DE112021006643T5

DE112021006643T5 - Datengesteuerte multikriterielle optimierung von chemischen formulierungen

Info

Publication number: DE112021006643T5
Application number: DE112021006643.9T
Authority: DE
Inventors: David HAJNAL; Stefan Lehner; Julia Reske; Michael Bortz; Karl-Heinz Kuefer; Philipp Suess
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; BASF SE
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; BASF SE
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2024-01-04
Also published as: US20240062131A1; CN116685996A; EP4268160A1; WO2022136161A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der chemischen Formulierungen in einer chemischen Produktionsanlage und insbesondere die Bereitstellung einer Unterstützung bei der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Bereitstellung einer Unterstützung bei der Optimierung von chemischen Formulierungen, umfassend:
(a) Empfangen von Eingabedaten, vorzugsweise über eine Eingabeeinheit (10), von mindestens einem Satz experimenteller Daten, die Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten, physikochemische Schlüsseleigenschaften der Formulierung und ein Zielproduktprofil, TPP, das eine Mindestproduktanforderung umfasst, umfassen, (b) Durchführen einer multikriteriellen Optimierung auf der Grundlage eines Berechnungsmodells, das auf experimentellen Daten basiert, über eine Verarbeitungseinheit (20) und (c) Bereitstellen eines Optimierungssignals, vorzugsweise über eine Ausgabeeinheit (30), wobei das Optimierungssignal konfiguriert ist, um, vorzugsweise über eine Steuereinheit (40), das Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung zu steuern und/oder zu überwachen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der chemischen Formulierungen und insbesondere die Bereitstellung einer Unterstützung bei der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, umfassend:

(a) Empfangen von Eingabedaten, vorzugsweise über eine Eingabeeinheit (10), von mindestens einem Satz experimenteller Daten, umfassend die Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung und ein Zielproduktprofil, TPP, das eine Mindestproduktanforderung umfasst, (b) Durchführen einer multikriteriellen Optimierung auf der Grundlage eines auf experimentellen Daten basierenden Berechnungsmodells über eine Verarbeitungseinheit (20) und (c) Bereitstellen eines Optimierungssignals, vorzugsweise über eine Ausgabeeinheit (30), wobei das Optimierungssignal konfiguriert ist, um, vorzugsweise über eine Steuereinheit (40), das Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung zu steuern und/oder zu überwachen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, umfassend: eine Eingabeeinheit (10); eine Ausgabeeinheit (30) und
- - eine Verarbeitungseinheit (20), die konfiguriert ist, um: a) eine Benutzereingabe über die Eingabeeinheit zu empfangen, wobei die Benutzereingabe definiert: mindestens einen Satz experimenteller Daten, umfassend Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung umfasst, und ein Zielproduktprofil, TPP, das eine Mindestproduktanforderung umfasst, b) über die Verarbeitungseinheit (20) eine multikriterielle Optimierung auf der Grundlage eines Berechnungsmodells unter Verwendung experimenteller Daten durchzuführen, c) über die Ausgabeeinheit Optimierungsergebnisse bereitzustellen;

Verfahren zur Herstellung komplexer Zusammensetzungen, wie sie in vielen chemischen Produkten zu finden sind, erfordern in der Regel das Mischen vieler Inhaltsstoffe nach bestimmten Verfahrensparametern in Bezug auf die Formulierung und die Herstellungsstechnologie, um dem Produkt Eigenschaften zu verleihen, die eine zufriedenstellende Leistung gemäß den vorgegebenen Spezifikationen bieten. Bei solchen komplexen Herstellungsverfahren ist es nicht ungewöhnlich, dass einige der beteiligten Verfahrensparameter störende Auswirkungen auf die gewünschten Eigenschaften haben, was die Verfahrensgestaltung weiter erschwert. Wo es möglich ist, kann der Entwickler versuchen, den Satz von Verfahrensparametern anhand bekannter Daten aus früheren ähnlichen Verfahren anzupassen und/oder sich auf herkömmliche experimentelle Versuch-und-Irrtum-Schemata zu verlassen, um den Satz von Verfahrensparameterwerten zu optimieren, damit die Produktspezifikationen erfüllt werden. Da die Verfahren jedoch immer komplexer werden, erweist sich die Optimierung in einem solchen mehrdimensionalen Raum mit hohen Genauigkeitsanforderungen als äußerst schwierige Aufgabe, selbst für einen hochqualifizierten Entwickler. Besonders problematisch ist diese Einschränkung bei der Entwicklung chemischer Produkte, bei denen ein oder mehrere Hauptinhaltsstoffe mit einer Vielzahl von Hilfs- und Zusatzstoffen in Form einer stabilen und verarbeitbaren Suspension, Dispersion oder Lösung hergestellt werden müssen.
In der praktischen Verfahrens- und Rezepturgestaltung versucht der Ingenieur oft, eine optimale Lösung im mehrdimensionalen Zielsetzungsraum durch eine empirische, iterative Änderung der Verfahrens- und Rezepturparameter im Gestaltungsraum zu finden. In der Regel wird dieses Verfahren so lange fortgesetzt, bis entweder eine Lösung gefunden ist, die bestimmte Anforderungen erfüllt, oder eine Frist erreicht ist, innerhalb derer eine Lösung geliefert werden muss. Dieses Verfahren kann zu guten Ergebnissen führen, aber es kann keine Garantie für die Optimalität gegeben werden. Darüber hinaus deckt die empirische Optimierung nur begrenzte Bereiche sowohl im Entwurfs- als auch im Zielsetzungsraum ab, so dass nur begrenzte Informationen über die Kompromisse zwischen den verschiedenen Zielsetzungen verfügbar sind und die Entscheidung nicht auf einem Überblick über den gesamten Lösungsraum beruhen kann. Diese Einschränkung kann dazu führen, dass interessante Lösungen übersehen werden. Es ist bei weitem nicht notwendig, alle machbaren Lösungen zu berechnen. Im Prinzip müssen nur die besten Kompromisse untersucht werden. Dabei handelt es sich um Lösungen, bei denen eine Verbesserung einer beliebigen Zielsetzung nur unter Inkaufnahme einer Verschlechterung bei mindestens einer anderen Zielsetzung erreicht werden kann. Die entsprechenden Lösungen werden als Pareto-optimal bezeichnet (Geoffrion, 1968) und die Menge, die alle diese Lösungen umfasst, ist die Pareto-Menge, die oft auch als Pareto-Grenze bezeichnet wird, weil die Pareto-Menge an der Grenze zwischen machbaren und nicht machbaren Lösungen liegt. Eine gängige Strategie zur Ermittlung einzelner Pareto-optimaler Lösungen besteht darin, die Zielsetzungen zu gewichten und anschließend die gewichtete Summe zu optimieren. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Gewichte im Voraus festgelegt werden müssen. Da die Wahl der Gewichte nicht eindeutig ist, werden viele Lösungen nicht akzeptiert, ohne alternative Möglichkeiten zu prüfen. Daher ist dieser Ansatz in der Praxis auch empirisch und iterativ. Darüber hinaus ist es schwierig, diesen Ansatz auf „weiche“ Zielsetzungen auszudehnen, die Sicherheit, Umwelt, Nachhaltigkeit oder soziale Aspekte beschreiben. Diese sind schwer zu gewichten und direkt mit technischen oder wirtschaftlichen Zielsetzungen zu vergleichen. Außerdem kann nicht jede Pareto-optimale Lösung mit dem Ansatz der gewichteten Summe gefunden werden: nämlich dann, wenn die Pareto-Menge nicht konvex ist (Chankong & Haimes, 1983; Haimes, 1977).
Es besteht daher ein Bedarf an zuverlässigen Mitteln und Verfahren für die multikriterielle Optimierung von chemischen Formulierungen auf dem Fachgebiet. Insbesondere besteht der Bedarf, Mittel und Verfahren bereitzustellen, die zumindest teilweise die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
Dieses Problem wird durch die Verfahren, Einrichtungen, Systeme und Anwendungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen, die isoliert oder in beliebiger Kombination realisiert werden können, sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Dies kann den Nutzern (z.B. einem Unternehmen) helfen, geeignete Formulierungen zu finden und herzustellen. Die Anzahl der Laborexperimente würde auf ein absolutes Minimum vermindert werden. Dies würde die Entwicklung und Herstellung von Formulierungen beschleunigen und Kosten sparen.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, umfassend:

