Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Forschungsvorhabens in Phase I war zun\u00e4chst die Entwicklung eines zuverl\u00e4ssigen, robusten, sich selbst reinigenden und kontaminationssicheren optischen Online-Prozessanalyseverfahrens f\u00fcr Herstellungsprozesse in der Chemie-, Pharma-, Biopharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Die in der Projektphase I aufgebaute und patentierte Messsonde, die Lighthouse-Sonde (LHP), erm\u00f6glicht eine In-Process-Reinigung und -Kalibrierung der Messfenster. Die LHP-Sonde ist f\u00fcr verschiedene optische analytische Messverfahren geeignet, wie z. B. NIR-, UV\/Vis Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie.
\nDie Zielsetzung der sich anschlie\u00dfenden Projektphase II (vorwettbewerbliche Entwicklung) umfasste zwei Schwerpunkte:
\nZum einen sollten im ersten Schwerpunkt die oben genannten optischen Detektionsverfahren im Sondengeh\u00e4use miteinander kombiniert werden. Dies erfolgte unter Verwendung unterschiedlicher Segmente der Sonde. Diese Kombination erlaubt es erstmals, mehrere Parameter eines Prozesses, z. B. Partikelgr\u00f6\u00dfe und Quantifizierung mittels Ramanspektroskopie, gleichzeitig zu erfassen. Zur Auswertung war es notwendig, entsprechende Module und Auswerteverfahren unter Verwendung von Chemometrie und Bildanalyseverfahren zu entwickeln und in einem Sensormodul zusammenzufassen. Die Verfahren sollten zun\u00e4chst im Laborma\u00dfstab gestestet und validiert werden.
\nDer zweite Schwerpunkt war die \u00dcbertragung der im Projekt erreichten Innovationen vom Labor- zu einem Technikumsma\u00dfstab, und zwar in enger Zusammenarbeit mit industriellen Projektpartnern. Diese Arbeiten beinhalteten die Adaption der entwickelten Messtechniken an die jeweilige analytische Fragestellung, die Validierung der Messverfahren sowie die Dokumentation und Publikation\/ Vorstellung der Ergebnisse.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung und industrielle Evaluierung waren die zwei haupts\u00e4chlichen Arbeitschritte des Projektes. Im Rahmen des ersten Schrittes wurden die Grundlagen f\u00fcr die Weiterentwicklung einer neuartigen Sondentechnik f\u00fcr die Online-Prozessanalytik, durch eine Literaturrecherche, Simulationen und Vorversuche, gelegt.
\nSchwerpunkt der Entwicklungen waren optische analytische Verfahren. Unter Ber\u00fccksichtigung von Patentrechercheergebnissen und unter Zuhilfenahme von Simulationsrechnungen wurde ein neues optisches Design zur Raman-Sonde entwickelt und experimentell umgesetzt.
\nEin weiterer Entwicklungsschwerpunkt war die Erarbeitung von bildgebenden Verfahren. Die als Ausgangspunkt genommene Idee des Endoskops mit 30.000 Einzelfasern ausgestatteter Lichtwellenleiter und angeschlossener Kamera wurde durch ein starres Endoskop mit externer Lichtquelle und eingebauter Hochgeschwindigkeitsmikrokamera ersetzt.
\nIngenieurl\u00f6sungen zur Kombination der Raman-, NIR- und UV\/Vis-, sowie Fluoreszenzspektroskopie innerhalb eines LHP-Sondenrohrs wurden entwickelt.
\nZum Einsatz kamen Lichtstreutechniken zur Bestimmung von Partikelgr\u00f6\u00dfe und Streukoeffizienten, welche unter Zuhilfenahme winkelabh\u00e4ngiger, spektraler Daten im Rahmen dieses Projektes f\u00fcr ihren Einsatz in der Online-Prozessanalytik optimiert werden konnten.
\nDie entwickelten Module wurden im Medium der laufenden Prozesse wie Pelletbeschichtung, Granulierung, Trocknung, Kristallisation und Fermentation gepr\u00fcft. F\u00fcr die Evaluierung der Messergebnisse spielt die Modellierung und Datenauswertung eine entscheidende Rolle. Um die komplexen spektralen Prozessdaten in quantitative Qualit\u00e4tsparameter zu transformieren, wurden dementsprechende Algorithmen ausgew\u00e4hlt, angepasst oder neu entwickelt und, sofern n\u00f6tig, programmiert. Die Theorie der Versuchsplanung (Design of Experiment, DoE) zur optimalen Datenerfassung wurde vor den Messungen angewandt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Sieben verschiedene Sondenmodule wurden entwickelt, aufgebaut und in der industriellen Prozessumgebung eingesetzt. Die folgenden Techniken und deren Kombinationen wurden in den Sonden implementiert:<\/p>\n
\tSonde 1: Multifunktions-LHP I (Vis+NIR+Raman)
\n\tSonde 2: Multifunktions-LHP II (Vis+NIR+Fluoreszenz)
\n\tSonde 3: Bildgebende LHP-Sonde (Endoskop+Kamera)
\n\tSonde 4: NIR\/Vis-LHP (Vis+NIR)
\n\tSonde 5: Total-Containment-LHP (Vis+NIR)
\n\tSonde 6: Partikelgr\u00f6ssen-LHP (ortsaufgel\u00f6ste Vis-Reflexion)
\n\tSonde 7: Durchfluss-Messzelle (UV\/VIS)<\/p>\n
Damit wurde der Anwendungsbereich der LHP-Technologie wesentlich erweitert. Die analysierten Medien und Proben beinhalteten Fl\u00fcssigkeiten, Feststoffe und Suspensionen. Die entwickelten Detektionsverfahren und Techniken wurden im Technikumsma\u00dfstab in Pilotanlagen weiter optimiert und an die analytische Fragestellung angepasst.
