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Posts Tagged ‘Prozessanalytik’

IoT, Prozessflexibilität oder Predictive Control sind nur einige der aktuellen Schlagworte, die die Diskussion in der Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie beherrschen. Sie alle beruhen auf einem gemeinsamen Kern: Ohne Prozessanalytik geht es nicht.

Kein Wunder also, dass einerseits enorme Fortschritte gemacht werden, andererseits aber auch der Bedarf an weiterer Forschung immens ist. Auf der Europact 2020 werden führende Experten zusammenkommen, um die neuesten Trends zu diskutieren – und es gibt viel zu besprechen.

Die Prozessanalytik ist ein vielfältiges und multidisziplinäres Thema. Angefangen von der zugrundeliegenden analytischen Methodik bis hin zur Entwicklung von Sensoren, die eine kontinuierliche Inline-Analytik in Echtzeit ermöglichen, der Integration von Daten aus verschiedenen Quellen und den Rückkopplungsschleifen für die Online-Regelung müssen Chemiker, Ingenieure und Datenwissenschaftler zusammenarbeiten, um die Vision einer integrierten PAT zu verwirklichen.

Integration von Analysemethoden in laufende Prozesse

Die gebräuchlichsten Analysemethoden, auf denen PAT basiert, sind – neben der Messung grundlegender Parameter wie Temperatur, Druck oder pH-Wert – spektroskopische Technologien wie UV/Vis, IR oder NMR. Der Einsatz dieser hochentwickelten Methoden ist durch die rasante Entwicklung der Miniaturisierung und die Verfügbarkeit von sicheren und zuverlässigen drahtlosen Kommunikationstechnologien möglich geworden. Fortschritte in der Lasertechnologie und im Detektordesign haben den Einsatzbereich zusätzlich erweitert. Kompakte Geräte haben nicht nur die Laborbänke erobert, sondern können sogar in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden, wo der Platz begrenzt ist, starke Magnetfelder Probleme bereiten würden und eine regelmäßige Gasversorgung aufgrund logistischer Beschränkungen nicht realisierbar ist.

Europact 2017

Die Integration eines Sensors in einen laufenden Prozess bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich – angefangen bei der nicht ganz einfachen Frage, wie man den Sensor ins Innere bekommt, ohne die Prozessbedingungen zu beeinträchtigen. Um die Laufzeit zu maximieren und die Notwendigkeit von Eingriffen zu minimieren, sollten die Sensoren nicht manuell kalibriert werden müssen; dies erfordert die Entwicklung von „intelligenten Sensoren“. Sie können automatisch nachkalibrieren; in Kombination mit Software und „Fuzzy“-Logik, die kleinere Abweichungen ausgleicht, wird die Laufzeit deutlich erhöht.

Daten sinnvoll nutzen

Daten zu sammeln ist eine Sache, sie zu nutzen bisweilen eine ganz andere. In den letzten Jahren wurden mathematische Modelle und Algorithmen entwickelt, die neue Erkenntnisse ermöglichen. Sie helfen auch dabei, kritische Lücken zu schließen; diese können entstehen, wenn Design of Experiment-Methoden verwendet werden und dabei kritische Parameter übersehen werden oder eine größere Varianz aufweisen als erwartet. So kann PAT in jeder Phase der Wertschöpfungskette und des Produktlebenszyklus ein wertvolles Instrument sein, das die Prozessentwicklung beschleunigt und kritische Qualitätslücken in einem sehr frühen Stadium beseitigt.  Modellbasierte Vorhersagen ermöglichen die Optimierung eines Prozesses auf Parameter, die nicht direkt für die Messung zugänglich sind.

