Energiekosten im Griff So optimiert die Pharmaindustrie ihre Prozesse

Die Situation ist angespannt. Der baden-württembergische Dachverband der Chemie- und Pharmaindustrie hat im Februar dieses Jahres erklärt, dass „die Kostenbelastung bei der Energie- und Rohstoffbeschaffung“ für die Mitgliedsunternehmen aktuell „das Hauptproblem“ darstelle. Diese Feststellung dürfte auf die gesamte Branche zutreffen. Trotz einiger Entspannungstendenzen werden sich die Preise wohl kaum wieder auf das Niveau von 2020 zu Beginn der Corona-Pandemie zurückentwickeln. Das gilt vor allem für die Energie, die in der gesamten Prozessindustrie zu einem großen Teil weiterhin auf Erdgas beruht.

Energieeinsparung und Prozessoptimierung

Der Bedarf der Pharmaindustrie wie auch der Lebensmittelbranche erstreckt sich dabei neben den eigentlichen Herstellungsabläufen auf die Reinigungsverfahren. Der Energieaufwand, um vor dem nächsten Produktionsdurchgang durch Cleaning-in-Place (CIP) und Sterilisation-in-Place (SIP) rückstandsfreie Rohrleitungen, Lagertanks und Transportbehälter zu erhalten, ist beträchtlich. Für die Erzeugung von einer Tonne Sattdampf beispielsweise sind laut den ASME-Dampftabellen umgerechnet 722 kWh notwendig.

Dazu addiert sich die Energie für die CIP- und SIP-Verläufe selbst. Schließlich müssen die eingesetzten Reinigungsmittel und eben der Sattdampf an jeder Stelle des Prozesses zuverlässig die beabsichtige Wirkung erzielen. In der Pharma-Herstellung sind hierbei in der Regel zwei Zyklen notwendig: erst eine Spülung mit alkalischen Substanzen und dann eine Sterilisation bei +134 °C. Der Aufwand, der für das gewünschte Reinigungsergebnis betrieben werden muss, hängt im Wesentlichen von den Gegebenheiten in den Rohrleitungen ab.

Kosten senken und Qualität erhöhen

Fast alle Prozesse sind heterogen instrumentiert, die Rohrleitungen demzufolge gespickt mit Anschlüssen und Ventilen unterschiedlicher Bauart und Herkunft. Die Prozessadaption von Messgeräten mit einem T-Stück beispielsweise ist weit verbreitet. In älteren Anlagen handelt es sich meist um eine 4D-Bauform. Das heißt: Die Länge des Totraums entspricht dem Vierfachen des Rohrdurchmessers. Dass CIP und SIP in diesen Fällen die Sterilität nur mit einem erhöhten Einsatz an Reinigungsmitteln und Energie wiederherstellen können, ist leicht nachvollziehbar. Diese Schlussfolgerung hat eine wissenschaftliche Abhandlung der Technischen Universität München bereits 2009 untermauert: Würden 4D-T-Stücke durch Hygienegehäuse als Anschluss ersetzt, ließen sich die Reinigungskosten um 50 Prozent sinken. Bei Verwendung von Sensoren mit zylindrischer Oberfläche wären es sogar über 60 Prozent. Angesichts dieses Fazits wäre die Einsparung auch im Vergleich zu den mittlerweile üblichen 2D-T-Stücken immer noch beachtlich.

DMSU22SA Inline-Prozesstransmitters

Die Notwendigkeit, die Prozesse weiter zu ökonomisieren, wird von einem wachsenden Nachhaltigkeitsbestreben verstärkt. Auch die Prozesssicherheit bekommt dabei einen zusätzlichen Aspekt, die Schonung von Ressourcen. Dieser Entwicklung entspricht der von Wika für Sterilanwendungen konzipierte Inline-Prozesstransmitter Typ DMSU22SA zur Drucküberwachung. Das 3A-gekennzeichnete und EHEDG-zertifizierte Gerät wird Teil der Rohrleitung, integriert mittels entsprechender Hygienic-Anschlüsse. Sein zylindrisches und totraumfreies Sensorelement ist elliptisch geformt und verändert sich unter Druck. Auf ihm ist eine Wheatstone’sche Messbrücke angebracht, um die Änderungen des elektrischen Widerstands aufgrund des jeweiligen Drucks exakt zu erfassen und an den Transmitter zu übertragen.

Der Sensordurchmesser muss sich also zwangsläufig von dem der Rohrleitung unterscheiden. Eine Widerstandsbeimessung bestätigte jedoch ein deutlich besseres Strömungsverhalten als andere Lösungen, auch gegenüber den üblichen Hygieneanschlüssen. Damit trägt der Inline-Prozesstransmitter zu einer zweifachen Energieeinsparung bei: bei den Reinigungsverfahren und zur Aufrechterhaltung des Prozessdrucks. Das günstige Strömungsverhalten mindert zudem den Verbrauch von Reinigungsmitteln und Wasser.