\nErfolgreich konnte die Lighthouse-Sonde zur \u00dcberwachung mehrere Prozesse eingesetzt werden, u. a.: Kristallisation, Bestimmung der Beschichtungsdicke w\u00e4hrend des pharmazeutischen Beschichtungsprozesses, \u00dcberwachung der kontinuierlichen Pulvermischung, Total-Containment-Operationen mit Pulvern, Hefe-Fermentation sowie Reinigungs\u00fcberwachung von pharmazeutischen Anlagen.<\/p>\n
Wesentliche wissenschaftliche Ergebnisse wurden auch seitens der FuE-Projektpartner erzielt:
\nDie NIR-Spektren erlauben die Online-Vorhersage der Aufl\u00f6sungskurven von Pellets w\u00e4hrend der Beschichtung. Dieses wichtige Ergebnis wurde durch die fortgeschrittene chemometrische und kinetische Datenanalyse erreicht.
\nDie mit 1D-\/2D-Fluoreszenz ausger\u00fcstete LHP-Sonde wurde im Bioreaktor eingebaut und in der Fermentation von Hefe Saccharomyces cerevisiae getestet. Durch Datenanalyse wurde gezeigt, dass die Spektren nicht nur wichtige Informationen von den Biomasse- und O2-Gehalten, sondern auch vom metabolischen Zustand der Kultur liefern k\u00f6nnen.
\nDie Kombination von NIR- und Raman- sowie NIR-, UV\/Vis- und die Fluoreszenspektroskopie wurde f\u00fcr die \u00dcberwachung des Beschichtungsprozesses von Pellets in der Pharmaindustrie verwendet. Infolge der synergetischen Wirkung der Techniken konnte nicht nur die Beschichtungsdicke, sondern auch die Produktfeuchtigkeit w\u00e4hrend des Prozesses mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
\nDie Bildgebende LHP wurde f\u00fcr eine detaillierte visuelle Kontrolle der Prozesse, z. B. die Pelletbeschichtung, eingesetzt. Sie erm\u00f6glicht eine fr\u00fchere Erkennung von Prozessproblemen wie Bed-Stop, Agglomeration oder Abreibung der Partikel sowie die Bildung feiner Fraktionen.
\nWeiteres Projektergebnis: Die multivariate Bildanalyse erm\u00f6glicht die Erkennung einzelner Partikel. Die Methode ist geeignet f\u00fcr die direkte Messung der Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung.
\nDie Projektpartner erwarten, dass die Lighthouse-Sonde mit der im Projekt hier entwickelten modularen Bauweise einen breiten Einsatz erf\u00e4hrt und so die Vorteile der Online-Prozessanalytik bez\u00fcglich \u00f6konomischer und \u00f6kologischer Einsparungen in viele Anwendungen einbringen kann.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Der neue PANOPOD-Prozess-Analyzer soll zun\u00e4chst in der Pharmazie, sp\u00e4ter auch in den anderen erw\u00e4hnten Bereichen, zum Einsatz kommen. Die globale Vermarktung der neuen Technologie soll einerseits \u00fcber die GEA-Gruppe, an die J&M ihre Systeme liefert, anderseits \u00fcber J&M selbst im Direktvertrieb erfolgen. Vorgestellt wurde der neue Analyzer mit gro\u00dfer Resonanz auf der Analytica in M\u00fcnchen, sowie auf den mehreren Konferenzen.
\nAuf Grund der Projektergebnisse wurden in 2010 vier Artikel in den Fachzeitschriften Journal of Chemometrics (3) und einer in Analyst (1) ver\u00f6ffentlicht oder vorgelegt.
\nDie Ergebnisse wurden auch bei mehreren Tagungen und Messen durch Vorlesungen und Posters pr\u00e4sentiert, u. a.: APACT-2009 in Glasgow (Schottland), SSC11-2009 in Loen (Norwegen), PAT and QbD in Heidelberg (Deutschland), WSC-7 in St. Petersburg (Russland) und CAC-2010 in Antwerpen (Belgien). Die vollst\u00e4ndige Liste wurde im Bericht angegeben.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die in der ersten Projektphase konzipierten und im Laborma\u00dfstab untersuchten Ideen wurden w\u00e4hrend der Projektphase II weiterentwickelt, optimiert und in der Industrie eingesetzt und im Technikumsma\u00dfstab erfolgreich erprobt. Damit konnte der gro\u00dfe wirtschaftliche und \u00f6kologische Gewinn beim Einsatz der Lighthouse-Sonde in der Online-Prozessanalytik experimentell verifiziert werden. Somit kann der Sonde zu einer hohen Akzeptanz bei Kunden verholfen werden.
\nManche der im Projekt entwickelten Sonden, z. B. NIR+Raman, 2D-Fluoreszenz, die ortsaufgel\u00f6ste Streusonde und bildgebende LHP, haben kaum oder keine Analogien zu bisher eingesetzten Techniken und geh\u00f6ren deshalb zu Innovationstechniken.
\nDie Entwicklungen wurden patentgesch\u00fctzt und in wissenschaftlichen- und Fachzeitschriften ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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