Aktuální vydání

celé číslo

11

2020

Systémy řízení výroby a výrobních podniků

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Recepturově orientovaná automatizace v praxi

číslo 7/2003

Recepturově orientovaná automatizace v praxi

Šaržově (dávkově, vsádkově, anglicky batch) koncipovaná automatizace nabývá v odvětvích jako chemie, farmacie a potravinářství stále většího významu. Oproti pevně naprogramovaným nebo jen změnou hodnoty parametrů modifikovaným algoritmům patří k hlavním přednostem tzv. recepturově orientovaných systémů možnost vyrábět pouhou volbou nové receptury (zde se myslí nového výrobního postupu) v řídicím systému různé výrobky na multiproduktově orientovaném výrobním zařízení. Tyto automatizační systémy využívají tzv. batch nadstavbu, která spolu s generováním receptur nabízí mnoho souvisejících funkcí, jako jsou např. komfortní řízení průběhu zpracování šarže, připojování elektronických podpisů k zásahům prováděným operátory nebo zajištění automatického protokolování všech výrobních kroků a hodnot technologických veličin do elektronického záznamu o šarži. Právě dokumentování souladu jejich postupů s pravidly správné výrobní praxe patří v současnosti mezi hlavní požadavky výrobců léčiv a potravin.

K nejsložitějším šaržově orientovaným automatizačním systémům náležejí systémy řízení biotechnologií. V článku jsou vedle obecných požadavků na recepturově orientovanou automatizaci na ukázku popsána řešení, která jsou součástí automatizovaného systému řízení (ASŘ) ve společnosti Lonza Biotec Kouřim budovaného v současné době. Tento výrobce biotechnologických produktů pro potravinářský a farmaceutický průmysl je součástí nadnárodního koncernu Lonza Group AG, který patří mezi přední světové výrobce specializující se na biotechnologie. V létech 1994 až 1996 zavedla firma v Kouřimi výrobu nových farmaceutických substancí. Pro uvedené záměry byla výrazně modernizována stávající zařízení a zároveň byla postavena také nová výrobní zařízení – tři biotechnologické linky. Díky velmi úspěšným počátečním investicím se společnost Lonza rozhodla dále rozšířit biotechnologické kapacity formou výstavby nového závodu v dosavadním areálu v Kouřimi. Tyto investice se řadí k největším v moderní historii biotechnologií v ČR.

Jednou z klíčových součástí nové technologie je ASŘ. Ve výběrovém řízení zvítězilo řešení navržené společností Compas Automatizace ze Žďáru nad Sázavou s použitím moderního řídicího systému distribuovaného typu (Distributed Control System – DCS) Simatic PCS7 s šaržovou nadstavbou Simatic Batch. V článku jsou nastíněny funkce jednotlivých výrobních celků a požadované řídicí funkce a posléze je popsána použitá architektura ASŘ a konkrétní použité technické řešení s řídicím systémem Simatic PCS7.

Stručný popis technologie

Pro porozumění požadavkům, které jsou kladeny na ASŘ recepturově orientovaných výrob, je vhodné stručně vysvětlit jejich problematiku na příkladu biotechnologického procesu. Jeho základem je výrobní krok nazývaný fermentace.

Fermentace
Proces zvaný fermentace je nejdůležitější částí celé biotechnologické výroby. S použitím speciálně vyšlechtěných kmenů bakterií se při něm „vyrábí“ užitečná látka, a to ze vstupních surovin, které nemají s výsledným produktem zdánlivě nic společného.

Výrobní zařízení pro fermentaci je složeno z mnoha tanků, z nichž hlavní výrobní tank se nazývá fermentor. Tanky jsou precizně vyrobeny a osazeny speciálními snímači a akčními členy nejvyšší jakosti. V každém tanku je třeba udržet naprosto čisté prostředí, a to podle typu receptury po dobu několika dnů až týdnů. Jediná cizorodá bakterie, která vnikne dovnitř, se velmi rychle rozmnoží a během krátké doby zkontaminuje celou šarži.

Každý tank a celá biotechnologická linka se tedy před začátkem zpracování šarže nejprve čistí a následně sterilizují, což je náročný technologický postup, jak zajistit dokonale čisté prostředí pro „práci“ produkčních bakterií.

