Qualitätsorientierte Automatisierung für den kontinuierlichen Betrieb pharmazeutischer Tablettenproduktionsanlagen

• Quality-oriented automation for the continuous operation of pharmaceutical tablet production plants

Groß-Weege, Christopher Andreas; Abel, Dirk (Thesis advisor); Horn, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

In der pharmazeutischen Industrie zeichnet sich derzeit ein tiefgreifender Wandel in der Produktion ab, der sowohl die Technologie als auch Verfahren der Qualitätssicherung betrifft: Die Produktionsbedingungen des Status quo sind geprägt von einem hohen regulativen Aufwand, der mit einer geringen Flexibilität der Betriebsführung einhergeht. Die Produktion erfolgt dabei im konventionellen Chargenbetrieb, der überwiegend erfahrungsbasiert geführt wird, daher einen geringen Grad an Automatisierung aufweist und einen höheren Aufwand manueller Einstellung und Prüfung erfordert. Angestrebt wird demgegenüber nun eine gänzlich kontinuierliche Produktionsweise. Dabei soll schon im Zuge der Entwicklung neuer Produktionstechnologien systematisch Prozessverständnis gewonnen und eingebracht werden, welches letztlich auch Fundament neuer Verfahren der Qualitätssicherung sein soll: Nicht mehr die starre Prozessführung mit manueller Stichprobenprüfung steht im Vordergrund, sondern Ziel ist die Sicherstellung kritischer Qualitätseigenschaften des Produkts schon mit der Gestaltung von Prozess und Betriebsstrategie, die wissensbasiert unter Verwendung geeigneter Automatisierungslösungen umgesetzt werden soll. Anbieter kontinuierlicher Produktionslösungen stehen dabei erstmals vor der Aufgabe, auch die Kopplung von Maschinen, die nunmehr simultan im Verbund arbeiten und nicht mehr nur individuell als abgeschlossene Einheiten, in der Automatisierung zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit möchte begleitend zu den beschriebenen Umbrüchen einen wegbereitenden Beitrag zur Etablierung der benötigten automatisierungstechnischen Lösungen in der pharmazeutischen Industrie leisten. Ein wichtiges Ziel ist dabei die beispielhafte Anwendung und praxisnahe Demonstration automatisierungstechnischer Werkzeuge und Arbeitsweisen sowie das Aufzeigen perspektivischer Lösungsstrategien. Dazu widmet sich diese Arbeit zunächst der Entwicklung einer Automatisierungslösung für grundlegende Aufgaben bei der Betriebsführung einer kontinuierlichen Demonstrationsanlage. Das Anschauungsobjekt stellt eine modulare Lösung dar, die Maschinen verschiedener Hersteller mit Teils individuellen Automatisierungen zu verschiedenen Produktionsverfahren verknüpfen kann. Am Beispiel des Produktionsprozesses der Direktverpressung pharmazeutischer Tabletten wird die gesamte Werkzeugkette von der Modellbildung über die Identifikation und Validierung anhand von Messdaten bis zur simulationsgestützten Entwicklung und Erprobung von Beobachtungs- und Regelungsalgorithmen angewendet. Im Fokus steht dabei die Abbildung von Materialströmen, auf deren Basis die Synchronisation der Maschinen im Betrieb mit Hilfe einer modellbasierten prädiktiven Regelung erfolgen kann. In einem weiteren Kapitel wird dann aufgezeigt, welche Aufgaben darüber hinaus von der Automatisierung zu übernehmen sind, wenn die Qualität als Zielgröße mitberücksichtigt werden soll. Wesentliche Voraussetzung ist dabei Prozessverständnis, das in Form mathematischer Modelle den Zusammenhang von Materialeigenschaften, der Prozessführung und den Qualitätseigenschaften des Produkts beschreibt. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem eine Analyse solcher Modelle durchgeführt werden kann, um Betriebsbereiche zu identifizieren, in denen die Einhaltung von Qualitätsanforderungen sichergestellt ist. Daran anschließend wird die vorgestellte Methodik zur modellgestützten Synchronisation der Teilprozesse einer kontinuierlichen Produktionsanlage dergestalt angepasst, dass auch Modellwissen bezüglich der Produktqualität einbezogen werden kann, um den Prozess in Bezug auf damit zusammenhängende Ziele optimal zu betreiben. Die Arbeit schließt ab mit einer Demonstration der Anwendung der vorgestellten Verfahren für die Direktverpressung. Der wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist damit die praktisch erprobte Optimalsteuerungslösung zur Synchronisation der Maschinen kontinuierlicher Produktionsanlagen in Kombination mit einer Methodik zur Sensitivitätsanalyse zugrundeliegender Modelle, die zur Optimierung sicherer Betriebsbereiche kritischer Eingangsgrößen (in Bezug auf Qualitätsanforderungen) sowie der optimalen Wahl nomineller Maschinenbetriebspunkte eingesetzt werden kann.