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Das folgende Szenario klingt wie eine fiktive dystopische Erzählung, ist aber gelebte Realität. Eine Katastrophe, ähnlich wie die COVID-19-Krise, wirkt sich dramatisch auf die Gesellschaft aus. Die Normalität, wie man sie vorher kannte, hat sich plötzlich geändert: Straßen sind leergefegt, Geschäfte sind geschlossen, Produktionen werden zurückgefahren oder kommen zum Erliegen. Doch was passiert mit sicherheitsrelevanten Systemen, etwa in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie, die nicht stillstehen dürfen und so ausgelegt sind das sie nicht ausfallen dürfen oder können? Wie kann das Risiko von Ausfällen und Stillständen minimiert werden? Wie kann das Risiko von Ausfällen und Stillständen minimiert werden oder im Falle eines Versagens der Schaden für Mensch und Umwelt verringert bzw. generell der betriebliche Ablauf aufrecht gehalten werden?
Digitalisierung: Fluch oder Segen?
Wenn es um verfahrenstechnische Anlagen geht, wird man immer wieder mit Schlagworten konfrontiert wie «Industrie 4.0», «Digitalisierung», «digitale Transformation», «Internet der Dinge», « Smart Manufacturing ", etc. Das Thema wird oft kontrovers diskutiert und oft geht es dabei um ein entweder-oder….entweder der Mensch oder die Maschine und die damit einhergehenden Ängste. Egal wie man Digitalisierung nennt, alle Begriffe haben hier eines gemeinsam: die intelligente Verknüpfen der Vernetzung von Anlagenteilen und Abläufen in der industriellen Produktion mittels modernen Informations- und Kommunikationstechnologien. Prozessautomatisierung ist ein kleiner, aber wichtiger Baustein, der beachtet werden muss. Nur mit robuster und zuverlässiger Messtechnik lassen sich Daten konsistent erfassen, weiterleiten und reproduzieren.
Gerade in der Prozessanalysentechnik (PAT) beschäftigt man sich schon recht lange mit dem Thema Sensorik, Automatisierung, Prozessführung und Prozesskontrolle mit dem Ziel geringerer Stillstandszeiten und einem optimierten Ressourceneinsatz. Dabei geht es aber nicht nur um die reine Erhebung von Daten, sondern auch um deren sinnvolle Interpretation und Einbindung in das QM-System. Nur eine konsequente Beurteilung und Bewertung kann zu einer deutlichen Effizienzsteigerung und Optimierung führen.
Dies stellt eine echte Chance dar, Produktionsprozesse in Krisenzeiten mit reduziertem Personalaufwand aufrechtzuerhalten. Relevante Analysen werden vollautomatisch und kontinuierlich in den Prozess verlagert. Dies ermöglicht eine hohe Verfügbarkeit und ein schnelles Eingreifen sowie die Sicherstellung hoher Qualitätsanforderungen sowohl an die Prozesssicherheit als auch an die Prozessoptimierung. Darüber hinaus wird mit einer Überwachung aller Systemkomponenten und vorbeugenden Wartungstätigkeiten einem Ausfall wirkungsvoll entgegengewirkt.
Erfahren Sie hier mehr über die Grundlagen der Prozessanalysentechnik
Digital vernetzte Produktionsanlagen
Auch wenn die Digitalisierung in der Privatwirtschaft unter dem Schlagwort «Smart Home» relativ etabliert ist, steckt das Thema in vielen Produktionsbereichen noch in den Kinderschuhen. Um unterschiedliche Prozesse intelligent zu vernetzen, werden hohe Anforderungen gestellt. Prozessanalysensysteme leisten einen wesentlichen Beitrag zur Analyse kritischer Parameter. Die Weiterleitung der Daten an die Leitwarte ist entscheidend für die Prozesssteuerung und -optimierung. Um dem Stand der Technik zu entsprechen, müssen Prozessanalysesysteme folgende Anforderungen erfüllen:
Transparente Kommunikation / betriebsnahe Instandhaltung
Prozesse müssen kontinuierlich überwacht und die Anlagensicherheit gewährleistet werden. Stillstandszeiten sind mit hohem Aufwand und Kosten verbunden und können daher nicht toleriert werden. Um das Risiko von Ausfällen wirkungsvoll zu minimieren, müssen, im Rahmen der Selbstüberprüfung, gerätespezifische Diagnosedaten kontinuierlich übermittelt werden oder mit Hilfe präventiver Unterhaltstätigkeiten Ausfälle vorausschauend unterbunden werden. Im Idealfall muss schnell reagiert und Fehler müssen behoben werden können ohne die Anlage herunter fahren zu müssen (auch remote).
