Comprehensive Scientific Process Engineering

Zeiträubern die Stirn bieten
CSPE-Verfahren verkürzt Lieferzeiten und beschleunigt die Inbetriebnahme vonPharmaanlagen
Eine möglichst kurze Zeitspanne von der Auftragsvergabe bis zum
Produktionsstart: Das wünschen sich sowohl Pharmaanlagenbauer als auchBetreiber. Mit CSPE hat Optima Pharma als Gesamtsystemanbieter ein
umfassendes, systematisches Konzept geschaffen, das dieses Ziel unterstützt
und im gesamten Prozess nichts mehr dem Zufall überlässt.

Neu entwickelte Produkte sollen so schnell wie möglich auf den Markt. Das gilt nicht
nur für Arzneimittel. Doch Pharmahersteller sind in besonderem Maße darauf
angewiesen, die Zeit zwischen Abschluss der Zulassungsphase bis zum
Inverkehrbringen möglichst kurz zu halten: angesichts langer Entwicklungszeiten undhoher Entwicklungskosten auf der einen Seite sowie dem immer härter werdenden
internationalen Wettbewerb auf der anderen. Da lassen sich längere Lieferzeiten, wie
sie in vielen Bereichen des Anlagenbaus durch starke Auslastung entstanden sind,kaum verschmerzen.
Zugleich steigen die Anforderungen an die Flexibilität der Anlage. Kleinere
Batchgrößen sollen gemeistert, unterschiedliche Behältnisse wie etwa Spritzen, Vialsund Karpulen auf einer Anlage befüllt werden. Das führt zu immer komplexeren
Anlagen – und würde normalerweise den gesamten Prozess, angefangen bei derPlanung über Engineering und den eigentlichen Anlagenbau bis zur Validierung,noch weiter strecken.

In Bestzeit zum Media Fill
Optima Pharma weiß etwas dagegen zu setzen: Durch umfassendes ProcessEngineering, das einen wissenschaftlichen Ansatz verfolgt, lassen sich kurze Lieferund Inbetriebnahmezeiten, verbunden mit einer raschen Qualifizierung der Anlageund einem erleichterten Behördenaudit, realisieren. „Comprehensive ScientificProcess Engineering“, kurz CSPE, nennt der Pharmaanlagenbauer dieses Vorgehen.
Es verbindet erprobte beschleunigende Konzepte und Verfahren wie DigitalEngineering, Simulation, Virtual Reality und integrierte FATs. So können „Zeiträuber“
minimiert werden. Der „Media Fill“, also der Nachweis, dass sterile Produkte auf derfertigen Abfüllanlage produziert werden können, wird so in Bestzeit erfolgreich
durchgeführt.
„All diese Methoden wenden wir schon lange an“, erläutert Gerhard Breu, alsChairman der Optima Pharma Division verantwortlich für die Standorte Optima
Pharma Schwäbisch Hall und Mornhausen sowie Metall+Plastic in Radolfzell, undverweist darauf, dass bereits seit sechs Jahren eine eigene Abteilung für DigitalEngineering den Pharmaanlagenbau unterstützt. Sämtliche üblichenSimulationsmethoden wie etwa Festigkeitsberechnungen, Resonanzermittlungeinzelner Bauteile etc. gehören zu ihrem Repertoire. Durch das VR Center imTechnologiezentrum Schwäbisch Hall können zudem sowohl die Ingenieure vonOptima als auch die Kunden 3D-Modelle der geplanten Anlagen seit geraumer Zeit ineiner frühen Engineering-Phase bereits erleben und so Einfluss nehmen.

