Pictures of the Future    Herbst 2006

Industrien im Umbruch

Effizienz, Sicherheit und flexible Produktion sind Trends, die für die Chemie- und Pharmaindustrie entscheidend sind. Siemens hilft den unterschiedlichen Branchen mit neuen Prozessen, modernen Anlagen und ausgefeilter Automatisierungstechnik.

Die zweite Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts war eine Blütezeit der Chemie. Viele große Fabriken entstanden, und es gab keinen Zweifel, wo sie stehen sollten: außerhalb der Städte. Die Befürchtung war damals durchaus berechtigt, dass die Produktionsstätten stinken und verschmutztes Abwasser erzeugen könnten. Der Bürgerausschuss lehnte daher 1865 den Wunsch der Badischen Anilin- und Sodafabrik (BASF) ab, sich in Mannheim anzusiedeln. Das Unternehmen zog auf die gegenüberliegende Seite des Rheins. Ludwigshafen, damals noch eine Kleinstadt, genehmigte den Bau außerhalb des Ortes. Inzwischen bilden das riesige Werksgelände der BASF und die Stadt Ludwigshafen eine prosperierende Einheit.

Heute setzt die chemische Industrie auf einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen und Umwelt. So hat sie sich in der weltweiten Initiative Responsible Care verpflichtet, bei ihren Entscheidungen stets die Auswirkungen auf Gesellschaft und künftige Generationen zu berücksichtigen – ein spürbarer Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung, urteilt das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP). Möglich wurde der Fortschritt durch neue Technologien und Prozesse – etwa biotechnische Verfahren, katalytische Prozesse und Membranverfahren, neue Anlagenkonzepte und nicht zuletzt durch gewaltige Verbesserungen in der Automatisierungs- und Regelungstechnik. Vor allem hier hat Siemens einiges beigetragen.

Chemieanlagen werden heute mit einem computergestützten System, dem Prozessleitsystem, geführt – zuverlässig und wirtschaftlich. An großen Bildschirmen überwacht der Anlagenfahrer den Zustand der Anlage und verfolgt den Prozess. "Die Leitwarte ist das Hirn. Hier fließen alle Informationen zusammen, hier steckt auch das ganze Know-how über den Prozess", erläutert Markus Günther, bei Siemens Sektormanager für die Chemische Industrie. "Der Trend geht dahin, immer mehr Intelligenz in die Geräte und Elektronik vor Ort hineinzubringen – dorthin, wo gemessen und geregelt wird. Dies eröffnet der Prozessleittechnik in Zukunft weitere Chancen für Innovationen, etwa für das so genannte Asset Management zur Optimierung der Verfügbarkeit und Wartung von Anlagenkomponenten."

Ein Prozessleitsystem weist auf Störungen im Ablauf hin und kann automatisch reagieren. Zur Überwachung von besonders brand- oder explosionsgefährdeten Anlagenteilen wird ein Fail-Safe-System eingesetzt, das die Anlage unter allen denkbaren Umständen – sogar bei einem Ausfall des Betriebssystems – automatisch in einen sicheren Zustand zurückfährt. Ein solches System musste bis vor kurzem parallel mit eigener Hard- und Software installiert werden – ein großer finanzieller und organisatorischer Aufwand. Mit der neuesten Generation der Siemens-Prozessleitsysteme ist das Problem gelöst: "Unser Simatic PCS 7 ist offen und flexibel ausgelegt", sagt Günther. "Insbesondere kann es auch Fail-Safe-Funktionen problemlos integrieren. Damit sind wir die ersten, die diese völlig getrennten Systeme auf einer gemeinsamen Plattform zusammengeführt haben."

Weltweit müssen in den nächsten Jahren tausende Anlagen modernisiert werden. Viele brauchen ein neues Prozessleitsystem. "Die Anlage soll bei der Migration, wie die Umstellung auf ein neues System heißt, möglichst weiterlaufen, denn bei einer größeren Anlage bedeutet jeder Tag Stillstand einen Umsatzverlust von weit über einer Million Euro", erklärt Günther. Siemens erarbeitet deshalb für jedes Migrationsprojekt eine eigene, den jeweiligen Umständen und Bedingungen angepasste Strategie. "Ohne eine solide, detaillierte und durchdachte Planung im Vorfeld ist so etwas schlichtweg nicht zu machen", sagt Ulrich Dallmeier, Leiter Elektro-, Mess- und Regeltechnik bei INEOS Phenol. Das Unternehmen betreibt am Standort Gladbeck die weltweit größte Phenolanlage und stellte vor kurzem auf das Siemens-Prozessleitsystem PCS 7 um.

