Was ist Prozessanalytik (PAT)? Definition, Aufgaben & Vorteile

Prozessanalytik, auch Prozessanalysentechnik oder PAT (Process Analytical Technology) genannt, ist ein wichtiger Bestandteil moderner Produktionsprozesse. Sie ermöglicht es, relevante Stoffeigenschaften direkt im laufenden Prozess kontinuierlich zu überwachen und Veränderungen unmittelbar zu erfassen. Im Gegensatz zur klassischen Laboranalytik, die auf Stichproben und zeitversetzte Ergebnisse setzt, liefert PAT belastbare Messwerte nahezu in Echtzeit. So lassen sich Qualität sichern, Prozesse stabilisieren, Ausschuss reduzieren und regulatorische Anforderungen zuverlässig erfüllen. Doch was genau gehört zur Prozessanalytik, welche Verfahren kommen zum Einsatz und welchen Nutzen bietet sie für Unternehmen? Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Grundlagen und Anwendungen.

Was ist Prozessanalytik (PAT)?

Prozessanalytik, kurz PAT (Process Analytical Technology), bezeichnet die kontinuierliche Überwachung und Analyse von Stoffeigenschaften direkt im laufenden Produktionsprozess. Dabei werden beispielsweise Konzentration, Gaszusammensetzung oder Reinheit erfasst. Der Ansatz wurde insbesondere durch die Pharmaindustrie geprägt und durch die PAT-Initiative der US-amerikanischen FDA bekannt gemacht. Eng damit verbunden ist Quality by Design (QbD) – die Idee, Qualität bereits während der Prozessentwicklung und Prozessdurchführung sicherzustellen, statt sie erst am fertigen Produkt zu prüfen. Im Gegensatz zur klassischen Laboranalytik, bei der Stichproben entnommen und zeitversetzt ausgewertet werden, liefert PAT Messwerte direkt aus dem Prozess und ermöglicht dadurch eine frühzeitige Reaktion auf Abweichungen. Während die Prozessmesstechnik vor allem Kennwerte zum physikalischen Betriebszustand liefert, etwa Füllstand, Temperatur oder Fließgeschwindigkeit, konzentriert sich die Prozessanalytik auf die stoffliche Zusammensetzung und Eigenschaften eines Mediums.

Welche Aufgaben hat die Prozessanalytik?

Prozessanalytik umfasst weit mehr als die eigentliche Messung. Damit aus einem laufenden Prozess verwertbare Informationen gewonnen und für die Prozessführung genutzt werden können, müssen Probenahme, Analysentechnik, Datenübertragung und Qualitätssicherung aufeinander abgestimmt sein.

Stoffeigenschaften kontinuierlich überwachen

Eine zentrale Aufgabe der Prozessanalytik ist die Erfassung relevanter Stoffeigenschaften. Je nach Anwendung werden beispielsweise Konzentration, Zusammensetzung oder Reinheit bestimmt. Die kontinuierlich erfassten Messwerte geben Aufschluss über den aktuellen Zustand des Prozesses und ermöglichen eine gezielte Überwachung der gewünschten Prozessparameter.

Probenahme und Analysenmesstechnik

Für aussagekräftige Messergebnisse ist nicht allein das Analysengerät entscheidend. Auch die Probenahme und Probenaufbereitung müssen passend zum Prozess ausgelegt sein. Das Prozessmedium muss repräsentativ erfasst und bei Bedarf so aufbereitet werden, dass eine zuverlässige Analyse möglich ist. Die Auswahl der Analysenmesstechnik richtet sich dabei nach dem Messziel, den Eigenschaften des Mediums und den Bedingungen im Prozess.

Integration in die Prozesssteuerung

Die erfassten Messwerte werden an die EMSR-Technik oder das Prozessleitsystem übergeben. Dort können sie visualisiert, dokumentiert und für Regelungs- und Steuerungsaufgaben genutzt werden. Die Prozessanalytik wird damit zu einem Bestandteil der technischen Prozessführung und stellt relevante Messdaten für übergeordnete Systeme bereit.

