Advanced process control of a fluid bed dryer granulator using near infrared sensing technology: An educational tool

Abstract

In this work, the design of an advanced process control strategy for a batch fluid bed dryer was achieved. This accomplishment will become an educational tool for the Center for Pharmaceutical Development and Learning (CPEDaL) and for the Chemical Engineering Department at University of Puerto Rico Mayaguez Campus (UPR-RUM). The design of the control system was implemented from the ground up, comprising several stages such as identification of the dynamic response of the process, model fitting, design of controllers and integration of Process Analytical Technologies (PAT) in a real industrial process control environment such as DeltaV. Calibration curves for auxiliary equipment, a gain scheduling PI and a PI-D controller, a model predictive controller, a Near Infrared (NIR) and two drying models were obtained. Additionally, this work brought forth the challenges of system integration related to the communication of distributed control systems with advances of sensing techniques such as NIR. Furthermore, the troubleshooting process involved to solve such issues was also addressed. Therefore, this project has the potential to benefit chemical engineering students at UPR- RUM by becoming a class companion for the process control and the pharmaceutical operations class from the minor concentration in pharmaceutical engineering of UPR-RUM. Additionally, this work has the potential to serve as demonstration of educational activities for high school students aspiring to participate in CPEDaL's yearly educational activities.

En este trabajo se desarrolló el diseño de una estrategia avanzada de control de procesos para un secador de lecho fluido por lotes. Este trabajo se convertirá en una herramienta educativa para el Centro para la Educación y Aprendizaje de ingeniería farmacéutica (CPEDaL por sus siglas en inglés) y para el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Puerto Rico- Recinto Universitario de Mayaguez (UPR-RUM). El diseño del sistema de control se implementó desde cero, comprendiendo varias etapas como la identificación de la respuesta dinámica del proceso, desarrollo de modelos de predicción, diseño de controladores e integración de Tecnologías Analíticas de Procesos (PAT por sus siglas en inglés) en un entorno real de control de procesos industriales como lo es DeltaV. Se obtuvieron curvas de calibración para equipos auxiliares, un controlador PI gain scheduling y un controlador PI-D, un controlador de modelo predictivo, un modelo de predicción de humedad por Infrarrojo cercano (NIR) y dos modelos de secado. Además, este trabajo ilustra los desafíos relacionados con las comunicaciones e integración de técnicas de detección como NIR en sistemas de control distribuido. Además, el proceso de resolución de dichos problemas de comunicación fue también señalado. Por lo tanto, este proyecto tiene el potencial de beneficiar a los estudiantes de ingeniería química del RUM al convertirse en una referencia para la clase de control de procesos y la clase de operaciones farmacéuticas de la concentración menor en ingeniería farmacéutica del RUM. Adicionalmente, este trabajo tiene el potencial de servir como demostración interactiva de un proceso farmacéutico para estudiantes de escuela secundaria que participan en las actividades educativas anuales del CPEDaL.