Zajištění kvality bez ztráty času: válcová tiskárna s rozhraním PAT sleduje velikost částic kontinuálně vyráběného granulátu v reálném čase

Granule jsou základem řady produktů v oblasti farmacie a potravin; podléhají nejpřísnějším požadavkům na kvalitu. (Zdroj: Mizianitka / Pixabay.com)

Na základě řady testů a optimalizací v měřicí technice byla vyvinuta průmyslově připravená válcová lisovna pro suché granulování s integrovaným diagnostickým nástrojem. (Zdroj: Alexanderwerk GmbH)

Valivá lis WP120 s instalovaným inline sondou na částice IPP 75-S. (Zdroj: Alexanderwerk GmbH)

Aby již nebylo nutné provádět manuální vzorkování a offline analýzy pro zajištění kvality, ale všechny měření a analýzy již mohly být prováděny přímo v provozu a v reálném čase, disponuje inline částicovým snímačem nově vyvinutým procesním rozhraním pro reprezentativní měření. (Zdroj: Parsum GmbH)

Řídicí systém stroje (zde vidět na obrazovce) zobrazuje časový průběh různých vzorových hodnot, jako je nastavená tlaková síla v červené barvě, výsledný X10 rozdělení velikosti částic v zelené a výsledná virtuální frakce sítka 0-125 μm v modré. Je zřetelně patrná změna poměru mezi granulátem a jemnými částicemi, kterou lze přibližně zachytit s malým časovým zpožděním kolem 60 sekund. (Zdroj: Alexanderwerk GmbH)

„V řízení strojů jsou shromažďovány všechny relevantní parametry stroje, jako je tlak lisování, mezera válců a rychlost válců, a zaznamenávají se aktuální a cílové hodnoty. Kromě toho je nyní také zaznamenáváno rozdělení velikosti částic. Naměřené hodnoty jsou jak v reálném čase graficky zpracovávány, tak uloženy do dávkového protokolu,“ vysvětluje Marcus Weidemann, inženýr pro techniku procesů ve společnosti Alexanderwerk GmbH. (Zdroj: Alexanderwerk GmbH)

Kvalita mnoha koncových a mezioperačních výrobků v chemii, farmacii a potravinářství je dosud stanovována náročnými laboratorními analýzami. Tím je kvalita produktu hodnocena pouze zpětně. To způsobuje velké časové zpoždění při schvalování vyrobených šarží a může vést k výrobě nevyhovujícího materiálu, aniž by to bylo během výroby zjištěno. Výhody kontinuálních výrobních procesů tak nelze plně využít.

Nové řešení pro kontinuální sušárenské granulování vyvinuly společně společnost Alexanderwerk GmbH a Parsum GmbH v nedávno ukončeném společném výzkumném projektu. Vyvinuli přitom PAT řešení a procesní rozhraní pro inline měření rozdělení velikosti částic na válcové lisovně a uvedli je do provozní připravenosti. Tím je umožněn kontinuální dohled nad kvalitou produktu v reálném čase. Ve spolupráci s Technickou univerzitou Hamburk (TUHH) tak Parsum a Alexanderwerk učinili důležitý krok směrem k efektivní kontrole kontinuální granulace.

Výroba granulátů jako základ pro chemické nebo farmaceutické produkty dosud často probíhá v diskontinuálních dávkových procesech. Zejména ve farmaceutickém průmyslu se tento přístup přenáší i na válcové lisovny, aby byla zajištěna sledovatelnost výrobní šarže. Současně to znamená vysokou přidanou náročnost pro podniky. „Zařízení musí být po každé zpracované šarži demontováno, vyčištěno a znovu sestaveno,“ vysvětluje Marcus Weidemann, inženýr procesního inženýrství ve společnosti Alexanderwerk GmbH. „To zvyšuje dobu odstávky strojů a následně vede ke zvýšení výrobních nákladů.“ Navíc musí zaměstnanci několikrát během šarže ručně odebírat vzorky a analyzovat je v laboratoři. Jelikož výsledky jsou obvykle dostupné až po ukončení výrobního cyklu, je možné upravit procesové parametry pouze u následující šarže, zatímco již vyrobené množství často musí být zcela odmítnuto.

