Intelligente Fabriken

Im Jahr 1901 erfand und patentierte der Automobilhersteller Ransom Olds das Fließband, das einige Jahre später von Henry Ford mit Nachdruck übernommen wurde und von dem man annimmt, dass es von der fleischverarbeitenden Industrie des 19. Jahrhunderts inspiriert wurde, in der die Schlachtkörper mit Hilfe von Rollwagen über Kopf zu den Arbeitern transportiert wurden.

Das waren Beispiele für die ersten intelligenten Fabriken; Innovationen, die dazu beitrugen, die industrielle Revolution neu zu definieren, lange bevor wir die Vorteile der Massenproduktion erfassten, frühe Organisationshierarchien definierten und die Möglichkeiten der Automatisierung erkundeten. Aber erst in jüngerer Zeit, als die neue Technologie und ihre Nachfolgerin, die Digitalisierung, das Tempo des Wandels exponentiell zu steigern begannen, stehen wir heute an der Schwelle zu einem neuen Produktionsparadigma.

Die modulare Produktion - die Fähigkeit, Produktionsprozesse in kleinere Module zu unterteilen, die unabhängig voneinander erstellt und in verschiedenen Systemen verwendet werden können - steht dabei im Mittelpunkt und ermöglicht die Art von Flexibilität, die in Branchen wie der Herstellung von Spezialchemikalien immer mehr gefordert wird, insbesondere unterstützt durch die Einführung des Module Type Package (MTP), eines Protokolls, das die IT-Aspekte definiert und ihre einfache Integration in eine umfassende Automatisierungslösung gewährleistet.

Es gibt kein besseres Beispiel für den Tempowechsel in der Pharmaproduktion als die weltweiten Bemühungen zur Herstellung von Impfstoffen als Reaktion auf COVID-19 und die entscheidende Bedeutung der Markteinführungszeit, die auch bei der Entwicklung vieler anderer Produkte immer wichtiger wird, allein schon, um einen Wettbewerbsvorteil zu erhalten. Auf dem heutigen Markt wird eine durchgängige Verbesserung immer wichtiger. Während von einer Anlage in der Vergangenheit erwartet wurde, dass sie eine Handvoll Medikamente in ähnlicher Form herstellt, z. B. Tabletten, Flüssigkeiten oder Injektionspräparate, wird von den heutigen Produktionslinien erwartet, dass sie sich an eine Vielzahl verschiedener Produkte anpassen. Dies gilt auch für die Herstellung von personalisierten Arzneimitteln und kleinen Chargen.

Zwei Unternehmen, die bei diesem Wandel eine zentrale Rolle spielen, sind Merck und Siemens. Im Rahmen eines gemeinsamen Projekts wird am Standort der Merck KGaA in Darmstadt eine modulare Anlage im Wert von 10 Millionen Euro gebaut. Die Partnerschaft zielt darauf ab, die Entwicklung eines Prozessleitsystems für die Herstellung von Mercks Produkten - einschließlich Biopharmazeutika und Life-Science-Tools - voranzutreiben, indem die Technologieplattformen von Siemens für die Entwicklung eines Gesamtsystems zur Automatisierung der modularen Produktion genutzt werden.

Die immer kürzer werdenden Lebenszyklen

Obwohl Merck die anfänglichen Kosten trägt, wird es zusätzliche Mittel vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft, Arbeit und Energie geben. Das Projekt ist Teil der Pläne von Merck, mehr als 1 Milliarde Euro am gesamten Standort zu investieren. Siemens wird ein übergeordnetes Leitsystem entwickeln, das als Process Orchestration Layer (POL) bezeichnet wird und verschiedene Produktionsmodule bietet, die zu einem Gesamtprozess verknüpft werden können. Die deutsche CDMO Vibalogics hat im vergangenen Jahr ein Siemens-Prozessleitsystem an ihrem Standort in Cuxhaven installiert. Als Hersteller von Flüssigkristallen und OLED-Materialien für Displays aller Art setzt die Merck KGaA schon seit langem auf verstärkte Flexibilitätsbemühungen. Der Leiter der Automatisierungstechnik, Christian Schäfer, brachte es auf den Punkt, als er im Smart Automation Test Lab in Karlsruhe den Kollegen von Siemens berichtete: "Die Produktlebenszyklen werden immer kürzer. In den vergangenen drei Jahrzehnten lief das so: Man hat sich entschieden, was man herstellen will, und dann hat man eine spezialisierte automatisierte Anlage bestellt, die dann einige Jahre lang lief. Aber das funktioniert nicht mehr."

Der Markt, so erklärt er, verlangt kleinere Chargen und will sie schneller denn je produzieren. Die Modularisierung ist die Antwort darauf. Karlsruhe ist ein Paradebeispiel dafür. Die dortigen Module können, wie ein Sprecher es ausdrückte, wie eine Raumstation an das Grundgerüst "angedockt" werden. Mit anderen Worten: plug and produce. Die Produktionsanlagen werden aus verschiedenen Modulen zusammengesetzt, aber mit minimalem technischen Aufwand. Dazu müssen die Module physisch zusammengesteckt werden. Aber sie müssen auch digital miteinander verbunden werden, was andere Herausforderungen mit sich bringt. LANXESS ist mit seinem ReeL-Konzept (Ressourceneffiziente Herstellung von Lederchemikalien) ein weiterer Pionier der modularen Anlage.

Im vergangenen Jahr ging das Unternehmen eine Kooperation mit der Schweizer Hüni AG ein, um Produktionsmodule in Containergröße herzustellen. Hüni konzentriert sich dabei vor allem auf die Anlagentechnik und den Bau der Module, während LANXESS sein verfahrenstechnisches und anwendungstechnisches Know-how in die X-Biomer-Produktion einbringt.

Die ReeL-Technologie wurde von der LANXESS Business Unit Leather in Zusammenarbeit mit den deutschen Unternehmen Invite und Heller-Leder entwickelt.

Und es gibt noch eine weitere Perspektive. Die Bedeutung der zunehmenden Handelsströme Asiens, die mit denen Europas und Nordamerikas konkurrieren, liegt unter anderem in den Auswirkungen auf das strategisch günstig gelegene Singapur und sein Geschäftsvolumen in der chemischen Industrie. Noch bedeutender ist die Art und Weise, wie Unternehmen wie Denka und Evonik in intelligente Anlagen investieren.

Aufgrund der zahlreichen Anreize für Talente und der Tatsache, dass der Global Innovation Index die Insel 2016 als die fortschrittlichste der Region einstufte, kam es zu einem Zustrom von Spezialchemieherstellern wie Afton Croda und Solvay. Bereits 2015 hat das deutsche Spezialchemieunternehmen Evonik Industries seine Anlage für Öladditive in der Innovationsdrehscheibe Jurong Island erweitert.

Alex Möller erläuterte die Rolle der DECHEMA: "Unsere Aufgabe ist es, Menschen zusammenzubringen und Netzwerke aufzubauen, denn Modularisierung funktioniert nur mit Standardisierung und Standardisierung funktioniert nur, wenn sich die Menschen auf einen Standard einigen - und das tun sie nur, wenn sie miteinander reden", erklärte er.

Dies ist ein Schlüsselelement angesichts des anfänglichen Widerstands einiger Gerätehersteller, die nicht bereit waren, ihre Technologie gemeinsam zu nutzen, da die Unternehmen sich nicht einig waren. Aber jetzt wird akzeptiert, dass dies zur Norm wird - wie die MTP-Präsentationen der Aussteller auf der Pulse zeigen. Die Frage nach der Regulierung bleibt jedoch bestehen. Was die längerfristige Perspektive betrifft: "Externe Kräfte treiben diese Entwicklung voran", fügte Moller hinzu. "Die Kunden verlangen schnellere Geschwindigkeiten, und die Unternehmen können dies mit dem klassischen Ansatz nicht leisten. Für alles, was kurze Entwicklungszyklen hat, ist dies sicherlich die Zukunft."

Alexandra Hughes, Industry Sales Manager beim Anbieter von Automatisierungssoftware, COPA-DATA UK in Newport, Wales, drückt es so aus: "Das Tempo der Veränderungen in der Pharmaindustrie ist schneller, heftiger und oft dringlicher als je zuvor. Während die Forschungs- und Entwicklungsteams vorpreschen, können sich die Produktionsanlagen selbst nicht im gleichen Tempo anpassen. Eines der größten Hindernisse auf dem Weg zu dieser Flexibilität ist die Inflexibilität der derzeitigen pharmazeutischen Produktionsanlagen. Da viele dieser Fabriken mit veralteten, mehrere Jahrzehnte alten Maschinen arbeiten, ist die Herstellung neuer, neuartiger Medikamente auf die Schnelle oft nicht machbar, zumindest nicht ohne erhebliche Investitionen. Die Kosten für die Einführung neuer Anlagen an einem Standort können jedoch kolossal sein."

Mit Hilfe von Digitalisierungssoftware kann dies auch mit älteren Anlagen möglich sein. Außerdem können MTPs die modulare Produktion vereinfachen. Im Falle von COPA-DATAs zenon, einer Softwareplattform für pharmazeutische Produktionsanlagen, kann ein Tool die modulare Automatisierung abbilden und gleichzeitig die volle Konnektivität und Kontrolle über die Anlage aufrechterhalten. Pharmazeutische Hersteller, die zenon einsetzen, können damit ihre unflexiblen Produktionslinien wesentlich flexibler gestalten.