Völlig andere Herausforderungen ergeben sich bei der Planung eines Anlagenneubaus. Hier muss ein Chemieunternehmen entscheiden, wie groß die Anlage werden soll, nach welchem Verfahren und in welchem Anlagentyp die gewünschte Substanz hergestellt werden soll, und es muss den optimalen Standort auswählen. Derzeit gibt es hierzu zwei Trends, die wirtschaftlich und ökologisch bedingt sind. "Grundchemikalien, die in riesigen Mengen gebraucht werden, werden in zunehmend größeren Anlagen produziert – nahe an den Rohstoffquellen, nahe an den weiterverarbeitenden Industrien", erzählt Günther. Die kurzen Transportwege sparen Kosten und verringern die Umweltbelastung; je größer die Anlage, desto günstiger sind die Produktionskosten pro Tonne. "Im Unterschied dazu favorisiert die Spezialchemie zunehmend flexibel einsetzbare Anlagen, um auf derselben Anlage wechselnde Produkte herstellen zu können." Hier ist eher eine dezentrale, verbrauchernahe Produktion sinnvoll.

Ähnlich skizziert Dr. Wolfgang Scheiding, Leiter des Kompetenzzentrums Pharma bei Siemens Automation and Drives (A&D), die Situation für seine Branche: "Einerseits versuchen fast alle Pharmahersteller, weitere Blockbuster auf den Markt zu bringen, also Medikamente mit einem Jahresumsatz von über einer Milliarde Euro. Andererseits gibt es den Trend zur Entwicklung immer spezifischerer Arzneimittel." Scheidings Prognose: "Am Ende könnte sogar das personalisierte Medikament stehen, das genau auf das Krankheitsbild, das Gewicht, die Körpergröße und die Gewohnheiten des Patienten zugeschnitten ist. Es könnte anhand von Daten auf einer Patienten-Chipkarte nach Bedarf hergestellt und über eine vollautomatisierte Abgabestelle ausgehändigt werden. Die Automatisierungs- und Informationstechnik dazu ist jedenfalls bereits vorhanden – bei Siemens."

Revolution durch Minifabrik. Der harte globale Wettbewerb setzt die Unternehmen der chemischen und pharmazeutischen Industrie zunehmend unter Druck, ein neues Produkt in möglichst kurzer Zeit auf den Markt zu bringen. Entsprechend schnell müssen die neue Substanz und der neue Prozess von der Forschung in die Produktion kommen. Hier eröffnet die Mikroprozesstechnik völlig neue Wege.

In einem Mikroprozesssystem werden Substanzen, die miteinander chemisch reagieren sollen, in haarfeinen Strukturen geführt, gemischt und zur Reaktion gebracht – vorne fließen die Ausgangsstoffe hinein, hinten fließt kontinuierlich das Produkt heraus. Die Abmessungen der Strukturen liegen bei einigen zehntel Millimetern. "Solch feine Kanäle haben im Verhältnis zu ihrem Volumen eine sehr große Oberfläche. Das macht den Wärmetausch hocheffektiv. Weil sich zudem stets nur geringe Substanzmengen im System befinden, wird das Gefährdungspotenzial drastisch reduziert", sagt Dr. Thomas Bayer, der bei A&D in Frankfurt für die Entwicklung von Mikroprozesssystemen zuständig ist.

_{Minifabrik Siprocess mit Automatisierung: Das System ist innerhalb eines Tages betriebsbereit. Pro Jahr kann es 70 t flüssiger Produkte liefern. Es ist sehr flexibel und kann rasch zur Produktion anderer Stoffe umgerüstet werden}

Selbst explosive Mischungen lassen sich in vielen Fällen im Mikroreaktor wesentlich besser handhaben als in herkömmlichen Anlagen – ein weiterer Schritt in Richtung Anlagen- und Prozess-Sicherheit. Zudem mischen sich die Reaktionspartner in Mikrokanälen sehr intensiv und schnell, was sich positiv auf die Ausbeute und damit auch auf die Reinheit des Produkts auswirkt.

Siemens hat mit Siprocess ein modular aufgebautes Mikroprozesssystem entwickelt, in dem auch das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 integriert ist. "Diese Anlage kann innerhalb eines Tags aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Die Kombination von Mikroprozesstechnik mit Modularität und Automatisierung erleichtert den Schritt vom Labor zur Produktion", sagt Bayer.

Siprocess wird heute vor allem für die Verfahrensentwicklung eingesetzt, aber das Mikroprozesssystem ist so leistungsfähig, dass es mit einem klassischen 6-m³-Rührkessel mithält: Es kann pro Jahr bis zu 70 t Flüssigkeit durchsetzen und passt trotzdem noch in einen Laborabzug. Damit entfällt auch das zeitraubende Scale-up – die Maßstabsvergrößerung von der kleinen Laborapparatur zu einer großen Anlage. Zugleich ist Siprocess durch den modularen Aufbau so flexibel, dass die Anlage in einigen Stunden umgebaut werden kann, um ein völlig anderes Produkt herzustellen.

"Mikroprozesssysteme sind ideal für Unternehmen, die ihre Produkte in nicht sehr großen Mengen herstellen müssen – also zum Beispiel für die Pharmaindustrie. Denkbar ist auch, eine Substanz an vielen Standorten parallel zu produzieren, um lange Transportwege zu vermeiden", erklärt Bayer. Auch die Standortfrage stellt sich neu – wegen des geringen Gefährdungspotenzials. Heute hätte die Stadt Mannheim wohl die Ansiedlung einer modernen Chemiefabrik genehmigt – und könnte sich über die Steuereinnahmen freuen.
                                                                                                               Björn Gondesen