Zukunftssichere Automatisierung
Bedenkt man, wie viele Jahre (oder gar Jahrzehnte) verfahrenstechnische Anlagen in Betrieb sind, versteht es sich von selbst, dass Erweiterungen und Optimierungen innerhalb ihrer Lebensdauer möglich sein müssen. Dazu zählt sowohl die Implementierung von Analysatoren die dem Stand der Technik entsprechen als auch die Kommunikation zwischen den Systemen.
Redundante Systeme
Um zu verhindern, dass Störungen den gesamten Anlagenbetrieb gefährden, finden in der Regel Redundanzkonzepte Anwendung.
Praxisbeispiel: Smarte Konzepte für Fermentationsprozesse
Fermenter oder Bioreaktoren werden in den unterschiedlichsten Industrien zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellen eingesetzt. Bakterien, Hefen, Säugerzellen oder deren Bestandteile dienen als wichtige Wirkstoffe in der Pharmazie oder als Grundchemikalien in der chemischen Industrie. Darüber hinaus gibt es auch Abbauprozesse in der Abwasserbehandlung, die durch den Einsatz von Bioreaktoren unterstützt werden. Auch Sudkessel in der Bierherstellung können als eine Art Bioreaktor betrachtet werden. Um den hohen Anforderungen an eine entsprechende Produktausbeute und die Aufrechterhaltung idealer Bedingungen für einen ordnungsgemäßen Stoffwechsel gerecht zu werden, müssen kritische Parameter häufig und genau kontrolliert werden.
Die Bedingungen müssen optimal an den natürlichen Lebensraum des Organismus angepasst sein. In Ergänzung zu pH-Wert und Temperatur, dazu gehört auch die Zusammensetzung der Matrix, der Trübung, oder der Inhalt von O2 und CO2. Die Schaffung optimaler Umgebungsbedingungen ist entscheidend für eine erfolgreiche Kultivierung der Organismen. Kleinste Abweichungen haben verheerende Folgen für deren Überleben und können durch Produktverlust erhebliche wirtschaftliche Schäden verursachen.
Mit dem Aufkommen smarter Technologien sind Online-Analysensysteme und wartungsfreie Sensoren unverzichtbar geworden, um das Überleben der Mikroorganismen zu sichern. So werden rund um die Uhr zuverlässig Messwerte geliefert und sichergestellt, dass diese direkt an alle gängigen Prozessleitsysteme übertragen oder in bestehende QM-Systeme integriert werden.
Statt einer manuellen Offline-Messung in einem separaten Labor kann die Analyse direkt im Medium erfolgen oder in eine externe Messzelle verlagert werden. Die Online-Analyse hat gegenüber der Inline-Analyse einen zusätzlichen Vorteil. Bei dieser Methode wird der Probenstrom dem Analysensystem durch Ansaugen mit Schlauchpumpen oder Bypassleitungen zugeführt. Die Online-Analyse ermöglicht nicht nur die Möglichkeit des 24/7-Betriebs und damit eine genaue Kontrolle der kritischen Parameter, sondern auch die Kombination verschiedener Analysemethoden und die Bestimmung weiterer Parameter. Somit können mit einem System sowohl mehrere Parameter als auch mehrere Messstellen überwacht werden.
Das Herzstück der Analysensysteme ist die intelligente Sensorik, deren Robustheit entscheidend für die zuverlässige Messwertgenerierung ist.
pH-Messung als wichtiger Schlüsselparameter in Bioreaktoren
Gerade bei Fermentationsprozessen ist die Kenntnis des genauen pH-Wertes entscheidend für die Produktausbeute. Die Aktivität des Organismus und sein Stoffwechsel sind direkt vom pH-Wert abhängig. Die idealen Bedingungen für ein optimales Zellwachstum und einen reibungslosen Stoffwechsel liegen in einem begrenzten pH-Toleranzbereich, der mit Hilfe hochpräziser Sensoren kontinuierlich überwacht und angepasst werden muss.
Die exakte Messung des pH-Wertes unterliegt jedoch einer Reihe chemischer, physikalischer und mechanischer Einflussfaktoren, was bedeutet, dass die Bestimmung mit herkömmlichen Inline-Sensoren ist oft keine leichte Aufgabe ist. Beispielsweise ist die Einhaltung von Hygienemaßnahmen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie von entscheidender Bedeutung. Rohrleitungen in der Produktion werden mit Lösungen bei erhöhten Temperaturen gereinigt. Daher sind robuste Inline-pH-Sensoren erforderlich, um nachteilige Auswirkungen (z. B. verringerte Genauigkeit, Empfindlichkeit und Lebensdauer) zu vermeiden.
