Instalacje pilotowe i centra prób w przemyśle procesowym

W Niemczech istnieje gęsto obsadzony i wysoko wyspecjalizowany segment dostawców instalacji pilotowych i wyposażenia centrów prób. Wywodzi się on historycznie z budowy maszyn i instalacji dla inżynierii procesowej. Dostawców można podzielić przede wszystkim na trzy kategorie:

Wyspecjalizowani producenci aparatów i komponentów: producenci ci koncentrują się na konkretnych operacjach podstawowych, takich jak mieszanie, dyspergowanie, ugniatanie, rozdrabnianie, klasyfikacja, suszenie, granulowanie, powlekanie, wytłaczanie oraz termiczne procesy rozdziału, i oferują do tego agregaty laboratoryjne oraz do centrów prób w skalowalnych seriach konstrukcyjnych. Typowe systemy obejmują mieszalniki intensywne, lemieszowe, stożkowe i dwuwałowe, młyny do centrów prób (np. kulowe, strumieniowe, udarowe i mieszadłowe), suszarki fluidalne, natryskowe, kontaktowo-próżniowe i taśmowe, dwuślimakowe wytłaczarki w skali centrum prób oraz instalacje filtracyjne, destylacyjne i krystalizacyjne.

Rozwiązania te obejmują między innymi przemysł budowlany, chemiczny, farmaceutyczny, spożywczy, tworzyw sztucznych i bateryjny i umożliwiają skalowanie dzięki geometrycznie i procesowo podobnym seriom konstrukcyjnym.

Producenci instalacji pod klucz dla systemów pilotowych i miniplant projektują i realizują gotowe do użytku, często modułowo zbudowane linie pilotowe (np. w formie montażu skid), które odwzorowują całą ścieżkę procesową od obchodzenia się z surowcem przez reakcję, przetwarzanie i formowanie aż po produkt końcowy. Oferują oni instalacje pilotowe, laboratoryjne i miniplant ze zintegrowaną techniką procesową i automatyzacją dla przemysłu chemicznego, farmaceutycznego, biotechnologicznego i innych.

Usługodawcy inżynieryjni i producenci z własnym centrum prób dysponują centrami prób i ośrodkami doświadczalnymi, które można wykorzystywać jako „Capacity as a Service”. Klienci korzystają z istniejącej infrastruktury pilotowej, przeprowadzają badania wykonalności, serie prób i testy skalowania, bez konieczności inwestowania we własny sprzęt. Często dostępne są różne instalacje laboratoryjne i pilotowe do procesów mieszania, reakcji, rozdziału i suszenia, uzupełnione o analitykę procesową i automatyzację.

Centra prób placówek badawczych

Obok producentów przemysłowych własne centra prób prowadzą również instytuty Fraunhofera, uniwersytety i placówki badawcze bliskie przemysłowi. Mogą one być wykorzystywane do prób zleconych, wspólnych projektów rozwojowych i badań skalowania. Jest to często sensowny etap wstępny lub alternatywa dla własnej inwestycji w infrastrukturę pilotową.

Znaczenie centrum prób dla opracowywania receptur

Centrum prób stanowi krytyczne ogniwo łączące skalę laboratoryjną (zakres gramów do kilogramów) z produkcją przemysłową (skala tonowa). Umożliwia ono walidację receptur w warunkach zbliżonych do produkcyjnych, przy czym centralne wielkości wpływu fizycznego (np. siły ścinające, współczynniki przenikania ciepła, zachowanie czasu przebywania i przepływu) można kontrolować i systematycznie zmieniać.

Dzięki temu można:

• zmniejszyć ryzyko wadliwych partii w instalacji wielkotowarowej
• określić ilościowo efektywność wykorzystania surowca i uzyski
• wcześnie ocenić wskaźniki energetyczne i koszty eksploatacji
• bezpiecznie wyznaczyć granice technologiczne i okna pracy

Dane uzyskane w centrum prób stanowią podstawę dla rzetelnych koncepcji skalowania i decyzji inwestycyjnych.