PAT als Enabler für neue Prozesse

Bioprozesse werden sowohl in der Pharma- als auch in der chemischen Industrie immer wichtiger. Im Vergleich zu „klassischen“ chemischen Synthesen sind sie wesentlich komplexer, mit geringen Produktkonzentrationen, vielen komplexen Nebenprodukten und Inhomogenitäten im Reaktor. Die Zusammensetzung und Qualität der Rohstoffe kann ebenfalls variieren. Die Messung und Steuerung von Bioprozessen ist daher sowohl eine Herausforderung als auch ein Bereich, in dem enorme Fortschritte erzielt werden können (und zur Erreichung der Wettbewerbsfähigkeit erforderlich sind).  Ein wichtiger Trend der letzten Jahre war die Entwicklung kontinuierlicher Bioprozesse. Sie sind ohne die Möglichkeiten, die Qualität in Echtzeit zu kontrollieren und die Prozessparameter zeitnah anzupassen, kaum vorstellbar. Der Übergang von der Batch- zur kontinuierlichen Verarbeitung erfordert zu jedem Zeitpunkt ein deutlich verbessertes Prozessverständnis, ebenso wie die Überwachung von Nährstoffen und Verunreinigungen. Christoph Herwig, Leiter der Bioverfahrenstechnik an der TU Wien und Vorsitzender des Komitees der Europact 2020, sieht eine entscheidende Rolle für die PAT in diesem Bereich:  „Die PAT ist der Schlüssel zu robusten kontinuierlichen Bioprozessen und fortschrittlicher Therapien.“

PAT ist keine isolierte Technologie

Während die Integration von Feldinstrumenten bereits weit fortgeschritten ist und sich auf OPC UA DI als Kommunikationstechnologie und PADIM als Informationsmodell stützt, muss die Prozessanalytik dringend aufholen. Dies gilt insbesondere für die Integration mit offenen Architekturen. „PAT liefert eine Menge spezifischer Daten – sowohl Messdaten als auch Diagnosedaten -, die von IIoT-Technologien zur Optimierung der Instandhaltung und der Prozesse genutzt werden könnten“, sagt Werner Worringen, PAT-Experte bei Yokogawa. Die Voraussetzung für IIot ist die nahtlose Integration von PAT in das Gesamtdatenmodell eines Produktionsprozesses. Da PAT-Daten in der Regel sehr komplex sind und von verschiedenen Standorten in einem Werk stammen, scheinen Cloud-Lösungen die beste Antwort zu sein. Aber Bedenken hinsichtlich der Datensicherheit, gemeinsamer Standards und Schnittstellen werden derzeit noch diskutiert.

Entdecken Sie die Trends der Prozessanalytik bei der Europact 2020
Die 5. European Conference on Process Analytics and Control Technology, kurz Europact, deckt alle Aspekte der PAT ab  – von den analytischen Methoden und der Sensorentwicklung über Datenmodelle und Systemintegration. Melden Sie sich an und beteiligen Sie sich am Austausch unter internationalen Experten. Mehr unter https://dechema.de/europact2020.html

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Die Diskussion zur Digitalisierung in der chemischen Industrie schwankt zwischen Enthusiasmus und Ängsten – Zeit, die Diskussion anhand konkreter Beschreibungen zu führen. Das wollen wir in den nächsten Monaten in einer losen Serie tun.

Über die Veränderung der Arbeitswelt durch Digitalisierung und von neuen Geschäftsmodellen wird viel gesprochen. Deutlich wird dies durch allgegenwärtige Begriffe wie Künstliche Intelligenz, Blockchain, Big Data, 5G, Internet of Things und – als Zusammenfassung aller Aspekte im industriellen Umfeld – die Industrie 4.0. Auch Ängste sind mit diesem Trend verbunden. Wird Digitalisierung viele Berufe – vielleicht sogar den eigenen – überflüssig machen? Haben wir die Anlagen denn überhaupt noch unter Kontrolle, wenn sie nur noch von Algorithmen gesteuert werden?

Auf der anderen Seite gibt es aber auch die Enthusiasten, die durch die Digitalisierung die Lösung oder zumindest Unterstützung zur Lösung nahezu aller Herausforderungen sehen. Ein Grund für die großen Unterschiede in diesen Positionen ist eine Diskussion, die zumeist auf einem sehr hohen Abstraktionslevel geführt wird: Es werden Technologien allgemein betrachtet und ungefähre Anwendungsfälle beschrieben, ohne jedoch auf die konkrete Umsetzung in einem Bereich einzugehen.

Es ist an der Zeit, konkreter zu werden

Dies ist in Zukunftsdiskussionen durchaus zulässig und eine Vision kann man nicht entwerfen, wenn man sich in Details verliert. Manchmal ist es aber gerade bei Zukunftsfeldern an der Zeit, die Abstraktion zu reduzieren und bei der Beschreibung etwas konkreter zu werden. Durch diese konkreten Betrachtungen werden auch Chancen und Einschränkungen in spezifischen Einsatzfeldern deutlich. Zudem können die nötigen Schritte zur Umsetzung aufgezeigt werden.

