HMI-Systeme im regulierten Umfeld – darauf kommt es an

Es ist der Alptraum eines jeden Pharmazeuten: Bei der Produktion von teuren Arzneimittel-Wirkstoffen kommt es zur Verkeimung von Produktionsbereichen oder zur Kontamination durch Partikel.

Beide Szenarien gehören zu den häufigsten Problemen in der pharmazeutischen Produktion, insbesondere dann, wenn diese im Reinraum durchgeführt wird.

Neben teuren Produktionsausfällen fürchten die verantwortlichen Herstellungsleiter in erster Linie Schäden für Patienten. Kaum auszudenken, welchen Verlauf
beispielsweise die Covid-Impfkampagne genommen hätte, wenn in der Anfangsphase Menschen durch verunreinigten Impfstoff zu Schaden gekommen wären.

Die Ursachen für Kontaminationen können vielfältig sein: Neben technischen Fehlern, beispielsweise in der Lüftung, dominieren menschliche Fehler, beispielsweise bei der Reinigung und Desinfektion oder in den definierten Produktionsabläufen. Weil es zum Schluss immer um die Sicherheit des Arzneimittels für den Patienten geht, ist die pharmazeutische Produktion ein stark von Regelwerken und Behörden reguliertes Umfeld. Spätestens seit der Publikation des „cGMP Guide“ durch die amerikanische Gesundheitsbehörde FDA im Jahr 1978 gibt es streng festgelegte und überwachte Qualitätsstandards, an die sich Hersteller von Arzneimitteln, Kosmetika und auch Lebensmitteln halten müssen. Und die Daumenschrauben werden von Behörden wie FDA und der europäischen EMA immer stärker angezogen. Als eine Konsequenz sind Produktionsabläufe in der pharmazeutischen Produktion heute in sogenannten „SOPs“ streng festgezurrt. Die „Standard Operating Procedures“ beschreiben für die Mitarbeiter detailliert Abfolgen und Handlungen im Produktionsprozess. Ziel ist es, den Prozess so aufzusetzen und zu überprüfen (Validierung), dass Abläufe und Produkte immer den geltenden regulatorischen Vorschriften entsprechen. Alle qualitätsrelevanten Vorgänge müssen zudem lückenlos dokumentiert werden.

Spätestens hier kommt die Automatisierung ins Spiel: Sie erlaubt es nicht nur, Abläufe ohne menschlichen Eingriff zu gestalten, sondern das Personal in der Anlage bei ihren Arbeitsschritten und deren Dokumentation zu unterstützen. Beispielsweise indem eingesetzte Materialien per Barcode-Scan erfasst werden oder neue Produktionsschritte erst dann anlaufen können, wenn zuvor notwendige Tätigkeiten durchgeführt und vom Bediener quittiert wurden.

Bedienstation soll Personal bestmöglich unterstützen

In der Praxis spielen dabei Bedienstationen in der Produktion eine wichtige Rolle. Mit ihnen lassen sich die Produktionsanlagen und -prozesse vor Ort visualisieren, überwachen und steuern. Mit Schritt-für-Schritt-Anleitungen unterstützen die hinterlegten Systeme die Bediener und helfen dabei, Fehler zu vermeiden. Auch hier sind die Anforderungen an die eingesetzte Technik hoch: Tastatur und Bildschirm und generell Oberflächen müssen so beschaffen sein, dass sie einfach zu reinigen sind und die Ablagerung von Staub und Flüssigkeiten verhindert wird (Hygienic Design). Zudem dürfen die eingesetzten Materialien nicht mit den verwendeten Reinigungsmitteln oder bei Produktkontakt reagieren, weshalb in der Regel Edelstahl, Glas und spezielle Kunststoffe zum Einsatz kommen.

Erschwerend kommt hinzu, dass in der Arzneimittelproduktion häufig brennbare Lösemittel verwendet werden und bei der Produktion oft brennbare Stäube entstehen. Im Rahmen einer Gefährdungsanalyse, die Grundlage für die Betriebsgenehmigung ist, werden die Produktionsbereiche von den Betreibern häufig als Atex-Zone 1 oder 2 bzw. 21 oder 22 klassifiziert. In der Folge müssen auch die eingesetzten elektrischen Betriebsmittel, zu denen auch Bedienstationen zählen, entsprechend konstruiert sein und über die notwendigen Zulassungen verfügen.

Aber auch an das Innenleben der Bedienstation werden im regulierten Umfeld spezielle und weitreichende Anforderungen gestellt: Vom sicheren Login über Aspekte der Cyber Security bis hin zu einer manipulationssicheren elektronischen Dokumentation (Electronic Batch Record, EBR) reicht das Spektrum der Forderungen, die neben weiteren u.a. in der GAMP-Richtlinie (Good Automated Manufacturing Practice) sowie in der global wichtigen amerikanischen Richtliniensammlung „Code of Federal Regulations“, 21 CFR part 11, beschrieben sind.

