Ein adaptierter und integrierter Berechnungsrahmen für intensivierte Prozesse in der chemischen und biochemischen Industrie

Im EU-finanzierten Projekt OPTICO wurde ein adaptiver und integrierter Berechnungsrahmen festgelegt, der aus mehrskaligen, mehrphasigen phänomenbasierten Modellierungstechnologien sowie fortgeschrittenen Prozessanalysetools und Optimierungs-/Steuerungstechniken für eine verbesserte Gestaltung und einen intensivierten Betrieb chemischer/biochemischer Anlagen bestand.

Industrielle Technologien

Der integrierte Rahmen, der im Zentrum des Projekts stand, konnte erfolgreich bei vier industriellen Verfahren eingesetzt werden: bei einem pharmazeutischen Kristallisationsverfahren, zwei Polymerisationsverfahren (d. h. Suspension und inverse Suspension), einem organischen Oxidationsverfahren mit Wasserstoffperoxid und schließlich bei einem System zur Herstellung und Reinigung monoklonaler Antikörper. Ein solcher Rahmen erleichterte die Erreichung des höchsten Ziels von OPTICO, das darin bestand, die bestehende Infrastruktur zu optimieren und/oder neu zu gestalten, sowie eine neue modulare Einrichtung zur Entwicklung dynamischer, anpassungsfähiger und flexibler intensivierter Verfahren zu entwerfen. Eine wichtige Neuerung von OPTICO war die Schaffung eines voll integrierten Rahmens zur Prozessintegration (PI) der Modellierungs-, Simulations-, Optimierungs- und Steuerungsinstrumente sowie von Tools zur Online-Überwachung und Prozessanalyse, die für eine Vielzahl rechnergestützter Aktivitäten im Bereich der Verfahrenstechnik eingesetzt werden können. „Prozessintegration ist der entscheidende technologische Weg, um die Nachhaltigkeit der chemischen und biopharmazeutischen Verfahren drastisch verbessern zu können, indem man die bestehende, ineffiziente Anlageninfrastruktur durch neue, intensivierte Arbeitsprozesse ersetzt“, erklärte Projektkoordinator Prof. Costas Kiparissides. PI kann die Entwicklung neuer Geräte und Produktionsmethoden umfassen, die zu tiefgreifenden Fortschritten bei der Herstellung und Verarbeitung sowie zu einer sichereren, saubereren, kleineren und kostengünstigeren Ausbringungsleistung führen kann. „OPTICO hatte das Ziel, den gegenwärtigen Stand der Technik der Multiskalenmodellierung chemischer und biochemischer Systeme zu erweitern, indem man Modelle auf unterschiedlichen Längen-/Zeitskalen in einen einheitlichen Berechnungsrahmen integrierte“, führte Prof. Kiparissides näher aus. Aus praktischer Sicht, wählte man im Projekt OPTICO vier wichtige Basistechnologien, um die Vorteile des neuen Rahmens für die vier ausgewählten chemischen/biochemischen Verfahren hervorzuheben und zu fördern. Zur Echtzeit-Überwachung der Produktqualität wurden in den ausgewählten industriellen Verfahren Online-Sensoren implementiert, deren Widerstandsfähigkeit mithilfe komplementärer Sensortechnologien bewertet wurde. Für lineare Kalibrierung und Driftkorrekturverfahren wurden neue Ansätze entwickelt, welche die aufwändigen Vor- und Nachkalibrierungsprozesse bei den Sensoren vermeiden sollten. Zweitens wurde im Projekt für die ausgewählten industriellen Verfahren eine Plattform für analytische Prozesstechnik (PAT) zur Sensordatenauswertung, zur inferentiellen Analyse und zur Überwachung wichtiger Prozessparameter implementiert, zu denen Partikel-/Kristallgrößenverteilung, Morphologie, Zusammensetzung und Agglomerationsgrad gehörten. Die dritte Basistechnologie beinhaltete mehrskalige, mehrphasige Modellbibliotheken zur Simulation der ausgewählten chemischen/biopharmazeutischen Verfahren. Die Bibliotheken umfassen Modelle mit verschiedenen Länge/Zeit-Zeitskalen, und man wandte eine generische modulare Struktur an, so dass man mit nur wenigen oder keinen Veränderungen an den entwickelten Bibliotheksmodellen ein breites Spektrum an Verfahren generieren konnte. Schließlich entwickelte man widerstandsfähige modellprädiktive Regelungsinstrumente (Model Predictive Control, MPC) und eindeutige/multiparametrische nicht-lineare Prozesssteuerungsinstrumente (NPC) zur Optimierung und Steuerung der ausgewählten industriellen Verfahren. Robuste dynamische Optimierung und modellprädiktive Regelungsverfahren wurden zur Bestimmung der optimalen Kontrollmaßnahmen eingesetzt, um die Produktqualität zu verbessern, die Produktivität der Anlage zu maximieren und die Produktion von nicht spezifikationsgerechten Produkten zu minimieren. Das Projekt war ein großer Erfolg. „Die Vermarktung der aussichtsreichsten Ergebnisse wurde von den Industriepartnern bereits verstärkt verfolgt, indem man neue Verfahren und Produkte entwickelt hat“, erläuterte Prof. Kiparissides. An der Entwicklung des Rahmens beteiligte OPTICO zwei KMU aus verschiedenen Industriezweigen ((FIBRE PHOTONICS und CHROMACON). „Die Zusammenarbeit mit den KMU ist besonders wichtig, da sie die Entstehung neuer Märkte vorantreiben und somit eine wesentliche Rolle für die Entwicklung intensiverer Verfahren in der Chemie und Biochemie spielen“, konstatierte Prof. Kiparissides. Insgesamt ist Prof. Kiparissides der Meinung, dass PI konkrete Chancen für die chemischen und biochemischen Unternehmen bietet, und dass die Erfolge aus dem Projekt OPTICO die globale Wettbewerbsposition Europas im Hinblick auf diese wichtigen Industrien stärken werden, und zwar auf eine umweltfreundliche Art und Weise.

Schlüsselbegriffe

OPTICO, integrierter Rahmen, Multiskalenmodellierung, Prozessintegration, PI, Energieeffizienz, Optimierung

MODEL-BASED OPTIMIZATION & CONTROL FOR PROCESS-INTENSIFICATION IN CHEMICAL AND BIOPHARMACEUTICAL SYSTEMS

Ein adaptierter und integrierter Berechnungsrahmen für intensivierte Prozesse in der chemischen und biochemischen Industrie

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