Strömung auf der spur

Effektive Prozessvalidierung mit CFD (Computer Fluid Dynamics)

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02.10.2009 Vor allem im Pharmabereich wird gefordert, dass Produktionsprozesse zu gleichbleibender Produktqualität führen. Die zuständigen Zulassungsbehörden verlangen verstärkt entsprechende Nachweise. Numerische Strömungsanalysen sind ein sehr effektives Werkzeug, um lückenlose Nachweisketten aufzubauen.

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Entscheider-Facts


  • In der pharmazeutischen Produktion verlangen die Zulassungsbehörden verstärkt einen Nachweis für gleichbleibende Produktqualität.
  • Herkömmliche Methoden sind mit Nachteilen behaftet; diese Schwierigkeiten treten bei der numerischen Strömungsanalyse (CFD Computer Fluid Dynamics) nicht auf.
  • Für viele Anwendungen der Prozesstechnik ist CFD mittlerweile eine gut validierte Methode.
  • Numerische Strömungsanalysen sind damit ein sehr effektives Werkzeug, um lückenlose Nachweisketten aufzubauen. Es lässt sich bei allen Strömungsvorgängen anwenden.
  • Dies ist nicht auf das gezeigte Beispiel der Homogenisierung beschränkt, sondern lässt sich bei allen Strömungsvorgängen anwenden.

Viele Herstellprozesse im Pharmabereich bauen auf Strömungsvorgängen auf. Beispiele hierfür sind: Homogenisierungs- und Lösevorgänge, Trennprozesse, Beschichtungen oder Abfüllvorgänge. Die gleichbleibende Produktqualität wird dabei entweder durch Stichproben nachgewiesen oder es werden Versuche gefahren. In vielen Fällen kann hierbei durch den gezielten Einsatz von CFD-Analysen der Nachweis erheblich vereinfacht und besser abgesichert werden. Dies soll im Folgenden am Beispiel eines Homogenisierungsprozesses gezeigt werden.

Ausreichend homogenisiert?

Bei der Herstellung von Diagnostika werden unter anderem feste Substanzen in Flüssigkeit gelöst, und diese Lösung muss in Rührbehältern homogenisiert werden. Da verschiedenste Stoffe zum Einsatz kommen und verschiedene Chargengrößen produziert werden, stehen eine Vielzahl von Rührbehältern unterschiedlichster Größe sowie eine Reihe von Rührorganen zur Verfügung.

Das Feststellen einer ausreichenden Homogenisierung zweier Stoffe in einem Rührbehälter kann auch über Versuche erfolgen. Hierbei sind jedoch zwei Hürden zu nehmen:

Konzentrationsgradienten können auch nach längerer Homogenisierungszeit sehr kleinräumig in bestimmten Zonen des Rührbehälters auftreten. Konzentrationsmessungen sind nur punktuell möglich, und es ist schwierig, ein komplettes räumliches Bild zu erhalten. Zonen mangelhafter Homogenisierung werden nicht unbedingt entdeckt.
Bei Großbehältern, die in der Produktion eingesetzt werden, kann praktisch keine räumliche Konzentrationsverteilung gemessen werden. Zu diesem Zweck werden spezielle Versuchsbehälter verwendet, die in den meisten Fällen herunterskaliert sind. Neben dem bekannten Scale-up-Problem stellt das Herstellen und Vermessen vieler unterschiedlicher Versuchsbehälter und Versuchsrührorgane einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand dar.

