Industrie 4.0: SIEMENS mit Bioprozess Pilotanlage in Wien

Die Entwicklung neuer Arzneimittel und Wirkstoffe ist kostenintensiv und zeitaufwändig. Zudem unterliegen die Herstellungsprozesse strengen gesetzlichen Vorschriften und müssen umfangreiche Qualitätsmerkmale erfüllen. Ob das fertige Medikament mit den zuvor definierten Produktmerkmalen übereinstimmt, wird üblicherweise erst am Ende der Produktion, in einem streng festgelegten Verfahren überprüft. Treten Abweichungen auf, wird die Charge nicht freigegeben. Rückrufaktionen und Lieferengpässe können die Folge sein. Dabei ist es oft schwierig, die Gründe für die Fehlproduktion zu eruieren, wodurch es zu wiederholten Verlusten kommen kann. Die Lösung dieses Problems liegt in der Digitalisierung der Produktionsanlage – und zwar über den gesamten Anlagenzyklus: Vom Engineering und Betrieb bis hin zur laufenden Optimierung.

Im Bioprozesslabor von Siemens Corporate Technology in Wien entwickeln Forscher derzeit intelligente Mess- und Automatisierungstechnik, um genau das stellvertretend für einen Bereich der Prozessindustrie zu verwirklichen. Das Labor ist mit einem Demonstrator ausgestattet, der sämtliche Abläufe einer realen Prozessanlage simuliert. Interessierte Anwender können so das Zusammenspiel von Siemens-SIMATIC-Produkten anhand der voll funktionsfähigen Minianlage live verfolgen.

Echtzeit-Qualitätskontrolle

Produktspezifikationen von Medikamenten werden üblicherweise anhand kleiner Chargen im Labor ermittelt. In der Serienproduktion können aber neue Bedingungen auftreten, die zuvor nicht absehbar waren. Will der Hersteller den Produktionsprozess anpassen, müssen selbst geringfügige Änderungen erneut bei der Behörde eingereicht werden. „Daher ist es wichtig, genau zu definieren, welche Parameter für die Produktqualität maßgeblich sind und wann und auf welche Weise sie kontrolliert werden können“, erläutert Laborleiter Martin Joksch den Hintergrund seiner Forschungsaktivitäten und fügt hinzu: „Unser Ziel ist, durch statistische und deterministische Modelle und Online-Optimierungsmaßnahmen die Prozessabläufe in der Pharmaindustrie effizienter und möglichst fehlerfrei zu gestalten.“

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Rund acht Stunden dauert ein Fermentationsdurchgang mit Hefezellen.  | Foto: Pepo Schuster, austrofocus.at

Rund acht Stunden dauert ein Fermentationsdurchgang mit Hefezellen. | Foto: Pepo Schuster, austrofocus.at

Während der Fermentation erfassen die Forscher mithilfe von Sensoren und Analysegeräten Substanzeigenschaften, die die Qualität eines Bioprozesses maßgeblich beeinflussen. Dazu gehören beispielsweise pH-Wert, Sauerstoff- und Glucosegehalt sowie Temperatur. Darüber hinaus werden je nach Aufgabenstellung zwischen 100 und 2.000 Messwerte aus den Spektralanalysegeräten erfasst und analysiert. Auf dieser Datenbasis entwickeln die Forscher statistische Modelle, die vorhersagen, wie sich die Parameter bei unterschiedlichen Prozessbedingungen verändern werden. Diese Vorhersagetools bilden die Grundlage, um Herstellungsprozesse so zu steuern, dass die erforderliche Produktqualität jederzeit eingehalten werden kann.

Der gesamte Fermentationsprozess wird durch die Siemens-Steuerung SIMATIC PCS7 kontrolliert. Sie steuert die Pumpen, regelt Temperatur und pH-Wert und sammelt Messdaten. Zusammengeführt und analysiert werden die Messwerte der unterschiedlichen Analysegeräte auf der Datenplattform SIMATIC SIPAT. Mittels Prozessanalysetechnik werden Qualitätsvorgaben und kritische Parameter in Echtzeit überwacht. Tritt eine Abweichung auf, kann der Prozess ohne Betriebsunterbrechung nachjustiert werden. Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Qualitätskontrolle findet nicht erst beim Endprodukt statt, sondern wird schon mehrfach im Prozessverlauf geprüft. Fehler können dadurch frühzeitig erkannt bzw. vermieden und die Chargen schneller freigegeben werden.

Automatisierung schafft Flexibilität

Neben der Prozesskontrolle ist die Anlagenplanung in der Pharmaindustrie ein wesentlicher Faktor, um Arbeitsabläufe zu optimieren. Künftig wird zudem der Trend zur personalisierten Medizin die Fertigung kleiner Serien forcieren. Maßgeschneiderte Medikamente könnten die Wirkung von Arzneimitteln vorhersehbarer machen und Nebenwirkungen minimieren. „Für die Produktionsprozesse bedeutet das, sie müssen erheblich flexibler werden. Der Schlüssel dafür liegt in der Automatisierung von Anlagen, die einen schnellen Wechsel von Rezepturen und Prozessfolgen ermöglicht“, erläutert Werner Schöfberger von der Siemens Division Process Industries and Drives.

Eine höhere Produktivität kann durch eine kontinuierliche Herstellung von Medikamenten in kompakten, geschlossenen Einheiten, mit hohem Automatisierungsgrad und wenig manuellen Eingriffen erzielt werden. „Anlagen könnten um mehr als ein Drittel besser ausgelastet und die Produktionskosten um zehn bis zwanzig Prozent gesenkt werden. Zusätzlich profitiert die Industrie von höherer Energieeffizienz, weniger CO2-Emissionen und geringeren Investitions- und Betriebskosten“, sagt Schöfberger. Noch steht die Digitalisierung im Pharmabereich am Beginn. Sie ist allerdings unabdingbar, um steigende Kundenerwartungen zu erfüllen und die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten.