Kontinuierliche Überwachung und automatische Steuerung von pharmazeutischen Prozessen. Beispiel: Wirbelschichtgranulierung (Poster)

Zielstellung

Im Projekt sollen die mess- und regeltechnischen Grundlagen für eine prozessimmanente, gezielte Steuerung der Produkteigenschaften erarbeitet und an Anlagen unterschiedlicher Größe validiert 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 Produkte (Granulate bzw. Tabletten) geschaffen werden.
Glatt erarbeitet auf Basis der Entwicklungen die Grundlagen für ein automatisches Steuerungssystem für Wirbelschichtgranulationsprozesse. Dafür sollen innovative Messsysteme in ein übergeordnetes Gesamtsystem integriert und für die selbstständige eigenschaftsbasierte Regelung der Granulationsbedingungen genutzt werden.

Das Wirbelschichtprinzip

Die Wirbelschichttechnologie bietet die Möglichkeit, mehrere Verfahrensschritte – Trocknung und Produktgestaltung – im gleichen Apparat durchzuführen. In der Wirbelschicht verhalten sich die Partikel prinzipiell wie eine Flüssigkeit. Der technische Grundaufbau eines Wirbelschichtapparates ist einfach: Kernelemente des geschlossenen Prozessraums sind ein perforierter Anströmboden, darunter Luftkammern, 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 Schwebe und gleichzeitig auf Abstand gehalten, sodass ihre gesamte Oberfläche durch Einsprühen von Flüssigkeiten benetzt, granuliert, beschichtet und gleichzeitig getrocknet werden kann.

Anlagentechnik und ganzheitliche Herangehensweise

Sprühagglomerationsprozesse werden bei pharmazeutischen Anwendungen überwiegend unter Nutzung von Apparaten mit chargenweiser Prozessführung durchgeführt.

Das Projekt umfasst die systematische Erforschung des Zusammenspiels von materialwissenschaftlichen Grundlagen und verfahrens-
technischen sowie anlagetechnischen Gesichtspunkten.

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 Prozessskalierung

System-Integration

Sämtliche Sensoren sowie das Datenerfassungssystem und die Anlagensteuerung werden über genormte Schnittstellen über ein Netzwerk verbunden.

Forschungsansatz

Für das automatische, eigenschaftsbasierte Steuerungssystem ist die Erforschung eines komplexen, aussagefähigen und validierten Prozess- und Produktmodells erforderlich.
Zur intelligenten Verknüpfung von Eingangsdaten (z. B. Materialeigenschaften, Mengen, Temperaturen, Drücke…) mit Ausgangsparametern (z. B. Schüttdichte, Zusammensetzung, Homogenität, Morphologie, Partikelgröße, Feuchte…) wird das Konzept künstlicher neuronaler Netzwerke verwendet.

Die Erforschung des Gesamtsystems erfolgt zu Projektbeginn durch eine systematische Sensitivitätsanalyse experimenteller Daten in MATLAB sowie durch die regelungstechnische Umsetzung in SIMULINK.

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 regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.