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Glatt. Integrated Process Solutions. Zielstellung Im Projekt sollen die mess- und regeltechnischen Grundlagen für eine prozessimmanente, gezielte Steuerung der Produkteigen- schaften erarbeitet und an Anlagen unterschiedlicher Größe va- lidiert werden. Auf dieser Basis können dann belastbare Aussagen hinsichtlich der industriellen Skalierbarkeit und Pharmatauglichkeit selbst- regelnder Granulationsprozesse getroffen werden. Damit sollen technologische Voraussetzungen für eine völlig neue Qualitätsstufe in der Herstellung pharmazeutischer Produk- te (Granulate bzw. Tabletten) geschaffen werden. Glatt erarbeitet auf Basis der Entwicklungen die Grundlagen für ein automatisches Steuerungssystem für Wirbelschichtgranula- tionsprozesse. Dafür sollen innovative Messsysteme in ein über- geordnetes Gesamtsystem integriert und für die selbstständige eigenschaftsbasierte Regelung der Granulationsbedingungen genutzt werden. Das Wirbelschichtprinzip Die Wirbelschichttechnologie bietet die Möglichkeit, mehrere Ver- fahrensschritte – Trocknung und Produktgestaltung – im gleichen Apparat durchzuführen. Bild 1: Grundprinzip der Wirbelschichttechnologie In der Wirbelschicht verhalten sich die Partikel prinzipiell wie eine Flüssigkeit. Der technische Grundaufbau eines Wirbelschichtap- parates ist einfach: Kernelemente des geschlossenen Prozess- raums sind ein perforierter Anströmboden, darunter Luftkam- mern, darüber mindestens eine Sprühdüse und je nach Apparat und Zielsetzung eine Filteranlage. Die von unten anströmende Prozessluft – meist erwärmte Luft – bringt die Materialfüllung in Bewegung. Dabei werden die einzelnen Partikel in der Schwe- be und gleichzeitig auf Abstand gehalten, sodass ihre gesamte Oberfläche durch Einsprühen von Flüssigkeiten benetzt, granu- liert, beschichtet und gleichzeitig getrocknet werden kann. Bild 2: Aufbau eines Wirbelschicht-Granulators KONTINUIERLICHE ÜBERWACHUNG UND AUTOMATISCHE STEUERUNG VON PHARMAZEUTISCHEN PROZESSEN. BEISPIEL: WIRBELSCHICHTGRANULIERUNG ASTEROID-Wachstumskern: Erarbeitung der anlagen- und regelungstechnischen Grundlagen für die präzise Steuerung des Partikelwachstums in Granulationsprozessen, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, Weimar, Deutschland Anlagentechnik Sprühagglomerationsprozesse werden bei pharmazeutischen Anwendungen überwiegend unter Nutzung von Apparaten mit chargenweiser Prozessführung durchgeführt. Bild 3: Apparate-Typen für Batch Wirbelschicht-Technologien Ganzheitliche Herangehensweise Das Projekt umfasst die systematische Erforschung des Zusammen- spiels von materialwissenschaftlichen Grundlagen und verfahrens- technischen sowie den anlagentechnischen Gesichtspunkten. Bild 4: Beziehungen Material-Prozess-Apparat Arbeitsprogramm Das Teilprojekt ist in 12 Arbeitspakete untergliedert: » Erstellung eines Anforderungsprofiles » Grundlagenexperimente, Analytik und Prozessanalyse » Versuchsbewertung und Prozessmodellierung » Ableitung einer Steuerungsmethodik » Aufbau einer Laborapparatur für Grundlagenuntersuchungen » Erarbeitung adaptiver, selbstlernender Prozessmodelle » Erarbeitung der modellbasierten Regelung des Granulations- prozesses » Funktionsnachweis der modellbasierten Regelung » Erforschung technischer Lösungsansätze für die Prozess- skalierung System-Integration Sämtliche Sensoren sowie das Datenerfassungssystem und die Anlagensteuerung werden über genormte Schnittstellen über ein Netzwerk verbunden. Bild 5: Datentechnisches Verknüpfungsschema Forschungsansatz Für das automatische eigenschaftsbasierte Steuerungssystem ist die Erforschung eines komplexen, aussagefähigen und validier- ten Prozess- und Produktmodell erforderlich. Zur intelligenten Verknüpfung von Eingangsdaten (z. B. Material- eigenschaften, Mengen, Temperaturen, Drücke…) mit Ausgangs- parametern (z. B. Schüttdichte, Zusammensetzung, Homogenität, Morphologie, Partikelgröße, Feuchte…) wird das Konzept künst- licher neuronaler Netzwerke verwendet. Bild 6: Einflussfaktoren bei der Granulation Bild 7: Prinzip künstlicher neuronaler Netzwerke Die Erforschung des Gesamtsystems erfolgt zu Projektbeginn durch eine systematische Sensitivitätsanalyse experimenteller Daten in MATLAB sowie durch die regelungstechnische Umsetzung in SIMULINK. Bild 8: Systematik zur Erstellung des Prozessmodells Danksagung Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2016 FE 9052 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regional Entwicklung (EFRE) kofinanziert. Agglomeration Top-Spray / HP-Spray Trocknung Prozesse Labor Produktion Prinzip WSG GPCG WS Combo Agglomeration Top-/Tangential-/HP-Spray Coating Top-/ Bottom-/ HP-Spray Pelletizing Tangential-Spray / CPS Trocknung Agglomeration Top-/ Bottom-/ HP-Spray Coating Top-/ HP-Spray Trocknung System Massenströme Temperatur Strömungstechnik Batch kontinuierlich Re-Zirkulation Prozessraum Sprühsystem Gasanströmung Reinigbarkeit Sicherheit Kontamination GMP Dichte Viskosität Zusammensetzung Typ Löslichkeit Phasen Stabilität Reinheit Aggressivität Prozess Apparat Material Versuchs- anlage Peripherie Parsum-Sonde fzmb-Sensor (folgt) Waagen Steuerungsplattform Datenübergabe Rückkopplung offline (bisheriges Ziel) PC Mathlab OPC NN-Tool Prozess- modell erweitertes Ziel: Modellbasierte Regelung online » Gasart » Zusammensetzung » Feuchtebeladung » Temperatur » Druck » Geschwindigkeit » Strömungsprofil » Turbulenz » andere … » Material » Zusammensetzung » Partikeldichte » Schüttdichte » Partikelform » Oberflächenbehandlung » Kristallinität » Partikelgrößenverteilung » andere … » Material » Zusammensetzung » Dichte » Druck » Temperatur » Viskosität » ph-Wert » Oberflächenspannung » Erstarrungsenthalpie » Typ (Suspension, Lösung, usw.) » andere … Gas Feststoff Flüssigkeit Unbekanntes System Trainings- daten Fehlermaß- berechnung Lern- algorithmus Anpassung der Gewichte Neuronales Netz Training abgeschlossen Ausgänge Eingänge Training Wirbelschicht Festbett Wirbelpunkt minimale Auflockerung