Vyšlechtěné bakterie se nejprve v menších, tzv. předočkovacích a očkovacích tancích namnoží a následně přepustí (naočkují) do fermentoru, kde již mají připravenu patřičnou speciální živnou půdu. Ve fermentoru se bakterie dále množí a spotřebovávají připravenou výchozí surovinu. Díky svému upravenému metabolismu tuto látku přemění na jinou, a tu vyloučí. Vyloučená látka je oním výsledným produktem. Bakterie jsou z vývojových laboratoří opatřeny takovou genetickou výbavou, aby „vyrobily“ co nejvíce užitečného produktu. Vedle užitečného produktu vylučují jenom malé množství neužitečných látek a popř. některé z těchto látek v určité fázi výrobního procesu opět spotřebovávají.

Vlastní fermentace je velmi citlivý proces, protože bakterie dovedou správně pracovat pouze ve velice úzkém rozmezí teploty, tlaku, kyselosti a přísunu vzduchu. Navíc u některých produktů nestačí pouze živná půda připravená ve fermentoru, ale bakterie je třeba průběžně „přikrmovat“ jinými látkami. Tento tzv. příkrm je opět velmi přesná procedura, neboť příslušná látka musí do fermentoru přitékat v přesně definovaném množství, jinak bakterie zahynou. Při fermentaci také někdy vzniká velké množství pěny, čemuž se brání dávkováním speciálního prostředku proti pěnění. Všechny tyto látky i příkrmové cesty musí být samozřejmě sterilní.

Úprava fermentačního produktu, předizolace a izolace čistého produktu
Po ukončení fermentace zůstane ve fermentoru směs konečného produktu, buněk bakterií a vedlejších neužitečných produktů jejich metabolismu. Hlavním úkolem následných zařízení je tedy odstranit nyní již nepotřebné bakterie a zahustit produkt na požadovanou hustotu. Toho se docílí v několika krocích, které závisejí na tom, jaký produkt se zrovna zpracovává.

Je-li výsledná hmota po fermentaci příliš hutná a s velkými chuchvalci buněk nebo živné půdy, je třeba nejprve tyto části separovat. Děje se tak v odstředivce, kde se působením odstředivé síly oddělí tekutá část od pevné.

Dále následuje tzv. ultrafiltrace, kdy hmota prochází přes speciální velice jemný filtr, který dokonale oddělí buňky od tekutiny. Produkt bez buněk následně proudí do odparky, kde se odpařuje přebytečná voda a produkt se zahustí.

Posledním výrobní krokem jsou chemické procesy sloužící k izolaci čistého produktu.

Pomocné provozy
Pomocné provozy dodávají energii a média nezbytná pro činnost vlastního výrobního zařízení. Jedná se zejména o výrobu syté, redukované a filtrované páry (kotelna, redukční ventily a výrobník filtrované páry), výrobu tlakového vzduchu (kompresory a filtrace vzduchu), sklad dusíku (tlakový zásobník dusíku), chladicí vodu (chladicí věže a čerpadla), ledovou vodu (chladicí čpavkové kompresory), výrobu reverzněosmotické (RO) vody v samostatné jednotce a hospodaření s odpadní vodou.

Realizace automatizovaného systému řízení (ASŘ)

Při komplexním řešení ASŘ multiproduktových šaržových výrob se uplatní tyto komponenty a požadavky:

  • plně vertikálně integrovaný řídicí ve složení: informační systém podniku (IS) – plánování (Manufacturing Execution System – MES) – šaržové řízení (batch control) – řídicí systém typu DCS – provozní přístroje (snímače a akční členy),

  • pružná recepturově orientovaná automatizace s využitím tzv. batch softwaru,

  • plně elektronicky řízená a dokumentovaná výroba,

  • u výrob podléhajících požadavkům správné výrobní praxe (SVP, Good Manufacturing Practice – GMP) také splnění dalších požadavků, včetně validace ASŘ.

Jaké požadavky jsou přitom kladeny na řídicí algoritmy (na příkladu biotechnologie)?

