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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。
プロセス産業 (PAT) では、ダウンタイムの削減とリソース使用の最適化を目的として、センサー、自動化、プロセス制御などのトピックがすでに長い間議論されてきました。ただし、これは単なるデータの収集ではなく、データの有意義な解釈と 品質管理QM システムへの統合に関するものです。継続的な評価と検証によってのみ、効率と最適化が大幅に向上します。
これは、危機的な状況下でも、少ない人員で生産工程を維持できる真の機会を意味します。関連する分析は、自動的かつ完全にプロセスに転送されます。これにより、高い可用性と迅速な介入が可能になり、プロセスの安全性と最適化の両方において高い品質要件が保証されます。さらに、すべてのシステム・コンポーネントのオンライン・モニタリングと予防保全活動により、故障に効果的に対処することができます。
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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
発酵槽またはバイオリアクターは、微生物や細胞を培養するために、さまざまな産業で使用されています。細菌、酵母、哺乳類細胞、またはその成分は、医薬品の重要な有効成分として、または化学産業の基礎化学物質として機能します。さらに、バイオリアクターを用いた廃水処理の分解プロセスもあります。ビール製造の醸造釜も、一種のバイオリアクターと見なすことができます。対応する製品収量に対する高い要件を満たし、適切な代謝のための理想的な条件を維持するために、重要なパラメータを綿密に、そして頻繁にチェックする必要があります。
その条件は、生物の自然生息地の条件に最適に適合させる必要があります。これには、pH 値と温度に加えて、マトリックスの組成、濁度、または O2 と CO2 の含有量も含まれます。最適な環境条件を作り出すことは、生物の培養を成功させる上で極めて重要です。わずかな逸脱でも、生物の生存に壊滅的な影響を及ぼし、製品の損失により大きな経済的損害を引き起こす可能性があります。
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
正確な pH 値を知ることは、特に発酵プロセスでは製品の収量にとって重要です。微生物の活動とその代謝は、pH 値に直接依存します。最適な細胞成長と適切な代謝のための理想的な条件は、限られた pH 許容範囲内にあり、高精度のセンサーを使用して継続的にモニターおよび調整する必要があります。
しかし、pH値の正確な測定は、多くの化学的、物理的、機械的な影響因子の影響を受けるため、従来のインラインセンサーによる測定は容易ではありませんでした。 例えば、製薬や食品業界では、衛生対策の遵守が極めて重要であり、製造のパイプラインは、高温の溶液で洗浄されます。そのため、センサーへの有害な影響（精度、感度、寿命の低下など）を避けるためには、堅牢なインラインpHセンサーが必要となります。
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)
さらに、これらのスイス品質のpH電極 (センサー) は、最も過酷な環境にも耐える能力を備え、幅広い pH 範囲で安定した読み取りと正確な測定を可能にする HT 品質のガラスタイプを採用しています。多くのプロセス ソリューションでは、プロセス センサーによる測定は媒体内で直接行われるため、pH校正とメンテナンスが困難になる場合があります。メトロームの ProTrode pH センサーは、安全な場所 (分析ラボなど) でpH校正とメンテナンスを実行できるように徹底的に設計されており、コストのかかるメンテナンス作業やダウンタイムを発生させることなく、すべてのデータをインラインセンサーに簡単に転送できます。
一方、オンラインプロセス分析装置もpH測定に適したソリューションとなっています。この場合、測定値はプロセスから外部の測定セルに転送されます。これにより、従来のインラインプローブでは不可能な精度で、長時間のpH測定が可能になります。
メトローム プロセス アナリティクスは、高品質のセンサーとプロセス分析の両方に関する数十年にわたるアプリケーションの実績を蓄積してきました。オンラインプロセス分析装置を使用して pH 測定を行うと、pH校正、コンデショニング、およびクリーニングが完全に自動的に実行されます。システムは電極の状態を継続的にモニターしています。測定の合間に、電極は膜に優しい保存溶液に浸されており、これにより乾燥が防止され、同時にアルカリイオンを含まないため水和層がさらに膨張するのを防ぎます。電極は常に使用できる状態にあり、メンテナンス作業のためにプロセスから取り外す必要はありません。
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メンテナンスとデジタル化
重要なプロセスパラメーターの自動モニタリングに加え、システムと分析装置間の透明性の高いコミュニケーションは、メンテナンス対策の面でも決定的な役割を果たします。システムの状態を評価するための分析装置からの重要なデータの収集は、ひとつの要素に過ぎません。関連するシステムコンポーネントを継続的にモニターすることで、必要なメンテナンス作業に関する結論を導き出すことができます。例えば、電極の状態に関する定期的なチェック（スロープ／ゼロ点、場合によっては自動pH校正）は、分析プロセス中に定期的に実施されます。データに基づいて、pH校正と洗浄プロセスが完全に自動で実行され、アクセスが困難な測定ポイントや腐食性の強いプロセス媒体でも堅牢な測定が可能になります。これは、オペレーターが危険区域外にいることを意味し、安全性の向上に貢献します。
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