In den nächsten Monaten werden wir hier Themen der Digitalisierung in der Prozessindustrie Betrachten. Zum Einstieg gibt es ein Ergebnispapier aus dem Workshop Digitalisierung elektrochemischer Prozesse, der dieses Jahr im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme InnoEMat durchgeführt wurde. Mitte Dezember organisierte Covestro die Chemalytix-Konferenz zu Data Science und Chemie – wir werden berichten. Ein Whitepaper zur Sensorik für die Digitalisierung chemischer Produktionsanlagen aus einem Workshop, der dieses Jahr bei der DECHEMA stattgefunden hat, wird in Kürze veröffentlich – auch dazu bald mehr an dieser Stelle.

Stichwort „Blockchain“

Außerdem schauen wir im kommenden Jahr auch auf eine konkrete digitale Technologie, mit einem Überblick über Blockchain, in dem wir darauf eingehen, was Blockchain überhaupt ist und welche Chancen und Einschränkungen diese Technik beim Einsatz in der Prozessindustrie hat. Auch das Thema Künstliche Intelligenz in der chemischen Industrie werden wir beleuchten. Mit dem Projekt KEEN startet im April ein BMWi gefördertes großes Verbundvorhaben zu diesem Thema.

Vielfältige Aktivitäten gibt es bereits im Bereich der Modularen Produktion, wobei die Modularisierung neben der Hardwareebene auch in der Automatisierungstechnik und Prozesssteuerung umgesetzt werden muss. Die Modularisierung wird ein Fokusthema auf der ACHEMA 2021 sein und daher auch hier einen besonderen Fokus erhalten.

Sensorik als Grundlage für Digitalisierung sind

Jede Intelligenz, ob klassisch oder künstlich, benötigt Sinnesorgane, um die nötigen Informationen für Entscheidungen zu erhalten. Daher ist Sensorik und Messtechnik ein zentrales Element der Digitalisierung das uns über das bereits erwähnte Whitepaper hinaus beschäftigen wird. Der Arbeitskreis Prozessanalytik hat beim Herbstkolloquium gerade 15 Jahre Trialog zwischen Anwendern, Herstellern und Akademia gefeiert und im Mai findet die europäische Konferenz für Prozessanalyse und –steuerung EuroPACT in Kopenhagen statt. Auch die Prozessanalytik wird ein Kongressthema auf der ACHEMA 2021 sein und entsprechend Platz in unserem Blog finden.

Neben der Digitalisierung in Produktionsprozessen spielt auch die Digitalisierung der Forschung und Entwicklung eine immer größere Rolle und natürlich werden wir auch hierzu berichten. Zum Labor im Zeitalter der Digitalisierung findet im März das PRAXISforum Lab of the Future statt. Ebenfalls im nächsten Jahr starten die Initiativen zur nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) in denen Datenmodelle und Infrastruktur zur Dokumentation und Bereitstellung von Forschungsdaten entwickelt werden.

Und was meinen Sie?

Es gibt also viel zu berichten. Wir werden versuchen, einen möglichst umfassenden Überblick in kurzen und fokussierten Beiträgen zu liefern. Mit Sicherheit ist die Aufzählung aber nicht vollständig und es gibt noch eine Vielzahl weiterer Themen und Veranstaltungen zur Digitalisierung in der chemischen Industrie.

Wenn Sie finden, eine wichtige Veranstaltung wurde hier vergessen und sollte Erwähnung finden, teilen Sie uns dies gerne in den Kommentaren mit.

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Arbeitskreis Prozessanalysentechnik feiert Jubiläum

Vor 15 Jahren wurde der Arbeitskreis Prozessanalysentechnik als Forum für Anwender Hersteller und Akademia gegründet. Seine Aufgabe ist noch lange nicht erfüllt, denn kaum ein Thema entwickelt sich angesichts von Digitalisierung und Prozessintegration so dynamisch wie die Prozessanalytik. Beim 15. Herbstkolloquium Prozessanalytik vom 25. -27. November im Marl geht es deshalb vor allem um Entwicklungen für die Zukunft.