Struktura vlastních algoritmů je doporučena všeobecně uznávanou mezinárodní normou pro šaržové procesy ANSI/ISA S88 Batch Control. Vlastní proces je rozdělen na jednotlivé výrobní kroky, které se nazývají fáze. Precizní algoritmizace jednotlivých fází, které jsou v DCS reprezentovány sekvencemi, je základní podmínkou úspěšného zařazení šaržově orientované automatizace. Fáze jsou volány a parametrizovány podle konkrétní receptury tak, aby po jejím provedení vyšel z výrobního zařízení požadovaný produkt odpovídající jakosti.

Celý proces biotechnologické výroby je rozdělen na několik samostatných etap (sterilizaci, kultivaci, biokonverzi atd.), jejichž okamžik spuštění a ukončení určuje někdy operátor a jindy automatika.

V biotechnologiích patří k nejnáročnějším etapám výroby sterilizace a její fáze. Jedná se o relativně složité postupy, kdy se párou postupně sterilizují jednotlivé části tanku a příslušná potrubí, filtry aj.

Během vlastních výrobních kroků, jako jsou kultivace nebo biokonverze, se v příslušných fázích také spouští PID regulace – zejména se regulují průtok, tlak, teplota a kyselost (pH). Tyto regulace jsou pro úspěch výrobního procesu kritické a je třeba je provádět velmi přesně.

Vzhledem k tomu, že ne všechny údaje důležité pro výrobu lze změřit, je zapotřebí velmi těsná součinnost řídicího systému a operátora. Například v průběhu sterilizace je operátor několikrát vyzván, aby vykonal nějaký úkon, který nelze provést automaticky, a posléze sdělil systému, zda může pokračovat, nebo co je třeba provádět dále. V systému automatického řízení se pro tyto účely používají standardní funkce s využitím potvrzení dané akce konkrétním uživatelem v podobě elektronického podpisu.

Koncepce ASŘ ve firmě Lonza Biotec Kouřim

Koncepce ASŘ zvolená firmou Lonza, jak ji nabídl dodavatel, firma Compas automatizace, staví na komponentách od firmy Siemens, především na řídicím systému typu DCS s označením Simatic PCS7 s integrovanou nadstavbou Simatic Batch (obr. 1). Pro připojení a ovládání snímačů a akčních členů se používají především nejvýkonnější řídicí jednotky řady AS 417-4 s možností využít jak centrální, tak decentrální výstavbu vstupů a výstupů (I/O). Zde je použito distribuované řešení s průmyslovou sběrnicí Profibus-DP a distribuovanými I/O, které lze instalovat v prostředí s nebezpečím výbuchu (zóna 2) a na něž se připojují jiskrově bezpečné přístroje. Řídicí systém technologie fermentace nového závodu pro šest fermentačních linek s podpůrnými provozy je velmi rozsáhlý a bude celkem obsahovat okolo 10 000 I/O (v první etapě 4 000 I/O).

Obr. 1.

Vyšší úroveň ASŘ je tvořena počítači-servery s operačním systémem Windows 2000 Server a s klienty Windows 2000 Proffesional, na nichž jsou realizovány jednotlivé funkce vizualizace, ovládání, tvorby protokolů, záznamu a grafického zobrazování mimořádných stavů a hlášení o poruchách, řízení průběhu a správa receptur šaržových procesů atd. Úroveň ovládání a zálohování dat je v ASŘ řešena plně redundantním způsobem, včetně systému Simatic Batch. Každý server systému je zdvojený a zajišťuje nepřetržité řízení výrobního procesu operátory i v případě poruchy systému a zdvojenou kopii životně důležitých údajů o výrobě. V případě jejich ztráty je totiž vyrobený produkt z hlediska SVP bezcenný.

Pro komunikaci na datové úrovni využívá ASŘ současný standard Ethernet TCP/IP. S řídicími jednotkami AS 417-4 přímo komunikují pouze servery. Klientské počítače jsou zásobovány daty ze serverů. Tato koncepce umožňuje dosáhnout maximální komunikační propustnosti řídicího systému Simatic PCS7. K archivaci údajů o vyrobených šaržích je určen archivační server. Díky jednotné platformě automatizační techniky na bázi TIA (Totally Integrated Automation) firmy Siemens je také zajištěna bezproblémová komunikace se stávajícími systémy Siemens Simatic PCS7 Osx i výrobní spolupráce s energoblokem a dalšími zařízeními současného zázemí továrny v Kouřimi.