Emissionen und Umwelt überwachen

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Emissions- und Umweltüberwachung. In vielen industriellen Anlagen müssen bestimmte Stoffe und Schadstoffe erfasst werden, um gesetzliche Vorgaben und Grenzwerte einzuhalten. Je nach Anlage spielen dabei unter anderem die 17. BImSchV, die Anforderungen an die Emissionsüberwachung bestimmter Verbrennungsanlagen festlegt, und die TA Luft, eine Verwaltungsvorschrift zur Begrenzung von Luftschadstoffemissionen, eine Rolle. Die eingesetzte Messtechnik muss entsprechend den jeweiligen gesetzlichen und technischen Anforderungen ausgelegt werden.

Qualität der Messungen sicherstellen

Damit Analysensysteme dauerhaft verlässliche und nachvollziehbare Messwerte liefern, gehören auch Kalibrierung, Justierung und Validierung zu den Aufgaben der Prozessanalytik. Sie tragen dazu bei, die erforderliche Messqualität über den laufenden Betrieb hinweg sicherzustellen. Die konkrete Ausgestaltung richtet sich dabei nach der jeweiligen Anwendung und den geltenden technischen und regulatorischen Anforderungen.

Welche Verfahren kommen in der Prozessanalytik zum Einsatz?

Welche Analysentechnik zum Einsatz kommt, hängt stark vom Prozess, dem zu untersuchenden Medium und der gewünschten Messgröße ab. In der Praxis stehen dafür verschiedene chemische, spektroskopische und physikalische Verfahren zur Verfügung.

Zu den wichtigsten Verfahren der Prozessanalytik gehören:

• Gaschromatographie (GC): Mit der Gaschromatographie lassen sich einzelne Bestandteile eines Gasgemisches oder verdampfbarer Stoffgemische trennen und quantitativ bestimmen. Sie wird beispielsweise eingesetzt, um Gaszusammensetzungen zu überwachen oder Verunreinigungen zu erkennen.
• Massenspektrometrie (MS): Die Massenspektrometrie identifiziert und quantifiziert Stoffe anhand ihrer Masse beziehungsweise ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses. Sie eignet sich besonders für komplexe Stoffgemische und anspruchsvolle Messaufgaben.
• NIR- und IR- bzw. FTIR-Spektroskopie: Bei diesen Verfahren wird die Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit einem Stoff untersucht. Daraus lassen sich unter anderem Konzentrationen und Zusammensetzungen bestimmen. Besonders die NIR-Spektroskopie eignet sich für schnelle Messungen direkt im Prozess.
• UV/VIS-Spektroskopie: Dieses Verfahren nutzt die Absorption von ultraviolettem und sichtbarem Licht durch bestimmte Stoffe. Es wird unter anderem zur Bestimmung von Konzentrationen eingesetzt und eignet sich für kontinuierliche Messungen in Flüssigkeiten und anderen Medien.
• Elektrochemische Verfahren: Hierzu zählen beispielsweise Messungen von pH-Wert, Leitfähigkeit oder Sauerstoff. Sie sind in vielen industriellen Prozessen etabliert und ermöglichen die kontinuierliche Überwachung wichtiger chemischer Eigenschaften.

Inline, Online und Atline: Wo wird gemessen?

Neben dem eigentlichen Messverfahren spielt auch die Art der Messung eine wichtige Rolle. Bei einer Inline-Messung erfolgt die Analyse direkt im Prozess, ohne dass eine Probe entnommen werden muss. Bei der Online-Messung wird eine Probe kontinuierlich oder regelmäßig automatisch aus dem Prozess entnommen, einem angeschlossenen Analysensystem zugeführt und anschließend in der Regel wieder verworfen. Bei der Atline-Messung wird eine Probe manuell entnommen und in unmittelbarer Nähe des Prozesses, etwa in einem Prozesslabor, analysiert. Die Analyse erfolgt dabei nicht automatisiert wie bei der Online-Messung. Zunehmend an Bedeutung gewinnt außerdem die Raman-Spektroskopie. Sie ermöglicht eine schnelle, zerstörungsfreie Analyse und wird durch technische Fortschritte inzwischen auch für neue Anwendungsfelder in der kontinuierlichen Prozessüberwachung interessant. Welche Methode am sinnvollsten ist, hängt immer von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Prozesses ab.

Welche Vorteile bietet Prozessanalytik?

