Kwaliteitscontrole zonder tijdverlies: Rollenpers met PAT-interface bewaakt de deeltjesgrootte van continu geproduceerd granulaat in realtime

Granulaat vormt de basis van talloze producten op het gebied van farmacie en voeding; ze onderworpen aan de strengste kwaliteitsnormen. (Bron: Mizianitka / Pixabay.com)

Op basis van talrijke testreeksen en optimalisaties in de meettechniek kon een marktklare rollenpers voor drooggranulatie met geïntegreerde diagnose-tool ontwikkeld worden. (Bron: Alexanderwerk GmbH)

Rolperspresse WP120 met geïnstalleerde inline-deeltjessonde IPP 75-S. (Bron: Alexanderwerk GmbH)

Zodat er voor de kwaliteitscontrole geen handmatige steekproeven meer genomen en offline geanalyseerd hoeven te worden, maar alle metingen en analyses al inline en in realtime uitgevoerd kunnen worden, beschikt de inline-deeltjessonde over een nieuw ontwikkeld procesinterface voor representatieve metingen. (Bron: Parsum GmbH)

De machinebesturing (hier te zien op een schermplot) toont de tijdsverloop van verschillende voorbeeldwaarden zoals de ingestelde perskracht in rood, de resulterende X10 van de deeltjesgrootteverdeling in groen en de resulterende virtuele zeeffractie 0-125 μm in blauw. Duidelijk zichtbaar is een verandering in de verhouding tussen granulaten en fijnstof, die ongeveer met een kleine tijdsvertraging van circa 60 seconden kan worden weergegeven. (Bron: Alexanderwerk GmbH)

"In de machinebesturing worden alle relevante machineparameters, zoals perskracht, rollenafstand en rollensnelheid, samengebracht en de actuele en gewenste waarden geregistreerd." Daarnaast wordt nu ook de deeltjesgrootteverdeling vastgelegd. De gemeten waarden worden zowel in realtime grafisch weergegeven als in het batchprotocol opgeslagen," legt Marcus Weidemann uit, ingenieur processtechnologie bij de Alexanderwerk GmbH. (Bron: Alexanderwerk GmbH)

De kwaliteit van veel eind- en tussenproducten in chemie, farmacie en voeding wordt tot nu toe vastgesteld door arbeidsintensieve laboratoriumanalyses. De productkwaliteit wordt zo slechts achteraf beoordeeld. Dit leidt tot grote vertragingen bij de vrijgave van geproduceerde batches en kan resulteren in de productie van off-spec-materiaal zonder dat dit tijdens de productie wordt opgemerkt. De voordelen van continue productieprocessen kunnen daardoor niet volledig worden benut.

Een nieuwe oplossing voor de continue droge granulering is ontwikkeld door Alexanderwerk GmbH en Parsum GmbH in een recent afgerond gezamenlijk onderzoeksproject. Er is een PAT-oplossing en een proces-Interface ontwikkeld voor inline-metingen van de deeltjesgrootteverdeling aan een rollenpers en klaargemaakt voor gebruik. Hiermee wordt de continue bewaking van de productkwaliteit in realtime gerealiseerd. In samenwerking met de Technische Universiteit Hamburg (TUHH) hebben Parsum en Alexanderwerk zo een belangrijke stap gezet richting een efficiënte gecontroleerde continue granulering.

De productie van granulaten als basis voor chemische of farmaceutische producten gebeurt tot nu toe vaak in een niet-continue batchprocedure. Vooral in de farmaceutische industrie wordt deze aanpak ook toegepast op rollenpersen om de traceerbaarheid van een productiebatch te waarborgen. Tegelijkertijd betekent dit een hoge extra inspanning voor de bedrijven. "De installaties moeten na elke batch worden gedemonteerd, gereinigd en opnieuw gemonteerd," legt Marcus Weidemann uit, procesingenieur bij Alexanderwerk GmbH. "Dit verhoogt de stilstandtijden van de machines en leidt daardoor tot hogere productiekosten." Daarnaast moeten medewerkers meerdere keren per batch handmatig monsters nemen en deze in het laboratorium analyseren. Omdat de resultaten meestal pas na afloop van een productiecyclus beschikbaar zijn, kunnen procesparameters bij vastgestelde kwaliteitsproblemen pas voor de volgende batch worden aangepast, terwijl de reeds geproduceerde hoeveelheid in veel gevallen volledig moet worden afgekeurd.

