Eine Frage der Planung

Optimierte Lebenszykluskosten in der Pharma- und Kosmetikproduktion

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15.11.2013 Das Optimieren von Prozessen wird in der Pharmaindustrie immer mehr zur Tugend. Neben den Energiekosten geht es hier um Ressourcenverbräuche, Investitionskosten und die Steigerung der Ausbeute bzw. die Vermeidung von Produktverlusten. Automatisierungslösungen leisten hierzu einen wesentlichen Beitrag, sofern im Basic Engineering schon entsprechende Weichen für eine Funktionsintegration gestellt werden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber und Planer

  • Durch die Kooperation von Anwendern und Lösungsanbietern entstehen neue Wege in der Automatisierung von Anlagen. Dadurch lassen sich die Lebenszykluskosten deutlich reduzieren.
  • Durch Funktionsintegration lassen sich zum Beispiel die Ausbeute erhöhen sowie Investitionen in Produktionsanlagen und Infrastruktur reduzieren.
  • Beispiele dafür sind die Regelung von inerten Gasen durch Proportionalventiltechnik oder der Einsatz eines komplexen Kugelhahndistributionsblocks, der Reinigungsaufwand und Produktverluste reduziert.

Durch Funktionsintegration lassen sich zum Beispiel die Ausbeute erhöhen sowie Investitionen in Produktionsanlagen und Infrastruktur reduzieren. Gepaart mit einem Standardisierungsansatz lassen sich die Kosten auch im Engineering sowie bei Wartung und Instandhaltung verringern. Der nachfolgende Beitrag zeigt anhand von zwei Beispielen aus der Pharma- und Kosmetikindustrie entsprechende Lösungen und deren Vorteile.

Proportionalventiltechnik zur Inertgassteuerung
In der Prozessautomatisierung werden an Tanks, Reaktoren, Fermentern, Mischern und anderen Prozessapparaten inerte Gase und Luft geregelt. Im Wesentlichen sind es vier Funktionen bzw. Prozessschritte:

  • Inertisieren, d. h. kompletter Austausch des enthaltenen Gasvolumens im Reaktor (ungeregelt, hoher Durchfluss)
  • Drucküberlagerung (Druckregelung zum Beispiel bei 40 bis 60 mbar)
  • Überströmen des drucklosen Behälters (Durchflussregelung, niedriger Durchfluss)
  • Materialtransfer (Druckregelung)

Abhängig von Produkt und Prozess wird der Reaktor (Bild 1) wahlweise mit Argon oder Stickstoff beaufschlagt. Je nach Prozessschritt werden entweder der erforderliche Druck und/oder die Durchflussleistung der Inertgase geregelt. In der Regel kommen hierfür herkömmliche Regelventile zum Einsatz. Bild 2 zeigt eine Automatisierungslösung, mit der die genannten Funktionen und Prozessparameter flexibel automatisiert werden können. Alle Komponenten wurden in einem integrierten Schaltschrank zu einer Inertgasstation zusammengefasst. Die üblicherweise in der Rohrleitung eingebauten Regelventile wurden im Rahmen einer Funktionsintegration in die ohnehin zur Steuerung der Anlage vorhandene Ventilinsel integriert. Diese Technik lässt sich auch für die Regelung anderer Gase wie zum Beispiel Luft, Sterilluft oder CO2 einsetzen.

Die Inertgasstation ist an ein übergeordnetes Leitsystem (PCS 7) angebunden. Für die Einbindung der Proportionalventile und der E/A-Module in die Steuerung ist eine umfangreiche Treiberbibliothek verfügbar. Dadurch werden beim Erzeugen der Baugruppentreiber automatisch eigene Rack- und Modulbausteine für die Automatisierungsplattform CPX (Remote I/O, Ventilinseln) erstellt. Im Vergleich zu den Standardkomponenten des Leitsystemlieferanten sind keine zusätzlichen manuellen Anpassungen erforderlich.

In der oben beschriebenen Applikation hat die Realisierung der Inertgassteuerung mittels Proportionalventiltechnik am Reaktor für den Anlagenbetreiber eindeutige Vorteile:

  • Geringere Installationskosten – eine Detailbetrachtung zeigte, dass je nach den örtlichen Gegebenheiten zwischen 30 und 50 % der Investitionen zur Realisierung der Inertisierungsanforderungen eingespart werden können,
  • flexiblere und einfachere Steuerung der Anlage,
  • weniger Platzbedarf in der Anlage,
  • bei kleinen Nennweiten bis 1/2″ können Edelstahlrohre durch einfach zu installierende und deutlich preiswertere Verschlauchungen ersetzt werden,
  • erweiterte Diagnosemöglichkeiten durch Integration der Proportionalventile auf der Ventilinsel.

Aus diesem Grund stellt die Proportionalventiltechnik eine interessante Alternative für die Regelung von inerten Gasen in der Prozessautomation dar. Diese hilft nicht nur Investitionskosten sondern auch Aufwendungen in die Anlageninfrastruktur einzusparen.

