相互接続された世界におけるプロセスオートメーションの役割 - Part 2

以下のシナリオは架空のディストピア物語のように聞こえますが、現実に起きていることです。COVID-19  (コロナ) 危機のような大惨事が社会に劇的な影響を及ぼしています。これまで知られていた日常が突然変わりました。通りは空っぽになり、店は閉まり、製造業は縮小または完全に停止しています。しかし、製薬業界や食品業界などの安全関連のシステムは、停止してはならず、故障しないように設計されているので、どうなるのでしょうか？　プロセス分析計の故障や停止のリスクを最小限に抑えるにはどうすればよいでしょうか？　あるいは、故障が発生した場合、人や環境への被害を最小限に抑えるにはどうすればよいでしょうか？　また、一般的には、運用シーケンスを維持するにはどうすればよいでしょうか？

デジタル化：呪いか祝福か？

プロセス エンジニアリング プラント について考えるとき、我々は、 "インダストリー4.0"、"デジタル化"、"デジタルトランスフォーメーション (DX) "、"IoT"、"スマート ファクトリー" などの流行語に何度も直面します。このトピックはしばしば議論を巻き起こしており、多くの場合、"人間" か "機械" かという二分法とそれに伴う不安について語られます。デジタル化にどのような名前を付けるにせよ、ここでの各用語には共通点が1つあります。それは、最新の情報通信技術を用いて、工業生産における個別の場所とプロセスをインテリジェントにネットワーク化することです。プロセスオートメーションは、小さいながらも重要な構成要素であり、注意を払う必要があります。データは、堅牢で信頼性の高い測定技術によってのみ、一貫して記録、転送、再生することができます。

デジタル・ネットワーク化された生産工場

”スマートホーム” というキャッチフレーズのもと、民間企業ではデジタル化が比較的定着しているとはいえ、多くの生産現場では、この話題はまだ黎明期にあります。さまざまなプロセスをインテリジェントにネットワーク化するためには、高い要求があります。プロセス分析システムは、重要なパラメータの分析に大きく貢献します。プロセス制御と最適化のためには、データを中央制御室に転送することが重要です。最先端の技術に対応するために、プロセス分析システムは以下の要件を満たす必要があります：

透明性の高いコミュニケーション／運用保守

プロセスを継続的にモニターし、プラントの安全を保証しなければなりません。ダウンタイムは多額の出費とコストを伴うため、許されません。故障のリスクを効果的に最小化するためには、自己点検の一環として機器固有の診断データを継続的に送信するか、予防保全活動によって故障を防止する必要があります。理想的には、対応が迅速で、（遠隔操作であっても）システムをシャットダウンすることなく故障を修復できなければなりません。

将来を見据えたオートメーション

プロセスプラントが何年（あるいは何十年）稼働しているかを考えると、その耐用年数内に拡張と最適化が可能でなければならないことは明白です。これには、最先端の分析装置の実装とシステム間の通信の両方が含まれます。

冗長化されたシステム

故障がシステム全体の動作を危険にさらすのを防ぐため、一般的に冗長性の概念が使われます。

実例：発酵プロセスのためのスマートコンセプト

スマートテクノロジーの出現により、オンライン分析システムとメンテナンスフリーのセンサーは、微生物の生存を確保するために不可欠になりました。このようにして、信頼性の高い測定値が24時間提供され、これらの測定値がすべての一般的なプロセス制御システムに直接転送されたり、既存の品質管理QMシステムに統合されることが保証されます。

別の分析ラボで手動でオフライン測定する代わりに、分析は媒体内で直接行うか、外部の測定セルに移動することでできます。オンライン分析には、インライン分析に比べてさらなるメリットがあります。この方法では、サンプル ストリームは、ポンプまたはバイパス ラインにより分析システムに供給されます。オンライン分析では、24 時間 365 日の稼働が可能になり、重要なパラメーター(分析項目)を厳密に制御できるだけでなく、さまざまな分析方法を組み合わせて、さらに別のパラメーターを測定することもできます。つまり、1 つのシステムで複数のパラメーターと複数の測定ポイントをモニターできます。

分析システムの心臓部はインテリジェントなセンサー技術であり、その堅牢性は測定値を確実に得るために極めて重要です。

バイオリアクターにおける重要なキーパラメーターとしてのpH測定

Suitable electrodes for inline pH measurements for the pharmaceutical and biotechnology industry

インテリジェントでメンテナンスフリーのpH電極

ガラス電極は、最も耐久性があり、多用途で、信頼性の高いソリューションであるため、pH 測定に最も多く使用されています。ただし、多くの場合、経年変化やダイヤフラムの汚染による変化は検出されません。ガラスの破損も、生産バッチ全体を廃棄する可能性があるため、大きなリスクをもたらします。製薬業界にとって、メトローム プロセス アナリティクスの ProTrode 200 および ProTrode 300 センサーは、これらの問題を回避するのに最適なソリューションです。銀イオンがプロセス サンプルに混入するのを防ぐAgスカベンジャーが装備されています。

ProTrode 200（左）とProTrode 300（右）　製薬およびバイオテクノロジーのプロセス用のpH電極(センサー)

結論

生産プロセスとデジタル技術の連携は特に大きな可能性を秘めており、企業の経済的安定に貢献します。加えて、生産におけるデジタル化の要求に企業が直面するプレッシャーは着実に高まっています。たとえば、発酵プロセスの分野では、関連するパラメータを厳密にモニターすることで微生物を有効に利用することが確保されます。インテリジェントなシステムは自動化の度合いを高め、バリューチェーン全体にわたるプロセスをより効率的にすることができます。

次回のコラムでは、エラーが発生してシステムが故障する最悪のシナリオが現実になる前に、機能安全の概念がどのように役立つかを説明します。こちらをご覧ください：

Forewarned is Forearmed: Error and risk minimization in process analysis – Part 3

参考資料

Inline pH measurements with ProTrode sensors