(a) Empfangen von Eingabedaten, vorzugsweise über eine Eingabeeinheit (10), von mindestens einem Satz experimenteller Daten, umfassend Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung und ein Zielproduktprofil, TPP, das eine Mindestproduktanforderung umfasst,
(b) Durchführung einer multikriteriellen Optimierung auf der Grundlage eines auf experimentellen Daten basierenden Berechnungsmodells über eine Verarbeitungseinheit (20);
(c) Bereitstellung eines Optimierungssignals, vorzugsweise über eine Ausgabeeinheit (30), wobei das Optimierungssignal so konfiguriert ist, dass es, vorzugsweise über eine Steuereinheit (40), das Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung steuert und/oder überwacht.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den oben ausdrücklich genannten Schritten weitere umfassen. Beispielsweise können sich weitere Schritte z.B. auf spezielle Schritte zur Optimierung der chemischen Formulierung oder Kombinationen solcher Schritte beziehen, vorzugsweise wie hier in den Ansprüchen und/oder den Ausführungsformen angegeben. Vorzugsweise umfasst das Verfahren zusätzlich die Filterung von Daten, die Qualitätsprüfung der Daten, die Erkennung von Ausreißern, die Schätzung und/oder Ergänzung fehlender Werte, die Normalisierung von Daten, die Zusammenführung von Daten, die Imputation von Daten, die Datenreduktion, die Anwendung von Dimensionsreduktionstechniken, die Auswahl von Teilmengen von Daten und/oder die Sortierung von Daten. Vorzugsweise wird das Verfahren in jedem Verfahren zur Herstellung einer chemischen Formulierung eingesetzt, z.B. in Beschichtungen und Farben, Klebstoffen, im Bereich des Pflanzenschutzes und der Düngung, in der Saatgutbehandlung, in Waschverfahren (z.B. in einer Waschmaschine, einer Geschirrspülmaschine oder einer industriellen Waschmaschine), in der Lebensmittelverarbeitung (z.B. Milch oder Fleisch), in der Tierfutterverarbeitung, in der Biokraftstoffherstellung, in der Lederherstellung, in der Textilherstellung, in der Zellstoff- und Papierindustrie, in der Getränkeherstellung, in chemischen Herstellungsverfahren, in der Wasseraufbereitung und/oder in der Human- und Veterinärmedizin usw.
Darüber hinaus können dem Verfahren Schritte zur Erstellung eines Berechnungsmodells für chemische Formulierungen vorausgehen, z.B. Modelle, die in der Lage sind, das Zielanwendungsprofil oder ein beliebiges Element davon aus den Formulierungsdaten und/oder Verfahrensdaten und/oder physikochemischen Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung oder aus einer möglichen ausgewählten Untermenge davon vorherzusagen. Genauer gesagt handelt es sich bei den Modellen um mathematische Funktionen, deren unabhängige (Eingangs-)Variablen die Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemischen Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung oder einer beliebigen ausgewählten Teilmenge davon sind und deren abhängige (Ausgangs-)Variablen durch die Parameter definiert sind, die das Zielanwendungsprofil oder einen Teil/eine Teilmenge davon bilden. Die mathematischen Funktionen können auf statistischen/empirischen Ansatzfunktionen beruhen, die mit den oben genannten Daten kalibriert wurden, oder sie können auf tabellierten Daten beruhen, oder sie können aus empirischen/halbempirischen/ersten Prinzipgleichungen aus den allgemeinen Wissenschaften bestehen, wie Physik, Chemie, Ingenieurwesen, Mathematik, Statistik, Wirtschaftswissenschaften, aber nicht darauf beschränkt. Die mathematischen Funktionen können auch aus allen möglichen Kombinationen und/oder Teilmengen der oben genannten Beispiele bestehen. Genauer gesagt können Regressionsmodelle / Funktionen verwendet werden, die die Eingangsvariablen mit dem Zielanwendungsprofil verknüpfen. Vorzugsweise sind dies neuronale Netzwerkmodelle, Support-Vektor-Maschinen, kernelbasierte Regressionen, Gaußsche Prozessmodelle, baumbasierte Modelle, Random-Forest-Modelle, lokal adaptive Modelle, polynomiale Modelle, Modelle mit Dimensionsreduktionsschritten wie Hauptkomponentenregression, partielle Kleinstquadratmodelle, Auto-Encoder. Bevorzugt werden polynomiale Modelle beliebiger Ordnung verwendet. Bevorzugter werden polynomiale Modelle zweiter Ordnung verwendet, die aus quadratischen Termen, Interaktionstermen, linearen Termen und konstanten Termen (Modellabschnittstermen) bestehen. Es werden auch bevorzugt lineare Modelle verwendet. Noch bevorzugter sind lineare Modelle, die einen Algorithmus zur Dimensionsreduktion enthalten, wie Modelle der partiellen kleinsten Quadrate. Natürlich können auch Kombinationen der oben genannten Modelle verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die computerimplementierten Aspekte der Erfindung können einer oder mehrere der Verfahrensschritte, vorzugsweise alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen, unter Verwendung eines Computers oder Computernetzwerks durchgeführt werden. So kann im Allgemeinen jeder der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten, unter Verwendung eines Computers oder Computernetzwerks durchgeführt werden. Im Allgemeinen können diese Verfahrensschritte alle Verfahrensschritte enthalten, typischerweise mit Ausnahme von Verfahrensschritten, die manuelle Arbeit erfordern, wie die Bereitstellung der Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung der eigentlichen physikochemischen Schlüsseleigenschaften.
Insbesondere wird hierin weiter offenbart:

ein Computer oder ein Computernetzwerk, der/das mindestens einen Prozessor umfasst, wobei der Prozessor dazu geeignet ist, das Verfahren gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen,
eine vom Computer ladbare Datenstruktur, die geeignet ist, das Verfahren gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen, während die Datenstruktur auf einem Computer ausgeführt wird,
ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm geeignet ist, das Verfahren gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen, während das Programm auf einem Computer ausgeführt wird,
ein Computerprogramm mit Programmmitteln zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen, während das Computerprogramm auf einem Computer oder in einem Computernetzwerk ausgeführt wird,
ein Computerprogramm mit Programmmitteln gemäß der vorangehenden Ausführungsform, wobei die Programmmittel auf einem für einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sind,
ein Speichermedium, wobei eine Datenstruktur auf dem Speichermedium gespeichert ist und wobei die Datenstruktur geeignet ist, das Verfahren gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen, nachdem sie in einen Haupt- und/oder Arbeitsspeicher eines Computers oder eines Computernetzwerks geladen wurde, und
ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, wobei die Programmcodemittel auf einem Speichermedium gespeichert werden können oder gespeichert sind, um das Verfahren gemäß einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen, wenn die Programmcodemittel auf einem Computer oder in einem Computernetzwerk ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren haben mehrere Vorteile gegenüber bekannten Verfahren zur Herstellung von chemischen Formulierungen. Der Einsatz eines computerimplementierten Verfahrens ermöglicht die systematische Optimierung von chemischen Rezepturen und Formulierungen nach dem Pareto-Optimum und bietet darüber hinaus eine transparente Entscheidungshilfe nach dem Prinzip der Pareto-Optimalität.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Variationen davon in nicht ausschließender Weise verwendet. So können sich diese Begriffe sowohl auf eine Situation beziehen, in der neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal keine weiteren Merkmale in der in diesem Zusammenhang beschriebenen Einheit vorhanden sind, als auch auf eine Situation, in der ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise können sich die Ausdrücke „A hat B“, „A umfasst B“ und „A enthält B“ sowohl auf eine Situation beziehen, in der neben B kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. eine Situation, in der A einzig und allein aus B besteht), als auch auf eine Situation, in der neben B ein oder mehrere weitere Elemente in der Entität A vorhanden sind, wie Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Im Folgenden werden die Ausdrücke „vorzugsweise“, „bevorzugter“, „besonders bevorzugt“, „insbesondere“, „besonders“, „spezifisch“, „spezifischer“ oder ähnliche Ausdrücke in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne weitere Möglichkeiten einzuschränken. Die mit diesen Begriffen eingeführten Merkmale sind also optionale Merkmale und sollen den Umfang der Ansprüche in keiner Weise einschränken. Die Erfindung kann, wie der Fachmann erkennen wird, unter Verwendung alternativer Merkmale ausgeführt werden. Ebenso sind Merkmale, die durch „in einer Ausführungsform“ oder ähnliche Ausdrücke eingeführt werden, als optionale Merkmale zu verstehen, ohne Einschränkung hinsichtlich weiterer Ausführungsformen der Erfindung, ohne Einschränkung hinsichtlich des Umfangs der Erfindung und ohne Einschränkung hinsichtlich der Möglichkeit, die auf diese Weise eingeführten Merkmale mit anderen optionalen oder nicht-optionalen Merkmalen der Erfindung zu kombinieren.
Wenn nicht anders angegeben, bezieht sich der Begriff „ungefähr“ auf den angegebenen Wert mit der auf dem betreffenden Gebiet allgemein anerkannten technischen Genauigkeit, vorzugsweise auf den angegebenen Wert von ± 20 %, bevorzugter ± 10 %, besonders bevorzugt ± 5 %.Ferner bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“, dass Abweichungen, die einen Einfluss auf das angegebene Ergebnis oder die Verwendung haben, nicht vorhanden sind, d.h. potenzielle Abweichungen führen nicht zu einer Abweichung des angegebenen Ergebnisses um mehr als ± 20 %, bevorzugter ± 10 %, besonders bevorzugt ± 5 %. „Bestehend im Wesentlichen aus“ bedeutet also, dass die angegebenen Komponenten enthalten sind, andere Komponenten jedoch ausgeschlossen sind, mit Ausnahme von Stoffen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, von unvermeidbaren Stoffen, die infolge von Verfahren zur Herstellung der Komponenten vorhanden sind, und von Komponenten, die zu einem anderen Zweck als dem Erreichen der technischen Wirkung der Erfindung zugesetzt wurden. Beispielsweise umfasst eine Zusammensetzung, die mit dem Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ definiert wird, alle bekannten akzeptablen Zusatzstoffe, Hilfsstoffe, Verdünnungsmittel, Träger und dergleichen.
Vorzugsweise enthält eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus einer Reihe von Komponenten besteht, weniger als 5 Gew.-%, bevorzugter weniger als 3 Gew.-%, noch bevorzugter weniger als 1 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% nicht spezifizierte(n) Komponente(n).
Der Begriff „chemische Formulierung“, wie er hier verwendet wird, enthält ohne Einschränkung jede Art von chemischer Formulierung, die aus mindestens zwei Komponenten besteht. Eine Komponente ist eine chemische Substanz, die aus vielen identischen Molekülen (oder molekularen Einheiten) besteht, die aus Atomen von mehr als einem Element bestehen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Vorzugsweise ist die chemische Komponente ein Molekül. Die chemische Komponente kann auch ein Oligomer oder ein Polymer oder ein durch lonenbindungen gebildetes Salz sein. Oligomere und Polymere setzen sich aus vielen ähnlichen Molekülen zusammen, die sich in Struktur, Molekulargewicht, Zusammensetzung usw. unterscheiden können. Bevorzugter ist die chemische Verbindung ein organisches Molekül. Die Formulierung kann ein Plasma, ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein, eine Lösung, eine Dispersion, eine Emulsion, eine Suspension, ein Sol, ein Gel oder ein Feststoff oder jede Art von Mehrphasensystem, das durch eine beliebige Kombination der oben genannten Formen von Materie gebildet wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Formulierung um eine Lösung, eine Emulsion oder eine Suspension, bevorzugter um eine Lösung. Vorzugsweise enthält die Formulierung Hilfs- und Zusatzstoffe, insbesondere Pufferverbindungen, Salze, Stabilisatoren, Lösungsmittel und dergleichen. Ebenfalls bevorzugt ist die chemische Formulierung eine chemische Lösung, vorzugsweise eine wässrige Lösung, bevorzugter eine gepufferte Lösung. Vorzugsweise enthält die Formulierung der chemischen Substanz außerdem Wasser. Bevorzugter ist die chemische Formulierung eine Beschichtungsformulierung.
Typischerweise umfassen Beschichtungsformulierungen Polymere, Filmbildungshilfsmittel, Pigmente, Füllstoffe, Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Puffersubstanzen, Biozide usw.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die chemische Formulierung eine oder mehrere von: Farbformulierung, landwirtschaftliche Mehrkomponentenformulierung, pharmazeutische Mehrkomponentenformulierung, Mehrkomponentenformulierung für Nahrungsmittel, Mehrkomponentenformulierung für Tinte bzw. Druckfarbe, chemische Formulierung für Bauzwecke und chemische Formulierung für die Ölförderung.
Der Begriff „physikochemische Schlüsseleigenschaften“, wie er hier verwendet wird, enthält ohne Einschränkung,
Hydrophilie und/oder Lipophilie (z.B. Verteilungskoeffizient); Schmelzpunkt; Permeabilität durch biologische oder künstliche Lipidmembranen; Löslichkeit in Wasser, Lösungsmitteln, Co-Lösungsmitteln und/oder biorelevanten Medien; Mischbarkeit mit Wasser, Lösungsmitteln, Co-Lösungsmitteln und/oder biorelevanten Medien; wahre Dichte; Viskosität; Benetzbarkeit; Grenz- und/oder Oberflächenspannung; Daten zur Teilchengrößenverteilung; Teilchenmorphologie, -form und/oder -seitenverhältnis; Schütt- und Stampfdichte; Fließfähigkeit (z.B. Schüttwinkel oder Fließfunktionskoeffizient); Komprimierbarkeit und Verdichtbarkeit; Hygroskopizität; Wassergehalt (z.B. Trocknungsverlust); Konzentration von Verunreinigungen; Härte, chemische Beständigkeit, Beständigkeit gegen Farbflecken, Glasübergangstemperatur; sonstige chemische, physikochemische und/oder physikalische Eigenschaften sowie Angaben zur Verträglichkeit und Stabilität.
Der Begriff „experimentelle Daten“, wie er hier verwendet wird, enthält ohne Einschränkung, Art und Menge der Formulierungskomponenten und Verfahrensparameter wie Temperatur, Druck, Reaktionszeit, Reaktordesign usw.
Der Begriff „chemische Produktionsanlage“, wie er hier verwendet wird, bedeutet vorzugsweise chemische Fabrik.
Experimentelle Daten können stammen aus

Rechnerischen Daten
aus empirischen Modellen berechneten Daten
aus physikalischen/chemischen/wissenschaftlichen Modellen berechneten Daten
Simulationen mit biologischen Daten
Daten aus der Modellierung des Umweltverhaltens
Simulationsdaten
Tabellarischen Daten
Daten aus der Literatur
Geschätzten Daten
oder algorithmisch angereicherten Daten

Im Einzelnen können die Simulationsdaten stammen aus

Quantenchemischen Berechnungen
Molekulardynamik-Simulationen
grobkörnigen Simulationen wie dissipativer Teilchendynamik
Reaktor-Strömungssimulation
numerischer Strömungsmechanik
thermodynamischen Berechnungen
Finite-Elemente-Simulationen
Festkörper-Kontinuumsmechanik-Simulationen

Experimentelle Daten können durch Anwendung von Versuchsplanungstechniken (DOE) gewonnen werden. DOE ist ein statistischer Rahmen, der für die Planung und Analyse von Vergleichsexperimenten verwendet werden kann. DOE-Verfahren ermöglichen es einem Forscher, ein optimales Experiment auf der Grundlage der Anzahl der Faktoren, der Art des zugrunde liegenden Modells und der Zielstellungen des Experiments zu erstellen. Experimente können so konzipiert werden, dass sie mit einer möglichst geringen Anzahl von „Durchläufen“ Informationen sammeln, um die gewünschte Menge an Daten zu erhalten. Die beiden wichtigsten klassischen Arten von Versuchsplänen sind Screening-Designs und die Response-Surface-Methodik. Bei einem Screening-Design werden relativ wenige Versuchsdurchläufe zur effizienten Untersuchung einer großen Anzahl von Versuchsfaktoren verwendet, um die wenigen aktivsten aus den übrigen, in den betrachteten Bereichen relativ inaktiven Faktoren herauszufiltern. Die Response-Surface-Methodik (RSM) ist eine experimentelle Technik zur Ermittlung der optimalen Reaktion bei den angegebenen Faktorbereichen. RSM-Designs helfen bei der Quantifizierung der Beziehungen zwischen einer oder mehreren gemessenen Antworten und den entscheidenden Eingabedaten. Darüber hinaus gibt es optimierte Designs wie die D-, A-, E- und G-Optimal-Designs. Diese Designtechniken sind flexibler als die oben erwähnten klassischen, da sie z.B. die Definition von Einschränkungen erlauben, um Vorwissen über Restriktionen und a priori bekannte gegenseitige Abhängigkeiten zwischen den Eingangsvariablen zu kodieren. Das Vorwissen kann auf Erfahrung und/oder wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen. Wenn zum Beispiel a priori bekannt ist, dass die Glasübergangstemperatur eines Polymers innerhalb bestimmter Grenzen liegen muss, und wenn Tg mit ausreichender Genauigkeit durch die bekannte Fox-Gleichung berechnet werden kann, dann kann diese Fox-Gleichung verwendet werden, um Einschränkungen zu definieren, um a priori alle Experimente aus dem Design auszuschließen, deren Tg nicht realisierbar ist.
Optimierte Designs können auch verwendet werden, um unvollständige Datensätze effizient zu ergänzen. Vorzugsweise werden D-Optimal-Designs verwendet. Bevorzugter werden D-Optimal-Designs mit Beschränkungen auf der Grundlage von Vorwissen verwendet. Noch bevorzugter werden diese eingeschränkten D-Optimal-Designs verwendet, um Daten zu generieren, die zur Kalibrierung von Polynom-Modellen zweiter Ordnung und/oder linearen Modellen verwendet werden können.
Allen oben beschriebenen Designtechniken ist gemeinsam, dass die mathematische Form der Modellfunktion a priori postuliert wird und dass nach der Postulierung des Modells eine Mindestanzahl von Experimenten (oder Simulationsläufen) durchgeführt werden muss, um das Modell kalibrieren zu können. Ein völlig anderer Ansatz besteht darin, jedes einzelne Experiment (oder jeden Simulationslauf) auf der Grundlage der durch die vorherigen Experimente gewonnenen Informationen zu planen. Bei dieser Art von Ansätzen ist es nicht notwendig, die mathematische Form des Modells a priori zu postulieren. Vorzugsweise wird ein Kernelmodell, bevorzugter ein Modell vom Typ Gaußsches Verfahren, schrittweise aufgebaut, indem Experimente zu den Regionen im Eingaberaum hinzugefügt werden, in denen die Modellunsicherheit am größten ist. Vorzugsweise werden Verfahren wie das in Chemie Ingenieur Technik, Band 91, Ausgabe 3, Seiten 277-284 beschriebene verwendet, um schrittweise eine Pareto-Grenze aufzubauen.
Beispiele für das benutzerdefinierte TPP (Zielproduktprofil) für chemische Formulierungen können unter anderem die Menge und/oder Konzentration der Komponenten, die Größe, das Volumen und/oder das Gewicht der Formulierung, die mechanischen und/oder rheologischen Eigenschaften der Formulierung, das Freisetzungsprofil der Komponenten, andere anwendungsrelevante Parameter, die Kompatibilität und Stabilität sowie andere herstellungsrelevante Eigenschaften sein.
Besondere Beispiele für benutzerdefinierte TPP für Beschichtungsformulierungen können unter anderem Kratzfestigkeit, Glanz, Gelierzeit, Aushärtungszeit, Kompatibilität und Stabilität, rheologisches Verhalten und/oder Viskosität, Hydrophilie und/oder Lipophilie, Härte, Fließfähigkeit und chemische Beständigkeit beinhalten.
Weitere Beispiele für benutzerdefinierte TPP für chemische Formulierungen beinhalten, jedoch nicht drauf beschränkt, Schmelzpunkt, Permeabilität durch biologische oder künstliche Lipidmembranen, Löslichkeit in Wasser, Lösungsmitteln, Co-Lösungsmitteln und/oder biorelevanten Medien, Mischbarkeit mit Wasser, Lösungsmitteln, Co-Lösungsmitteln und/oder biorelevanten Medien, tatsächliche Dichte, Viskosität, Benetzbarkeit, Grenz- und/oder Oberflächenspannung, Teilchengrößenverteilungsdaten, Teilchenmorphologie, -form und/oder -seitenverhältnis, Schütt- und Stampfdichte, Fließfähigkeit (z.B. Schüttwinkel oder Fließfunktionskoeffizient); Komprimierbarkeit und Verdichtbarkeit; Hygroskopizität; Wassergehalt (z.B. Verlust beim Trocknen); Konzentration von Verunreinigungen; Härte, chemische Beständigkeit, Beständigkeit gegen Farbflecken, Glasübergangstemperatur; und/oder andere chemische, physikochemische und/oder physikalische Eigenschaften. In einigen Beispielen können sich die physikochemischen Eigenschaften der chemischen Formulierung auf die physikochemischen Eigenschaften der vollständigen Formulierung (z.B. Herbizidformulierung plus Hilfsstoff) beziehen, wenn die chemische Formulierung verdünnt ist.
Der Begriff „Eingabedaten“, wie er hier verwendet wird, ist ein weit gefasster Begriff und hat für den Fachmann seine gewöhnliche und übliche Bedeutung und ist nicht auf eine bestimmte oder kundenspezifische Bedeutung beschränkt. Der Begriff bezieht sich vorzugsweise auf zumindest experimentelle Daten, wie sie oben beschrieben sind.
Der Begriff „Eingabeeinheit“, wie er hier verwendet wird, enthält ohne Einschränkung jeden Punkt oder jedes Element, das eine Grenze bildet, die für die Übertragung von Informationen konfiguriert ist. Insbesondere kann die Eingabeeinheit so konfiguriert sein, dass sie Informationen auf eine Rechenvorrichtung, z.B. einen Computer, überträgt, z.B. um Informationen zu empfangen. Die Eingabeeinheit ist vorzugsweise eine separate Einheit, die für den Empfang oder die Übertragung von Informationen auf eine Rechenvorrichtung konfiguriert ist, z.B. eine oder mehrere von: einer Schnittstelle, insbesondere einer Webschnittstelle und/oder einer Datenschnittstelle; einer Tastatur; einem Terminal; einem Touchscreen oder jeder anderen Eingabevorrichtung, die der Fachmann für geeignet hält. Bevorzugter umfasst die Eingabeeinheit eine Datenschnittstelle oder ist eine solche, die für die Übertragung oder den Austausch von Informationen konfiguriert ist, wie nachstehend beschrieben.
Der Begriff „Ausgabeeinheit“, wie er hier verwendet wird, enthält ohne Einschränkung jeden Punkt oder jedes Element, das eine Grenze bildet, die für die Übertragung von Informationen konfiguriert ist. Insbesondere kann die Ausgabeeinheit so konfiguriert sein, dass sie Informationen von einer Rechenvorrichtung, z.B. einem Computer, überträgt, um Informationen zu senden oder auszugeben, z.B. an eine andere Vorrichtung, z.B. eine Steuereinheit, die das Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung steuert und/oder überwacht. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich vorzugsweise um eine separate Einheit, die für die Ausgabe oder Übertragung von Informationen von einer Rechenvorrichtung konfiguriert ist, z.B. eine oder mehrere: eine Schnittstelle, insbesondere eine Webschnittstelle und/oder eine Datenschnittstelle; ein Bildschirm, ein Drucker oder ein Touchscreen oder jede andere Ausgabevorrichtung, die der Fachmann für geeignet hält. Bevorzugter umfasst die Ausgabeeinheit eine Datenschnittstelle oder ist eine solche, die für die Übertragung oder den Austausch von Informationen konfiguriert ist, wie im Folgenden beschrieben.
