Monitoring and forecasting of the critical parameters in cleanrooms for the manufacture of sterile medicinal products

The global changes of the last few years have exposed the nature of the system solutions that have historically been considered good enough. With this academic course of study, I had the opportunity to complete my experience in the pharmaceutical domain. Therefore, it was natural to choose, as the subject of the thesis, the design, and development of an Environmental Monitoring System (EMS) in the context of clean rooms for constant monitoring of medicines managed in compliance according to pharmaceutical regulations. Selected instruments, connected to Edge computing, provide accurate real-time measurements. Adopting edge computing within my automated data-driven solution bolsters the achievement of operational excellence that resolves the issues typically associated with manual monitoring and data handling: inaccurate measurements, unreliable recording processes, and slow data availability. The process controller and the SCADA are components of edge computing. The process controller includes the input/output subsystem to connect the physical devices effectively. Device libraries containing instructions embedded in the controller firmware are used for programming. The SCADA includes a real-time data feed system and a human-machine interface. A graphic framework provides templates for displays and alarms. Each library instruction configured in the controller has an associated display file that provides a common graphical interface. User authentication and authorization features are available for security management. OPC UA and MQTT gateways transfer information to cloud computing, prevent data siloed, and avoid significant effort in data preparation. Within the cloud solution, the gathered information is stored in a time series database for analysis and reporting and accessed from any location with any portable device. The selection of a specific database for time series data is important for many reasons: scaling in terms of the amount of data generated, automatic age out and compression of data, the intrinsic value of the data that increases in the presence of time and with the analysis of information in datasets, down sampling to compute summaries for long term views of data. The data scientists can investigate stored information on the cloud to solve problems across multiple vectors of data sources analyzing information in real-time increasing the knowledge of the studied domains and carrying out estimation and forecasting of univariate time series models. The analysis of the 'digital persona' is an important factor that I took into consideration in the thesis.

I cambiamenti globali degli ultimi anni hanno rimesso in gioco la natura dei sistemi che storicamente erano considerati buoni. Con questo percorso di studi accademici ho avuto l’opportunità di completare la mia esperienza nel dominio farmaceutico. È stato quindi naturale scegliere, come soggetto della tesi, la progettazione e lo sviluppo di un Environmental Monitoring System (EMS) nell’ambito delle camere bianche per il costante monitoraggio dei medicinali gestiti in compliance secondo le regole farmaceutiche. Gli strumenti selezionati, connessi all’Edge computing, forniscono accurate misurazioni real-time. Includendo quest’ultimo nella mia soluzione di automazione per la gestione dei dati, viene rafforzato il raggiungimento dell’eccellenza operativa. Sono così risolte le problematiche tipicamente associate alla gestione manuale delle informazioni: la non accuratezza delle misure, il processo di memorizzazione dei dati non affidabile e la lentezza nell’acquisizione degli stessi. Il controllore del processo e lo SCADA sono entrambi componenti dell’Edge computing. Il controllore include il sottosistema di gestione degli input/output per la connessione degli strumenti. Le librerie dei dispositivi che contengono le istruzioni integrate nel firmware del controllore sono state utilizzate nella programmazione. Lo SCADA include un sistema che acquisisce i dati in tempo reale e l’interfaccia uomo-macchina. Un framework grafico include i templates per la gestione delle pagine grafiche e degli allarmi. Ogni istruzione di libreria configurata nel controllore ha associato un file di visualizzazione che fornisce un’interfaccia grafica comune. Per la gestione della sicurezza sono disponibili le funzionalità di autenticazione e autorizzazione degli utenti. I gateway OPC UA e MQTT trasferiscono le informazioni al cloud computing evitando l’isolamento dei dati e il significativo sforzo nella loro preparazione. In quest’ultimo le informazioni raccolte sono memorizzate in un Time Series database per analisi e reporting, accessibili da qualsiasi luogo con qualsiasi dispositivo mobile. La selezione di uno specifico database per la memorizzazione dei dati storici è importante per differenti motivi: l’alto volume di dati generati, funzioni di cancellazione automatica e compressione, valore intrinseco del dato che aumenta in presenza del tempo e con l’analisi delle informazioni in dataset, down sampling per memorizzare i dati a lungo termine. I data scientist possono accedere alle informazioni sul cloud per analizzare le serie temporali in real-time, incrementando la conoscenza del dominio applicativo ed effettuando attività di forecasting. L’analisi della “persona digitale” è un importante fattore tenuto in considerazione nella tesi.