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Verfahrenstechnik 5/2018

Verfahrenstechnik 5/2018

Revolution im

Revolution im Rührbehälter Füllstandmessung in der biopharmazeutischen Prozessindustrie Rührwerke, schräge oder konische Behälterböden und Turbulenzen machen die korrekte Füllstandmessung, insbesondere bei kleineren Behältern, bisweilen zu einem Geduldsspiel. Dank der 80-GHz-Technologie ist die Radarmesstechnik nun auch in solchen Situationen prozesstauglich. Wenn es um die Produkte ihrer Kunden geht, kennt Adam Fabriwerk aus dem indischen Nashik keine Kompromisse. Das Unternehmen ist Spezialist für die Herstellung von Misch- und Verarbeitungssystemen für die biopharmazeutische, pharmazeutische und kosmetische Industrie. Antibiotika, Blutplasmaprodukte sowie Injektions- und Infusionslösungen gehören zu den Produkten, die in diesen Behältern hergestellt werden. Nach der Herstellung werden die Stoffe direkt an die Abfüllstationen weitergeleitet. Dabei stellt Adam Fabriwerk nicht nur die Behälter her, sondern stattet diese auch mit der nötigen Infrastruktur aus. Dies reicht von Magnetmischern über Puffer- und Lagerbehälter bis hin zu CIP-Modulen für Lyophilisatoren und Sterilisationsmodulen für die biopharmazeutische Industrie. Salben- Autor: Jürgen Skowaisa, Produktmanager Radar, Vega Grieshaber KG, Schiltach verarbeitungssysteme und Systeme für orale Anwendungen ergänzen das Programm. Qualität sichern Nicht nur die Behälter selbst müssen strengsten hygienischen Anforderungen entsprechen, auch alle Komponenten und insbesondere die Übergänge zu anderen Systemen. Dabei arbeiten die Entwickler eng mit ihren Kunden zusammen – auch wenn es darum geht, eine Anlage zu optimieren oder bei der Entwicklung einer neuen Rezeptur. Darüber hinaus hat das Team vor allem die prozesskritischen Anforderungen im Blick. Jeder Schritt wird daher durch ein aufwändiges Qualitätssicherungssystem überwacht, das sämtliche FDA-Anforderungen erfüllt. Ein wichtiger Aspekt dabei sind die kundenspezifischen Steuerungskonzepte für die unterschiedlichsten Automatisierungsstufen. Um einen sicheren Prozess zu gestalten, muss der Füllstand im Mischbehälter zuverlässig und kontinuierlich überwacht werden. Eine besondere Herausforderung in den vergangenen Jahren war es, den Füllstand in den Behältern exakt zu bestimmen. Pharmazeutische Behälter sind, verglichen mit der Chemieindustrie, eher klein. Auch bei Adam Fabriwerk erreichen sie meist nur eine Höhe von 1,20 m. Bei der Messung des Füllstands kommt es daher auf jeden Millimeter an. Ebenfalls problematisch sind Magnetrührwerke, Turbulenzen, hohe Temperaturen zwischen 50 und 150 °C, unterschiedliche Geometrien der Behälterböden und Sprühkugeln während der CIP-Zyklen. Kleine Apparate Natürlich kannte das Unternehmen die Vorzüge der Radar-Füllstandmesstechnik. Schließlich ist die Messung nicht nur sehr genau, sondern sie misst unabhängig von Temperatur und Druck sowie der Dichte der Flüssigkeit. Darüber hinaus lassen sich die Messgeräte einfach und schnell montieren und in Betrieb nehmen. Wichtigster Aspekt bei pharmazeutischen Anwendungen, insbesondere angesichts der großen Rührwerke: Die Sensoren messen berührungslos. Allerdings war die Radarmesstechnik bis vor zwei Jahren bei kleineren Apparaten und Behältern, wie sie typisch für die Pharmaindustrie sind, einfach nicht geeignet. So stellte die Blockdistanz des Sensors, die 36 VERFAHRENSTECHNIK 5/2018