Prozessanalytik schafft die Grundlage dafür, Produktionsprozesse sicherer, stabiler und effizienter zu gestalten. Die kontinuierlich verfügbaren Messdaten ermöglichen eine bessere Kontrolle des Produktionsgeschehens und schaffen die Voraussetzung, Prozesse gezielt zu steuern und Entscheidungen auf Basis aktueller Informationen zu treffen.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Konstante Produktqualität: Die kontinuierliche Überwachung unterstützt eine gleichbleibende Qualität und ermöglicht es, Abweichungen zu korrigieren.
• Geringere Kosten: Weniger Ausschuss, Nacharbeit und manueller Prüfaufwand können dazu beitragen, Produktionskosten zu senken.
• Höhere Automatisierung: Durch die direkte Einbindung der Messdaten in die Prozesssteuerung lassen sich Produktionsabläufe präziser und automatisierter regeln.
• Höhere Anlagenverfügbarkeit: Eine kontinuierliche Prozessüberwachung kann dazu beitragen, kritische Entwicklungen rechtzeitig zu erkennen und ungeplante Stillstände zu vermeiden.
• Regulatorische Sicherheit: Dokumentierte und zuverlässige Messwerte unterstützen die Einhaltung von Vorgaben, beispielsweise in den Bereichen Explosionsschutz, Emissionsüberwachung und GMP.
• Bessere Nachvollziehbarkeit: Die erfassten und dokumentierten Prozessdaten schaffen eine belastbare Grundlage für Audits, Prüfungen und Zertifizierungen.

Insgesamt ermöglicht Prozessanalytik einen proaktiven statt reaktiven Umgang mit Produktionsprozessen und wird damit zu einem zentralen Baustein für Prozesssicherheit, Qualität und Wirtschaftlichkeit.

Wie funktioniert Prozessanalytik in der Praxis?

Die Einführung und der Betrieb eines Prozessanalysesystems bestehen aus mehreren aufeinander abgestimmten Schritten. Von der ersten Bestandsaufnahme über die Auswahl und Auslegung der passenden Analysentechnik bis hin zu Inbetriebnahme und laufendem Service müssen technische, prozessuale und regulatorische Anforderungen berücksichtigt werden.

1. Den bestehenden Prozess verstehen

Am Anfang steht eine detaillierte Analyse des bestehenden Prozesses. Dabei werden unter anderem die zu überwachenden Stoffeigenschaften, vorhandene Messstellen, Prozessbedingungen und Anforderungen an die Messung betrachtet. Auch die bestehende EMSR- und Prozessleittechnik wird berücksichtigt. Auf dieser Grundlage lässt sich festlegen, welche Messgrößen erfasst werden sollen und welche Anforderungen das Analysensystem erfüllen muss.

2. Analysesystem konzipieren

Auf Basis der Bestandsaufnahme wird das Konzept für das Analysensystem entwickelt. Dazu gehören die Auswahl geeigneter Messverfahren und Analysengeräte sowie die Auslegung von Probenahme, Probenaufbereitung und weiteren Komponenten. Je nach Anwendung müssen dabei beispielsweise Temperatur, Druck, Materialverträglichkeit, Explosionsschutz oder besondere Anforderungen an die Messgenauigkeit berücksichtigt werden. Auch die Anbindung an die vorhandene Automatisierungs- und Leittechnik wird in dieser Phase geplant.

3. Vom Aufbau zum laufenden System

Nach der Planung folgt die Installation des Analysensystems. Messgeräte, Probenahme- und Aufbereitungssysteme sowie die erforderliche Infrastruktur werden montiert und mit der bestehenden Anlagen- und Leittechnik verbunden. Anschließend wird das System in Betrieb genommen, geprüft und auf die jeweiligen Prozessbedingungen eingestellt. Dabei wird sichergestellt, dass die Messwerte zuverlässig erfasst und korrekt an die übergeordneten Systeme übertragen werden.

4. Betrieb und kontinuierliche Betreuung

Mit der Inbetriebnahme endet der Lebenszyklus einer Prozessanalytik-Lösung nicht. Im laufenden Betrieb müssen Analysensysteme regelmäßig überwacht, gewartet und bei Bedarf kalibriert oder justiert werden. Auch Verschleißteile, Probenahme- und Aufbereitungskomponenten sowie die Datenübertragung benötigen je nach Anwendung regelmäßige Kontrolle. Durch einen kontinuierlichen Service lässt sich die Verfügbarkeit der Analysentechnik sichern und die zuverlässige Messwerterfassung langfristig aufrechterhalten.