Om de procestechniek van rollenpersen met de bijbehorende meetinstrumenten en besturingstechniek geschikt te maken voor continuous manufacturing, hebben Parsum en Alexanderwerk in een gezamenlijk ontwikkelingsproject een oplossing uitgewerkt. Want deze productiebenadering biedt talrijke voordelen ten opzichte van de batchprocedure: "Ideaal gezien bewaakt de gebruikte meetsystemen niet alleen kritische kwaliteitsattributen (critical quality attribute – cqa) in realtime, maar levert ook de actuele waarden om bij afwijkingen automatisch bij te sturen," legt Stefan Dietrich uit, algemeen directeur van Parsum GmbH. "Hierdoor hoeft de productie niet meer te worden onderbroken voor het opnieuw afstellen van parameters. De beschikbaarheid van de installaties en de fijnmazigheid van de kwaliteitscontrole worden aanzienlijk verhoogd, wat zowel de productkwaliteit verbetert als de productie kosten verlaagt."

Van laboratoriumanalyse naar inline-metingen

De praktische implementatie van een PAT-concept (Process Analytical Technology) vormde bij de droge granulering een grote uitdaging. Terwijl procesparameters aan de machinezijde, zoals de snelheid van de transportschroef, de rotatiesnelheid van de rollen en de druk op de rollen al online kunnen worden gemeten, was de controle van de deeltjesgrootteverdeling, een belangrijke procesparameter voor het verwerkte materiaal, tot nu toe alleen offline mogelijk. De reden hiervoor was het ontbreken van een geschikte combinatie van monstername-inrichting (proces-Interface) en meetsystemen voor dit proces. "Kort gezegd wordt in een rollenpers het zeer losse, poederachtige uitgangsmateriaal eerst door mechanische druk tussen twee tegen elkaar draaiende rollen geperst tot een continu vast lint, de schülpe. Vervolgens wordt dit in een zeefmolen, de rotor-fijn-Granulator (RFG), verkleind, waardoor als eindproduct compact granulaat ontstaat met een gedefinieerde deeltjesgrootteverdeling," legt Weidemann uit. De uitdaging bij de meting is dat het geproduceerde granulaat niet uit homogene deeltjes bestaat, maar uit deeltjes waarvan de grootte binnen een monster varieert van zeer fijn tot grof.

"Relevante voor de metingen zijn de twee fracties die ontstaan: het fijne aandeel en het granulataandeel. Het gaat hierbij om een bimodale verdeling van de deeltjesgrootte," vertelt Dietrich. In het verleden zijn verschillende meetsondes en dispersie-apparaten getest, die zich al in andere granulatieprocessen hadden bewezen, bijvoorbeeld in fluidbed- of high-shear-granulering. In het specifieke geval van het comprimeerproces verschillen de inline-metingen echter vaak duidelijk van de resultaten van offline laboratoriummonsters."

Gezamenlijk onderzoeksproject van Alexanderwerk, Parsum en de TUHH versnelt continue productie

Parsium en Alexanderwerk onderzochten de oorzaken van de schommelingen in de meetresultaten in het kader van een gezamenlijk onderzoeksproject. Op basis van deze onderzoeken werden een meetsonde en een proces-Interface voor de rollenpers ontwikkeld. Voor een fundamentele proces-simulatie van het rollencomprimeren werd bovendien de expertise van de Technische Universiteit Hamburg (TUHH) ingeschakeld.

Het belangrijkste kritische kwaliteitsattribuut dat door de projectpartners werd geïdentificeerd, is de deeltjesgrootteverdeling (PGV) van het granulaat. De taak van Parsum was het ontwikkelen van een instrument voor inline-metingen dat de PGV representatief en in realtime bepaalt, zonder grote ingrepen in het proces of de machineconstructie. Om betrouwbare gegevens te verkrijgen als basis voor de procesregeling, moest een geschikt "proces-Interface" voor de Parsum-sonde worden ontwikkeld. Daarnaast was het belangrijk om het bestaande standaardmeetbereik naar beneden uit te breiden, zodat ook het fijne aandeel nauwkeurig kan worden gemeten.

