打造自動化智慧工廠–即時監控技術隨時更新你的產線狀態

作者 : 利泓科技(Rightek)供稿

自動化智慧工廠的藍圖立基於線上製程監控,透過製程分析技術(Process Analytical Technology,簡稱 PAT)讓監控與優化產線不再是難事。

自動化智慧工廠的藍圖立基於線上製程監控,透過製程分析技術(Process Analytical Technology,PAT)讓監控與優化產線不再是難事。

程分析技術突破傳統品質分析的限制與風險

在工廠製程過程中經常需要對中間成品做品質分析,然而,當半成品被取樣並離開產線時,過程其實增添許多不確定的變因,進而提高品質與安全性的風險。加上取樣和檢驗技術的限制,工廠品管部門往往只能從樣品得到有限的分析結果,若不幸查驗出失敗品,光是分析成因再執行補救動作,整體所造成的時程延宕對工廠經濟的打擊不容小覷。因此,工廠往往必須耗費龐大的人力和時間成本,才能達到品質管理的需求。

事實上,從化學工業發展至今,大家就不斷嘗試找尋一種方式是既能管控也能驗證所有的化學反應流程,許多相關產業仍面臨類似的困境,其中腳步最快的是製藥產業,FDA在2004年就發佈分析技術原則——過程分析技術(Process Analytical Technology,PAT)。根據FDA的定義,PAT指的是一種可以線上量測關鍵參數,得到品質、成分、濃度等資訊,藉由得到的資訊去設計、分析並控制製程。它將分析廣義的定義於化學、物理、數學等分析技術,再藉由多變量統計分析的模型去觀測並控制製程或者是生產的反應終點,以及管理上的品質改善。

以大部分的藥廠而言,生產流程一旦經過驗證後便很少進行更動,所以品質分析通常是發生在離線或者生產末端的成品測試。但是PAT的關鍵在於online量測與即時反饋,藉以提高產線效率跟管理可變性,理想狀況下,線上監控如果發現藥物有問題,我們就能夠即時變更、補救或者停止產線。隨著十多年來技術的發展,線上分析監控製程在藥廠已經越來越普遍,像是阿斯特捷利康在德國的工廠幾乎大部分都是由PAT所控制。

線上分析設備是取得產線即時數據的關鍵角色

隨著製藥產業率先走入PAT的管理框架,許多相關產業像是化工、石油與半導體等皆發展出即時監控的衍生技術與設備,舉凡線上近紅外光譜儀(on-line NIR)、傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)和桌上型核磁共振儀(NMR)等光譜技術,具備無損量測及快速分析等特性,可以直接在管路或者反應桶槽中取得想看見的分析資訊。特別是我們所熟知的傳統大台的NMR設備,除安裝環境要求嚴格以外,對操作人員的專業能力要求也較高,不過因應在線分析的需求,小型、堅固且使用簡便的NMR已經慢慢開始有這類的產品出現。再者,涉及結晶過程或是產物的顆粒大小,則可利用超聲波或者影像的方式得到線上即時的粒徑大小數據。

舉一個應用on-line NIR的實際範例來說明——單株抗體製造監控。單株抗體需要透過持續添加蛋白質到含有昂貴樹脂的層析管柱中,藉由動態結合產生單株抗體,過程中涉及添加、沖堤和活化等步驟以增加樹脂的利用率。因此在這個實例當中產線最需要監控的重點是(1)蛋白質的添加濃度、(2)是否有蛋白質來不及與樹脂結合就突破管柱導致浪費。首先,我們先了解這個連續製程產線搭配on-line NIR即時分析的整體架構,如下圖:

 

NIR透過流動池與產線串聯,同時分析添加入口與管柱末端兩個位置,進行添加量與突破量的即時量測。

 

為了確認方法的可行性,一共設計三種蛋白質的添加方式(定量添加、梯度添加和極端添加)進行驗證on-line NIR的反應能力。以下呈現極端添加的結果,極端添加的目的是模擬製程發生管路堵塞或反應物投入量異常的狀況,起初先添加正常的濃度,進入第二個循環時添加濃度大幅減少80%,我們可以觀察到此時on-line NIR取得濃度的變化並回饋至控制單元,加快管柱的流動速度,使得在固定的切換時間點之前,可以達到預計的添加總量。

 

黃色實線:設定的添加濃度;藍色實線:on-line NIR即時取得的濃度值;綠色實線:管柱出口的突破濃度值;灰色虛線:添加終點。

 