Většina grafických operátorských stanic fermentační linky je umístěna mimo velín přímo u výrobních linek. Proto jsou použity stanice ve speciálním provedení vhodném do prostředí s nebezpečím výbuchu a odolném proti stříkající vodě. Jádro stanic je umístěno ve velínu a slouží pro dohled a operace s daty. Operátorská stanice integrovaného DCS/batch systému umožňuje pohodlné řízení a ovládání každého výrobního kroku (viz obrázek v inzerátu na poslední straně obálky). Operátoři mohou řídit veškeré odpovídající výrobní zařízení prostřednictvím stovek grafických zobrazení z kteréhokoliv z operátorských pracovišť. Součástí vizualizací jsou také funkce pro odbavení varovných hlášení, zobrazení aktuálních i historických časových průběhů sledovaných veličin, diagnostické funkce atd. Součástí systému „oken“ na obrazovkách je také grafické zobrazení kroků probíhající receptury s možností ovládat její průběh a vkládat nové hodnoty parametrů.

Jedním z charakteristických rysů procesu fermentace je, že se pracuje se živou hmotou, která se i za stejných podmínek nemusí vždy chovat stejně. Takže ačkoliv je možné pro různé produkty vytvořit různé receptury nastavení regulací, přesto mají operátoři většinou nezvykle velkou volnost při zásahu do nastavení žádaných hodnot regulací, nebo je jim v určitých případech umožněno i přímé ruční řízení. Systém pro řízení šarží (batch systém) proto musí umožňovat jak automatické, tak i poloautomatické nebo ruční řízení s přepínáním těchto režimů v libovolném okamžiku výrobního postupu. Tento komfort také zahrnuje pozastavení fáze, přerušení fáze, její dokončení a popř. přeskočení do dalšího výrobního kroku.

Tak zvané balené technologické jednotky, dodávané třetími stranami včetně vlastního řízení, byly objednány s požadavkem na možnost integrace do systému ASŘ. Standardně proto bylo požadováno jejich vybavení programovatelnými automaty řady Simatic s možností integrované komunikace s DCS Simatic PCS7 prostřednictvím sběrnice Profibus. Díky těmto požadavkům, které dodavatelé zařízení většinou bez problémů akceptovali, lze jednotky velmi jednoduše začlenit do jednotného nadřazeného řídicího systému. Takto je např. umožněno ovládat jakoukoliv tzv. balenou jednotku dálkově z libovolného terminálu systému a zároveň uskutečňovat patřičné akce v navazujícím výrobním zařízení v závislosti na stavu např. separátoru, čímž ubyla potřeba zásahů obsluhy do výrobního procesu.

Inženýrink

Vytvořit potřebný složitý systém ASŘ je úkolem inženýrinku. Kvalitní zpracování automatizace šaržových systémů vyžaduje dokonalou analýzu výrobních kroků, které lze na daném výrobním zařízení realizovat, včetně řešení všech výjimečných stavů. Rozsah inženýrských prací je ve srovnání s kontinuálními procesy několikanásobný. U biotechnologií vyrábějících farmaceutické substance přistupuje navíc také faktor rizika z výroby velmi drahých a často nebezpečných látek a potřeba chování podle pravidel správné výrobní praxe a průkaz jejího dodržení tzv. validací ASŘ.

Inženýrink začíná vytvořením zadání obsahujícího mnoho dokumentů specifikujících požadavky kladené na všechny jednotlivé funkce ASŘ. Tyto funkce musí být testovatelné, aby bylo možné jejich dokumentované ověření (validace). V rámci realizace projektu vznikají např. tyto dokumenty:

  • uživatelská specifikace (User Requirements Specification – URS),

  • funkční specifikace (Function Specification – FS),

  • projekt hardwaru a softwaru (Design Specification – DS),

  • návody pro operátory, administrátory, archivaci atd. (Standard Operational Procedures – SOP),

  • protokoly o testech DCS, softwarových modulů a integrace softwaru provedených u jejich dodavatele dodavatele (Factory Acceptance Test – FAT) i na místě jejich použití (Site Acceptance Test – SAT).