Potenziale von Digital Engineering konsequent ausschöpfen
Was also ist neu an CSPE? Gerhard Breu verweist auf die systematische
Herangehensweise und konsequente Anwendung der Möglichkeiten von DigitalEngineering, das durch den integrierten Ansatz von der Kür zur Pflicht wird. „Früher
war die Auslegung von Anlagen in erster Linie Erfahrungssache. Ohne fundierte
Erfahrung geht es auch heute nicht. Aber im Rahmen von CSPE nutzen wirzusätzlich die vollen Potenziale, die uns das Digital Engineering eröffnet.“ DasVerfahren setzt bereits vor dem Designstart an: mit einer Projektrisikoanalyse, bei
der unter Einbeziehung aller Fachabteilungen Parallelen zu ähnlichen Projekten
gezogen werden. So berücksichtigen die Ingenieure mögliche Hürden im neuen
Projekt von vorneherein – und bekommen sie mit Mitteln des Digital Engineerings
und der Simulation frühzeitig in den Griff. „Dadurch gelingt eine Risikominimierung –im Sinne einer schnellen Lieferfähigkeit und unproblematischen Inbetriebnahme“,sagt Breu.
Wie früher nutze Optima Pharma dabei auch heute noch reale Versuchsaufbauten imTechnikum. Bei gewissen Baugruppen komme man da nicht drum herum. „Dochunsere Ingenieure versuchen vorab so viel wie möglich über Digital Engineering zulösen“, erläutert der Chairman. So kann etwa die Verteilung von VHP (VaporizedHydrogen Peroxide) im Isolator simuliert werden. Worst-Case Positionen, die das
VHP-Gas nur schwer erreicht, werden identifiziert und die Platzierung derEinspritzdüsen im Isolator entsprechend angepasst. Nicht nur für die Konstrukteureergeben sich Vorteile durch die Simulation des Sterilisationsprozesses. Damit
unterstützt Optima die Zyklusentwicklung. Die Simulation zeigt, wo BiologicalIndicators sinnvollerweise anzubringen sind. Im Rahmen der Performance
Qualification kann der Anwender damit gegenüber den Behörden belegen, dassseine Anlage zuverlässig mit Wasserstoffperoxiddampf dekontaminiert werden kann.
Als weiteres bereits durchgeführtes Anwendungsbeispiel der Simulation nennt Breuden Einfrierprozess von Vials auf einer Gefriertrockner-Stellplatte. Nachdem das
Stellplattendesign gegenüber einer früheren Anlage des Kunden geändert wurde,wollte dieser den Beleg, dass sich eine neu designte Seitenführung nicht negativ
auswirkt. Breu berichtet: „Wir konnten belegen, dass eine fest installierte
Führungsschiene das Einfrierverhalten sogar positiv beeinflusst.“ So wurde die
Designänderung vom Kunden begrüßt, ohne dass zeitraubende
Versuchskonstruktionen nötig waren.

Zielsicherer „erster Schuss“ dank virtuellem Vorab-Mock-up
Die „hohe Schule“ des Digital Engineerings führt schließlich zum virtuellen Mock-up,
den Optima Pharma als „Vorab-Mockup“ verstanden wissen will. Die Konstrukteurekönnen sich, ebenso wie die künftigen Bediener einer Anlage, von den
Gegebenheiten und der Zugänglichkeit im VR Center ein Bild machen – deutlich
realistischer als anhand der 3D-Darstellung am Computer-Bildschirm. Solange nicht
auch Gewichte, Taktilität und Haptik simuliert werden können, sieht Breu zwar nochkeine Möglichkeit, den gewohnten Holz-Mock-up durch die virtuelle Mock-up-Studie
vollständig abzulösen. „Mit dem realen Mock-up kann auch die Handhabung einesschweren Zwischenbehälters oder eines sensiblen Bauteils wie einer Füllnadel mit
dem Isolator-Handschuh getestet werden“, wendet er ein. Er weist jedoch darauf hin,dass der „erste Schuss“ beim realen Mock-up deutlich besser passt, wenn vorab mit
Hilfe des virtuellen Mock-ups einige Engstellen eliminiert werden konnten. Zudem
könne die virtuelle Anlage zu Schulungszwecken genutzt werden.
So profitiert der Kunde ein weiteres Mal von CSPE. Aber auch intern wirkt es als
Beschleuniger und schaufelt Ressourcen frei: Festigkeitsberechnungen,Strömungssimulationen oder die Ermittlung von Resonanzen einzelner Bauteile
unterstützen die Entwickler während der Designphase. Während des gesamten LifeCycles einer Anlage kann CSPE zum Enabler werden – etwa wenn es im Rahmen
des Portfolios „Optima Total Care“ Serviceeinsätze unterstützt. Beispiele gibt esviele. Breu berichtet von einem konkreten Fall, bei dem sich ein Falttisch am
Beladesystem eines Gefriertrockners verzogen hatte. Grund dafür war, dass derKunde zur Kaltbeladung übergegangen war, die Aufstellplatte am Gefriertrockner
also kühlte, wodurch der Falttisch beeinträchtigt wurde und nicht mehr sauber
andocken konnte. Statt nun einen Monteur „blind“ hinzuschicken, der das Problem
vor Ort nur durch Trial and Error lösen könnte, simulierte Optima die Kälteverformung
zunächst und konstruierte sofort ein passendes, ausgleichendes Bauteil, das derServicemann nur noch anbringen musste.

