TITEL-THEMA: SELBSTKALIBRIERUNG IN STERILPROZESSEN
TITEL-THEMA
Selbstkalibrierung in Sterilprozessen
Der selbstkalibrierende Temperatursensor iTherm TrustSens von Endress+Hauser erzeugt, neben regulären Messwerten,
auch direkt qualitätsrelevante Daten. Beim Umgang mit diesen Daten in der pharmazeutischen Industrie entscheidet das angestrebete Ziel des Kalibriermanagement über die Datenintegration, die Implementierung der Technologie und die
damit verknüpfte Datennutzung.
Pharmazeutische Unternehmen bewegen sich in einem Spannungsfeld aus Zielen und Trends, die in Einklang gebracht werden müssen. Im Fokus stehen Compliance, Wünsche an hohe Anlagenverfügbarkeit und Kosten- und Lieferantenreduzierung. Außerdem rücken, durch die junge Generation von Ingenieuren, Themen wie Digitalisierung, Konnektivität und technische Innovation in das operative Bewusstsein. Die Zahl der kalibrierpflichtigen Messstellen hat sich im zentraleuropäischen Raum in den letzten 10 Jahren schätzungsweise um 30 bis 40 Prozent erhöht. Im gleichen Zuge streben immer weniger junge Menschen eine Ausbildung zum Service- und Kalibriertechniker an. Daraus ergibt sich eine wachsende Kluft zwischen dem steigenden Kalibrierbedarf und dem „qualifizierten Wollen und Können“.
Eine Möglichkeit, diese Kluft in Zukunft zu überwinden, ist der vermehrte Einsatz innovativer Lösungen, die das manuelle Kalibrieren unterstützen, reduzieren oder sogar eliminieren. Hier besteht eine der größten Herausforderungen darin, dass diese Lösungen im GMP-regulierten Umfeld bekannt und akzeptiert sein müssen.
Im vorliegenden Artikel wird die Selbstkalibrierung von Temperaturmessstellen beleuchtet, wie sie heute im pharmazeutischen Produktionsumfeld erfolgt. Dabei kommt der selbstkalibrierende Temperatursensor iTHERM TrustSens von Endress+Hauser zum Einsatz, der neben seinen regulären Messwerten auch direkt qualitätsrelevante Daten erzeugt. Hier entstehen nun viele Fragen in der pharmazeutischen Industrie, wie mit den Daten umgegangen werden soll und wie sie genutzt werden können. Die Antwort darauf lautet: „Es kommt darauf an, was Sie mit der Selbstkalibrierung vorhaben“. Die Zielsetzung des pharmazeutischen Herstellers ist also entscheidend für die Implementierung der Technologie und die damit verknüpfte Datennutzung.
Das Funktionsprinzip
In der Sensorspitze, direkt am Pt100-Messelement des selbstkalibrierenden Temperatursensors iTHERM TrustSens, befindet sich ein Referenzmaterial, welches über einen physikalischen Fixpunkt verfügt. Bei dieser sogenannten Curie-Temperatur bei 118 Grad Celsius, findet eine reproduzierbare, driftfreie und auswertbare Änderung der Materialeigenschaften statt, die einen direkten Rückschluss auf die aktuelle Prozesstemperatur zulässt.
Da Sterilprozesse nach jedem Batch eine Heißdampfsterilisation durchlaufen, findet nach jedem Batch in der SIP-Abkühlphase eine vollautomatische Einpunktkalibrierung des Sensors statt. Aufgrund des wissenschaftlich bewiesenen, möglichen Fehlerverhaltens von Pt100-Elementen kann mit dieser Technologie bei einer Einpunktkalibrierung die Messunsicherheit über den gesamten Messbereich von -40 bis +160 Grad Celsius garantiert werden. Der Mess-Loop kann zudem intelligent und permanent überwacht werden, um der Forderung nach geschlossener Loop-Kalibrierung zu entsprechen.
Mit jeder in-situ Selbstkalibrierung wird im Sensor ein Kalibrierdatensatz erzeugt, welcher über das HART-Signal ausgelesen werden kann. Sollte der Sensor eine fehlerhafte Selbstkalibrierung erkennen, zum Beispiel aufgrund eines abgebrochenen SIP-Prozesses, gibt er eine Fehlermeldung aus. Der Umgang mit solchen Informationen hängt nun von der individuellen Zielsetzung im Kalibriermanagement ab.
Hundertprozentig sicher und GMP-konform
Endress+Hauser verfügt heute über umfangreiche Erfahrungen mit der selbstkalibrierenden Sensorik und weiß, wie die pharmazeutische Industrie die Implementierung angeht. Dabei ist man sich auch der Hürden bewusst, die vor allem in der Infragestellung jahrzehntelanger Kalibrierpraxis, der Befürchtung der Arbeitssubstitution sowie der zögerlichen Akzeptanz der Qualitätssicherung, begründet liegen. Die selbstkalibrierende Technologie ist jedoch hundertprozentig sicher und GMP-konform. Und wenn wir uns zudem bewusst machen, dass das eingangs formulierte Ziel der Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit effektiv mit der Implementierung innovativer Technologien erreicht werden kann, dann ist die Öffnung in Richtung Digitalisierung mittel- bis langfristig unausweichlich.
