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Glatt. Integrated Process Solutions.
ZielstellungIm 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 getro� en werden. Damit sollen technologische Voraussetzungen für eine völlig neue Qualitätsstufe in der Herstellung pharmazeutischer Produk-te (Granulate bzw. Tabletten) gescha� en 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 WirbelschichtprinzipDie 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 Ober� äche 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
AnlagentechnikSprühagglomerationsprozesse werden bei pharmazeutischen Anwendungen überwiegend unter Nutzung von Apparaten mit chargenweiser Prozessführung durchgeführt.
Bild 3: Apparate-Typen für Batch Wirbelschicht-Technologien
Ganzheitliche HerangehensweiseDas Projekt umfasst die systematische Erforschung des Zusammen-spiels von materialwissenschaftlichen Grundlagen und verfahrens-technischen sowie den anlagentechnischen Gesichtspunkten.
Bild 4: Beziehungen Material-Prozess-Apparat
ArbeitsprogrammDas Teilprojekt ist in 12 Arbeitspakete untergliedert:
» Erstellung eines Anforderungspro� les » 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-IntegrationSämtliche 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: Ein� ussfaktoren 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) ko� nanziert.
AgglomerationTop-Spray / HP-Spray
Trocknung
Prozesse Labor Produktion Prinzip
WSG
GPCG
WSCombo
AgglomerationTop-/Tangential-/HP-Spray
CoatingTop-/Bottom-/HP-Spray
PelletizingTangential-Spray / CPS
Trocknung
AgglomerationTop-/Bottom-/HP-Spray
CoatingTop-/HP-Spray
Trocknung
System
MassenströmeTemperatur
Strömungstechnik
BatchkontinuierlichRe-Zirkulation
ProzessraumSprühsystem
Gasanströmung
ReinigbarkeitSicherheit
KontaminationGMP
DichteViskosität
ZusammensetzungTyp
LöslichkeitPhasen
StabilitätReinheit
Aggressivität
Prozess Apparat
Material
Versuchs-anlage
PeripherieParsum-Sonde
fzmb-Sensor (folgt)Waagen
Steuerungsplattform
Datenübergabe
Rückkopplung o� ine
(bisheriges Ziel)
PCMathlab
OPC
NN-Tool
Prozess-modell
erweitertes Ziel:
Modellbasierte Regelung online
» Gasart » Zusammensetzung » Feuchtebeladung » Temperatur » Druck » Geschwindigkeit » Strömungspro� l » Turbulenz » andere …
» Material » Zusammensetzung » Partikeldichte » Schüttdichte » Partikelform » Ober� ächenbehandlung » Kristallinität » Partikelgrößenverteilung » andere …
» Material » Zusammensetzung » Dichte » Druck » Temperatur » Viskosität » ph-Wert » Ober� ächenspannung » Erstarrungsenthalpie » Typ (Suspension, Lösung, usw.) » andere …
Gas Feststo� Flüssigkeit
Unbekanntes System
Trainings-daten
Fehlermaß-berechnung
Lern-algorithmus
Anpassungder Gewichte
Neuronales Netz
Training abgeschlossen
AusgängeEingänge Training
WirbelschichtFestbett Wirbelpunktminimale
Au� ockerung