Vorzugsweise sind die Eingabeeinheit und die Ausgabeeinheit als mindestens eine oder mindestens zwei separate Datenschnittstelle(n) konfiguriert, d.h. sie stellen vorzugsweise eine Datenübertragungsverbindung bereit, z.B. eine drahtlose Übertragung, eine Internetübertragung, Bluetooth, NFC, induktive Kopplung oder dergleichen. Beispielsweise kann die Datenübertragungsverbindung mindestens ein Anschluss sein oder umfassen, der einen oder mehrere Anschlüsse aus einem Netzwerk- oder Internetanschluss, einem USB-Anschluss und einem Diskettenlaufwerk umfasst. Die Eingabeeinheit und/oder die Ausgabeeinheit kann auch mindestens eine Webschnittstelle sein.
Der Begriff „Verarbeitungseinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weit gefasster Begriff, der für den Fachmann seine gewöhnliche und übliche Bedeutung hat und nicht auf eine spezielle oder kundenspezifische Bedeutung beschränkt werden soll. Der Begriff kann sich insbesondere und ohne Einschränkung auf eine beliebige logische Schaltung beziehen, die für die Durchführung von Operationen eines Computers oder Systems konfiguriert ist, und/oder allgemein auf eine Vorrichtung oder Einheit davon, die für die Durchführung von Berechnungen oder logischen Operationen konfiguriert ist. Die Verarbeitungseinheit kann mindestens einen Prozessor umfassen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit so konfiguriert sein, dass sie grundlegende Anweisungen verarbeitet, die den Computer oder das System steuern. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise mindestens eine arithmetische Logikeinheit (ALU), mindestens eine Gleitkommaeinheit (FPU), wie einen mathematischen Coprozessor oder einen numerischen Coprozessor, eine Vielzahl von Registern und einen Speicher, wie einen Cache-Speicher, umfassen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit ein Mehrkernprozessor sein. Die Verarbeitungseinheit kann eine Zentralverarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) und/oder eine oder mehrere Grafikverarbeitungseinheiten (Graphics Processing Units, GPUs) und/oder eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs) und/oder eine oder mehrere Tensorverarbeitungseinheiten (Tensor Processing Units, TPUs) und/oder eine oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays (Field-Programmable Gate Arrays, FPGAs) oder dergleichen umfassen. Die Verarbeitungseinheit kann so konfiguriert sein, dass sie die Eingabedaten vorverarbeitet. Die Vorverarbeitung kann mindestens einen Filterungsprozess für Eingabedaten umfassen, die mindestens ein Qualitätskriterium erfüllen. Zum Beispiel können die Eingabedaten gefiltert werden, um fehlende Variablen zu entfernen. Vorzugsweise können die Eingabedaten mit mindestens einem vordefinierten Schwellenwert, z.B. einer Schwellentemperatur, verglichen werden, um festzustellen, ob der Verfahrensschritt (ii) überhaupt durchgeführt werden muss. Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert, eine multikriterielle Optimierung, vorzugsweise Berechnung, eines Optimierungssignals durchzuführen, das aus einer Liste von Eingangsparametern besteht, die gemäß der zugrunde liegenden Modellvorhersage zu optimierten Zielanwendungsprofilen führen. Vorzugsweise ist die multikriterielle Optimierung eine Pareto-Optimierung und diese Liste besteht aus pareto-optimalen Lösungen. Darüber hinaus kann das Optimierungssignal eine vollständige oder approximative Darstellung der Pareto-Grenze auf der Grundlage der zugrunde liegenden Modellfunktion enthalten.
Pareto-Optimalität bezieht sich hier auf das Konzept, dass eine Lösung eine Pareto-Verbesserung ist, wenn eine Änderung zu einer anderen Lösung mindestens eine Zielsetzung besser macht, ohne andere Zielsetzungen schlechter zu machen. Eine Pareto-Verbesserung ist pareto-optimal oder pareto-effizient, wenn keine weitere Pareto-Verbesserung möglich ist. Mit einer Pareto-Grenze kann der Chemiker, indem er seine Aufmerksamkeit auf eine Reihe von Zielsetzungen beschränkt, die Pareto-optimal sind, Kompromisse innerhalb einer solchen Reihe eingehen, anstatt die gesamte Bandbreite aller Parameter zu berücksichtigen.
Eine Pareto-Grenze ist eine Menge von Lösungen in einem N-dimensionalen Zielsetzungsraum, die in Anbetracht eines definierten Verfahrens zur Bewertung dieser Lösungen pareto-optimal sind. Zum Zwecke der Bildung von Optimierungssignalen umfasst eine N-dimensionale Pareto-Grenze eine Sammlung von Optimierungssignalen, die den Optimierungszielsetzungen entsprechen.
Verfahren zur Optimierung von chemischen Verfahren oder Formulierungen auf der Grundlage experimenteller Daten sind im Prinzip auf dem Fachgebiet bekannt. Bevorzugt wird der in Kapitel 2.3 und Anhang A in [Bortz et al., Computers and Chemical Engineering 60 (2014) 354- 363] beschriebene Ansatz verwendet.
In der Praxis wird die modellgestützte Vorhersage häufig mit Modellen durchgeführt, die einen Algorithmus zur Dimensionsreduktion enthalten. Beispiele sind die Hauptkomponentenregression oder partielle Kleinstquadratmodelle. In diesen Modellen werden so genannte latente Variablen gebildet, und die Zielvariablen, die später als Optimierungszielsetzungen dienen, werden als Funktionen dieser latenten Variablen modelliert und nicht als Funktionen der ursprünglichen Eingangsvariablen, wie etwa der chemischen Zusammensetzung oder der Verfahrensparameter. Wenn die Dimension des durch die latenten Variablen definierten Raums kleiner ist als die Dimension des durch die ursprünglichen Eingangsparameter definierten Raums für das betrachtete System, dann weist das Modell die Eigenschaft der Dimensionsreduktion auf, und wir nennen das Modell degeneriert. Diese Entartung hat technische Konsequenzen. Wenn ein reales System durch ein degeneriertes Modell mit ausreichend hoher Genauigkeit beschrieben wird, dann ist es möglich, die ursprünglichen Eingangsparameter, wie die chemische Rezeptur oder das Verfahren, systematisch so zu verändern, dass keine der interessierenden Zielvariablen signifikant verändert wird.
Der Raum, der durch die Menge aller möglichen zugänglichen Punkte im Eingaberaum mit dieser Eigenschaft definiert ist, wird als „invarianter Unterraum“ bezeichnet. Bei dem vorgeschlagenen Ansatz werden statistische Optimalitätsprinzipien auf dem invarianten Unterraum mit den auf den ursprünglichen Eingabeparameterraum angewandten Einschränkungen kombiniert, um einen Satz von Eingabeparametern, z.B. chemische Rezepturen und/oder Verfahrensbedingungen, für die Entwicklung einer chemischen Formulierung zu erhalten. Die Eingangsparameter können auch als Designparameter bezeichnet werden und werden so bestimmt, dass der erhaltene Satz von Eingangsparametern eine optimale statistische Variabilität aufweist und gleichzeitig die interessierenden Zielvariablen (d.h. Optimierungszielsetzungsparameter, Optimierungssignal) theoretisch Null oder in der Praxis technisch nur eine minimale Variabilität aufweisen. Die mit dem vorgeschlagenen Ansatz erzielten Ergebnisse können nicht nur für ein oder wenige Hauptrezepte verwendet werden, sondern für die gesamte Klasse von Rezepten, die durch den invarianten Unterraum abgedeckt wird.
Das Optimierungssignal kann eine endliche Menge von Punkten sein, die die Pareto-Menge mit einer gewissen Genauigkeit annähern. Um den Entscheidungsprozess zu unterstützen, wird es bevorzugt, eine Echtzeit-Navigation auf der kontinuierlichen Pareto-Menge über eine grafische Benutzeroberfläche zu ermöglichen. Dazu kann eine lineare Interpolation zwischen den Punkten auf der Pareto-Menge durchgeführt werden. Diese Interpolation wird nicht nur im Zielsetzungsraum, sondern auch im Designraum durchgeführt.
Vorzugsweise erlaubt die grafische Benutzeroberfläche dem Benutzer, durch die interpolierten Lösungen zu navigieren, indem er die den Zielsetzungen entsprechenden Schieberegler bewegt.
Eine Funktionsweise der Schieberegler ist in 2 für den einfachen Fall von zwei Zielsetzungen dargestellt. Während der Änderung des Schiebereglers für eine Zielsetzung wird ein lineares Problem gelöst, so dass die verbleibenden Zielsetzungen alle auf eine bestimmte Weise geändert werden. Auf diese Weise ist die gesamte Pareto-Menge navigierbar und es ist möglich, die Kompromisse zwischen den verschiedenen Zielsetzungen visuell zu untersuchen. Diese visuelle Erkundung kann auf zweierlei Weise erfolgen: Einerseits bewirkt die Bewegung eines Schiebereglers die Verschiebung der anderen Schieberegler entsprechend der Form der Pareto-Menge. Diese Interaktion zwischen den Werten auf den Schiebereglern kann die besten Kompromisse zwischen den konkurrierenden Zielsetzungen aufzeigen. Andererseits kann der Benutzer den Bereich der Schieberegler einschränken. Die Einschränkung des Bereichs einer der Zielsetzungen hat im Allgemeinen auch Auswirkungen auf den Bereich der anderen Zielsetzungen. Diese Einschränkung des Entscheidungsraums wird ebenfalls visualisiert, gibt Aufschluss darüber, welche Alternativen weiterhin durchführbar sind und welche nicht mehr durchführbar sind.
Die vorstehenden Definitionen gelten sinngemäß auch für die folgenden. Zusätzliche Definitionen und Erklärungen, die weiter unten gemacht werden, gelten ebenfalls mutatis mutandis für alle in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Bereitstellung der Unterstützung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, umfassend:

