Hersteller von Biopharmazeutika erkennt Chancen der Obsoleszenz

Veraltete Anlagen bergen für biopharmazeutische Unternehmen das Risiko kostspieliger Ausfälle, falls keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Sollte es an einer Anlage zu einem Ausfall kommen und das notwendige Ersatzteil nicht verfügbar sein, würde die Produktion wertvoller biologischer Produkte zu einem kostspieligen Stillstand kommen und der Verlust ganzer Chargen könnte die Folge sein.

Ein großes Biopharma-Unternehmen musste sich vor kurzem um zwei veraltete Skids für die Aufreinigung kümmern und ergriff die Gelegenheit, weitere Verbesserungen des Prozessbetriebs vorzunehmen.

Obsoleszenz frühzeitig entgegenwirken

Jede produzierte Charge beginnt mit einer 1- bis 4-Milliliter-Ampulle mit Zellen, die das Kraftzentrum für die Herstellung von Schlüsselproteinen für Arzneimittel darstellen.

Die Ampulle durchläuft einen Fermentationsprozess, während dessen sie in den Lebendzustand aufgetaut und mit Puffermedien kombiniert wird, um das Zellwachstum und die Zellteilung zu unterstützen.

Im Verlauf dieses Prozesses kann die Zellampulle auf ein Endvolumen von bis zu 12 000 Liter anwachsen.

Sobald das vorgegebene, gewünschte Volumen erreicht wurde, wird die Charge weiter zu den Aufreinigungsprozessen geleitet. Dort werden Zellrückstände, unerwünschte Proteine und andere Elemente durch eine Reihe unterschiedlicher Verfahren entfernt, an deren Ende die Tangentialflussfiltration (TFF) steht.

Die TFF ist ein druckgetriebenes Verfahren, bei dem die Puffer vom Protein entfernt werden. Dies trägt zu dessen Klärung und Reinigung bei, sodass die Endkonzentration die Zielspezifikationen des Arzneimittels erfüllen. Anschließend kann die Abfüllung erfolgen.

Das Unternehmen setzt mehrere TFF-Skids für verschiedenen Chargengrößen ein, jedoch nur die beiden mittleren TFF-Skids näherten sich dem Ende ihrer Betriebsdauer.

Der erste Skid wurde 1998 in Betrieb genommen, der zweite kurze Zeit später, um der wachsenden Produktnachfrage nachkommen zu können. Beide Skids waren mit Komponenten wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Frequenzumrichtern (FU) und Bedienerschnittstellen (HMI) ausgestattet, deren Produktion bereits eingestellt worden war beziehungsweise bald eingestellt werden würde.

„Das Unternehmen wusste, dass diese Systeme langsam das Ende ihrer Lebensdauer erreichten und ersetzt oder aufgerüstet werden mussten“, berichtet Tim Brown, Projektingenieur bei Banks Integration. „Angesichts des guten Gesamtzustands des Skid-Systems, machte es Sinn, die Steuerungssysteme zu modernisieren.“

Aufgrund des Mangels an verfügbaren Ersatzteilen und der Gefahr potenzieller Stillstandszeiten belief sich die Produktionshaftung für die in die Jahre gekommene Ausrüstung auf 10 Millionen US-Dollar, sollte es zu einem Ausfall kommen.

Hinzu kam, dass aufgrund der mangelhaften Kommunikation zwischen den Komponenten fünf bis sechs Mal pro Woche kritische Alarme auftraten, was wiederum zu unnötigen Stillständen führte.

Das Fehlen von Diagnosedaten machte es schwierig, die Alarme zu entstören und zu diagnostizieren. Manchmal mussten bis zu 10 Mitarbeiter der Arbeitsgruppen Qualität, Automatisierung und Fertigung gemeinsam an der Lösung eines einzigen Alarms arbeiten.

„Es konnten viele Überstunden anfallen für etwas so Einfaches wie einen Drahtbruch“, erzählt Brown.

Die beiden Skids waren zwar gleich aufgebaut, aber es handelte sich dennoch um eigene Systeme. Dies bedeutete, dass jeder Skid einen eigenen, getrennten Code aufwies, der bei jedem neuen Produktionslauf separat geprüft werden musste.

Migration von Steuerungssystemen

Der Hersteller von Biopharmazeutika arbeitete bei der Planung, Entwicklung und Validierung des Steuerungssystem-Upgrades mit der Banks Integration Group, einem Solution Partner des PartnerNetwork^™-Programms von Rockwell Automation, zusammen. Die Grundlage des Upgrades bildete die moderne DCS-Plattform PlantPAx® von Rockwell Automation.