Die Oberflächenbeschaffenheit der medienberührten Teile eines Messgeräts ist in erster Linie ein Kriterium für die Reinigbarkeit. Eine entsprechende Qualität bewirkt jedoch nicht nur einen hohen Hygienegrad, sie befördert auch den wirtschaftlichen Betrieb der Messstelle. Die medienberührten Oberflächen des neuen Inline-Prozesstransmitters sind nach den Vorgaben des global anerkannten Standards ASME BPE (Bio Processing Equipment) gearbeitet. Sie sind gemäß Section SF (Surface Finishes) der Richtlinie elektropoliert und weisen eine Güte von ≤ 0,38 µm beziehungsweise ≤ 0,76 µm auf. Alle medienberührten Schweißnähte sind gemäß Section MJ (Material Joints) ausgeführt. Der Anwender kann den DMSU22SA ohne zusätzliche Qualifizierungen einsetzen, da er alle Grenzwerte einhält, die der ASME-Standard für biopharmazeutische Produkte definiert.

Bei aller Diskussion um Energie- und Rohstoffpreise und dem Ausschöpfen aller Einsparungspotenziale bleiben die Sicherheit aller Abläufe und das Aufrechterhalten der Produktqualität weiterhin im Fokus. Jedes Unternehmen ist bemüht, Schadensfällen und Ausschuss vorzubeugen. Alle Sicherheitskomponenten einer Anlage haben demnach wirtschaftliche Relevanz und unterstützen die Profitabilität der Verfahren. Das gilt auch für den Inline-Prozesstransmitter DMSU22SA, der sich aufgrund seines HART-7-Kommunikatiosprotokolls in digitalisierte Prozesse integrieren lässt. Als Teil der Rohrleitung erfasst er den Druck unmittelbar ohne Übertragungsflüssigkeit. Eine Produktkontamination als Folge eines möglichen Schadensfalls ist damit ausgeschlossen. Darin besteht der wesentliche Unterschied zwischen der Neuentwicklung und bisherigen Inline-Messsystemen mit Rohrdruckmittlern oder frontbündig eingebauten Prozesstransmittern.

Das hermetisch abgeschlossene Sensorelement ist aus Edelstahl 316L gefertigt. Es verfügt zudem über eine robuste Wandung. Abhängig von der Geräteausführung hat sie eine Stärke bis zum zehnfachen einer herkömmlichen Druckmittlermembran, die etwa 0,05 mm beträgt. Der Sensor ist deshalb um ein Vielfaches resistenter gegenüber Druckschlägen und vergleichbaren Extremereignissen. Gleichwohl lässt sich nicht auszuschließen, dass anhaltend widrige Prozessbedingungen Undichtigkeiten verursachen. In einem solchen Fall dringt Produkt in den Raum zwischen Sensor und Stützrohr ein. Dieser ist evakuiert und verfügt über eine integrierte Vakuumüberwachung. Deren Sensor reagiert bereits bei einem Druckwert von 50 mbar. Der Anlagenbetreiber wird infolgedessen augenblicklich via HART-Protokoll informiert. Wo kein Bus-Leitsystem vorhanden ist, lässt sich der Schadensfall über ein Fehlerstrom signalisieren. Nötige Maßnahmen können so ohne Zeitverlust getroffen werden.

Druck- und andere Messtechnik sind entscheidende Elemente der Prozesssteuerung, deren Grad die Verfahrensoptimierung wesentlich beeinflusst. Der DMSU22SA misst mit einer Genauigkeit von 1,0 Prozent der Spanne und verfügt zusätzlich über einen Pt-Sensor für eine aktive Temperaturkompensation zwischen -10 °C und +80 °C. Sein Fehlerausgleich ist bis zu Faktor 10 besser als bei herkömmlichen Geräten. Damit ermöglicht der Transmitter eine genauere Prozesssteuerung.

Fazit

Die Kosten drücken, dabei möglichst nachhaltig wirtschaften und zugleich die Prozesssicherheit aufrecht halten – die Unternehmen der pharmazeutischen Industrie haben gewaltige Aufgaben zu lösen. Um Prozesse ressourcenschonend und risikominimiert zu betreiben, benötigen sie eine adäquate Messtechnik. Zwar stellen solche Instrumentierungen eine umfangreiche Investition dar. Sie werden sich jedoch angesichts des anhaltend hohen Kostenniveaus, vor allem bei der Energie, rascher amortisiert haben als in der Vergangenheit.