eine Eingabeeinheit (10); eine Ausgabeeinheit (30) und
- - eine Verarbeitungseinheit (20), die dafür konfiguriert ist:
  1. a) eine Benutzereingabe über die Eingabeeinheit zu empfangen, wobei die Benutzereingabe definiert: mindestens einen Satz experimenteller Daten, der Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung sowie ein Zielproduktprofil (TPP) umfasst, das eine Mindestproduktanforderung umfasst
  2. b) über die Verarbeitungseinheit (20) eine multikriterielle Optimierung auf der Grundlage eines Berechnungsmodells unter Verwendung experimenteller Daten durchzuführen
  3. c) über die Ausgabeeinheit die Optimierungsergebnisse bereitzustellen.

Der Begriff „Einrichtung“, wie er hier verwendet wird, betrifft ein System von Mitteln, das mindestens die vorgenannten Mittel umfasst, die operativ miteinander verbunden sind, um die Bestimmung zu ermöglichen. Typische Eingabe- und Ausgabeeinheiten und Mittel zur Durchführung der Bestimmung, insbesondere Verarbeitungseinheiten, sind oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren offenbart. Wie die Mittel betriebsmäßig miteinander verbunden werden, hängt von der Art der in die Vorrichtung eingebauten Mittel ab. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, wie die Mittel zu verknüpfen sind. Vorzugsweise sind die Mittel in einer einzigen Einrichtung zusammengefasst. Typische Einrichtungen sind solche, die ohne die besonderen Kenntnisse eines spezialisierten Technikers angewendet werden können, insbesondere tragbare Vorrichtungen, die einen ausführbaren Code, insbesondere eine Anwendung, enthalten, die die an anderer Stelle hierin beschriebenen Bestimmungen durchführen. Die Ergebnisse können in Form von Rohdaten ausgegeben werden, die z.B. von einem Techniker interpretiert werden müssen. Vorzugsweise ist die Ausgabe der Einrichtung jedoch verarbeitet, d.h. ausgewertete Rohdaten, für deren Interpretation kein Techniker erforderlich ist. Ebenfalls vorzugsweise können einige Funktionen des Formulierungsmanagements automatisch, d.h. vorzugsweise ohne Benutzereingriff, durchgeführt werden, z.B. die Anpassung einer Dosierung der Komponenten oder das Auslösen einer Bestellung einer Charge von Komponenten, wenn der verbleibende Bestand an Komponenten unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Weitere typische Vorrichtungen umfassen die oben erwähnten Einheiten, insbesondere die Eingabeeinheit, die Verarbeitungseinheit und die Ausgabeeinheit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Eingabeeinheit der Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie Eingabedaten von einer lokalen Speichervorrichtung, z.B. einer USB-Speichervorrichtung oder einem Sensor mit gespeicherten Speichersegmentdaten während der Lagerung und/oder des Transports abruft. Die Eingabevorrichtung kann aber auch Eingabedaten von einem externen Datenspeicher oder direkt von einem Sensor erhalten, z.B. über eine Datenverbindung wie das Internet.
Bei der Einrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Handheld-Vorrichtung oder eine beliebige Art von Computervorrichtung mit den genannten Merkmalen. Die Einrichtung kann jedoch auch eine Einrichtung sein, die so konfiguriert ist, dass sie eine chemische Formulierung verwendet, vorzugsweise eine chemische Herstellungsmaschine, eine Waschmaschine, eine Geschirrspülmaschine, eine industrielle Wäschereimaschine, eine Maschine zur Lebensmittelverarbeitung (z.B. Milch oder Fleisch), eine Maschine zur Verarbeitung von Tierfutter, eine Maschine zur Herstellung von Biokraftstoffen, eine Maschine zur Lederherstellung, eine Maschine zur Herstellung von Textilien, eine Maschine zur Herstellung von Zellstoff und Papier oder eine Maschine zur Herstellung von Getränken.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Maßnahmen zur Verwaltung der chemischen Formulierung ist die Einrichtung vorzugsweise so konfiguriert, dass sie außerdem mindestens eines durchführt:

- Herunterladen relevanter Informationen, einschließlich Qualitätsinformationen, rechtlicher Informationen, Sicherheitsdaten und/oder technischer Dokumente;
- Komponenten ordern; und/oder
- ein Benutzer-Feedback geben, das die Benutzerfreundlichkeit, den Informationsgehalt und/oder das Ergebnis der chemischen Formulierung einschließt.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zur Bereitstellung einer Unterstützung bei der Herstellung einer chemischen Formulierung, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung, umfassend:

- eine Einrichtung nach Anspruch 10; und
- einen Webserver, der so konfiguriert ist, dass er über eine Webseite und/oder ein vom Webserver bedientes Anwendungsprogramm eine Schnittstelle zu einem Benutzer bildet;