TITEL I MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN 01 02 Größe und das Design der Antennen oder auch die Messunsicherheit am Behälterboden die Anwender immer wieder vor Schwierigkeiten. Eine weitere Herausforderung befindet sich im Inneren der Behälter: Naturgemäß nehmen Heizschlangen und Rührwerke im Verhältnis weitaus mehr Die Frequenz von 80 GHz führt zu höherer Genauigkeit und stabileren Messergebnissen. Jürgen Skowaisa Raum in einem kleineren Behälter ein als es bei großen Apparaten der Fall ist. Eine Messung mit Radarmessgeräten war also äußerst schwierig bzw. aufwändig, da erhebliche Störreflexionen auftraten. Bisher behalf sich Adam Fabriwerk daher bei der Ausstattung seiner Rührkessel mit Differenzdruck-Messumformern. Allerdings führte dies im Produktionsalltag immer wieder zu Messunsicherheiten, bspw. wenn die Dichte der Medien wechselte. Insbesondere für Pharma- und Kosmetikunter­ 01 Pharmazeutische Behälter sind, verglichen mit der Chemieindustrie, eher klein – auch bei Adam Fabriwerk erreichen sie meist nur eine Höhe von 1,20 m 02 Der berührungslos messende Sensor ist ideal für hygienisch anspruchsvolle Anwendungen und für Messungen bis zum Behälterboden nehmen, die oft ihr Medium wechseln, wurde dies zur Herausforderung, da hier zudem häufig Reinigungszyklen nötig sind. Ebenfalls unpraktisch war die notwendige Kalibrierung, die ebenfalls zu ungenauen Messergebnissen führte. Problematische Medien Seit rund zwei Jahren arbeitet das Unternehmen eng mit der Firma Vega zusammen. Denn die Probleme, die es bisher mit der Radartechnologie gab, änderten sich schlagartig mit der Einführung des Vegapuls 64, der mit einer Frequenz von 80 GHz die Füllstandmessung innerhalb kürzester Zeit auf ein völlig neues Level brachte. Die höhere Messfrequenz führt nicht nur zu einer höheren Genauigkeit und stabileren Messergebnissen, sondern ermöglicht es, die Radartechnologie auch in kleinen Behältern anzuwenden. Der Vegapuls 64 arbeitet mit einer Sendefrequenz von 80 GHz statt den bisher am Markt üblichen 26 GHz. Durch die um den Faktor 3 höhere Sendefrequenz können die Antennengrößen um denselben Faktor kleiner werden und erzielen trotzdem eine ähnliche Signalfokussierung. Dadurch sind wesentlich kleinere Prozessanschlüsse mit einer Antennengröße von nur ¾-Zoll möglich. Dies entspricht der Größe eines 1-Euro-Stücks. Gleichzeitig konnten die Störsignale im Nahbereich durch eine spezielle, entfernungsabhängige Verstärkungsregelung deutlich reduziert werden. Über die STC- Funktion werden Störungen direkt vor dem Antennensystem gemindert. Damit sind eine sehr hohe Signalempfindlichkeit in einem größeren Abstand sowie eine zuverlässige Füllstandmessung während der Reinigungszyklen möglich. Insbesondere der letzte Punkt überzeugte das indische Unternehmen. Der Füllstand wird auch dann noch korrekt angezeigt, wenn die CIP- Prozesse laufen. Gleichzeitig ist der Sensor unempfindlich gegenüber Ablagerungen und Kondensatbildung. Weiterer Pluspunkt: Der Füllstand lässt sich selbst bei schlecht reflektierenden Medien, wie Lösemitteln, sicher erfassen. Da das Antennensystem in den Prozessanschluss integriert wurde, ragt auch keine Antenne in den Behälter hinein. Es ist also möglich, bis dicht an den Prozessanschluss zu messen. Das Behältervolumen wird besser ausgenutzt, was wiederum mehr Flexibilität schafft. Exakt auch am Behälterboden Heute ist die Füllstanderfassung über das gesamte Behältervolumen selbst in kleinen Tanks deutlich einfacher geworden. Dies war bisher weder mit 26-GHz-Sensoren noch mit dem geführten Radar möglich. Da bei letzterem ein Kabel oder Stab als Führung für das Signal genutzt wurde, ist eine Messung bis zum Boden prinzipiell schwer realisierbar. Schließlich muss der Stab oder das Seil immer einen Abstand zum Boden einhalten. Bei größeren Behältern konnte dieser Abstand meist vernachlässigt werden. Aber je kleiner die Behälter, desto größer der prozentual nicht messbare Teil. Ein besonderer Vorteil eines Radarsensors mit 80 GHz zeigt sich bei der Messung von Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätszahl am Behälterboden. Dazu muss man wissen: Bei Medien mit kleinen Dielektrizitätszahlen durchdringt ein Teil der Signale das Medium und wird von dem darunterliegenden Behälterboden reflektiert. Somit erhält man zwei Signale: den eigentlichen Füllstand und den Behälterboden. Die Signale des Bodens sind dabei umso größer, je geringer die Dielektrizitätszahl des Mediums und je besser die Reflexion vom Behälterboden (z. B. flacher Metallboden). Durch die deutlich kürzere Wellenlänge der 80-GHz-Signale des Vegapuls 64 werden diese im Medium erheblich stärker gedämpft als bei 26-GHz-Sensoren. Dadurch ist die Reflexion am Behälterboden deutlich geringer. Das hat zur Folge, dass eine Messung bis zum Behälterboden deutlich einfacher möglich ist als mit bisherigen Sensoren. Nun lassen sich auch kleine Chargen sicher messen. Dies ist insbesondere bei biopharmazeutischen Produkten mit ihren häufig wech selnden Medien ein Vorteil. Bei Adam Fabriwerk zeigte man sich von der unkomplizierten Zusammenarbeit mit Vega und der einfachen Installation des neuen Sensors begeistert. Einmal installiert, war beim Vegapuls 64 keine erneute Konfiguration nötig, nicht einmal während der CIP-Zyklen. Dies wirkt sich besonders positiv aus, wenn die Behälter an die Pharmazeuten ausgeliefert werden. Die Sensoren können noch vor ihrer Auslieferung abgeglichen werden. Der Endkunde erhält so ein komplett einsatzfähiges System. Fotos: Fotolia (Protosom, #24852522), Vega www.vega.com VERFAHRENSTECHNIK 5/2018 37

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