Diese Schwierigkeiten treten bei numerischen Strömungsanalysen nicht auf. Es wird die Originalgeometrie im Maßstab 1:1 untersucht und zunächst das Strömungsfeld berechnet. In dieses Strömungsfeld kann dann an einem beliebigen Zugabeort ein Tracer appliziert werden. In der sich daran anschließenden instationären Berechnung wird das Vermischen des Tracers mit dem vorgelegten Fluid verfolgt. Als Ergebnis liegt zu jedem Zeitpunkt ein komplettes räumliches Bild der Konzentrationsverteilung vor. Als Bewertungsmaßstab dient die Mischgüte an der jeweils ungünstigsten Stelle. Es lässt sich somit eine Homogenisierungsdauer bestimmen, mit der in jeder Zone des Behälters die geforderte Mischgüte erreicht wird.
Der Einfluss von Parametern wie Füllvolumen, Position des Rührorgans, Zugabeort, Einbauten oder Drehzahl auf die Homogenisierungsdauer lässt sich dabei zuverlässig bestimmen. Beispielhaft ist in Bild 1 das Berechnungsmodell eines unbewehrten Rührbehälters dargestellt. In diesem Fall ist die Position des Rührorgans während des Herstellprozesses nicht eindeutig festgelegt. Das Rührorgan muss nicht unbedingt zentrisch im Behälter sitzen. Daher musste der Einfluss der Exzentrizität auf die Homogenisierungsdauer untersucht werden.

CFD in der Praxis:eine gut validierte Methode

Im linken Teil des Bildes ist die zentrische Anordnung des Rührorgans dargestellt, im rechten Teil die exzentrische. In beiden Fällen wurde zum Zeitpunkt t=0s ein Tracer an der Oberfläche zugegeben. Exemplarisch ist für beide Berechnungsfälle die relative Konzentrationsverteilung des Tracers in einem Mittelschnitt zum gleichen Zeitpunkt farbig dargestellt. Es wird sofort ersichtlich, dass für die zentrische Anordnung noch sehr große Konzentrationsunterschiede bestehen, während die exzentrische Anordnung bereits einen guten Homogenisierungsgrad aufweist.

Zur quantitativen Auswertung wurde die integrale Mischgüte bestimmt. Hierbei geht jeder Punkt des Berechnungsgebietes ein. Etwaige versteckte „Nester“ mit schlechter Homogenisierung können dabei nicht übersehen werden. Bild 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Mischgüte über der Mischzeit. Zur Beurteilung der Qualität des Produktionsprozesses wird nun folgendermaßen vorgegangen:

Die Variation des Parameters „Exzentrizität des Rührorgans“ ergibt für den vorliegenden Behälter mit dem gegebenen Füllstand das Ergebnis, dass die zentrische Einbaulage zu den größten Homogenisierungszeiten führt und somit den Worst Case darstellt.
Soll im Prozess beispielsweise eine Mischgüte von mindestens 95% erreicht werden, dann muss mindestens bis zum Zeitpunkt T2 homogenisiert werden.
Wenn also laut Produktionshandbuch die Homogenisierungsdauer TP=5xT2 [s] beträgt, dann kann sicher davon ausgegangen werden, dass die geforderte Mischgüte unter allen Umständen erreicht wird.

Auf analoge Art und Weise müssen die Worst-Case-Szenarien für alle anderen freien Parameter untersucht und dokumentiert werden. Für viele Anwendungen der Prozesstechnik ist CFD mittlerweile eine gut validierte Methode. So wurden seit vielen Jahren entsprechende Berechnungsmodelle entwickelt und in Zusammenarbeit mit Hochschulen mit experimentellen Daten überprüft. Somit liegt ein breites Wissen über die Auswirkung von eventuell notwendigen Modellvereinfachungen auf das Berechnungsergebnis vor. Für Zertifizierungsanwendungen wird stets angestrebt, dass Vereinfachungen zu konservativeren Ergebnissen führen. Sollte dies im Einzelfall nicht möglich sein, werden entsprechende Sicherheitsfaktoren angewendet.

Numerische Strömungsanalysen sind damit ein sehr effektives Werkzeug, um lückenlose Nachweisketten aufzubauen. Dies ist nicht auf das gezeigte Beispiel der Homogenisierung beschränkt, sondern lässt sich bei allen Strömungsvorgängen anwenden.

Heftausgabe: Oktober 2009
Dr. Volker Kassera , Geschäftsführer CFD Consultants

Über den Autor

Dr. Volker Kassera , Geschäftsführer CFD Consultants

Dr. Volker Kassera , Geschäftsführer CFD Consultants

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