Der Begriff „System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weit gefasster Begriff, der für eine fachkundige Person seine gewöhnliche und übliche Bedeutung hat und nicht auf eine spezielle oder kundenspezifische Bedeutung beschränkt werden darf. Der Begriff enthält, ohne Einschränkung, jeden Aufbau mit mindestens zwei zusammenwirkenden Komponenten. Insbesondere kann der Begriff jede Art von System enthalten, das die genannten Komponenten umfasst. Vorzugsweise ist die in dem System enthaltene Einrichtung eine Einrichtung wie oben beschrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei der Einrichtung um eine Computervorrichtung, die eine Datenschnittstelle als Eingabeeinheit und als Ausgabeeinheit umfasst. Vorzugsweise ist die im System enthaltene Einrichtung daher so konfiguriert, dass sie Eingabedaten von einem externen Datenspeicher oder direkt von einem Sensor empfängt, z.B. über eine Datenverbindung wie das Internet.
Das System ist so konfiguriert, dass es ein Optimierungssignal an ein externes Datenspeichermittel und/oder eine externe Verarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine Handheld-Vorrichtung oder eine entfernte Rechenvorrichtung, über einen Webserver ausgibt, der so konfiguriert ist, dass er mit einem Benutzer über eine von dem Webserver bereitgestellte Webseite und/oder über ein Anwendungsprogramm eine Schnittstelle bildet, wobei das System so konfiguriert ist, dass es einem Benutzer über die Webseite und/oder das Anwendungsprogramm eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) bereitstellt. So ist der Server vorzugsweise so konfiguriert, dass er einem Benutzer über die Webseite und/oder das Anwendungsprogramm eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Verfügung stellt. Der Begriff „grafische Benutzeroberfläche“ ist dem Fachmann bekannt, bezieht sich auf eine Benutzerschnittstelle, die es einem Benutzer ermöglicht, mit einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere einer Einrichtung oder einer anderen Datenverarbeitungsvorrichtung, durch visuelle Indikatoren anstelle von textbasierter Benutzerinteraktion, wie getippten Befehlen oder Textnavigation, zu interagieren. Auch der Begriff „Anwendungsprogramm“, abgekürzt als „Anwendung“ oder „App“, ist dem Fachmann bekannt als ein computerausführbarer Code, insbesondere ein Softwareprogramm, das eine grafische Benutzeroberfläche für eine Funktion einer Computervorrichtung oder eine bestimmte Anwendung einer Computervorrichtung bereitstellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Anwendungsprogramm um einen ausführbaren Code, der die von der Einrichtung, wie an anderer Stelle hierin beschrieben, bereitgestellte Webseite öffnet, vorzugsweise auf einer Handheld-Vorrichtung.
Wie der Fachmann in Anbetracht der vorliegenden Beschreibung verstehen wird, kann der Webserver das Optimierungssignal als solches ausgeben;
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von der Einrichtung der vorliegenden Erfindung, insbesondere von einem Prozessor der Einrichtung, und/oder von dem System der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, die Einrichtung und/oder das System veranlassen, das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein computerlesbares Speichermedium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von der Einrichtung von einer der vorliegenden Erfindung und/oder dem System von einer der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, die Einrichtung und/oder das System veranlassen, das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Wie hierin verwendet, können sich die Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“ insbesondere auf nicht transitorische Datenspeichermittel beziehen, wie ein Hardwarespeichermedium, auf dem computerausführbare Anweisungen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das Speichermedium kann insbesondere ein Speichermedium wie ein Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder ein Festwertspeicher (ROM) sein oder umfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung des Herstellungsverfahrens einer chemischen Formulierung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellung (220) einer Zielleistungscharakteristik einer chemischen Formulierung;
- Bereitstellung (222) einer Leistungscharakteristik einer hergestellten chemischen Formulierung, die gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt wurde; und
- Vergleich (224) der Leistungscharakteristik mit der Zielleistungscharakteristik der chemischen Formulierung, um festzustellen, ob die hergestellte chemische Formulierung vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt.

Ein Vergleich zwischen den gemessenen Leistungscharakteristiken und den Zielleistungscharakteristiken der chemischen Formulierung ermöglicht nicht nur eine Qualitätssteuerung oder eine zuverlässigere Herstellung, sondern kann durch eine Rückkopplungsschleife erweitert werden, die das Herstellungsverfahren bei Bedarf anpasst.
Dies wird im Folgenden und insbesondere im Hinblick auf die in den 4 und 6 dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Validierung der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellung (234) einer bestehenden Leistungscharakteristik für eine chemische Formulierung, die aus validierten Vorstufen hergestellt wurde;
- Erzeugen (236) eines Optimierungssignals auf der Grundlage der vorhandenen Leistungscharakteristik gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Optimierungssignal einen Inhaltsstoffidentifikator und zugehörige Eigenschaftsdaten umfasst, die mit mindestens einer neuen Vorstufe verbunden sind; und
- Vergleich einer Leistungscharakteristik einer chemischen Formulierung, die unter Verwendung des Optimierungssignals hergestellt wurde, und der vorhandenen Leistungscharakteristik, um die mindestens eine neue Vorstufe zu validieren.

Dies wird im Folgenden und insbesondere im Hinblick auf die in den 5 und 7 dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zum Überwachen der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei die Einrichtung eine oder mehrere Verarbeitungseinheit(en) umfasst, die zum Überwachen der Herstellung konfiguriert ist/sind, wobei die Verarbeitungseinheit(en) Anweisungen enthält/enthalten, die, wenn sie auf der/den einen oder mehreren Verarbeitungseinheit(en) ausgeführt werden, die folgenden Verfahrensschritte ausführen:

- Bereitstellung (220) einer Zielleistungscharakteristik einer chemischen Formulierung;
- Bereitstellung (222) einer Leistungscharakteristik einer hergestellten chemischen Formulierung, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erzeugt wurde; und
- Vergleich (224) der Leistungscharakteristik mit den Zielleistungscharakteristiken der chemischen Formulierung, um festzustellen, ob die hergestellte chemische Formulierung die vorgegebenen Qualitätskriterien erfüllt.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Validierung der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei die Einrichtung eine oder mehrere Verarbeitungseinheit(en) umfasst, die zur Validierung der Herstellung konfiguriert ist/sind, wobei die Verarbeitungseinheit(en) Anweisungen enthält/enthalten, die, wenn sie auf der/den einen oder mehreren Verarbeitungseinheit(en) ausgeführt werden, die folgenden Verfahrensschritte ausführen:

- Bereitstellung (234) einer bestehenden Leistungscharakteristik für eine chemische Formulierung, die aus validierten Vorstufen hergestellt wurde;
- Erzeugen (236) eines Optimierungssignals auf der Grundlage der vorhandenen Leistungscharakteristik gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Optimierungssignal einen Inhaltsstoffidentifikator und zugehörige Eigenschaftsdaten umfasst, die mit mindestens einer neuen Vorstufe verbunden sind; und
- Vergleich einer Leistungscharakteristik einer chemischen Formulierung, die unter Verwendung des Optimierungssignals hergestellt wurde, und der vorhandenen Leistungscharakteristik, um die mindestens eine neue Vorstufe zu validieren.

Figur Legenden

1: Vorrichtung / System
2: Pareto-Schieberegler
3: Schnittstelle für die Benutzerinteraktion
4 zeigt ein Beispiel für ein Flussdiagramm zur Überwachung der Qualität der chemischen Formulierung in einem Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung mit den angestrebten Leistungscharakteristiken.
5 zeigt ein Beispiel für ein Flussdiagramm zur Validierung der Herstellung der chemischen Formulierung.
6 zeigt ein Beispiel für eine Produktionslinie zur Herstellung der chemischen Formulierung mit einer Überwachungseinrichtung.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Produktionslinie zur Herstellung der chemischen Formulierung mit einer Validierungseinrichtung.

Die folgenden Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung. Sie sind in keiner Weise so auszulegen, dass sie den Umfang der Erfindung einschränken.
Beispiel 1:
Wie in 1 gezeigt, wird ein System 100 zur Unterstützung bei der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, offenbart. Das System 100 umfasst eine Einrichtung 110 für das Formulierungsmanagement einer chemischen Formulierung und ferner einen Webserver 140, der so konfiguriert ist, dass er über eine vom Webserver bereitgestellte Webseite und/oder über ein Anwendungsprogramm eine Schnittstelle zu einem Benutzer bildet. Die Einrichtung 110 umfasst eine Eingabeeinheit 10, eine Verarbeitungseinheit 20 und eine Ausgabeeinheit 30. In dem System 100 kann der Webserver 140 mit der Eingabeeinheit 10 und/oder der Ausgabeeinheit 30 kommunizieren.
Die Einrichtung 110 umfasst mindestens eine Verarbeitungseinheit 20, wie einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein Computersystem, insbesondere zur Ausführung einer Logik in einem bestimmten Algorithmus. Die Einrichtung 110 kann zur Durchführung und/oder Ausführung mindestens eines Computerprogramms der vorliegenden Beschreibung konfiguriert sein. Die Verarbeitungseinheit 30 kann mindestens einen Prozessor umfassen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 30 für die Verarbeitung von Basisbefehlen konfiguriert sein, die den Computer oder das System steuern. Die Verarbeitungseinheit 30 kann beispielsweise mindestens eine arithmetische Logikeinheit (ALU), mindestens eine Gleitkommaeinheit (FPU), wie einen mathematischen Coprozessor oder einen numerischen Coprozessor, eine Vielzahl von Registern und einen Speicher, wie einen Cache-Speicher, umfassen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 30 ein Mehrkernprozessor sein. Die Verarbeitungseinheit 30 kann für maschinelles Lernen konfiguriert sein. Die Verarbeitungseinheit 30 kann eine Zentralverarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) und/oder eine oder mehrere Grafikverarbeitungseinheiten (Graphics Processing Units, GPUs) und/oder eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs) und/oder eine oder mehrere Tensorverarbeitungseinheiten (Tensor Processing Units, TPUs) und/oder eine oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays (Field-Programmable Gate Arrays, FPGAs) oder dergleichen umfassen.
Die Einrichtung umfasst mindestens eine Kommunikationsschnittstelle, vorzugsweise eine Ausgabeeinheit 30, die für die Ausgabe von Daten konfiguriert ist. Die Kommunikationsschnittstelle kann so konfiguriert sein, dass sie Informationen von einer Rechenvorrichtung, z.B. einem Computer, überträgt, um Informationen zu senden oder auszugeben, z.B. an eine andere Vorrichtung. Zusätzlich oder alternativ kann die Kommunikationsschnittstelle so konfiguriert sein, dass sie Informationen auf eine Rechenvorrichtung, z.B. einen Computer, überträgt, um Informationen zu empfangen, d.h. sie kann eine Eingabeeinheit 10 sein. Die Kommunikationsschnittstelle kann insbesondere Mittel zum Übertragen oder Austauschen von Informationen bereitstellen. Insbesondere kann die Kommunikationsschnittstelle eine Datenübertragungsverbindung bereitstellen, z.B. Blue-tooth, NFC, induktive Kopplung oder dergleichen. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle mindestens ein Anschluss sein oder umfassen, der einen oder mehrere Anschlüsse aus einem Netzwerk- oder Internetanschluss, einem USB-Anschluss und einem Diskettenlaufwerk umfasst. Bei der Kommunikationsschnittstelle kann es sich um mindestens eine Webschnittstelle handeln. Die Eingabedaten umfassen Speichersegmentdaten wie oben beschrieben.
Die Verarbeitungseinheit 20 kann zur Vorverarbeitung der Eingabedaten eingerichtet sein. Die Vorverarbeitungseinheit 20 kann mindestens ein Filterverfahren für Eingabedaten, die mindestens ein Qualitätskriterium erfüllen, umfassen. Die Verarbeitungseinheit 20 ist zum Ermitteln mindestens eines Optimierungssignals ausgebildet, vorzugsweise wie hier oben und unten in den weiteren Beispielen beschrieben.
Der Webserver 140 ist so konfiguriert, dass er eine grafische Benutzeroberfläche für die Einrichtung 110 bereitstellt. So kann der Webserver Daten mit der Ausgabeeinheit 30 austauschen, z.B. um diese Daten auf der GUI anzuzeigen. Der Webserver 140 kann aber auch Daten mit der Eingabeeinheit der Einrichtung austauschen.
Beispiel 2:
Eine Webschnittstelle für die Benutzerinteraktion kann wie in 3 beispielhaft dargestellt konfiguriert werden.
3 zeigt eine mögliche Umsetzung der Benutzerschnittfläche in Form von interaktiv beweglichen Schiebereglern. In diesem Beispiel werden drei Eingaben und zwei Zielsetzungen berücksichtigt. Durch Verschieben eines der Zielsetzungsschieberegler wird der andere automatisch vom System angepasst, um der Pareto-Grenze zu folgen. Gleichzeitig wird die entsprechende Eingangsparameterkombination, die zur entsprechenden Position auf der Pareto-Grenze führt, berechnet und durch eine automatische Positionierung der Eingangsschieberregler angezeigt.
Bezugszeichen:

