Prozessanalysentechnik Wie mit der Arc-Technologie eine neue Ära der Prozesskontrolle begann

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Die von Hamilton Bonaduz entwickelten Arc-Sensoren sind für die Prozessanalytik eine der wichtigen Entwicklung der letzten Jahre. Die integrierten Mikro-Transmitter koppelten ohne die bis dahin üblichen externen Transmitter an das Prozessleitsystem, ermöglichten Diagnosen und die GMP-konforme Dokumentation der Daten. Damit revolutionierte das Analyseunternehmen vor zehn Jahren die Prozesse zur kontinuierlichen Kontrolle und Steuerung von Bioprozessen.

Die Messung und Steuerung von Bioprozessen ist eine Herausforderung, aber auch ein Bereich, in dem in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt worden sind. Lange Zeit war Sensortechnik analog, bis vor zehn Hamilton Bonaduz die Arc-Technologie mit integriertem Mikrotransmitter entwickelte und keine externen Transmitter mehr nötig waren. Bis heute arbeitet das Unternehmen an der Weiterentwicklung seiner Sensoren und der Technologie und bringt immer neue Arc-basierte Sensoren auf den Markt.

Genaue Marktbeobachtung verät wo dem Kunden der Schuh drückt

Doch wie kam es zur Entwicklung der Arc-Sensoren? Immer wieder fiel den Experten bei Hamilton auf, dass die Nutzung der bis dato vorhandenen Sensoren mit einem erheblichen Zeitaufwand im Bereich der Dokumentation und Wartung verbunden war. Denn analoge Sensoren verfügen über keinerlei integrierte Elektronik. Einblicke hinsichtlich des Sensorzustands, wie oft er in einem Prozess verwendet wurde oder wie viele Reinigungszyklen er durchlaufen hat, können allenfalls indirekt über den notwendigen Signaltransmitter erfolgen.

Und auch die Handhabung im Prozess gestaltet sich schwieriger, da analoge Sensoren verkabelt sind und ihr Signal auf klassische Weise 1:1 an einen Transmitter übertragen. Letzterer verstärkt dieses schwache, für externe Störungen sehr anfällige elektrochemische Messsignal und wandelt es um, damit es dann z. B. als 4-20mA-Wert in das Prozessleitsystem eingespeist werden kann.

Die Kalibrierung und Validierung erfolgt physisch vor Ort am Bioreaktor. Gerätedetails einschließlich der Kalibrierungsergebnisse müssen von Technikern abgelesen und händisch dokumentiert werden. Dadurch kommt es nicht nur zu Zeitverzögerungen, sondern ggf. auch zu hohen Ausschussraten und steigenden Kosten aufgrund von zu spät erkannten Abweichungen. Die Funktionsweise analoger Sensoren lässt die Ermittlung PAT-relevanter Informationen somit kaum zu.

Der Großteil dieser aufwändigen Arbeiten könnte durch das Hinzufügen eines Mikroprozessors zum Sensor der Vergangenheit angehören – so die Idee aus dem Hause Hamilton. Mit Arc gelang schließlich der Technologiesprung, der viele Vorzüge mit sich brachte: „Einige besonders zukunftsorientierte Nutzer erkannten gleich die Vorteile des Übergangs zur Arc-Technologie. Die Schwierigkeit bestand in erster Linie darin, die Neuerung in der gesamten Branche zu etablieren“, erinnert sich Global Sales Director Frank Wolpers. Das besondere Vertrauensverhältnis zu den Kunden habe bei der Einführung der neuen Technologie geholfen.

Früher Novum heute Norm

Heute sind die Arc Sensoren aus der Branche nicht mehr wegzudenken. Sie kommunizieren direkt mit dem Prozessleitsystem und senden nicht nur einen kompensierten Messwert zur Steuerung von Prozessen, sondern bieten auch eine Vielzahl an Diagnosefunktionen, die automatisch und GMP-konform aufgezeichnet werden. Sämtliche relevante Daten und kritische Parameter können schnell und exakt erhoben und dokumentiert werden.

Kommunikation par excellence

Egal, ob pH-Wert, ORP, gelöster Sauerstoff, Leitfähigkeit oder Zelldichte – die Werte stehen in Echtzeit zur Verfügung. Auf diese Weise findet eine optimale Steuerung der Prozesse statt, die sowohl die Qualität der Ergebnisse, als auch Ausschuss und Zeitverluste auf ein Minimum reduziert. Die Sensorintelligenz ermöglicht die Kalibrierung im Messlabor bzw. in kontrollierten Umgebungen und gewährleistet ein hohes Maß an Ausfallsicherheit.