Zwei weitere Aspekte gewinnen in jüngster Zeit stark an Bedeutung: Der Platzbedarf und die Lebenszykluskosten. Reinräume gehören wohl zu den teuersten Produktionsumgebungen überhaupt – und jeder Kubikmeter umbauter Raum verursacht hohe Kosten in der Investition und im Unterhalt. Hier zählt jeder Quadratmeter Grundfläche. Deshalb müssen Maschinen und Anlagenkomponenten möglichst kompakt sein. Daneben werden auch die Lebenszykluskosten der eingesetzten Komponenten immer wichtiger. Gemeint sind die die Kosten, die beispielsweise eine Bedienstation von der Investition über die Betriebsphase bis zur Außerbetriebnahme verursacht. Dabei müssen beispielsweise auch Wartungskosten wie der Austausch von Komponenten berücksichtigt werden – diese können gerade im regulierten Umfeld ein Vielfaches der Investitionskosten verursachen, wenn im Schadensfall ein Produktionsstillstand entsteht, weil Komponenten bestellt und von externen Spezialisten ausgetauscht werden müssen.

Mit der neuen HMI-Serie Orca adressiert R. Stahl diese Anforderungen der Hersteller von Arzneimitteln, Kosmetika und in der Food-Industrie. Um eine hohe Investitionssicherheit und niedrige Lebenszykluskosten zu erreichen, setzt R. Stahl auf ein modulares Konzept, bei dem Rechner- (E-Box) und Displayeinheit (D-Box) steckbar sind, sodass Betreiber künftig das Rechnermodul unabhängig vom Display selbst tauschen können – beispielsweise dann, wenn künftige Anwendungen mehr Rechenleistung erfordern. Dadurch wird für mindestens 15 Jahre Investitionssicherheit garantiert. In dieser Zeit spart das modulare Konzept gegenüber klassischen Bediensystemen schätzungsweise 50 % der Investitionskosten. Dazu kommt, dass der Austausch von allen Mitarbeitern bewerkstelligt werden kann, die für Arbeiten im Ex-Bereich eingewiesen sind. Außerdem konnte mit der Orca-Serie die Grundfläche des Bediensystems gegenüber den Vorgängermodellen deutlich reduziert werden, was nicht nur von Anlagen- und Reinraum-Betreibern geschätzt wird, sondern vor allem auch für Maschinenlieferanten (Package Units) interessant ist.

Neben dem GMP-konformen Gehäuse mit Frontöffnung und GMP-Dichtung im Hygienic Design ist das Orca-HMI insbesondere durch schnelle und sichere Logins und elektronische Signaturen via RFID für den Einsatz im regulierten Umfeld prädestiniert. Denn der optionale RFID-Reader ist direkt in das System integriert. Damit löst R. Stahl ein wichtiges Anwendungsproblem in Pharmabetrieben: Die sichere und schnelle Identifikation und Anmeldung der Bediener. Diese gehen in den Produktionsanlagen häufig von Raum zu Raum und müssen sich an den dort jeweils vorhandenen Bediengeräten einloggen. Durch Logging-Transaktionen, bei denen beispielsweise eine Kombination aus Mailadresse und komplexem Passwort genutzt werden, entstehen dabei signifikante Arbeitszeiten.

Bei den Orca-Geräten ist die Anmeldung durch eine berührungslose RFID-Authentifizierung möglich. Die ergonomische Lösung erlaubt es dem Anlagenpersonal, ohne Handschuhe ablegen zu müssen, sich sehr einfach, aber dennoch mit hohem Zugriffsschutz an einer Bedienstation anzumelden.

Thin Client reduziert Cyber-Risiken

Die RFID-Reader werden von Siemens-Leitsystemen unterstützt. Für die Integration in Leitsysteme anderer Hersteller arbeitet R. Stahl mit der Firma i.p.a.s-systeme zusammen, die mit LogonPlus eine besonders komfortable Anmeldungssoftware entwickelt hat. Dabei handelt es sich um eine modular aufgebaute Server-Client-Anwendung, die die Anmeldesteuerung für Anwendungen in der Produktion übernimmt. Benutzer werden beispielsweise mittels RFID-Werkausweis identifiziert, gegenüber dem Active Directory des Betriebes authentifiziert und dann von LogonPlus über einen anwendungsspezifischen Connector an der Zielanwendung angemeldet.

Über weitere USB-Schnittstellen können zudem auch Barcodeleser zur professionellen Materialidentifizierung und -erfassung eingesetzt werden.

Weiteren Aspekten der Cyber Security trägt R. Stahl mit der verwendeten Thin Client-Philosophie Rechnung: Im Gegensatz zu eigenständigen Rechnern vor Ort, wie sie in Client/Server-Umgebungen genutzt werden, laufen die eigentlichen Logikprozesse und die Datensicherung beim Thin Client auf einem zentral administrierten Server ab. Dadurch treten an der Bedienstation vor Ort viele IT-Risiken gar nicht auf. IT-Spezialisten des Betreibers können sich auf Sicherheitsvorkehrungen für den Server konzentrieren. Ein Aspekt, der auch im regulierten Umfeld immer wichtiger wird.