Пилотные установки и испытательные центры в технологической промышленности

В Германии существует плотно занятый и высокоспециализированный сегмент поставщиков пилотных установок и испытательного оборудования. Он исторически возник из машиностроения и производства установок для технологических процессов. Поставщиков можно разделить прежде всего на три категории:

Специализированные производители аппаратов и компонентов: эти производители фокусируются на специфичных базовых операциях, таких как смешивание, диспергирование, замешивание, измельчение, классификация, сушка, гранулирование, нанесение покрытий, экструзия, а также термические разделительные методы, и предлагают для этого лабораторные и испытательные агрегаты в масштабируемых сериях. Типичными системами являются интенсивные, плужные, конусные и двухвальные смесители, испытательные мельницы (например, шаровые, струйные, ударные и мешалковые мельницы), сушилки с псевдоожиженным слоем, распылительные, вакуумные контактные и ленточные сушилки, двухшнековые экструдеры испытательного масштаба, а также установки фильтрации, дистилляции и кристаллизации.

Эти решения адресуют, в частности, строительную, химическую, фармацевтическую, пищевую, полимерную и батарейную промышленность и позволяют масштабирование через геометрически и технологически схожие серии.

Производители установок «под ключ» для пилотных систем и мини-заводов проектируют и реализуют комплектные, часто модульно построенные пилотные линии (например, как скид-монтаж), отображающие весь технологический путь от обращения с сырьём через реакцию, подготовку и формообразование до конечного продукта. Они предлагают пилотные, лабораторные установки и мини-заводы со встроенной технологией процесса и автоматизацией для химической, фармацевтической, биотехнологической и других отраслей.

Инжиниринговые компании и производители с собственным испытательным центром обладают испытательными центрами и опытными центрами, которые можно использовать как «мощность как услугу». Заказчики обращаются к имеющейся пилотной инфраструктуре, проводят исследования осуществимости, серии испытаний и тесты масштабирования, не инвестируя сами в оборудование. Часто доступны различные лабораторные и пилотные установки для процессов смешивания, реакции, разделения и сушки, дополненные технологической аналитикой и автоматизацией.

Испытательные центры исследовательских учреждений

Наряду с промышленными производителями институты Фраунгофера, университеты и близкие к промышленности исследовательские учреждения также эксплуатируют собственные испытательные центры. Их можно использовать для заказных испытаний, совместных проектов разработки и исследований масштабирования. Это часто разумная предварительная ступень или альтернатива собственной инвестиции в пилотную инфраструктуру.

Значение испытательного центра для разработки рецептур

Испытательный центр образует критическое связующее звено между лабораторным масштабом (от граммов до килограммов) и промышленным производством (тонный масштаб). Он обеспечивает валидацию рецептур в условиях, приближённых к производственным, причём центральные физические влияющие величины (например, сдвиговые силы, коэффициенты теплопередачи, время пребывания и поведение течения) можно контролировать и систематически варьировать.

Благодаря этому можно:

• снизить риски бракованных загрузок на крупной установке
• количественно определить эффективность сырья и выходы
• заблаговременно оценить энергетические показатели и эксплуатационные затраты
• надёжно определить технологические границы и рабочие окна

Полученные в испытательном центре данные являются основой для надёжных концепций масштабирования и инвестиционных решений.

Технологические требования к современным пилотным установкам

Современные пилотные установки для разработки рецептур и оптимизации процессов отличаются высокой гибкостью, модульностью и плотностью данных. Типичными признаками являются:

• Модульность и способность к вариантам: сменные технологические модули (например, разные мешалки, форсунки, ступени разделения или фильтрующие среды) обеспечивают быструю адаптацию к разным вязкостям, размерам частиц, кинетике реакций или типам продукта. Модульно построенные технологические зоны позволяют смену между операциями процесса (например, гранулирование, сушка, нанесение покрытий или реагирование) в пределах одной установки.
• Интеграция инлайн- и атлайн-измерительной техники: спектроскопическое инлайн-измерение, анализ размера частиц, электропроводность, а также сенсорика pH, температуры и давления обеспечивают контроль качества продукта и процесса в реальном времени с помощью технологического аналитического контроля (PAT). Высокая плотность приборостроения поддерживает статистическое планирование эксперимента и разработку надёжных моделей процесса.
• Гигиенический дизайн и регуляторное соответствие: в применениях life-science и пищевой промышленности установки отвечают требованиям GMP, FDA, гигиенического дизайна и ATEX. Так исключается перекрёстное загрязнение при смене рецептур и обеспечиваются безопасность и качество продукта.

Открытые интерфейсы и интеграция данных

Современные системы предлагают открытые интерфейсы для интеграции в системы управления, производственные или лабораторные системы и облегчают фиксацию, обработку и архивирование данных испытаний.

Перенос из пилотной фазы в производство (масштабирование)

Масштабирование основывается на применении теории подобия. Инженеры-химики и инженеры-технологи используют характерные безразмерные показатели (например, число Рейнольдса, число Ньютона, число Архимеда), а также другие показатели, чтобы перенести определённые в испытательном центре оптимальные параметры процесса на большие объёмы.

Целями масштабирования являются:

• сохранение геометрического, кинематического и термического подобия между пилотной и производственной установкой
• обеспечение постоянного качества продукта несмотря на растущую производительность
• минимизация затрат на адаптацию, времени пуска и брака на крупной установке

Использование данных испытательного центра

Данные, полученные при работе испытательного центра, входят в расчёты, выбор аппаратов, рассмотрение безопасности и экономические оценки.

Роль автоматизации в испытательных установках

Автоматизация современных пилотных установок выходит далеко за рамки простых функций управления и является центральным фактором для систематической оптимизации процесса.

Фиксация данных и планирование эксперимента (DoE): программируемые логические контроллеры (СПС) и вышестоящие системы со встроенными подключениями к базам данных непрерывно фиксируют данные процесса и качества. Это образует основу для подходов DoE, при которых сочетания параметров систематически варьируются и статистически обрабатываются.

Собранные данные обеспечивают корреляционный анализ между параметрами процесса и признаками качества. На этой основе возникают модели процесса и всё чаще цифровые двойники. С их помощью будущие адаптации процесса можно сначала виртуально смоделировать, оптимизировать и затем реализовать в испытательном центре или производстве.

Масштабируемые концепции автоматизации

Благодаря использованию стандартизованных интерфейсов, платформ управления и функциональных блоков концепции автоматизации можно относительно просто перенести из испытательного центра на производственные установки. Это сокращает масштабирование и повышает возможность повторного использования ноу-хау.

Критерии выбора при выборе производителя

Технические лица, принимающие решения, должны при выборе производителя пилотных установок и испытательного оборудования проверять прежде всего следующие критерии:

• способность к масштабированию и подобие между испытательным центром и промышленной установкой
• отраслевая и технологическая компетенция поставщика (например, химия, фармацевтика, пищевая промышленность, полимеры, батареи)
• соответствие GMP/ATEX и гигиенический дизайн в зависимости от целевого применения
• плотность приборостроения, оснащение PAT и связность данных
• модульность и расширяемость установки для охвата разных рецептур и процессов
• доступность испытательных центров для исследований осуществимости до инвестиционных решений

Благодаря сочетанию подходящей категории поставщика, подходяще рассчитанной пилотной установки и подкреплённой данными разработки процесса создаётся основа для надёжного, масштабируемого и экономичного производства.