Wymagania procesowe wobec nowoczesnych instalacji pilotowych

Nowoczesne instalacje pilotowe do opracowywania receptur i optymalizacji procesów wyróżniają się wysoką elastycznością, modułowością i gęstością danych. Typowe cechy to:

• Modułowość i zdolność do wariantowania: wymienne moduły procesowe (np. różne elementy mieszające, dysze, stopnie rozdziału lub media filtracyjne) umożliwiają szybkie dostosowanie do różnych lepkości, wielkości cząstek, kinetyki reakcji lub typów produktów. Modułowo zbudowane strefy procesowe pozwalają na zmianę między operacjami procesowymi (np. granulowaniem, suszeniem, powlekaniem lub reakcją) w obrębie jednej instalacji.
• Integracja techniki pomiarowej in-line i at-line: spektroskopowy pomiar in-line, analiza wielkości cząstek, przewodność oraz sensoryka pH, temperatury i ciśnienia umożliwiają monitorowanie w czasie rzeczywistym jakości produktu i procesu za pomocą Process Analytical Technology (PAT). Wysoka gęstość aparatury pomiarowej wspiera statystyczne planowanie prób i rozwój odpornych modeli procesowych.
• Hygienic Design i zgodność z regulacjami: w zastosowaniach life-science i spożywczych instalacje spełniają wymagania GMP, FDA, Hygienic Design i ATEX. Dzięki temu wykluczone są zanieczyszczenia krzyżowe przy zmianach receptury, a bezpieczeństwo i jakość produktu są zapewnione.

Otwarte interfejsy i integracja danych

Nowoczesne systemy oferują otwarte interfejsy do włączenia w systemy nadrzędne, systemy produkcyjne lub laboratoryjne i ułatwiają rejestrację, ocenę i archiwizację danych z prób.

Przeniesienie z fazy pilotowej do produkcji (scale-up)

Skalowanie opiera się na zastosowaniu teorii podobieństwa. Inżynierowie chemicy i procesowi wykorzystują charakterystyczne, bezwymiarowe liczby (np. liczbę Reynoldsa, liczbę Newtona, liczbę Archimedesa) oraz inne wielkości charakterystyczne, aby przenieść optymalne parametry procesowe wyznaczone w centrum prób na większe objętości.

Celami skalowania są:

• zachowanie podobieństwa geometrycznego, kinematycznego i termicznego między instalacją pilotową a produkcyjną
• zapewnienie stałej jakości produktu mimo rosnącej przepustowości
• minimalizacja nakładu na dostosowanie, czasów rozruchu i braków w instalacji wielkotowarowej

Wykorzystanie danych z centrum prób

Dane uzyskane podczas eksploatacji centrum prób wchodzą do obliczeń projektowych, doboru aparatów, rozważań dotyczących bezpieczeństwa oraz ocen ekonomicznych.

Rola automatyzacji w instalacjach centrum prób

Automatyzacja nowoczesnych instalacji pilotowych wykracza daleko poza proste funkcje sterujące i jest centralnym czynnikiem umożliwiającym systematyczną optymalizację procesu.

Rejestracja danych i planowanie eksperymentów (DoE): sterowniki programowalne (PLC) oraz systemy nadrzędne ze zintegrowanymi połączeniami z bazami danych w sposób ciągły rejestrują dane procesowe i jakościowe. Stanowi to podstawę dla podejść DoE, w których kombinacje parametrów są systematycznie zmieniane i oceniane statystycznie.

Zebrane dane umożliwiają analizy korelacji między parametrami procesowymi a cechami jakościowymi. Na tej podstawie powstają modele procesowe, a coraz częściej cyfrowe bliźniaki. Za ich pomocą przyszłe dostosowania procesu można najpierw zasymulować i zoptymalizować wirtualnie, a następnie wdrożyć w centrum prób lub w produkcji.

Skalowalne koncepcje automatyzacji

Dzięki wykorzystaniu znormalizowanych interfejsów, platform sterujących i bloków funkcyjnych koncepcje automatyzacji można stosunkowo łatwo przenosić z centrum prób na instalacje produkcyjne. Skraca to czas skalowania i zwiększa możliwość ponownego wykorzystania know-how.

Kryteria wyboru przy doborze producenta

Decydenci techniczni powinni przy wyborze producenta instalacji pilotowych i wyposażenia centrów prób sprawdzić w szczególności następujące kryteria:

• Zdolność do skalowania i podobieństwo między centrum prób a instalacją wielkoprzemysłową
• Kompetencje branżowe i procesowe dostawcy (np. chemia, farmacja, żywność, tworzywa sztuczne, baterie)
• Zgodność z GMP/ATEX i Hygienic Design zależnie od docelowego zastosowania
• Gęstość aparatury pomiarowej, wyposażenie PAT i łączność danych
• Modułowość i możliwość rozbudowy instalacji w celu objęcia różnych receptur i procesów
• Dostępność centrów prób do badań wykonalności przed decyzjami inwestycyjnymi

Dzięki połączeniu odpowiedniej kategorii dostawcy, właściwie dobranej instalacji pilotowej i opartego na danych rozwoju procesu powstaje podstawa dla solidnej, skalowalnej i ekonomicznej produkcji.