10: Eingabeeinheit
20: Verarbeitungseinheit
30: Ausgabeeinheit
100: System
110: Einrichtung
140: Web-Server

4 zeigt ein Beispiel für ein Flussdiagramm zur Überwachung der Qualität der chemischen Formulierung in einem Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung mit Zielleistungscharakteristik der chemischen Formulierung.
In Schritt 220 werden die Zielleistungscharakteristiken z.B. durch eine Benutzereingabe bereitgestellt.
In Schritt 222 wird die Leistungscharakteristik der hergestellten chemischen Formulierung angegeben. Die hergestellte chemische Formulierung wird nach dem darin beschriebenen Verfahren erzeugt, um die Zielleistungscharakteristik zu erfüllen.
Die Leistungscharakteristik kann durch Messdaten bereitgestellt oder von diesen abgeleitet werden. Zu diesen Messdaten gehören beispielsweise Messdaten, die von einem oder mehreren Sensoren, wie optischen Sensoren, geliefert werden. Der eine oder die mehreren Sensoren können zur Messung der physikochemischen Eigenschaften der hergestellten chemischen Formulierung verwendet werden. Bei einer Arzneimittelformulierung könnten die gemessenen physikochemischen Eigenschaften einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: Lösungsmittel, Co-Lösungsmittel und/oder biorelevante Medien; Mischbarkeit mit Wasser, Lösungsmitteln, Co-Lösungsmitteln und/oder biorelevanten Medien; wahre Dichte; Viskosität; Benetzbarkeit; Grenz- und/oder Oberflächenspannung; Teilchengrößenverteilungsdaten; Teilchenmorphologie, -form und/oder -seitenverhältnis; Schütt- und Stampfdichte; Fließfähigkeit (z.B. Schüttwinkel oder Fließfunktionskoeffizient); Komprimierbarkeit und Verdichtbarkeit; Hygroskopizität; Wassergehalt (z.B. Trocknungsverlust); Konzentration von Verunreinigungen; Härte, chemische Beständigkeit, Beständigkeit gegen Farbflecken, Glasübergangstemperatur; und/oder andere chemische, physikochemische und/oder physikalische Eigenschaften.
In Schritt 224 kann die bereitgestellte oder gemessene Leistungscharakteristik mit der Zielleistungscharakteristik der chemischen Formulierung verglichen werden, um festzustellen, ob die hergestellte chemische Formulierung vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt.
Der Vergleich kann durch den Vergleich einer oder mehrerer physikalischer, chemischer oder physikochemischer Charakteristik(en) erfolgen, die sich auf die Leistungscharakteristik beziehen.
Optional können in Schritt 226 die Zielleistungscharakteristiken auf die Leistungscharakteristik abgebildet werden. Mit anderen Worten können die den Leistungscharakteristiken entsprechenden Werte aus den Zielleistungscharakteristiken bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Leistungscharakteristik auf die Zielleistungscharakteristiken abgebildet werden. Beide Möglichkeiten sind gleichermaßen anwendbar.
Optional werden in Schritt 228 die Zielleistungscharakteristiken und die Leistungscharakteristiken oder daraus abgeleitete entsprechende Werte zur Validierung verwendet. Eine solche Validierung kann durch den Vergleich von Werten oder Wertebereichen durchgeführt werden.
Liegen die Werte innerhalb eines akzeptablen Bereichs oder Wertes, z.B. innerhalb eines 1- oder 2-Standardabweichung(en)intervalls, kann die gemessene chemische Formulierung in dem Sinne gültig sein, dass sie das Leistungskriterium oder die Leistungskriterien erfüllt. Liegen die Werte nicht innerhalb eines akzeptablen Bereichs, wie eines 1- oder 2-Standardabweichung(en)intervalls, kann die gemessene chemische Formulierung in dem Sinne ungültig sein, dass sie das Leistungskriterium oder die Leistungskriterien nicht erfüllt.
Wenn die chemische Formulierung gültig ist, kann optional in Schritt 230 z.B. ein Steuersignal für ein Herstellungsverfahren ausgelöst werden. Ein solches Steuersignal kann mit der Zusammensetzung der chemischen Formulierung verknüpft sein. Es kann eine Dosierausrüstung zur Dosierung verschiedener Komponenten der chemischen Formulierung im Herstellungsverfahren steuern.
Wenn die chemische Formulierung ungültig ist, kann optional in Schritt 232 z.B. ein Warnsignal für den Bediener des Herstellungsverfahrens ausgelöst werden. Ein solches Warnsignal kann die Ungültigkeit der chemischen Formulierung signalisieren. Die Ungültigkeit kann ein Stoppsignal für das Herstellungsverfahren auslösen. In solchen Fällen kann das Optimierungssignal für die Herstellung der chemischen Formulierung aktualisiert werden, um die Zielleistungscharakteristiken der chemischen Formulierung zu erreichen.
5 zeigt ein Beispiel für ein Flussdiagramm zur Validierung der Herstellung der chemischen Formulierung.
In Schritt 234 wird eine bestehende Leistungscharakteristik (z.B. eine oder mehrere gemessene physikochemische Eigenschaften) für eine chemische Formulierung bereitgestellt, die aus validierten Vorstufen hergestellt wurde.
In Schritt 236 wird auf der Grundlage der vorhandenen Leistungscharakteristik ein Optimierungssignal gemäß dem darin beschriebenen Verfahren erzeugt, das einen Inhaltsstoffidentifikator und zugehörige Eigenschaftsdaten enthält, die mit mindestens einer neuen Vorstufe verbunden sind.
In Schritt 238 werden die Leistungscharakteristik einer chemischen Formulierung, die auf der Grundlage des Optimierungssignals hergestellt wurde, und die vorhandenen Leistungscharakteristiken verglichen, um die mindestens eine neue Vorstufe zu validieren. Wenn der Vergleich innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, ist die mindestens eine neue Vorstufe gültig. Liegt der Vergleich hingegen nicht innerhalb des akzeptablen Bereichs, ist die mindestens eine neue Vorstufe ungültig.
Wenn eine neue Vorstufe(n) gültig ist, kann in Schritt 240 z.B. ein Steuersignal für ein Herstellungsverfahren auf der Grundlage des/der neuen Vorstufe/en erzeugt werden. Ein solches Steuersignal kann mit der Zusammensetzung der chemischen Formulierung, die die neue Vorstufe enthält, verknüpft werden. Es kann eine Dosierausrüstung steuern, die so konfiguriert ist, dass sie verschiedene Komponenten der chemischen Formulierung im Herstellungsverfahren dosiert.
Wenn die chemische Formulierung ungültig ist, kann in Schritt 242 z.B. ein Warnsignal für den Bediener des Herstellungsverfahrens ausgelöst werden. Ein solches Warnsignal kann die Ungültigkeit der neuen Vorstufe(n) anzeigen. Dies kann ein Stoppsignal für das Herstellungsverfahren auslösen.
6 zeigt ein Beispiel für eine Produktionslinie 300 zur Herstellung der chemischen Formulierung mit einer Überwachungseinrichtung 306.
Die Produktionslinie 300 kann Dosierausrüstung 302 umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie verschiedene Vorstufen der chemischen Formulierung im Herstellungsverfahren dosiert. Die Produktionslinie kann ein Fördersystem 304 umfassen, um z.B. Flaschen, Kunststoffverpackungen oder andere geeignete Verpackungen zu transportieren, die mit der chemischen Formulierung gefüllt werden sollen. Die Produktionslinie kann eine Überwachungseinrichtung 306 enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie die Qualität der chemischen Formulierung in einem Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung überwacht.
Die Überwachungseinrichtung 306 und/oder die Dosierausrüstung 302 kann so konfiguriert sein, dass sie die Zielleistungscharakteristiken der chemischen Formulierung empfängt. Die Zielleistungscharakteristiken können die Zusammensetzungsdaten für die chemische Formulierung einschließlich eines oder mehrerer Inhaltsstoffe angeben. Die Zielleistungscharakteristiken können Qualitätskriterien wie physikochemische Eigenschaften enthalten. Die Überwachungseinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie die Zusammensetzungsdaten an die Dosierausrüstung weitergibt und umgekehrt. Die Dosierausrüstung kann so konfiguriert sein, dass sie die Dosierung auf der Grundlage der bereitgestellten Zusammensetzungsdaten steuert.
Die Überwachungseinrichtung 306 kann so konfiguriert sein, dass sie ein oder mehrere Leistungscharakteristik(en) misst. Die Überwachungseinrichtung 306 kann so konfiguriert sein, dass sie die physikochemischen Eigenschaften oder jeden von den physikochemischen Eigenschaften abgeleiteten Wert mit dem/den gemessenen Leistungscharakteristik(en) vergleicht. Liegt der Vergleich innerhalb eines akzeptablen Bereichs oder Wertes, erfüllt die hergestellte chemische Formulierung die Qualitätskriterien. Liegt der Vergleich nicht innerhalb eines akzeptablen Bereichs oder Werts, erfüllt die hergestellte chemische Formulierung die Qualitätskriterien nicht. Im letzteren Fall kann die Überwachungseinheit so konfiguriert sein, dass sie einen Bediener benachrichtigt oder der Dosierausrüstung 302 angepasste Zusammensetzungsdaten zur Verfügung stellt.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Produktionslinie 300 zur Herstellung der chemischen Formulierung mit einer Validierungsvorrichtung 308.
Die Produktionslinie 300 kann Dosiereinrichtung(en) 302 enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie verschiedene Vorstufen der chemischen Formulierung im Herstellungsverfahren dosieren. Die Produktionslinie 300 kann ein Fördersystem 304 enthalten, um z.B. Flaschen, Kunststoffverpackungen oder andere geeignete Verpackungen zu transportieren, die mit der chemischen Formulierung gefüllt werden sollen. Die Produktionslinie 300 kann eine Validierungseinrichtung 308 enthalten, die so konfiguriert ist, dass die Herstellung der chemischen Formulierung validiert wird.
Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie eine bestehende Leistungscharakteristik der chemischen Formulierung empfängt (z.B. zwei oder mehr physikochemische Eigenschaften oder einen von den physikochemischen Eigenschaften abgeleiteten Wert). Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie ein Optimierungssignal auf der Grundlage der vorhandenen Leistungscharakteristik erzeugt. Das Optimierungssignal kann eine oder mehrere neue Vorstufe(n) umfassen. Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie ein oder mehrere Daten empfängt, die mit dem/den neuen Vorstufe(n) verbunden sind. Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie die neue(n) Vorstufe(n) für die Herstellung der chemischen Formulierung validiert. Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Leistungscharakteristik einer chemischen Formulierung, die unter Verwendung des neuen Optimierungssignals hergestellt wurde, und die vorhandene Leistungscharakteristik vergleicht. Auf diese Weise kann nicht nur die Herstellung der chemischen Formulierung, sondern auch ihre Anwendung validiert werden. Die Validierungseinrichtung 308 kann so konfiguriert sein, dass sie die Zusammensetzungsdaten einschließlich des/der neuen Vorstufe/Vorstufen an die Dosierausrüstung weiterleitet und umgekehrt.
Kombinationen und Modifizierungen der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen sind ebenfalls möglich. Beide Verfahren sind ein Beispiel für die Stärke der hier beschriebenen Verfahren. Dies ermöglicht eine vereinfachte und zuverlässigere Herstellung durch Überwachung der Herstellung der chemischen Formulierung oder durch Validierung neuer Vorstufe(n), die für die Herstellung der chemischen Formulierung verwendet werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bortz et al., Computers and Chemical Engineering 60 (2014) 354- 363 [0037]

