Die Standardmethode ist die chargenbasierte Auslegung nach Kampagnen: Die gesamte Betriebszeit wird auf die Produkte verteilt, die Anzahl der Chargen, die jedes Produkt durchführen kann, wird berechnet und das für jedes Produkt erforderliche Chargenvolumen wird bestimmt. Für Produkt (x) wird das vorläufige Chargenvolumen wie folgt berechnet:

[ V_{\text{batch},x}

\frac{P_x,v_{\text{react},x}}{t_x/t_{\text{cycle},x}} ]

Der gemeinsame Reaktor oder Mischer wird anschließend auf das größte tatsächlich erforderliche Chargenvolumen nach der praktischen Aufrundung auf ganze Chargen ausgelegt.

Gemeinsam genutzte Ausrüstung wird durch den Abgleich von Produktionszielen, produktspezifischen Volumenanforderungen, Zykluszeiten und Kampagnenplänen ausgelegt. Die maßgebliche Ausrüstungskapazität ist das maximale Chargenvolumen aller in der gemeinsamen Einheit verarbeiteten Produkte.

Funktionsweise der Auslegung gemeinsamer Ausrüstung

Produktionskampagnen definieren

Zunächst wird die für das Produktionsprogramm verfügbare Gesamtbetriebszeit festgelegt. Wenn die Produkte A, B und C eine Pilotanlage über 500 Stunden gemeinsam nutzen, müssen ihre Kampagnenzeiten folgende Bedingung erfüllen:

[ t_A+t_B+t_C=500\ \text{h} ]

Jede Kampagnenzeit bezeichnet den Zeitraum, in dem der gemeinsame Reaktor oder Mischer einem Produkt gewidmet ist.

Produktspezifische Anforderungen bestimmen

Für jedes Produkt werden folgende Größen ermittelt:

Die angestrebte Produktionsmenge, (P_x), typischerweise in kg
Das erforderliche Reaktor- oder Mischervolumen pro Masseneinheit, (v_{\text{react},x}), in (\text{m}^3/\text{kg})
Die vollständige Chargenzykluszeit, (t_{\text{cycle},x})

Die Zykluszeit sollte Befüllen, Verarbeitung, Entleeren, Reinigung sowie alle erforderlichen Sterilisations- oder Umrüstvorgänge umfassen.

Anzahl der Chargen berechnen

Die vorläufige Anzahl der Chargen für Produkt (x) lautet:

[ N_x=\frac{t_x}{t_{\text{cycle},x}} ]

Mit dieser Berechnung wird geschätzt, wie viele Chargenzyklen in die dem Produkt zugewiesene Kampagne passen.

Erforderliches Chargenvolumen berechnen

Das gesamte mit einem Produktziel verbundene Prozessvolumen beträgt:

[ P_xv_{\text{react},x} ]

Durch Division dieses Volumens durch die verfügbare Anzahl von Chargen ergibt sich das vorläufige Chargenvolumen:

[ V_{\text{batch},x}

\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_x}

\frac{P_xv_{\text{react},x}} {t_x/t_{\text{cycle},x}} ]

Für Mischer gilt dieselbe Logik, wenn das angegebene Volumen das pro Produkteinheit benötigte Arbeitsvolumen darstellt.

Bestimmung der Größe des gemeinsamen Behälters

Vorläufige Chargenvolumina angleichen

Wenn das Ziel darin besteht, die minimale gemeinsame Ausrüstungsgröße zu bestimmen, können die vorläufigen Chargenvolumina gleichgesetzt werden:

[ V_{\text{batch},A}

V_{\text{batch},B}

V_{\text{batch},C} ]

Zusammen mit der Gesamtzeitbedingung können diese Gleichungen nach den Kampagnendauern und dem gemeinsamen vorläufigen Behältervolumen aufgelöst werden.

Dadurch wird ein Zeitplan ermittelt, in dem jedes Produkt die gemeinsame Einheit effizient nutzt.

Chargenanzahlen in praktische Werte umwandeln

Die berechneten Chargenanzahlen sind häufig keine ganzen Zahlen. In der Praxis kann ein Produkt normalerweise nicht mit einem Bruchteil einer Charge betrieben werden, daher müssen die Chargenanzahlen in ganze Zahlen umgewandelt werden.

Der Kampagnenplan und die Chargenvolumina sollten anschließend anhand dieser ganzzahligen Chargenanzahlen neu berechnet werden, anstatt sich ausschließlich auf die kontinuierliche mathematische Lösung zu stützen.

Begrenzende Produktbedingung auswählen

Nach der Aufrundung wird das tatsächlich erforderliche Chargenvolumen für jedes Produkt berechnet:

[ V_{\text{actual},x}

\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_{x,\text{integer}}} ]

Der gemeinsame Reaktor oder Mischer muss für den größten dieser Werte ausgelegt werden:

[ V_{\text{equipment}}

\max \left( V_{\text{actual},A}, V_{\text{actual},B}, V_{\text{actual},C} \right) ]

Das Produkt, das diesen Maximalwert erzeugt, ist der begrenzende Fall oder die maßgebliche Auslegungsbedingung.

Warum die Kampagnenzeit wichtig ist

Produktionsziele allein reichen nicht aus

Ein Produkt mit einem großen Produktionsziel bestimmt nicht automatisch die Behältergröße. Sein erforderliches Volumen pro Charge hängt ebenfalls von seiner Zykluszeit und der ihm zugewiesenen Kampagnenzeit ab.

Ein Produkt mit einem längeren Zyklus kann ein größeres Chargenvolumen erfordern, weil während seiner Kampagne weniger Chargen abgeschlossen werden können.

Die Auslastung der Ausrüstung beeinflusst das Ergebnis

Die Zuweisung von mehr Zeit zu einem Produkt erhöht die verfügbare Chargenanzahl und kann dessen erforderliches Chargenvolumen verringern. Diese Zeit muss jedoch einem anderen Produkt entzogen werden, sodass Zeitplan und Ausrüstungsgröße miteinander gekoppelt sind.

Die Methode legt daher die Ausrüstung aus und bewertet gleichzeitig den Produktionsplan.

Der Ansatz gilt für flexible Pilotanlagen

Diese Berechnung ist besonders nützlich, wenn ein Reaktor oder Mischer von mehreren Produkten gemeinsam genutzt wird, anstatt einem einzigen Prozess fest zugeordnet zu sein. Sie unterstützt Entscheidungen zur Kapazität der Pilotanlage, zur Kampagnenplanung und dazu, ob eine vorgeschlagene Ausrüstungsgröße alle Produktionsziele erfüllen kann.

Die Abwägungen verstehen

Kontinuierliche Lösungen sind keine Betriebspläne

Das Gleichsetzen der Chargenvolumina liefert eine nützliche vorläufige Auslegung, aber die daraus resultierenden Chargenanzahlen können Bruchteile enthalten. Werden diese Werte als ausführbare Chargen behandelt, kann dies die erforderliche Kapazität unterschätzen.

Eine Neuberechnung auf Grundlage ganzer Chargen ist daher unerlässlich.

Das größte Chargenvolumen ist nicht die einzige Einschränkung

Das Nennvolumen eines Behälters entspricht nicht unbedingt seinem nutzbaren Arbeitsvolumen. Mischleistung, Kopfraum, Wärmeübertragung, Suspendierung von Feststoffen, Schaumbildung und sichere Betriebsgrenzen können zusätzliche Kapazität über das berechnete Prozessvolumen hinaus erfordern.

Das berechnete Maximum sollte als erforderliches Prozessvolumen betrachtet werden; anschließend sind die üblichen Auslegungszuschläge für die Ausrüstung zu berücksichtigen.

Umrüstvorgänge können die verfügbare Zeit verringern

Reinigung und Sterilisation müssen in die Zykluszeit einbezogen werden, wenn sie Kapazität der gemeinsam genutzten Ausrüstung beanspruchen. Werden sie ausgelassen, wird die Anzahl der Chargen überschätzt, was zu einem zu klein ausgelegten Behälter führen kann.

Produktwechsel können außerdem längere Kampagnenumrüstungen erfordern als wiederholte Chargen desselben Produkts.

Die Aufrundung auf ganze Zahlen kann ungenutzte Kapazität erzeugen

Die Aufrundung der Chargenanzahlen verändert das Gleichgewicht zwischen den Produkten. Ein Produkt kann über freie Kampagnenzeit verfügen, während ein anderes die endgültige Behältergröße bestimmt. Daher sollte der endgültige Zeitplan sowohl hinsichtlich der Kapazität als auch der ungenutzten Betriebszeit überprüft werden.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Verwenden Sie die Berechnung als Modell für Zeitplan und Kapazität und validieren Sie das Ergebnis anschließend anhand praktischer Betriebsbedingungen.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem minimalen Ausrüstungsvolumen liegt: Verteilen Sie die Kampagnenzeiten so, dass die vorläufigen Chargenvolumina gleich sind, und legen Sie die Einheit anschließend anhand des größten neu berechneten Volumens nach der Rundung auf ganze Chargen aus.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der zuverlässigen Erfüllung der Produktionsziele liegt: Berücksichtigen Sie vollständige Zyklus- und Umrüstzeiten, verwenden Sie ganze Chargen und überprüfen Sie, ob der ausgewählte Behälter über ausreichende Arbeitsvolumen- und Betriebsreserven verfügt.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Maximierung der Auslastung der Pilotanlage liegt: Vergleichen Sie alternative Kampagnenverteilungen und wählen Sie den Zeitplan, der alle Ziele mit der geringsten Stillstandszeit und einer akzeptablen betrieblichen Flexibilität erfüllt.

Die zuverlässige Methode besteht darin, Kampagnenzeit und Chargenanzahlen abzugleichen und anschließend den gemeinsamen Reaktor oder Mischer für das größte praktische Chargenvolumen auszulegen.

Zusammenfassungstabelle:

Auslegungsfaktor	Verwendung
Kampagnenzeit	Verfügbare Betriebsstunden auf die Produkte verteilen.
Zykluszeit	Befüllen, Verarbeitung, Entleeren, Reinigung, Sterilisation und Umrüstvorgänge berücksichtigen.
Chargenanzahl	Verfügbare Chargen berechnen und die Ergebnisse anschließend in ganze Chargen umwandeln.
Chargenvolumen	Das erforderliche Prozessvolumen jedes Produkts durch seine ganzzahlige Chargenanzahl teilen.
Ausrüstungsgröße	Das größte praktische Chargenvolumen als maßgebliche Kapazität auswählen.
Auslegungsprüfungen	Arbeitsvolumen, Kopfraum, Mischen, Wärmeübertragung, Schaumbildung und sicheren Betrieb berücksichtigen.

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