De meetlocatie is bepalend

Voor het weergeven van procesveranderingen is het belangrijk om een gedifferentieerde evaluatie van de gemeten gegevens uit te voeren. Het volstaat niet, zoals bij andere processen met "normale" PGV, alleen de mediaan van de deeltjesgrootte (x50) te bekijken – bij dit proces is vooral de verhouding tussen fijn- en granulataandeel van belang. "In de normale bedrijfsvoering varieert deze verhouding echter," legt Dietrich uit. "Het fijne aandeel passeert onregelmatig de uitgang van de machine en leidt zo tot meetvariaties." Vooral de positie van de meetsonde is daarom cruciaal voor een representatieve monstername: afhankelijk van waar en hoe deze onder het granulatiescherm wordt geplaatst, bestaan aanzienlijke verschillen in de verhouding tussen fijn- en granulataandeel. Om een optimale methode voor een zo representatief mogelijke monstername te ontwikkelen, werden vier verschillende benaderingen onderzocht. Onder andere werden meerdere proefreeksen uitgevoerd waarin gelijktijdig monsters werden genomen en geanalyseerd op 40 verschillende posities onder het granulatiescherm. De ontwikkelde methode voor representatieve inline-monstername werd begin 2021 gepatenteerd.

Ook de kleine deeltjesgrootte vormde een uitdaging: om deze continu inline te kunnen bepalen, ontwikkelde Parsum speciaal voor gebruik in rollenpersen een PAT-meetsonde met een verruimd meetbereik naar beneden en speciale inline-dispersie-apparaten, waarmee ook deeltjes in de grootte van 20 – 2.000 µm betrouwbaar kunnen worden geïsoleerd en stabiel gemeten.

Diagnosetool voor volledige bewaking van relevante procesparameters in realtime

Op basis van talrijke proefreeksen en optimalisaties in de meetsystemen kon uiteindelijk een marktklare rollenpers voor droge granulering worden ontwikkeld, voorzien van een geïntegreerd diagnosetool. Zodat er geen handmatige monsters meer hoeven te worden genomen en offline geanalyseerd, maar alle metingen en analyses al inline en in realtime kunnen worden uitgevoerd, werd de particle-meetsonde strategisch gunstig in de rollenpers geplaatst. Toch hield Alexanderwerk bij de integratie rekening met een ruimtebesparend ontwerp, zodat de rollenpers niet groter wordt ten opzichte van eerdere modellen. Alleen wordt er 100 mm meer bouwhoogte aan de uitgang van de rollenpers nodig om de meetsonde met dispersietechniek te installeren.

"In de machinebesturing worden alle relevante machineparameters, zoals perskracht, rollenafstand en rotatiesnelheid, samengebracht en worden de actuele en gewenste waarden geregistreerd en vergeleken. Bovendien wordt nu ook de volledige PGV gemeten en vastgelegd. De kenwaarden worden zowel in realtime grafisch weergegeven als opgeslagen in het batchprotocol," meldt Weidemann. Dankzij de online bewaking kan de installatie bij grotere afwijkingen of het overschrijden van vooraf bepaalde grenswaarden tijdig worden gestopt, waardoor onnodig en kostbaar materiaalverlies wordt voorkomen. Daarnaast kunnen de inline-meetgegevens worden gebruikt voor een directe vrijgave van een geproduceerde batch voor de volgende verwerking.

Vooruitblik

Na afronding van de eerste fase van het onderzoeksproject is nu een marktklare oplossing ontwikkeld die in de toekomst als optie kan worden aangeboden voor de WP120 farmaceutische rollenpers van Alexanderwerk GmbH en die ook voor andere toepassingen kan worden aangepast. Voor de samenwerkingspartners is het project echter nog niet afgerond, want de ontwikkeling van de rollenpers met inline-meetsonde is slechts een onderdeel op weg naar een volledig gereguleerd proces volgens het principe van efficiënte continuous manufacturing. Er is al een plan voor een realtime evaluatie van de inline gemeten PGV, om via een populatiemassa-balans conclusies te trekken over de schülpendichtheid en de kwaliteit daarvan. Zo'n evaluatie kan worden gebruikt om, indien nodig, via een regelkring in te grijpen in het comprimeerproces en zo een nog constantere kwaliteit van het geproduceerde granulaat te bereiken. "Hiermee krijgt Industry 4.0 steeds meer voet aan de grond in de processtechniek en maakt een continue, kostenefficiënte en foutloze productie mogelijk," besluit Weidemann.