Im Rahmen des Upgrades mussten die speicherprogrammierbaren Steuerungen und Frequenzumrichter auf Allen-Bradley^® ControlLogix^® 5570-Steuerungen und Allen-Bradley PowerFlex^® 525-Frequenzumrichter umgestellt werden.

Ein einziges fehlertolerantes EtherNet/IP^™-Netzwerk ersetzte das bisherige Data Highway Plus-Netzwerk, um eine bessere Kommunikation auf der Geräteebene sowie eine Leistungsüberwachung in Echtzeit zu erreichen.

Darüber hinaus wurden die Steuerungssysteme in eine redundante Client-Server-SCADA-Architektur integriert, um vielfältigere Zugriffsoptionen, z. B. Fernzugriff, zu ermöglichen.

Die neuen Skid-Systeme nutzen die PlantPAx-Prozessobjekte für Life Sciences. Es handelt sich dabei um eine Bibliothek mit Steuerungscode, Anzeigeelementen und Faceplates, die auf die Life Sciences-Branche abgestimmt sind.

Mit diesen vordefinierten Elementen lassen sich Anwendungen schneller konfigurieren, um Produktionsimplementierungen zu beschleunigen und Zykluszeiten zu verkürzen.

Die neuen Systeme verwenden außerdem die Software FactoryTalk^® Batch von Rockwell Automation, die einen Anlagen- und einen Rezepteditor beinhalten, mit dem sich Modelle und individuelle Rezepte erstellen lassen. Die Funktion FactoryTalk Batch with PhaseManager^™ erleichtert die Programmierung und Konfiguration von Phasenlogik, denn es können Anlagenphasen ohne PLI-Code (Phase Logic Interface) erstellt werden.

Mehr Effizienz

Dank der modernisierten TFF-Skids konnte das Unternehmen das Problem der Anlagenveralterung lösen und größere, damit einhergehende Ausfallzeiten ausschließen. Und nicht nur das: Die Upgrades haben betriebliche Verbesserungen und wirtschaftliche Vorteile mit sich gebracht.

Die neuen Steuerungssysteme unterstützen einen „Familien-“Code-Ansatz, d. h. derselbe Code wird einmal getestet und kann dann auf beiden Skids installiert werden.

„Indem zwei Systeme einen gemeinsamen Code nutzen, werden die Validierungskosten halbiert“, erklärt Brown. „Doppelte Tests und Papierarbeit gehören der Vergangenheit an.“

Mit den neuen Systemen konnten zudem die kritischen Alarme aufgrund von Kommunikationsproblemen reduziert werden – von fünf oder sechs Alarmen pro Woche auf null Alarme in zwei Monaten Betrieb.

Sollte es doch einmal zu Problemen mit den Skids kommen, ermöglicht die größere Transparenz eine deutlich schnellere Behebung. Die Frequenzumrichter des alten Systems wurden beispielsweise nicht überwacht. Deshalb war es üblich, dass die Bediener die Maschine neu starteten, anstatt sich durch Duzende von Fehlercodes zu arbeiten, um dem Problem auf den Grund zu gehen. Jetzt werden Fehlercodes von den neuen Frequenzumrichtern zurück an die SPS gemeldet und in einer Datenbank gespeichert.

„Das neue System mit DLR-Topologie (Device-Level-Ring) ermöglicht die genaue Lokalisierung des Ausfalls“, so Brown. „Bereits in der ersten Woche nach der Implementierung hat dies dem Unternehmen schätzungsweise einen ganzen Tag Fehlersuche erspart.“

Darüber hinaus können mit dem neuen Netzwerk Informationen auf der Steuerungsebene erfasst und im Werk verbreitet werden. Damit wird es leichter, Einblicke in den Systembetrieb zu gewinnen. So ist zum Beispiel der Fernzugriff auf die Skids auch für Mitarbeiter möglich, die sich nicht im Fertigungsbereich aufhalten.

„Zuvor war es kaum möglich, von außerhalb Einblicke zu gewinnen“, erinnert sich Brown. „Wenn jetzt ein Anruf reinkommt, dauert es nur zwei Minuten, um vom Büro oder einem anderen Standort aus auf den Skid zuzugreifen. Das ist allein für die Fehlerbehebung von immensem Vorteil.“

Die beschriebenen Ergebnisse beziehen sich auf einen Hersteller von Biopharmazeutika, der Produkte und Dienstleistungen von Rockwell Automation in Verbindung mit anderen Produkten einsetzt. Die Ergebnisse können von Kunde zu Kunde unterschiedlich ausfallen.

Allen-Bradley, ControlLogix, FactoryTalk, PartnerNetwork, PhaseManager, PlantPAx und PowerFlex sind Marken von Rockwell Automation Inc.

EtherNet/IP ist eine Marke der ODVA Inc.