Controllo qualità senza perdita di tempo: Presse a rulli con interfaccia PAT monitora in tempo reale la dimensione delle particelle di granulato prodotto in modo continuo

Granulate sono la base di numerosi prodotti nel settore farmaceutico e alimentare; sono soggetti ai più severi requisiti di qualità. (Fonte: Mizianitka / Pixabay.com)

Basato su numerosi test e ottimizzazioni nella tecnologia di misurazione, è stata sviluppata una pressa a rulli pronta per il mercato per la granulazione a secco con uno strumento di diagnosi integrato. (Fonte: Alexanderwerk GmbH)

Pressa a rulli WP120 con sonda a particelle inline installata IPP 75-S. (Fonte: Alexanderwerk GmbH)

Affinché non siano più necessarie campionature manuali per il controllo qualità da prelevare e analizzare offline, ma tutte le misurazioni e analisi possano essere eseguite già in linea e in tempo reale, la sonda a particelle in linea è dotata di un'interfaccia di processo recentemente sviluppata per una misurazione rappresentativa. (Fonte: Parsum GmbH)

Il controllo della macchina (qui visibile come un grafico sullo schermo) mostra l'andamento temporale di vari valori esemplificativi come la forza di pressatura impostata in rosso, il risultato del X10 della distribuzione delle dimensioni delle particelle in verde e la frazione di setacciatura virtuale 0-125 μm in blu. È chiaramente visibile una variazione del rapporto tra granuli e frazione fine, che può essere rappresentata con un leggero ritardo temporale di circa 60 secondi. (Fonte: Alexanderwerk GmbH)

«Nella gestione delle macchine vengono riuniti tutti i parametri rilevanti, come la forza di pressatura, la distanza tra le rulli e la velocità di rotazione, e vengono registrati i valori attuali e desiderati. Inoltre, ora viene anche rilevata la distribuzione delle dimensioni delle particelle», spiega Marcus Weidemann, ingegnere di processo presso Alexanderwerk GmbH. (Fonte: Alexanderwerk GmbH)

La qualità di molti prodotti finali e intermedi in chimica, farmaceutica e alimentare viene finora determinata attraverso analisi di laboratorio complesse. La qualità del prodotto viene così valutata solo successivamente. Questo comporta grandi ritardi temporali nell'autorizzazione dei lotti prodotti e può portare alla produzione di materiale fuori specifica senza che ciò venga notato durante la produzione. I vantaggi dei processi di produzione continui non possono essere così pienamente sfruttati.

Una nuova soluzione per la granulazione a secco continua è stata sviluppata recentemente da Alexanderwerk GmbH e Parsum GmbH in un progetto di ricerca congiunto. È stata sviluppata una soluzione PAT e un'interfaccia di processo per la misurazione inline della distribuzione delle dimensioni delle particelle su una presse a rulli, portata alla maturità d'uso. Ciò consente di monitorare continuamente la qualità del prodotto in tempo reale. In collaborazione con l'Università Tecnica di Amburgo (TUHH), Parsum e Alexanderwerk hanno fatto un passo decisivo verso una granulazione continua efficiente e controllata.

La produzione di granuli come base per prodotti chimici o farmaceutici avviene finora spesso con il metodo batch discontinuo. In particolare nell'industria farmaceutica, questa procedura viene anche applicata alle presse a rulli per garantire la tracciabilità di un lotto di produzione. Allo stesso tempo, ciò comporta un elevato sforzo aggiuntivo per le aziende. «Gli impianti devono essere smontati, puliti e rimontati dopo ogni lotto», spiega Marcus Weidemann, ingegnere di processo presso Alexanderwerk GmbH. «Questo aumenta i tempi di inattività delle macchine e di conseguenza i costi di produzione.» Inoltre, i dipendenti devono prelevare manualmente più campioni per lotto e analizzarli in laboratorio. Poiché i risultati sono di solito disponibili solo dopo la conclusione di un ciclo di produzione, i parametri di processo possono essere regolati solo per il lotto successivo in presenza di difetti di qualità, mentre la quantità già prodotta deve spesso essere completamente scartata.