Pro přizpůsobení procesní techniky válcových lisoven s příslušenstvím měřicích přístrojů a řídicí techniky pro kontinuální výrobu vyvinuly Parsum a Alexanderwerk v rámci společného vývojového projektu řešení. Tento výrobní přístup nabízí oproti dávkovému procesu řadu výhod: „V ideálním případě monitoruje použitá měřicí technika nejen kritické atributy kvality (kritické atributy kvality – cqa) v reálném čase, ale také poskytuje aktuální hodnoty, aby při odchylkách mohlo dojít k automatickému korekčnímu zásahu,“ vysvětluje Stefan Dietrich, jednatel společnosti Parsum GmbH. „V důsledku toho již není nutné výrobu přerušovat kvůli novému nastavení parametrů. Dostupnost zařízení a hustota kontroly kvality se výrazně zvyšují, což zlepšuje kvalitu produktu a snižuje výrobní náklady.“

Od laboratorní analýzy k inline měřením

Praktická realizace konceptu PAT (Process Analytical Technology) představovala při sušárenském granulování velkou výzvu. Zatímco procesní parametry na straně stroje, jako například rychlost dopravníku, otáčky válců a tlak válcové lisovny, lze již online zaznamenávat, byla kontrola rozdělení velikosti částic, důležitá procesní veličina pro zpracovávaný materiál, dosud možná pouze offline. Důvodem bylo chybějící vhodná kombinace zařízení pro odběr vzorků (procesní rozhraní) a měřicí techniky pro tento proces. „Stručně řečeno, v válcové lisovně se velmi volný, práškovitý výchozí materiál nejprve mechanickým tlakem mezi dvěma protiběžně rotujícími válci stlačí na kontinuální pevný pás, tzv. Šülpe. Poté je tento pás rozdrťen v síťové mlýně, zvaném rotorový jemný granulátor (RFG), čímž vzniká kompaktní granulát s definovaným rozdělením velikosti částic,“ vysvětluje Weidemann. Výzvou při měření je skutečnost, že vyrobený granulát neobsahuje homogenní částice, ale částice různé velikosti, od velmi jemných po hrubé.

„Důležité pro měření jsou dvě vznikající frakce: jemná frakce a granulátová frakce. Jedná se o bimodální rozdělení velikosti částic,“ uvádí Dietrich. V minulosti byly testovány různé sondy a dispergátory, které se již osvědčily u jiných granulovacích procesů, například v fluidním loži nebo při vysokorychlostním granulování. V konkrétním případě procesu kompakce se však inline výsledky často výrazně lišily od výsledků vzorků analyzovaných v laboratoři offline.

Společný výzkumný projekt Alexanderwerk, Parsum a TUHH posouvá kontinuální výrobu kupředu

Parsum a Alexanderwerk nakonec v rámci společného výzkumného projektu podrobněji prozkoumaly příčiny kolísání měřených hodnot. Na základě těchto zkoumání měly být vyvinuty sondy a procesní rozhraní pro válcovou lisovnu. Pro základní simulaci procesu válcové kompakce také využily odborné znalosti Technické univerzity Hamburg (TUHH).

Jako nejdůležitější kritický atribut kvality identifikovali partikulární rozdělení granulátu (PGV). Úkolem Parsum bylo vyvinout přístroj pro inline měření, který bude PGV reprezentativně a v reálném čase určovat, aniž by bylo nutné zasahovat do procesu nebo konstrukce stroje. Aby bylo možné získat relevantní data jako základ pro řízení procesu, muselo být vyvinuto vhodné „procesní rozhraní“ pro sondy Parsum. Dále bylo nutné rozšířit dosavadní standardní měřicí rozsah směrem dolů, aby bylo možné přesně měřit i jemnou frakci.