Die Gründung: Ein Kommunikationsforum für die Prozessanalytik

Ohne Prozessanalytik geht fast nichts in der chemischen, pharmazeutischen oder Lebensmittelproduktion – von der Planung bis zur Produktion werden Daten gesammelt, ausgewertet und auf dieser Basis Prozesse angepasst und optimiert.  Und was vor 15 Jahren galt, ist heute so aktuell wie je: Die Prozessanalytik (PAT) ist ein hochdynamisches Thema, dass die Zusammenarbeit vieler erfordert. Deshalb wurde der Arbeitskreis PAT ins Leben gerufen.  Er bildet eine Anlaufstelle für Austausch und Kommunikation für Wissenschaftler, Entwickler und Anwender.

Heute: Mehr Dynamik als je zuvor

Heute ist die PAT dynamischer denn je. Immer noch werden neue analytische Verfahren entwickelt. Doch auch bestehende Laborverfahren müssen an die Anforderungen der Prozessanalytik angepasst werden. Dazu kommen die Möglichkeiten, die durch die Digitalisierung realisiert werden sollen: Von neuartigen Sensorkonzepten über Plug-In-Software für mobile Geräte bis zu Deep Learning verändern innovative Ansätze die Prozessanalytik. Gleichzeitig sinken die Kosten und sorgen so dafür, dass immer mehr Prozess-Sensoren eingesetzt werden.

Wie werden solche Systeme konsistent in Automatisierungs-Konzepten vernetzt? Um diese Frage zu klären, müssen sich die Akteure innerhalb der Prozessanalysentechnik mehr denn je austauschen. Mehr noch: Der Austausch mit anderen Disziplinen ist unbedingt erforderlich, um das vorhandene Potenzial der Prozessanalytik effektiv für die Prozesse zu nutzen.

Der Arbeitskreis Prozessanalysentechnik: Ein Forum für den Trialog

Hier setzt der Arbeitskreis Prozessanalysentechnik an. Dieses Forum ist zugleich national und international Schnittstelle zu anderen Organisationen auf dem Gebiet der Prozessanalytik. Damit übernimmt der „AK PAT“ die Themenführerschaft im Bereich der Prozessanalytik bzw. der Prozessanalysentechnik (PAT) in der DACH-Region. Er vernetzt Fachleute aus den drei Sektoren Anwender, Hersteller und Akademia im Trialog zu einer gemeinsamen Community.

Trialog und Themenspektrum des AK-PAT

Ein starkes Netzwerk auf vielen Säulen

Der Arbeitskreis Prozessanalytik  ist ein Zusammenschluss von Einzelpersonen, der als Arbeitskreis der Fachgruppe Analytische Chemie in der GDCh verortet ist. Gleichzeitig pflegt er eine enge fachliche Anbindung an die Fachgruppe Prozess-, Apparate- und Analysentechnik in der DECHEMA. Aus diesen Gremien kommen technische Konzepte, Empfehlungen und Good Practice, vor allem aber auch Standardisierung in sehr systematischer Arbeit. Der AK-PAT ergänzt dies als Forum, das sich den Austausch aller Beteiligten zum Thema Prozessanalytik zum Ziel gesetzt hat. Der AK-PAT ist heute die wichtigste deutschsprachige Plattform für Prozessanalytik mit über 350 Mitgliedern.

Beispielhafte Schwerpunkte des AK-PAT

Smarte Sensoren

Der smarte Sensor misst mehrere Messgrößen, kalibriert und optimiert sich selbst, ist leicht in Anlagen zu integrieren und erhält seinen Betrieb selbständig. Eine Prozessintelligenz kann aus den multisensorischen und multivariaten Messdaten übergeordnete Informationen generieren. Dies ermöglicht eine flexible, aber zielgenaue prädikative Prozessführung, die Schwankungen der Prozessumgebung begegnen kann. Der AK-PAT beschäftigt sich  mit der Fragestellung, wie eine Selbst-Kalibrierung erreicht werden kann. Außerdem soll der Anwender das Lebenszyklus-Management zum Erhalt eines validen Messsystems sichern können.