Všechna dokumentace podléhá životnímu cyklu podle GAMP (Good Automation Manufacturing Practices), tj. všechna dokumentace i veškeré testy musí být schváleny zákazníkem, pro každý test musí existovat odpovídající specifikace atd.

Programování celé aplikace je velmi rozsáhlý úkol. Vývojové prostředky zvoleného automatizačního systému Simatic PCS7 umožňují paralelní práci na projektu mnoha programátorům současně. To zajišťuje konzistenci vývoje aplikace. Po vytvoření konfigurace fází, softwarových modulů, vizualizace, receptur a dalších aplikačních programových funkcí nastává velmi důležitá etapa testů, které prokazují dosažení shody se zadávacími specifikacemi. Tato část vývoje aplikace se označuje jako kvalifikace.

Z hlediska následných úprav konfigurace softwaru je důležité, že některé části výrobního postupu, zejména fermentace, jsou takového charakteru, že jakmile se jednou začne vyrábět, již není možné tento proces zastavit dříve, než se dokončí celá šarže, což trvá několik dní. Za běžného provozu se šarže navíc překrývají, takže výrobu není možné zastavit vůbec. To klade velké nároky při případných úpravách aplikačních programů. Veškeré změny jsou elektronicky dokumentovány, a to na inženýrské stanici systémem Audit Trail, jenž zaznamenává, který uživatel, kdy a jakou akci provedl. Systém je budován v souladu s požadavky směrnice 21 CFR part 11.

Významnou úlohu má při tvorbě ASŘ úzká spolupráce dodavatele a zákazníka, protože realizační tým se skládá ze specialistů na technologii, ASŘ, organizaci výroby atd., jejichž specializace se nepřekrývají. Jinými slovy řečeno, neexistuje odborník, který zná celý rozsah problematiky a mohl by z tohoto titulu rozhodovat o sporných bodech řešení. Proto je analýza takto složitého projektu a vytvoření vlastních zadávacích a realizačních specifikací mimořádně náročná na týmovou komunikaci a vyžaduje mimořádné nasazení všech zúčastněných stran.

Předpoklad úspěchu: vstupní analýza

Současné výkonné ASŘ šaržových procesů přinášejí výrobcům mnoho výhod, jako je pružnost ve změnách výrobního sortimentu, ochrana investic vložených do automatizace, možnost plánování výrobního procesu, optimalizace výrobních postupů formou trasování a statistického porovnávání jednotlivých šarží, dosažení shody s regulatorními požadavky na kvalitu a dokumentovatelnost výroby a mnoho dalších. Použitím špičkových automatizačních prostředků však nemusí vždy dosáhnout optimálních výsledků, pokud se současně neprovede dokonalá analýza možností výrobního zařízení a nedocení se složitost inženýrského zpracování projektu. Doby inženýrského zpracování šaržově orientované automatizace se mohou pohybovat od několika měsíců u jednoduchých šaržových procesů až třeba do dvou let u složitých výrob. Příkladem může být automatizace nové biotovárny ve firmě Lonza, kdy analýza výrobních postupů a zařízení spolu s přípravou zadávacích dokumentů pro návrh ASŘ trvala téměř rok. Na vlastním vývoji softwaru ASŘ a jeho testování pracuje tým 25 specialistů dodavatele také již déle než rok. Výhody, které dokonale řešená automatizace šaržových procesů svým vlastníkům přináší, však vložené úsilí mnohonásobně vrátí v úspěšné produkci „just in time“ širšího portfolia produktů bez nutnosti vytvářet zásoby, tj. v možnosti přesně reagovat na požadavky současného dynamicky se měnícího globálního trhu. Kontakt na firmu COMPAS automatizace s. r. o. naleznete v inzerátu na čtvrté straně obálky.

Ing. Aleš Nesrsta, Ing. Vlastimil Braun,
COMPAS automatizace s. r. o.
(vlastimil.braun@compas.cz)

Inzerce zpět