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Projekt
ARCO-CHAIN: Autonome robuste prädiktive Regelung einer kontinuierlichen Kristallprozesskette
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Sergio Lucia Gil; Privatdozentin Dr.-Ing. Kerstin Wohlgemuth
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504676854
Die Kristallisation ist eine weit verbreitete Technologie zur Erzeugung eines partikulären Produkts mit definierter Partikelgröße und -verteilung (PGV), Form des Kristallfestkörpers und Reinheit. In der pharmazeutischen und feinchemischen Industrie ist der Chargenbetrieb derzeit noch das Standardverfahren für die industrielle Kristallisation, insbesondere bei kleinen Produktionskapazitäten. Es gibt eine große Anzahl von Produkten in dieser Kategorie, da z. B. mehr als 90 % der pharmazeutischen Wirkstoffe und zahlreiche Feinchemikalien kristalline organische Verbindungen mit einer geringen Produktionsrate von 250 bis 1000 kg/a sind. Herkömmliche Chargenprozesse sind durch hohe Variabilität gekennzeichnet, die zu einem inkonsistenten Produkt führen kann, was die Prozesse ineffizient und kostspielig macht. Kontinuierliche Kristallisationsprozesse, wie z. B. die Slug-Flow-Kristallisation, sind vielversprechend im Hinblick auf niedrigere Investitions- und Betriebskosten, bessere Kontrolle und höhere Flexibilität, stehen jedoch vor großen Herausforderungen in Bezug auf Modellierung, Sensorik, Aktuatorik und effiziente und adaptive Kontrollstrategien. In der ersten Phase des Projekts sind wir diese Herausforderungen angegangen, indem wir einen Slug-Flow-Kristallisator (SFC) mit Sensoren und Aktoren ausgestattet haben, die die Online-Regelung einer definierten PGV ermöglichen. Wir entwickelten statische und dynamische Modelle und formulierten robuste modellprädiktive Regelungsansätze, um einen autonomen Betrieb des SFC zu erreichen. In der zweiten Phase des Projekts werden wir den autonomen Betrieb auf die gesamte kontinuierliche Kristallprozesskette (CPC) ausweiten, indem wir den SFC mit dem kontinuierlichen Vakuumschraubenfilter (CVSF) verbinden. Der CVSF vereint in einem Apparat Filtration, Waschung und Trocknung, was zu einer komplexen Prozesskette führt. Das zentrale Ziel von ARCO-CHAIN ist es, eine autonome Prozessregelung einer vollkontinuierlichen CPC zu erreichen, um qualitativ hochwertige Produkte mit einem Minimum an Ressourcen und Energie bei maximaler Produktausbeute zu erzielen. Um dies im Rahmen des Projekts zu erreichen, werden folgende Ziele verfolgt: (1) Integration von Sensoren und Aktoren, die die Regelung des CVSF ermöglichen, (2) Entwicklung detaillierter Modelle für den CVSF mit Verbindungen, um die einzelnen Outputs von einer Einheit zur nächsten zu übertragen (einschließlich dem SFC), und Ersatzmodelle, die grundlegende physikalische Gleichgewichte sicherstellen, (3) Entwicklung eines modellprädiktiven Regelungsalgorithmus, der Unsicherheiten und Verbindungen zwischen den Grundoperationen explizit berücksichtigt, sowie (4) Demonstration des autonomen Betriebs der kontinuierlichen CPC. Das wichtigste Ergebnis von ARCO-CHAIN wird eine adaptive und robuste Prozessregelungsstrategie für die kontinuierliche CPC in einer Laboranlage sein, die in der Lage ist, Unsicherheiten und Störungen während des autonomen Betriebs zu bewältigen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