Automatisierungskonzepte

Die Prozessanalytik fokussiert sich nicht nur auf die Erfassung von physikalischen und chemischen Messgrößen oder das Verständnis der Prozesse, sondern befasst sich auch mit flexibilisierten Automatisierungskonzepten und Prozesstopologien. Das reicht  von der Versuchsplanung bis hin zu einer modell- und datengetriebenen Prozessführung. Solche Konzepte sind ein durchgängiges Hauptthema auf den Veranstaltungen des AK-PAT  wie z.B. dem jährlichen Kolloquium.

Förderung für den Nachwuchs

Die Nachwuchsförderung liegt dem AK-PAT besonders am Herzen. Deshalb hat er das Doktorandenseminar als spezielles Forum entwickelt. Es bereitet Jungakademiker auf die spätere wissenschaftliche Arbeit in einer PAT-Abteilung vor. Beim Doktorandenseminar des AK-PAT können Nachwuchswissenschaftler die eigene Arbeit im Kreis von Gleichgesinnten vorstellen und diskutieren. Das Feedback hilft dabei, Querverbindungen oder andere Perspektiven zu entdecken. Man könnte auch sagen:  Hier lässt sich „der Austausch üben“. Fachlich tiefgehende Vorträge von Praktikern aus der Industrie tragen dazu bei. Übungen zu Kreativitätstechniken und zur Ideenentwicklung wie etwa Design Thinking vermitteln Arbeitstechniken, die in der Industrie geschätzt werden.

Doktorandenseminar 2019 bei der BAM in Berlin

Dass im Vorstand des Arbeitskreises neben den drei Vertretern der Trialog-Partner auch ein Jungakademiker Vorstandsmitglied ist, zeigt,  welche Bedeutung den Jungakademikern im AK-PAT beigemessen wird

Der jährliche Höhepunkt – das Herbstkolloquium des AK-PAT

Das Herbstkolloquium des Arbeitskreis Prozessanalytik ist der jährliche Höhepunkt des Trialogs. In diesem Jahr findet es am 26. und 27. November in Marl bei Evonik statt. Themenschwerpunkt des 15. Kolloqiums ist die Prozessanalytik in der industriellen Anwendung: Innovative Prozessanalytik als zentrales Element im Produktlebenszyklus.

Das Kolloquium umfasst Vorträge von Forschern und industriellen Anwendern, aber auch moderierte Round-Table-Diskussionen, an denen sich jeder Teilnehmer beteiligen kann. Dabei können Fragen und Kommentare zu den Vorträgen nicht nur am Ende des Vortrags vorgebracht werden, sondern über ein Onlinesystem  per Smartphone auch bereits während des Vortrags.  So findet jede Frage und jeder Kommentar zum Schluss Berücksichtigung.

Vortragssession auf dem PAT-Kolloquium 2017 bei Festo in Esslingen

Ein Highlight ist die Poster-Ausstellung und der Poster-Slam. Jung-Forscher stellen ihre Poster zu ihren wissenschaftlichen Arbeiten in kürzester Zeit und hintereinander weg auf dem Podium vor. Wem diese Zeit zur kurz ist oder wer vertieft diskutieren möchte, hat dafür viel Gelegenheit:  Alle Poster sind an beiden Veranstaltungstagen in der Poster-Ausstellung zu sehen und können mit den Vortragenden diskutiert werden. Auch über den Poster-Preis kann onlineabgestimmt werden; er wird am Schluss der Veranstaltung verliehen.

Und auch die Anwendung kommt nicht zu kurz: Die Veranstaltung wird von einer Ausstellung der Hersteller von Prozessanalysentechnik begleitet. Dort kann man mit Firmen ins Gespräch kommen.

Auch auf europäischer Eben ist der AK PAT aktiv – zum Beispiel im Rahmen der EuroPACT

Die ersten 15 Jahre haben Sie verpasst? Lassen Sie es nicht noch mehr werden. Ihre Mitarbeit ist jederzeit willkommen – werden Sie jetzt Mitglied und nehmen Sie am Trialog und an unseren Veranstaltungen teil.

www.arbeitskreis-prozessanalytik.de

Nächster Termin für den alle Prozessanalytiker: Das Herbstkolloquium Prozessanalytik vom 25. -27. November im Marl mit dem Themenschwerpunkt: PAT in der industriellen Anwendung – Innovative Prozessanalytik als zentrales Element im Produktlebenszyklus Melden Sie sich jetzt an!

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