Mehr Prozesssicherheit bei geringerem Aufwand
Die Praxis zeigt, dass pharmazeutische Unternehmen die innovative Temperatursensorik eher in Neubauprojekten einsetzen. In Bestandsanlagen wird der Change-Aufwand gemieden. Wie sieht nun der typische Implementierungsprozess aus? Zu Beginn steht immer die Frage nach der technischen Akzeptanz. Wenn hier ein unternehmensinterner Konsens erreicht ist, folgt schnell die Frage nach der Zielsetzung, die beinhaltet was mit der selbstkalibrierenden Sensorik erreicht werden soll. Ein Lohnhersteller wird diese Frage anders beantworten als ein Hersteller, der im eigenen Auftrag produziert. Die heute in der Praxis formulierten Ziele zur Implementierung von selbstkalibrierenden Thermometern sind die Erhöhung der Prozesssicherheit (Selbstkalibrierung findet hier ergänzend statt) oder die langfristige Streckung manueller Kalibrierintervalle (Selbstkalibrierung substituiert hier einen Teil der manuellen Kalibrierung).
Als langfristiges Ziel ist, aufgrund der hundertprozentigen GMP-Konformität, auch eine vollständige Substitution der manuellen Kalibriertätigkeiten möglich. Allerdings geht diesen Weg, nach Kenntnis des Autors, bisher niemand, obwohl hierin große Produktivitätspotentiale stecken. Im Zentrum stehen heute die Reduzierung von Batch-Verlusten aufgrund von Out-of-Tolerance Kalibrierergebnissen sowie die Kosten- und Aufwandsreduzierung, bei gleich hoher Prozesssicherheit.
Je größer die Anlage, desto größer das Potential
Wenn das Ziel definiert wurde, gilt es praktische Erfahrungen mit der Sensorik zu sammeln. Die in den Sensoren erzeugten Selbstkalibrierdaten können vollständig integriert und archiviert werden. Je höher die Zahl der Sensoren pro Anlage, desto sinnvoller erscheint eine Datenintegration.
Dies lässt sich anhand eines Beispiels verdeutlichen: Eine Anlage mit 500 Sensoren und einer Batch-Zeit von 2 Wochen erzeugt 13.000 Selbstkalibrierdatensätze pro Jahr. Auch der Datenumfang hängt von der Zielsetzung ab. Es sollten sinnvollerweise mindestens 2 Datensätze integriert werden, der Kalibrierzähler und die letzte Abweichung. Diese werden im übergeordneten System mit der Systemzeit verheiratet. Es gibt aber auch die Möglichkeit, weitere Informationen zu archivieren wie zum Beispiel Messstellennummer, letzte NE107-Diagnose, Alarmgrenzen und viele mehr. Der Umfang und die Zielsetzung entscheiden dann über die richtige Hardware-Topologie.
Datenintegrationskonzepte in der Praxis
Der einfachste Weg ist die „nackte“ Verwendung der Sensorik. Hier findet keine Datenintegration in übergeordnete Topologien statt, die Sensorik wird nur im Fehlerfall ausgelesen und die Daten situativ bewertet.
Die nächste Stufe besteht in der Integration weniger HART-Variablen über eine Eingangsbaugruppe wie der SIMATIC ET 200M oder vergleichbare Systeme.
Die Daten werden im übergeordneten Steuerungssystem, getrennt von der eigentlichen Messwertübertragung, verarbeitet und archiviert. So werden bereits Daten über eine definierte Zeit gesammelt, um anschließend fakten- oder risikobasierte Optimierungen zu ermöglichen. Als zusätzlichen Weg der Integration weniger HART-Variablen kann ein Datenschreiber (Typ Memograph RSG45) in den Mess-Loop eingeschleift werden. Dieser greift automatisch die Kalibrierdaten aus den Sensoren über HART ab und dokumentiert diese manipulationssicher.
Auch die vorqualifizierte Integration über eine SIMATIC ET 200SP mit PROFINET-Anbindung ist möglich. Hier können alle in den Sensoren verfügbaren Datensätze integriert und archiviert werden. Dies macht in Optimierungsszenarien Sinn, besonders, wenn eingangs noch gar nicht klar ist, auf welcher Basis die Optimierungen zum Beispiel nach ein bis zwei Jahren durchgeführt werden sollen.
Ebenfalls ist die Datenintegration über die Endress+Hauser IIoT-Cloud Netilion möglich. In diesem Industrie 4.0 Szenario schlummern große Potentiale zur umfassenden Nutzung diverser in den Sensoren vorliegender Daten, jedoch wurde dies in der pharmazeutischen Praxis noch nicht umgesetzt.
Fazit
Wenn die Sensorakzeptanz erreicht, die Zielsetzung definiert, die Datenintegration realisiert und praktische Ergebnisse erzielt und mit manuellen Ergebnissen korreliert wurden, können faktenbasierte Schlüsse gezogen werden. Diese bilden dann die Grundlage beispielsweise für eine Verlängerung manueller Kalibrierintervalle und die nötigen Anpassungen im Kalibriermanagementsystem.
Des Weiteren steigt mit der Implementierung der selbstkalibrierenden Temperatursensoren automatisch die Anzahl der durchgeführten Kalibrierungen und mit diesen die Prozesssicherheit sowie die Anlagenverfügbarkeit. Weil manuelle Kalibrierungen in Zukunft reduziert werden können, sinken die Standzeiten der Anlagen für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten und damit einhergehend der Aufwand für das Personal. Darüber hinaus ist die Qualität im Produktionsprozess, durch die regelmäßigen automatischen Selbstkalibrierungen, kontinuierlich sichergestellt.
AUTOR
Philipp Garbers
Branchenmanager Life Sciences,
Endress+Hauser Deutschland