Vorsprung durch Zusammenarbeit

Die Partnerschaft zwischen Merck und Siemens soll nach eigener Einschätzung zur "Entwicklung eines Prozessleitsystems für die modulare Produktion innovativer Materialien und Produkte für die Elektronik-, Pharma- und Life-Science-Industrie" führen. Merck hat bereits Erfahrung mit modularen Produktionssystemen. Die Zusammenarbeit soll das Konzept der flexiblen und einfachen Verkettung einzelner Module im Prozessentwicklungs- und Produktionsverbund aller Unternehmensbereiche weltweit voranbringen. "Jetzt sind wir auf dem Weg zum Durchbruch", sagt Sebastian Härtner, Principal Project Lead, Future Manufacturing.

"Ich habe hier in Deutschland kürzlich einen Artikel gelesen, in dem es hieß 'MTP ist nicht mehr aufzuhalten'. Ich bin nicht ganz einverstanden mit dieser Formulierung, aber es stimmt, dass wir uns in der Einführungsphase befinden. Was dieses Projekt betrifft, so sind wir dabei, das technische Umfeld fertig zu stellen. Dann werden wir damit beginnen, die ersten Module in dieses technische Grundgerüst einzubinden. Es ist sehr wichtig, dass wir dies korrekt tun, da es sich um ein öffentliches Projekt handelt, da wir auch mit der deutschen Regierung zusammenarbeiten. Wir führen diese Technologie in verschiedenen Projekten ein und suchen immer noch nach neuen Anwendungsfällen, da es vielleicht nicht für jedes Projekt geeignet ist, auf diese Weise vorzugehen, aber wir sehen andere, bei denen es von Vorteil ist."

Ich bat ihn, das Endziel zu definieren, und er antwortete: "Wenn man über diese Art von Hebelwirkung verfügt, kann man sicher sein, dass man den gesamten Lebenszyklus in vielerlei Hinsicht unterstützen kann, d. h. man kann schneller in der Entwicklung und Forschung sein, man verfügt über mehr Roboter in stabileren Produktionsqualitäten, weil man in den vorangegangenen Phasen viel mehr gelernt hat, und dann sind da noch die Daten, die man in diesen Vorphasen sammeln kann. Während der Forschungs- und Entwicklungsphase entstehen Daten, die in den Produktionszyklus integriert werden können, wodurch wiederum sichergestellt wird, dass die Roboter eine hohe Produktionsqualität aufweisen. Dies ist ein wichtiger Bereich, an dem wir arbeiten und in dem ich das größte Potenzial sehe."

Reduzierung des CO2-Fussabdrucks

Ein Kriterium für die Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie war, dass dank der modularen, flexiblen und effizienten Technologie der CO2-Fußabdruck der Produktion reduziert werden kann, ein Aspekt, der in diesem Jahr an Bedeutung gewinnen wird. Kai Beckmann, CEO Performance Materials und Mitglied der Geschäftsleitung von Merck, verantwortlich für den Standort Darmstadt, sagte: "In der intelligenten Fabrik von morgen wird sich alles um Flexibilität, Vernetzung und Effizienz drehen. Die Zeit, die von der Produktidee bis zur Marktreife benötigt wird, ist ein kritischer Erfolgsfaktor. Die so entstandene Technologieplattform für eine standardisierte, modulare Produktion wird künftig auch in der Produktentwicklung eingesetzt werden können.

"Damit können bereits in der Produktentwicklung datenbasierte Entscheidungen getroffen werden, die sich dann nahtlos in den Produktionsprozess übertragen lassen. So können wir in Zukunft noch schneller und flexibler auf hohe Kundenanforderungen reagieren."

Eckard Eberle, CEO von Siemens Process Automation, sagte kürzlich, dass man erkannt habe, dass Produktionsanlagen "flexibler und effizienter sein müssen, um schnellere Produktwechsel zu unterstützen", und fügte hinzu, dass die Partnerschaft mit Merck ganz neue Möglichkeiten schaffe, "um die modulare Produktion voranzutreiben und die wachsenden Anforderungen an die chemischen und pharmazeutischen Prozesse zu erfüllen". Die Vorteile haben GEA überzeugt, ein "early adopter" zu sein, also eine treibende Kraft hinter ihren Zentrifugen, die MTP "sprechen". Das Unternehmen hat eng mit internationalen Gremien wie NAMUR, ZVEI und VMDA zusammengearbeitet, um Produkte von Grund auf zu entwickeln.

Die NAMUR fasst MTP als etwas zusammen, das darauf ausgelegt ist, intelligente Ausrüstungsmodule für die Produktion, Flexibilität und Effizienzsteigerung zu nutzen, die Integration von Package Units zu ermöglichen, eine schnelle Einführung neuer Prozesse zu erlauben, die Anforderungen der Anwender zu erfüllen, die Engineering- und Automatisierungskosten für den Umbau von Anlagen zu senken und die Markteinführungszeit von Produkten zu verkürzen.