過往會採用HPLC法檢測突破口的濃度,但是分析時間需要2分鐘,無法應付蛋白質突破的反應時間。近期也會有人使用UV吸收光譜法作為替代方法,其解決分析速度的問題,但很可惜分析的濃度極限最低只能到10%。以上面這個案例而言,on-line NIR既可滿足每三秒取得一筆數據,也可以分析到0.1%蛋白質量。

備註:此實驗所使用的on-line NIR (Antaris MX, Thermo Fisher Scientific)最低可以分析到0.5% mAb。

在其他產業我們也看的到on-line NIR的身影,像是半導體產業,過去只能仰賴上游廠商提供的品質證明去判斷晶圓的品質,導入on-line NIR後就能夠針對每一塊即將進入產線的晶圓進行即時分析,防止因為原物料的缺陷導致最終產品的失敗。除此之外,on-line NIR可以作為刻蝕反應過程監控方法,解決傳統電導率法與pH值偵測的限制,on-line NIR能更加精確地確認溶液組成,也能偵測反應過程中的細微變化。

當然,取得分析數據是一回事,控制製程又是另外一回事了。所有的線上分析技術都需要根據監控需求做客製化開發,通常要經歷一段時間的數據收集,再透過化學計量學和多變量分析才能夠做進一階的回饋到製程控制。在開發的過程中會遇到一些挑戰,包含來自不同的供應商跟不同的使用部門間的整合,以及如何建置優良的模型都考驗著對參數,以及儀器的了解,所以說現代的化學工廠的製程控制工程師必須要比過往更了解自己產品製程的相關知識。

自動化管理系統實現智慧工廠的藍圖

因應我們目前所處的疫情時代,製程控制的概念必須擴大到整個工廠的管理系統,才能夠立即應變因為分流措施導致人力減少的壓力,最關鍵且有效的管控方案是利用物聯網系統以實現「智慧製造」的流程,其中將牽涉來自客戶的訂單需求,以及後端工廠倉儲與物流等供應鏈的配合。這其實就是我們熟知的工業4.0概念,所有的最終成品必須根據源頭的需求來設計與製造,要滿足所謂的「智慧製造」,前述的自動化即時監控設備是第一步,下一步則是把這些端點串連在一起的物聯網系統。將取得的產線製造參數,包含溫度、壓力、化合物轉化等數據,經過雲端運算的機器學習,在產品製造的當下就能即時導出產品品質與數量。將雲端平台的架構放大,納入進整個廠區甚至上中下游的供應鏈,靈活地調整生產效率,減少不必要的能源成本消耗。

延續前述的on-line NIR技術,我們已知on-line NIR能夠從產線上取得非常多的數據,例如OH值(Hydroxyl Value)、酸價(Acid Value)、密度(Density)、黏度(Viscosity)、水分(Moisture Content)、添加劑含量(additive)和固化程度(Curing Level)等等。接下來再將on-line NIR軟體透過Analog/Digital或OPC等不同的通訊方式,將分析結果傳送到工廠中SCADA/DCS/PLC等控制單元,接著根據廠務或製程工程師預設的判斷基準來決定需不需要啟動其他的設備,例如加快反應物的添加速度或者啟動溫控設備升高溫度,形成一個智慧製造的物聯網系統。

 

智慧製造的物聯網系統。

 

過去在產線開發的時候,現場會仰賴品管部門的取樣分析,或是自行在工廠端分析中間體,無論哪種作法都不可避免讓製程中斷或者等待。反觀像是on-line NIR這類不間斷持續收集數據的線上分析設備,再搭配工廠與辦公室內部網路連線,讓製程工程師能夠透過遠端隨時確認產線狀況,同時滿足即時監控與非接觸的新工作型態。自動化智慧工廠的另一個同樣重要但經常被忽略的優勢就是讓製程工程師或是品管實驗室人員從繁瑣且重複的工作當中釋放出來,並且有信心地知道他們的分析結果可以被精確且快速地執行完成。

參考資料:

1.Antaris™ MX FT-NIR Process Analyzer

2.利泓科技|近紅外光譜儀 FT-NIR Spectrometer

3.利泓科技|自動化工廠的起源-PAT技術:Online-NIR的應用與效益

4.利泓科技|遠端監控正夯,利用線上近紅外光譜設備監控你的產線結果

5.利泓科技|疫情時代,你的實驗室準備好自動化了嗎?

6.How To 優化產線:即時監控製程,反應不間斷!

 

如果您想了解更多資訊,請與我們聯繫:sales@rightek.com.tw

(本文由台灣賽默飛世爾委託,利泓科技技術支援部執行撰寫)

 

 

 

 

 

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