„Mit der Arc-Technologie können Konfigurationseinstellungen zudem von Sensor zu Sensor übertragen werden, wodurch Zeit und Fehlerpotentiale erheblich reduziert werden. Die Sensoren verfügen dank des Mikrotransmitters über eine 4-20-mA-Schnittstelle und können somit direkt in vorhandene Infrastrukturen integriert werden. Auch die Möglichkeit, sämtliche Sensordaten an das Prozessleitsystem (PLS) zu übertragen wird mit dieser Technologie geboten“, verdeutlicht Frank Wolpers die einfache Handhabung in der Praxis.

Da es sich um eine bidirektionale Kommunikation handelt, kann der Sensor direkt vom PLS aus konfiguriert werden. Um die Anwendung der Arc-Sensoren im Handling so simpel wie möglich zu gestalten, können sie darüber hinaus auch mit PCs und mobilen Endgeräten konfiguriert und überwacht werden. Durch Bluetooth-Adapter und -Module sind alle intelligenten Sensoren in der Lage, direkt mit diesen zu kommunizieren.

Die Anwender können also sämtliche Informationen zu jedem Sensor aus der Ferne einsehen. Unstimmigkeiten werden unmittelbar erkannt und können behoben werden. Die intelligenten Sensoren senden Alarme, Informationen zur Fehlerbehebung, Qualitätsindikatoren und Diagnosen sowohl an das PLS als auch an mobile Endgeräte.

In der automatischen GMP-konformen Dokumentation wird der Verlauf jedes Sensors gespeichert, sodass der Bediener erkennen kann, wann dieser verwendet wurde, ob Kalibrierungsfehler oder Warnungen, Schnittstellenfehler oder auch Hardwarefehler auftreten. Die Informationen können schließlich verwendet werden, um Prozessabweichungen zu korrigieren. Auch Entscheidungen hinsichtlich des Austauschs oder der Kalibrierung können auf Basis der Dokumentation gefällt werden.

Eigene Software optimiert Prozessdarstellung und Handhabung

Mit Hilfe der ebenfalls von Hamilton entwickelten Arc Air App stehen die Funktionalitäten wie Überwachung, Konfiguration und Kalibration auch völlig unkompliziert anhand von Smartphones oder Tablets zur Verfügung. „Wir setzen in vollem Umfang auf die Kombination von reibungsloser Kommunikation, Prozessoptimierung und einfacher Handhabung. So sind wir darauf bedacht, auch künftig im Sinne unserer Kunden zu forschen, weiterzuentwickeln und die Vorteile intelligenter Sensoren noch besser nutzbar zu machen“, erklärt Frank Wolpers.

Mit Hilfe der Software können bereits jetzt jedem Anwender bestimmte Rollen zugeschrieben werden, um erweiterte Sicherheitsvorgaben zu erfüllen. So können bestimmte Nutzer die Sensoren lediglich in den Prozessgruppen sehen, die ihnen zugewiesen sind. Die Funktionen können zudem nach Benutzerrollen definiert sowie digitale Kalibrierungs- und Validierungsberichte mit einer elektronischen Signatur gespeichert werden.

Forschungsarbeit wird immer weiter vorangetrieben

Die Einführung der Arc-Technologie stellte einen Meilenstein im Bereich der Prozesskontrolle, -sicherheit und -dokumentation dar, der durch eine einfache Handhabung und wirtschaftliche Vorteile überzeugt. Seit nunmehr 3 Jahren hat die automatisierte, GMP konforme Dokumentation Einzug in die Bioprozesse erhalten. Im letzten Jahr wurde mit dem innovativen Lebend-Zelldichtsensor Incyte ein weiterer Messparameter der Arc-Familie hinzugefügt.

„Als neustes Mitglied der Arc Familie haben wir mit CO2NTROL einen innovativen CO₂ Sensor auf den Markt gebracht. Dieser revolutioniert die CO₂-Messung in Bioprozessen dank einer komplett neu entwickelten optischen Messtechnik. Auf diese Weise wird nicht nur die Handhabung gegenüber den bisher genutzten Messmethoden verbessert, sondern auch die Betriebskosten für die Kunden werden signifikant gesenkt.“, resümiert Frank Wolpers und unterstreicht damit einmal mehr die stetige Forschungs- und Entwicklungsleistung des Unternehmens.

* *Die Autorin ist Mitarbeiterin bei Jansen Communications

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