechnik und zur ppb Analytik für Gase ab“, so Gerlach. Aus seiner Sicht müssen drei Punkte erfüllt werden, um die Produktionseffizienz mithilfe der PAT auch in Zukunft weiter zu steigern:

  • Präzise, wartungsarme und kostengünstige Sensoren und Analysatoren,
  • Ausgereifte und robuste Verfahren für die Aggregation komplexer Datenpools,
  • Durchgängige Konzepte für die automatisierte Prozessführung auf Basis von PAT-Messungen und Asset Management.

„Auch in der Biotechnologie beginnen automatisierte Laborverfahren als Online-Methoden für die Prozessführung eine größere Rolle zu spielen“, sagte Gerlach. Nicht nur für pharmazeutische Produkte, sondern auch in der weißen Biotechnologie steht der Einsatz von Sensoranalytik aber erst am Anfang. Um diese Prozesse eines Tages sicher messen zu können, hat sich auch der Arbeitskreis das Thema auf seine Fahnen geschrieben – das 10. Kolloquium in diesem Jahr wird sich verstärkt der Biotechnologie widmen.

Auf der nächsten Seite finden Sie ein Interview mit Dr. Michael Maiwald von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im PROCESS-Interview spricht er über die Zukunftsthemen Industrie 4.0 und Bioprozessanalytik

PROCESS: Herr Maiwald, wie wird sich die Prozessanalytik durch das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 verändern?

Maiwald: Für die Prozessanalytik ist der Gedanke an intelligente Maschinen gar nicht so neu. Die PAT kann für jede produzierte Charge die Konformität zu akzeptierten Qualitätsmerkmalen aufzeigen. Wenn auf diese Weise ein Qualitätssicherungssystem gestaltet wird, kann die Variabilität von qualitätsrelevanten Einflüssen, wie schwankende Eigenschaften von Ausgangs- und Zwischenprodukten oder Umgebungsbedingungen, abgefangen werden. Das erlaubt variable, qualitätskorrelierte und automatisierte Steuerungen. So wird auch eine dezentralisierte und vernetzte Wertschöpfungskette für weltweit bestehende Produktionsanlagen möglich.

PROCESS: Sehen Sie Handlungsbedarf bei der Entwicklung von Sensoren für biotechnologische Verfahren?

Maiwald: Für die biotechnologische Prozessanalytik ist das Entwicklungspotenzial enorm groß, um nicht zu sagen, man steht eigentlich noch völlig im Dunkeln. Im Vergleich zu chemischen Prozessen ist die Biotechnologie durch eine ungeheure Komplexität von nicht-linearen intrazellulären Vorgängen und Wechselbeziehungen charakterisiert. Stark unterschiedliche Konzentrationen und Eigenschaften der Zielmoleküle erschweren die Messaufgaben zusätzlich. Sensoren für die Online-Erfassung von Zielproteinen gibt es heute noch nicht. Ein Prozessverständnis wird daher praktisch komplett indirekt abgeleitet, z. B. aus der Messung von Biomasse, Metaboliten und Substraten.

PROCESS: Anwendungen zum Recycling von Einsatzstoffen stellen neue Anforderungen an die PAT. Gibt es hierfür bereits PAT-Produkte?

Maiwald: Im Sensor-based-Sorting werden bereits innovative Techniken auf Basis der optischen Spektroskopie oder Bildgebung eingesetzt, die in Echtzeit sortieren, z.B. Kunststoffschnipsel oder Reiskörner. Für das Recycling von Glasscherben wird auch die Röntgenfluoreszenzspektroskopie auf Transportbändern eingesetzt.

PROCESS: Ist die Ermittlung von Grenzflächen/-phasen mit PAT mittlerweile möglich?

Maiwald: In vielen Fällen funktionieren die klassischen Füllstandstechniken nicht zuverlässig. Derzeit kommen Sensoren auf den Markt, die auf dem Prinzip der kernmagnetischen Resonanz basieren.

PROCESS: Die NIR-Spektroskopie ist das am häufigsten eingesetzte spektroskopische Verfahren in Prozessen. Wo begann die Erfolgsgeschichte?

Maiwald: Die Erfolgsgeschichte der NIRS auf dem Weg vom Labor in den Prozess begann interessanterweise in der streng regulierten pharmazeutischen Forschung und Entwicklung. Mittlerweile ist das Verfahren in der Produktion angekommen. Nicht unbedeutend war dabei die Verankerung der Methode in internationalen Pharmakopöen und natürlich die PAT-Initiative der FDA. Eine erhebliche Herausforderung der Online-Messtechnik ist heute noch die sehr aufwendige Kalibrierung und Justierung mit echten Prozessdaten unter Prozessbedingungen in einem ausreichend umfangreichen Datenraum. Einflüsse von Trübung und Streuung der Matrix werden oft nicht ausreichend verstanden und berücksichtigt.

* Der Autor ist Redakteur bei PROCESS. E-Mail-Kontakt: tobias.hueser@vogel.de

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