Wer diesen Prozess nicht mit eigenen Ressourcen abbilden möchte, kann die Umsetzung vom Engineering bis zum laufenden Service auch an einen spezialisierten Outsourcing Partner für Prozessanalytik übergeben. Mehr zu unserem Leistungsspektrum in der Prozessanalytik finden Sie hier.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Prozessanalytik?

Die Einführung und der Betrieb von Prozessanalytik erfordern eine sorgfältige Planung und entsprechendes Fachwissen. Neben den technischen Anforderungen müssen auch Kosten, regulatorische Vorgaben und die Integration in bestehende Anlagen berücksichtigt werden.

Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

• Investitions- und Betriebskosten: Neben den Analysengeräten entstehen Kosten für Probenahme, Probenaufbereitung, Installation, Integration sowie Wartung und Kalibrierung.
• Technische Integration: Analysensysteme müssen zuverlässig in bestehende EMSR- und Prozessleittechnik integriert und an die jeweiligen Prozessbedingungen angepasst werden.
• Regulatorische Anforderungen: Je nach Anwendung müssen unter anderem ATEX-Vorgaben zum Explosionsschutz, Emissionsvorschriften oder GMP-Anforderungen berücksichtigt werden.
• Spezialwissen: Auswahl, Auslegung, Inbetriebnahme und laufende Betreuung der Analysentechnik erfordern entsprechendes technisches Know-how.
• Herstellerbindung: Wer sich auf einzelne Anbieter festlegt, kann Flexibilität und Vergleichbarkeit bei künftigen Erweiterungen oder Ersatzbeschaffungen einschränken.

Für welche Branchen ist Prozessanalytik relevant?

Prozessanalytik kommt überall dort zum Einsatz, wo Stoffeigenschaften kontinuierlich überwacht und Prozesse zuverlässig gesteuert werden müssen. Besonders relevant ist sie in Branchen mit komplexen Produktionsprozessen, hohen Qualitätsanforderungen oder strengen regulatorischen Vorgaben.

• Chemische Industrie: Überwachung von Stoffzusammensetzungen, Konzentrationen und Reinheiten sowie Kontrolle von Prozessgasen.
• Pharmaindustrie: Kontinuierliche Prozessüberwachung zur Sicherstellung gleichbleibender Produktqualität und zur Unterstützung von GMP-Anforderungen.
• Energieversorgung und Kraftwerke: Überwachung von Prozess- und Rauchgasen sowie Emissionsmessung zur Kontrolle und Optimierung von Verbrennungsprozessen.
• Lebensmittelindustrie: Kontrolle relevanter Stoffeigenschaften und Prozessparameter zur Sicherstellung von Produktqualität und gleichbleibenden Produktionsbedingungen.
• Petrochemie: Analyse von Rohstoffen, Zwischen- und Endprodukten sowie kontinuierliche Überwachung komplexer Stoffgemische.

Die konkreten Anforderungen an die Prozessanalytik unterscheiden sich dabei je nach Branche und Anwendung. Entsprechend müssen Messverfahren, Analysensysteme und Probenahme individuell auf den jeweiligen Prozess abgestimmt werden.

Prozessanalytik als Schlüssel zu effizienten Prozessen

Prozessanalytik ist ein zentraler Baustein für sichere, effiziente und qualitativ stabile Produktionsprozesse. Durch die kontinuierliche Erfassung relevanter Stoffeigenschaften können Unternehmen Abweichungen frühzeitig erkennen, Prozesse gezielt steuern und Produktqualität zuverlässig sichern. Gleichzeitig unterstützt Prozessanalytik dabei, Ausschuss und Kosten zu reduzieren sowie regulatorische Anforderungen einzuhalten. Von der Auswahl geeigneter Messverfahren über die Planung und Integration der Analysensysteme bis hin zu Inbetriebnahme, Wartung und Kalibrierung sind dabei verschiedene technische und organisatorische Aspekte zu berücksichtigen. Eine sorgfältige Planung und fachgerechte Umsetzung bilden die Grundlage für zuverlässige Messergebnisse und einen langfristig stabilen Betrieb.