Rozhodující je místo měření

Pro zobrazení změn procesu je důležité provádět podrobnou analýzu naměřených dat. Není dostačující sledovat pouze medián velikosti částic (x50), jako u jiných procesů s „normální“ PGV – klíčové je u tohoto procesu spíše poměr jemné a granulátové frakce. „V běžném provozu se však tento poměr mění,“ vysvětluje Dietrich. „Jemná frakce nepravidelně prochází výstupem stroje a tím dochází ke kolísání měření.“ Zejména důležité pro reprezentativní odběr vzorků je správné umístění sondy: v závislosti na tom, kde a jak je umístěna pod sítem granulátoru, existují výrazné rozdíly v poměru jemné a granulátové frakce. Aby bylo možné vyvinout optimální metodu pro co nejreprezentativnější vzorek, bylo testováno čtyři různé přístupy. Kromě toho bylo provedeno několik zkušebních sérií, při nichž byly současně odebrány vzorky na 40 různých místech pod sítem granulátoru a analyzovány. Výsledná metoda pro reprezentativní inline odběr vzorků byla začátkem roku 2021 patentována.

Také malá velikost částic představovala výzvu: aby bylo možné je kontinuálně inline určit, vyvinula Parsum speciální PAT měřicí sondu s rozšířeným měřicím rozsahem směrem dolů a speciální inline dispergátory, které umožňují spolehlivě oddělit a měřit částice v rozsahu 20 – 2000 µm.

Diagnostický nástroj pro úplný dohled nad relevantními procesními parametry v reálném čase

Na základě řady zkušebních sérií a optimalizací měřicí techniky bylo nakonec vyvinuto komerčně použitelné válcové zařízení pro sušárenské granulování s integrovaným diagnostickým nástrojem. Aby již nebylo nutné manuálně odebírat vzorky a analyzovat je offline, ale všechny měření a analýzy mohly být prováděny již inline a v reálném čase, byla měřicí sonda částic umístěna na strategicky výhodném místě ve válcové lisovně. Přitom společnost Alexanderwerk GmbH dbala na kompaktní konstrukci, takže se válcová lisovna oproti předchozím modelům nezvětšila. Pouze o 100 mm vyšší konstrukční výška je potřeba na výstupu válcové lisovny pro instalaci měřicí sondy s dispergací.

„Ve strojové řídicí jednotce jsou shromážděny všechny důležité parametry stroje, jako například tlak lisování, mezera mezi válci a otáčky válců, a jsou zaznamenávány a porovnávány aktuální a cílové hodnoty. Navíc je nyní měřena a zaznamenávána i kompletní PGV. Tyto klíčové hodnoty jsou jak vizuálně zobrazeny v reálném čase, tak uloženy v dávkovém protokolu,“ uvádí Weidemann. Díky této online kontrole je možné při větších odchylkách nebo překročení předem stanovených mezí zařízení včas zastavit, čímž se zabrání zbytečné a nákladné ztrátě materiálu. Navíc lze inline měřicí data využít k přímému schválení vyrobené šarže pro další zpracování.

Výhled

Po ukončení první fáze výzkumného projektu vzniklo komerčně dostupné řešení, které může být v budoucnu nabízeno jako volitelná možnost pro farmaceutickou válcovou lisovnu WP120 společnosti Alexanderwerk GmbH a které by mělo být dále adaptováno i pro jiné oblasti použití. Pro partnery však projekt ještě není ukončen, protože vývoj válcové lisovny s inline měřicí sondou představuje pouze jeden krok na cestě k plně řízenému procesu v rámci efektivní kontinuální výroby. Již je plánováno vyhodnocení inline měřených PGV v reálném čase za účelem získání zpětné vazby o hustotě a kvalitě výplně pomocí populace-massové bilance. Taková analýza může být využita k zásahu do procesu kompakce prostřednictvím řídicí smyčky, pokud je to nutné, a tím dosáhnout ještě stabilnější kvality vyráběných granulátů. „Tím se průmysl 4.0 stále více prosazuje v procesní technice a umožňuje kontinuální, nákladově efektivní a bezchybné výroby,“ uzavírá Weidemann.