Effizienter Rohstoffeinsatz durch intelligentes Anlagendesign
In vielen Herstellprozessen und Industriezweigen werden Pulver und Flüssigkeiten dosiert, gemischt und verteilt. Je nach Rohstoff spricht man hier von wenigen Euro je Kubikmeter für z. B. Wasser und Bulkchemikalien bis hin zu 5-stelligen Beträgen und mehr pro Liter bei Duftstoffen und Aromen. Durch die Variantenvielfalt der Produkte z. B. bei Getränken, Körperpflegemitteln, Reinigungsmitteln und Pharmazeutika werden die Produkte in der Regel chargenweise in Multipurposeanlagen als Batch produziert. Um Vermischungen der Endprodukte zu vermeiden, werden Rohrleitungen und Armaturen von den Vorratsbehältern zum Mischer und zu den Abfüllmaschinen bei jeder Produktumstellung gereinigt und gespült, d.h. bei jeder Reinigung geht Produkt verloren. Je nach Stoff und Anlagengröße werden zum Teil erhebliche Werte einfach weggespült. Wie sich diese Verluste zum Teil deutlich senken lassen wird im Folgenden anhand eines Beispiels aus der Kosmetikindustrie beschrieben.

Über die Qualität und den Aufwand bei der Reinigung sowie die Dauer des Reinigungsprozesses entscheiden in der Regel das Anlagendesign, die Auslegung der Reinigungsprozesse, das zu reinigende Produkt und der Reinigungsgrad. Die falsche Auslegung der Anlage kann den Reinigungsaufwand und die Stillstandszeit der Anlage während der Reinigung deutlich erhöhen oder zu schlechten Reinigungsergebnissen führen. Die Anordnung und Auslegung der Ventile zur Verteilung der verschiedenen Medien ist daher mit entscheidend für eine erfolgreiche und effiziente Reinigung. Bei der Produktion von Kosmetika und Körperpflegemittel kommen sehr häufig preiswerte Kugelhähne aus Edelstahl zum Einsatz. In leistungsfähigen Multipurpose Anlagen erfolgt nach der Wahl der entsprechenden Rezeptur im Leitsystem die Auswahl und Dosierung der einzelnen Inhaltsstoffe sowie die Zuleitung zum Mischer vollautomatisch. Auch die Steuerung des Mischers hinsichtlich der Prozessparameter von z. B. Temperatur, Druck, pH-Wert etc. ist vollständig automatisiert.

Spezielle Ventillösung verringert Reinigungsverluste
Bei einem Hersteller für Körperpflegemittel machten sich die Anlageningenieure schon vor Jahren Gedanken, wie sie die Reinigungsverluste der zum Teil recht teuren Duftstoffe minimieren könnten. Dieser Bereich der Anlage war mit Edelstahlkugelhähnen ausgestattet. Diese waren wie allgemein üblich mit Rohren und Fittings zu einem überaus komplexen Netzwerk verbunden. Der Ventiltyp Kugelhahn sollte aufgrund seiner Robustheit sowie der geringen Anschaffungs- und Betriebskosten beibehalten werden.

Spezialisten der Festo-Prozessautomatisierung gingen mit dem Kunden die Spezifikation der Anlage im Detail durch und erstellten daraufhin einen komplexen Kugelhahndistributionsblock für die mehr als 20 Vorlagetanks der Duftstoffe. Mithilfe eines ersten 3D-CAD-Modells und eines 3D-Drucks wurde der Vorschlag mit dem Kunden besprochen und gemeinsam weiter optimiert. Das Endprodukt war eine fertig vormontierte beim Hersteller getestete Einheit, die unmittelbar in die Gesamtproduktion integriert werden konnte. Diese enthielt auch die komplette pneumatische und elektrische Ansteuerung und den Feldbusknoten zur Ankopplung an das überlagerte Leitsystem, beides wurde in einem Schaltschrank in unmittelbarer Nähe der Anfülleinheit montiert.

Die Gesamtkosten für den neuen Verteiler sowie die Umbaukosten amortisieren sich in dieser Anwendung in ca. 11 Monaten (ROI<11 Monate). Darüber hinaus ist der neue Verteiler deutlich kleiner, leichter und spart damit wertvollen Platz in der Produktion. Die Anzahl der Verbindungsstellen zwischen Rohren, Fittings und Armaturen ist geringer. Dies reduziert den Montageaufwand sowie die Installation vor Ort. Gleichzeitig reduziert sich das Risiko von Undichtigkeiten aufgrund der geringeren Anzahl an Verbindungsstellen. Das führt zu geringeren Inspektions- und Wartungskosten im Vergleich zur herkömmlichen Lösung.

Die Beispiele zeigen, wie durch die Kooperation von Anwendern und Ihren Partnern neue Wege in der Automatisierung von Anlagen beschritten werden können und Lebenszykluskosten in der Investitionsphase deutlich reduziert und auch weitere monetäre Potentiale während der Betriebszeit gehoben werden können.

Informationen zur Firma.

Heftausgabe: November 2013
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Über den Autor

Thomas Schulz ist bei Festo Leiter Industriesegment Management und KAM Biotech/Pharma
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