Geeignete Elektroden für Inline-pH-Messungen für die pharmazeutische und biotechnologische Industrie
Intelligente und wartungsfreie pH-Sensoren
Glaselektroden werden meistens für die pH-Messung verwendet, weil sie immer noch die mit Abstand widerstandsfähigste, vielseitigste und zuverlässigste Lösung sind. Veränderungen durch Alterungsprozesse oder Verschmutzungen in der Membran bleiben jedoch in vielen Fällen unentdeckt. Auch Glasbruch stellt ein hohes Risiko dar, da dies zum Ausschuss der gesamten Produktionscharge führen kann. Für die pharmazeutische Industrie sind die Sensoren ProTrode 200 und ProTrode 300 von Metrohm Process Analytics die perfekte Lösung, um diese Probleme zu vermeiden. Sie sind mit einem Silberfänger ausgestattet, um Ag-Ionen-Kontaminationen aus der Prozessprobe zu vermeiden.
ProTrode 200 (links) und ProTrode 300 (rechts) Sensoren für pharmazeutische und biotechnologische Prozessumgebungen.
Der 2026 pH Analyzer von Metrohm Process Analytics ist ein vollautomatisches Analysensystem, z.B. zur Bestimmung des pH-Wertes als Einzelparameter.
Außerdem bieten diese Schweizer Qualitätssensoren Typ HT-Qualitätsglas, das stabile Messwerte und genaue Messungen über einen breiten pH-Bereich ermöglicht und den anspruchsvollsten Umgebungen standhält. Bei vielen Prozesslösungen findet die Messung mit Prozesssensoren direkt im Medium statt, und manchmal sind Kalibrierung und Wartung eine Herausforderung. Die ProTrode pH-Sensoren wurden von Grund auf so konzipiert, dass Kalibrierung und Wartung in einem sicheren Bereich (z. B. Labor) durchgeführt werden können und alle Daten ohne kostspielige Wartungsarbeiten und Ausfallzeiten einfach auf den Inline-Sensor übertragen werden können.
Bei Online-Prozessanalysatoren wird die Messung aus dem Prozess in eine externe Messzelle verlagert. Dadurch kann eine langlebige pH-Messung mit einer Genauigkeit erreicht werden, die mit klassischen Inline-Sonden nicht möglich ist.
Metrohm Process Analytics hat jahrzehntelanges Anwendungs-Know-how sowohl in Bezug auf hochwertige Sensoren als auch in der Prozessanalyse gesammelt. Wenn die pH-Messung mit Online-Prozessanalysatoren durchgeführt wird, können Kalibrierung, Justierung und Reinigung vollautomatisch durchgeführt werden . Das System überwacht kontinuierlich den Zustand der Elektrode. Zwischen den Messungen taucht die Elektrode in eine membranschonende Aufbewahrungslösung ein, die ein Austrocknen verhindert und gleichzeitig die Quellschicht regeneriert. Die Elektrode ist immer einsatzbereit und muss für Wartungsarbeiten nicht aus dem Prozess entfernt werden .
Erfahren Sie mehr über den 2026 pH Analyzer von Metrohm Process Analytics
Instandhaltung und Digitalisierung
Neben der automatischen Überwachung kritischer Prozessparameter spielt auch die transparente Kommunikation zwischen System und Analysator auch im Sinne von Instandhaltungsmaßnahmen eine entscheidende Rolle. Das Sammeln von Vitaldaten aus dem Analysator zur Beurteilung des Systemzustands ist dabei nur ein Baustein. Die kontinuierliche Überwachung relevanter Systemkomponenten lässt Rückschlüsse auf notwendige Wartungsarbeiten zu. So werden während des Analyseprozesses regelmäßig Routinekontrollen zum Zustand der Elektroden (Steilheits-/Nullpunktprüfung, evtl. automatische Kalibrierung) durchgeführt. Basierend auf den Daten, werden Kalibrier- und Reinigungsvorgänge vollautomatisch durchgeführt, die eine robuste Messung auch an schwer zugänglichen Messstellen oder in aggressiven Prozessmedien ermöglichen. Das bedeutet, dass der Bediener sich außerhalb des Gefahrenbereichs befindet, was zu mehr Sicherheit beiträgt.
Metrohm Quality Service - Probleme vermeiden, bevor sie entstehen
Zusammenfassung
Die Verknüpfung von Produktionsprozessen mit digitaler Technik birgt ein besonders großes Potenzial und trägt zur wirtschaftlichen Absicherung von Unternehmen bei. Zudem wächst der Druck auf Unternehmen stetig, sich den Anforderungen der Digitalisierung in der Produktion zu stellen. Im Bereich von Fermentationsprozessen wird mit einer engmaschigen Kontrolle relevanter Parameter das Überleben des Mikroorganismus sichergestellt. Intelligente Systeme erhöhen den Automatisierungsgrad und können den Prozess entlang der gesamten Wertschöpfungskette effizienter gestalten.
Erfahren Sie im nächsten Beitrag wie funktionale Sicherheitskonzepte dabei helfen zu handeln bevor Fehler passieren und Systeme im schlimmsten Fall versagen. Schau es dir hier an:
Gefahr erkannt, Gefahr gebannt: Fehler- und Risikominimierung in der Prozessanalyse – Teil 3