Mit integriertem FAT zuverlässig qualifiziert
Ein weiteres Angebot im Rahmen von CSPE macht Optima Pharma mit dem
integrierten FAT (iFAT). Dazu werden alle Bestandteile einer Anlage in SchwäbischHall zusammengeführt, also beispielsweise der Isolator des Schwesterunternehmens
Metall+Plastic in Radolfzell sowie die Gefriertrocknerzuführung und Beladung. Diesewerden zusammen mit der in Schwäbisch Hall gebauten Abfüllanlage unter möglichst
realen Bedingungen getestet. So können Qualifizierungsarbeiten – nahezu wie imspäteren SAT der Gesamtanlage an ihrem Bestimmungsort – zuverlässig
durchgeführt werden. „Lediglich durch besondere Gegebenheiten, die die
Reinraumumgebung beim Anwender vor Ort mit sich bringt, können später noch
Abweichungen entstehen“, sagt Breu. Auch eine erste Zyklusentwicklung kannbereits bei Optima stattfinden. Damit die Bedingungen bei Optima so realistisch wie
möglich sind, errichtet das Unternehmen soeben eine neue Endmontagehalle mit
optimaler Ausstattung für die Aufstellung und Inbetriebnahme von Komplettlinien. Imzweiten Quartal 2019 soll sie bereits fertiggestellt sein.
Durch die realitätsnahe Anlagenqualifizierung im Rahmen des iFAT schließt sich derKreis. Die Engineering-Abteilung erhält dadurch unmittelbar Feedback zur
Treffgenauigkeit der durchgeführten Simulationen und somit Input für die weitere
Optimierung der Simulationsmodelle. „Um immer besser zu werden, ist der Abgleich
mit der Realität unabdingbar“, betont Breu.

Turnkey plus CSPE gleich schnelle Time to market
Die positive Wirkung von CSPE merkt der Anlagenbetreiber künftig an vielen
Punkten: Inbetriebnahmezeiten verkürzen sich, ebenso die Einsatzzeiten von Optima
Spezialisten vor Ort. Durch die intensive Vorarbeit beim Anlagenbauer beschleunigt
sich die Qualifizierung beim Kunden; durch die Absicherung über Digital Engineering
und iFAT wird sie in einigen Fällen quasi zur Requalifizierung. So kann dieProduktion deutlich schneller als früher anlaufen. Wieviel Gesamtprojektzeit
eingespart werden könne, differiere von Projekt zu Projekt stark, sagt Breu: „Bis zu

sechs Monate sind drin.“ Effekte, zu denen auch der Turnkey-Ansatz beitrage. Denn
Gefriertrockner, Isolator und Abfülleinheiten, die von einem Hersteller geliefert
werden, sind als Gesamtsystem optimal aufeinander abgestimmt, inklusive desQualifizierungskonzepts für alle Anlagenbestandteile. So lässt sich einmal mehr die„Time to market“ minimieren.

Die wichtigsten Vorteile von CSPE
• Minimierung von Risiken vor Designstart• virtuelle Vorab-Mock-ups und Schulung durch Digital Engineering• Qualifizierung durch iFAT, schnelle Requalifizierung am Einsatzort• schnellere, risikoarme Inbetriebnahme beim Anwender• Unterstützung bei Behördenaudits mittels wissenschaftlichem Ansatz• verkürzte Zeit zwischen Auftragsvergabe und Produktionsstart

Pharma-Abfüllanlagen werden immer komplexer. Optima Pharma führt mit CSPE ein
Engineering-Verfahren ein, das Lieferzeiten und damit die Time to market verkürzt.

CSPE umfasst den kompletten Prozess von der Projektrisikoanalyse vor dem
Designstart bis hin zu Serviceeinsätzen nach SAT und Produktionsbeginn.

Wie wirkt sich die Änderung des Stellplattendesigns am Gefriertrockner auf den
Einfrierprozess aus? Simulationen im Rahmen von CSPE ersetzen zeitraubende
Versuchsaufbauten im Technikum.

Virtual Reality löst zwar den realen Holz-Mock-up noch nicht vollständig ab. Dochviele Fragestellungen wie Zugänglichkeiten und Belastungen für den späteren
Bediener können im VR Center bereits beantwortet werden.

Gerhard Breu, Chairman OPTIMA Pharma Division: „Die systematische Nutzung derPotenziale von Digital Engineering verbunden mit dem integrierten FAT reduziert dieGesamtprojektzeit deutlich. Je nach Projekt sind bis zu sechs Monate drin.“