Per adattare la tecnologia di processo delle presse a rulli con gli strumenti di misurazione e il controllo correlato alla produzione continua, Parsum e Alexanderwerk hanno sviluppato una soluzione in un progetto di sviluppo congiunto. Questo metodo offre numerosi vantaggi rispetto al metodo batch: «Idealmente, la tecnologia di misura impiegata monitora non solo gli attributi critici di qualità (critical quality attribute – cqa) in tempo reale, ma fornisce anche i valori attuali per un intervento automatico in caso di deviazioni», spiega Stefan Dietrich, amministratore delegato di Parsum GmbH. «Di conseguenza, la produzione non deve più essere interrotta per la ricalibrazione dei parametri. La disponibilità degli impianti e la frequenza del controllo di qualità vengono notevolmente aumentate, migliorando sia la qualità del prodotto che riducendo i costi di produzione.»

Dall'analisi di laboratorio alle misurazioni inline

La realizzazione pratica di un concetto PAT (Process Analytical Technology) rappresentava una grande sfida nella granulazione a secco. Mentre i parametri di processo dal lato macchina, come la velocità della vite di alimentazione, il numero di giri della calandra e la forza di pressatura delle rulliere, possono già essere rilevati online, la verifica della distribuzione delle dimensioni delle particelle, una variabile di processo importante per il materiale lavorato, era finora possibile solo offline. La ragione di ciò era l'assenza di una combinazione adeguata di dispositivo di prelievo campioni (interfaccia di processo) e tecnologia di misura per questo processo. «In breve, in una presse a rulli il materiale di partenza, molto sfuso e in forma di polvere, viene dapprima compresso meccanicamente tra due rulli che ruotano in direzioni opposte, formando una banda continua di materiale solido, chiamata striscia. Successivamente, questa viene frantumata in una maglia setacciatrice, chiamata Rotor-Fein-Granulator (RFG), producendo un granulato compatto con una distribuzione definita delle dimensioni delle particelle», spiega Weidemann. La sfida nella misurazione è che il granulato prodotto non è costituito da particelle omogenee, ma da particelle di dimensioni che variano da molto fini a grossolane all’interno di un campione.

«Per le misurazioni sono rilevanti le due frazioni risultanti: la frazione fine e quella di granulato. Si tratta di una distribuzione bimodale delle dimensioni delle particelle», riferisce Dietrich. In passato sono stati testati diversi sonde di misura e dispergitori, già collaudati in altri processi di granulazione, come nella granulazione a letto fluido o ad alta shear. Nel caso specifico del processo di compattazione, tuttavia, i risultati inline differivano spesso notevolmente da quelli delle analisi campionarie offline in laboratorio.

Il progetto di ricerca congiunto di Alexanderwerk, Parsum e TUHH avanza nella produzione continua

Parsurn e Alexanderwerk hanno infine approfondito le cause delle variazioni nei risultati di misura nell’ambito di un progetto di ricerca congiunto. Sulla base di queste indagini, è stato sviluppato un sensore di misura e un’interfaccia di processo per la presse a rulli. Per una simulazione di processo fondamentale della compattazione a rulli, è stata inoltre coinvolta l’esperienza dell’Università Tecnica di Amburgo (TUHH).

Come attributo critico di qualità più importante, i partner di progetto hanno identificato la distribuzione delle dimensioni delle particelle (PGV) del granulato. Il compito di Parsum era quindi sviluppare uno strumento per la misura inline che determini la PGV in modo rappresentativo e in tempo reale, senza interventi significativi nel processo o nella struttura della macchina. Per ottenere dati affidabili come base per il controllo del processo, era necessario sviluppare un’«interfaccia di processo» adeguata per la sonda Parsum. Inoltre, si è reso necessario ampliare l’attuale intervallo di misura standard verso il basso, in modo da poter misurare con precisione anche la frazione fine.