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zur Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung, umfassend: (a) Empfangen von Eingabedaten, vorzugsweise über eine Eingabeeinheit (10), von mindestens einem Satz experimenteller Daten, der Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Komponenten und/oder der Formulierung und ein Zielproduktprofil, TPP, umfasst, das eine Mindestproduktanforderung umfasst. (b) Durchführung einer multikriteriellen Optimierung auf der Grundlage eines auf experimentellen Daten basierenden Berechnungsmodells über eine Verarbeitungseinheit (20); (c) Bereitstellung eines Optimierungssignals, vorzugsweise über eine Ausgabeeinheit (30), wobei das Optimierungssignal so konfiguriert ist, dass es, vorzugsweise über eine Steuereinheit (40), das Herstellungsverfahren der chemischen Formulierung steuert und/oder überwacht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die multikriterielle Optimierung auf dem Satz experimenteller Daten basiert, um eine Pareto-Grenze zu konstruieren, wobei der Satz experimenteller Daten mit mindestens zwei Zielsetzungen bewertet wird, die Qualitäten des Satzes experimenteller Daten messen, wobei Formulierungen auf der konstruierten Pareto-Grenze in Bezug auf die Zielsetzungen Pareto-optimal sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Optimierungsergebnisse so bereitgestellt werden, dass eine Navigation auf den Pareto-Grenzen möglich ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Optimierungsergebnisse so bereitgestellt werden, dass die gesamte Klasse von Ergebnissen, die durch den invarianten Unterraum abgedeckt wird, zugänglich ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Eingabedaten mittels der DoE-Technik (statistische Versuchsplanung) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formulierungsdaten Formulierungskomponenten und Mengen der Formulierungskomponenten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die statistische Versuchsplanung (DoE) auf einem Gaußschen Prozessmodell basiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die statistische Versuchsplanung (DoE) auf einem Kernelmodell basiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die chemische Produktionsanlage eine chemische Fabrik ist.
Einrichtung (110) zur Herstellung einer chemischen Formulierung in einer chemischen Produktionsanlage, vorzugsweise zur Führung der Herstellung einer chemischen Formulierung, umfassend: eine Eingabeeinheit (10); eine Ausgabeeinheit (30) und - eine Verarbeitungseinheit (20), die dafür konfiguriert ist: a) eine Benutzereingabe über die Eingabeeinheit zu empfangen, wobei die Benutzereingabe definiert: mindestens einen Satz experimenteller Daten, der Formulierungsdaten und/oder Prozessdaten und/oder physikochemische Schlüsseleigenschaften der Inhaltsstoffe und/oder der Formulierung sowie ein Zielproduktprofil (TPP) umfasst, umfassend eine Mindestproduktanforderung b) über die Verarbeitungseinheit (20) eine multikriterielle Optimierung auf der Grundlage eines Berechnungsmodells unter Verwendung experimenteller Daten durchzuführen c) über die Ausgabeeinheit die Optimierungsergebnisse bereitstellen.
System zur Bereitstellung einer Unterstützung bei der Optimierung von chemischen Formulierungen, umfassend: - eine Einrichtung nach Anspruch 10; und - einen Webserver, der so konfiguriert ist, dass er über eine Webseite und/oder ein vom Webserver bedientes Anwendungsprogramm eine Schnittstelle zu einem Benutzer bildet; wobei die Einrichtung so konfiguriert ist, dass sie einem Benutzer über die Webseite und/oder das Anwendungsprogramm eine grafische Benutzeroberfläche, GUI, zur Verfügung stellt.
Computerprogrammelement, umfassend Sätze von Anweisungen, wobei, wenn die Sätze von Anweisungen auf einem Prozessor der Einrichtung nach Anspruch 11 ausgeführt werden, die Sätze von Anweisungen die Einrichtung oder das System veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Verfahren zur Überwachung des Herstellungsverfahrens einer chemischen Formulierung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellung (220) einer Zielleistungscharakteristik einer chemischen Formulierung; - Bereitstellung (222) einer Leistungscharakteristik einer hergestellten chemischen Formulierung, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erzeugt wurde; und - Vergleich (224) der Leistungscharakteristik mit den Zielleistungscharakteristiken der chemischen Formulierung, um festzustellen, ob die hergestellte chemische Formulierung die vorgegebenen Qualitätskriterien erfüllt.
Verfahren zur Validierung der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellung (234) einer bestehenden Leistungscharakteristik für eine chemische Formulierung, die aus validierten Vorstufen hergestellt wurde; - Erzeugen (236) eines Optimierungssignals auf der Grundlage der vorhandenen Leistungscharakteristik gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Optimierungssignal einen Inhaltsstoffidentifikator und zugehörige Eigenschaftsdaten umfasst, die mit mindestens einer neuen Vorstufe verbunden sind; und - Vergleich einer Leistungscharakteristik einer chemischen Formulierung, die unter Verwendung des Optimierungssignals hergestellt wurde, und der vorhandenen Leistungscharakteristik, um die mindestens eine neue Vorstufe zu validieren.
Einrichtung zum Überwachen der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei die Einrichtung eine oder mehrere Verarbeitungseinheit(en) umfasst, die zum Überwachen der Herstellung konfiguriert ist/sind, wobei die Verarbeitungseinheit(en) Anweisungen enthält/enthalten, die, wenn sie auf der/den einen oder mehreren Verarbeitungseinheit(en) ausgeführt wird/werden, die Verfahrensschritte von Anspruch 13 ausführen.
Einrichtung zur Validierung der Herstellung einer chemischen Formulierung, wobei die Einrichtung eine oder mehrere Verarbeitungseinheit(en) umfasst, die so konfiguriert ist/sind, dass sie die Herstellung validieren, wobei die Verarbeitungseinheit(en) Anweisungen enthält/enthalten, die, wenn sie auf der/den einen oder mehreren Verarbeitungseinheit(en) ausgeführt wird/werden, die Verfahrensschritte von Anspruch 14 ausführen.
Verwendung des Optimierungssignals, das in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bereitgestellt wird, zur Qualitätssteuerung und/oder zu Verifizierungszwecken.