Il luogo di misurazione è determinante

Per rappresentare le variazioni di processo, è importante effettuare un’analisi dettagliata dei dati misurati. Non basta considerare, come in altri processi con PGV «normale», solo la mediana delle dimensioni delle particelle (x50) – in questo processo, invece, è fondamentale il rapporto tra frazione fine e frazione di granulato. «Nel funzionamento normale, questa proporzione varia», spiega Dietrich. «La frazione fine attraversa in modo irregolare l’uscita della macchina e provoca oscillazioni nelle misurazioni.» Particolarmente importante per un campionamento rappresentativo è quindi la posizione del sensore di misura: a seconda di dove e come viene posizionato sotto il setaccio di granulazione, si riscontrano differenze evidenti nel rapporto tra frazione fine e granulato. Per sviluppare una procedura ottimale per un campionamento rappresentativo, sono state testate quattro diverse strategie. Tra queste, sono state condotte varie serie di prove in cui sono stati prelevati e analizzati campioni in 40 posizioni diverse sotto il setaccio di granulazione. La procedura sviluppata per il campionamento inline rappresentativo è stata depositata come brevetto all’inizio del 2021.

Anche le dimensioni ridotte delle particelle rappresentavano una sfida: affinché possano essere determinate in modo continuo inline, Parsum ha sviluppato appositamente per l’uso nelle presse a rulli una sonda di misura PAT con intervallo di misura esteso verso il basso e dispergitori inline speciali, che consentono di separare e misurare in modo affidabile anche particelle di dimensioni comprese tra 20 e 2000 µm.

Strumento di diagnosi per il monitoraggio completo in tempo reale dei parametri di processo rilevanti

Grazie a numerosi test e ottimizzazioni della tecnologia di misura, è stato infine sviluppato un modello di presse a rulli per la granulazione a secco, pronto per il mercato, dotato di uno strumento di diagnosi integrato. Per evitare che siano più necessarie analisi manuali e offline di campioni di qualità, ma che tutte le misurazioni e analisi possano essere già eseguite inline e in tempo reale, la sonda di misura delle particelle è stata collocata in un punto strategico della presse a rulli. Tuttavia, Alexanderwerk GmbH ha prestato attenzione a un design compatto, in modo che la presse a rulli non aumenti di dimensioni rispetto ai modelli precedenti. Sono necessari solo 100 mm in più di altezza in uscita dalla presse per installare la sonda di misura con tecnologia di dispersione.

«Nel controllo della macchina, tutti i parametri rilevanti, come la forza di pressatura, la distanza tra le rulliere e la velocità di rotazione delle rulliere, vengono raccolti e confrontati con i valori di riferimento. Inoltre, ora viene misurata e registrata anche l’intera distribuzione delle dimensioni delle particelle (PGV). I valori vengono elaborati graficamente in tempo reale e memorizzati nel rapporto di batch», riferisce Weidemann. Grazie al monitoraggio online così reso possibile, l’impianto può essere fermato precocemente in caso di deviazioni significative o superamento di limiti predefiniti, prevenendo così perdite di materiale inutili e costose. Inoltre, i dati di misura inline possono essere utilizzati per l’autorizzazione diretta di un lotto prodotto per il passaggio successivo del processo.

Prospettive

Dopo la conclusione della prima fase del progetto di ricerca, è stata sviluppata una soluzione pronta per il mercato, che potrà essere offerta come opzione per la presse a rulli farmaceutiche WP120 di Alexanderwerk GmbH e adattata anche ad altri campi di applicazione. Tuttavia, il progetto non è ancora concluso per i partner di cooperazione, poiché lo sviluppo della presse a rulli con sonda di misura inline rappresenta solo una tappa del percorso verso un processo completamente controllato, nell’ottica di una produzione continua ed efficiente. È già prevista un’analisi in tempo reale della PGV misurata inline, per trarre conclusioni sulla densità e sulla qualità della massa di sculo. Tale analisi può essere utilizzata, se necessario, per intervenire nel processo di compattazione tramite un circuito di controllo, al fine di ottenere una qualità ancora più costante del granulato prodotto. «In questo modo, l’Industria 4.0 entra sempre più nel settore della tecnologia di processo, consentendo una produzione continua, a basso costo e senza errori», conclude Weidemann.