Dokument-ID Dokumenttyp Autoren/innen Persönliche Herausgeber/innen Haupttitel Abstract Auflage Verlagsort Verlag Herausgeber (Institution) Erscheinungsjahr Titel des übergeordneten Werkes Jahrgang/Band ISBN Veranstaltung Veranstaltungsort Beginndatum der Veranstaltung Enddatum der Veranstaltung Ausgabe/Heft Erste Seite Letzte Seite URN DOI Lizenz Datum der Freischaltung OPUS4-37389 Vortrag Kern, Simon Ugly Spectra and Lousy interfaces - Challenges for Compact NMR Spectroscopy in Process Control With the introduction of advanced process analytical technology, the closeness of key process variables to their limits can be directly controlled and the product can be classified or even released in real time. Compact NMR instruments can make NMR spectroscopy accessible in industrial and harsh environments for process control. 2016 ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2016 Aachen, Germany 12.09.2016 15.09.2016 urn:nbn:de:kobv:b43-373895 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2016-09-19 OPUS4-37405 Vortrag Kern, Simon Ugly spectra and lousy interfaces - challenges for compact NMR spectroscopy in process control With the introduction of advanced process analytical technology, the closeness of key process variables to their limits can be directly controlled and the product can be classified or even released in real time. Compact NMR instruments can make NMR spectroscopy accessible in industrial and harsh environments for process control. 2016 ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2016 Aachen, Germany 12.09.2016 15.09.2016 2016-09-19 OPUS4-43551 Vortrag Kern, Simon Process monitoring of intensified continuous production units with compact NMR spectroscopy Monitoring chemical reactions is the key to chemical process control. Today, mainly optical online methods are applied. NMR spectroscopy has a high potential for direct loop process control. Compact NMR instruments based on permanent magnets are robust and inexpensive analysers, which feature advantages like low maintenance, ease of use, and cryogen-free operation. Instruments for online NMR measurements equipped with a flow-through cell, possessing a good signal-to-noise-ratio, robustness, and meeting the requirements for integration into industrial plants (i.e., explosion safety and fully automated data analysis) are currently not available off the rack. Intensified continuous processes are in focus of current research. Flexible (modular) chemical plants can produce different products using the same equipment with short down-times between campaigns and quick introduction of new products to the market. In continuous flow processes online sensor data and tight closed-loop control of the product quality are mandatory. Otherwise there is a huge risk of producing large amounts of out-of-spec (OOS) products. This is addressed in the European Union's Research Project CONSENS (www.consens-spire.eu) by development and integration of smart sensor modules for process monitoring and control within such modular plant setups. The presented NMR module is provided in an explosion proof housing with a module size of 57 x 57 x 85 cm and involves a compact 43.5 MHz NMR spectrometer together with an acquisition unit and a programmable logic controller for automated data preparation (phasing, baseline correction) and evaluation. Indirect Hard Modeling (IHM) was selected for data analysis of the low-field NMR spectra. A set-up for monitoring continuous reactions in a thermostated 1/8" tubular reactor using automated syringe pumps was used to validate the IHM models by using high-field NMR spectroscopy as analytical reference method. 2017 Seminar, Institute of Technical Biocatalysis, Hamburg University of Technology Hamburg, Germany 13.01.2017 13.01.2017 2018-01-02 OPUS4-35444 Vortrag Kern, Simon Online low-field NMR spectroscopy of an industrial lithiation reaction step for process control Online monitoring and process control requires fast and noninvasive analytical methods, which are able to monitor the concentration of reactants in multicomponent mixtures with parts-per-million resolution. Online NMR spectroscopy can meet these demands when flow probes are directly coupled to reactors, since this method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method being independent on the matrix. Due to improved magnet design and field shimming strategies portable and robust instruments have been introduced to the market by several manufacturers during the last few years. First studies with this technology showed promising results to monitor chemical reaction in the laboratory. Within the project CONSENS, the continuous production of high-value products in small production scale is advanced by introducing benchtop NMR spectroscopy. CONSENS is a research and innovation project on integrated control and sensing for sustainable operation of flexible intensified processes. This poster will present the first steps of the process integration of a benchtop NMR instrument for a lithiation process and outlines further fields of activity and potential challenges. Hereby, the following issues are going to be addressed: explosion-proof housing for the spectrometer, automation of signal processing (data pretreatment, evaluation and communication to the control system), flow cells and measuring conditions. Furthermore, first online spectra of the lithiation reaction in batch mode were acquired in lab scale. The reaction was performed in a 25 mL glass reactor with thermal jackets for temperature control of the reaction mixture. The Li-HMDS was dosed stepwise by using a glass syringe. First spectra in the proton and fluorine domain were recorded online using a flowrate of 3.5 mL min-1 and a simple 5 mm polytetrafluoroethylene tube (PTFE) as a flow cell. 2016 10. Interdisziplinaeres Doktorandenseminar Fachgruppe "Analytische Chemie" der GDCh Berlin, Germany 28.02.2016 urn:nbn:de:kobv:b43-354443 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2016-03-16 OPUS4-38981 Vortrag Kern, Simon Online low-field NMR spectroscopy in modular plants for chemical production Die Online-Reaktionsverfolgung ist der Schlüssel zur chemischen Prozesskontrolle. Heute werden in diesem Bereich hauptsächlich Methoden der optischen Spektroskopie eingesetzt. Durch aktuelle Entwicklungen im Bereich kompakter Niederfeld-NMR-Spektrometer auf Basis von Permanentmagnetsystemen ist erstmals auch die Integration unmittelbar in einer industriellen Produktionsumgebung möglich. Diese Geräte sind robuste und relativ preiswerte Analysatoren, welche die Vorteile eines wartungsfreundlichen Betriebs ohne Notwendigkeit von kryogenen Flüssigkeiten, sowie eine einfache Handhabung vereinen. Aktuell auf dem Markt verfügbare Geräte sind jedoch ausschließlich auf den Einsatz im Laborbetrieb ausgerichtet. Für die Kopplung als Online-Methode im Prozesseinsatz ist die Entwicklung geeigneter Durchflusszellen notwendig. Diese ermöglichen idealerweise ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, eine ausreichende Robustheit und müssen die Anforderungen an die Integration in industrielle Anlagen erfüllen (z.B. Explosionsschutz, Temperierung). Intensivierte kontinuierliche Prozesse stehen im Fokus der aktuellen Forschung. Im Vergleich zu etablierten Batch-Verfahren besteht in modularen chemischen Anlagen die Möglichkeit durch kurze Umrüstzeiten zwischen Kampagnen effektiv auf die Marktentwicklung zu reagieren. Bei kontinuierlicher Prozessführung sind Online-Sensoren und eine zuverlässige und schnelle Regelung der Produktqualität essentiell. Andernfalls besteht ein großes Risiko, große Mengen nicht-spezifikationskonformer Produkte zu erhalten. Dies wird im Rahmen des Forschungsprojekts CONSENS (Integrated Control and Sensing) der Europäischen Union durch die Entwicklung und Integration intelligenter Sensormodule zur Prozessüberwachung und -steuerung in modularen Anlagenkonzepten thematisiert. Das vorgestellte NMR-Analysatormodul mit der Baugröße von 57 x 57 x 85 cm basiert auf einem kompakten 43,5-MHz-NMR-Spektrometer. Dieses ist zusammen mit einem Akquisitionsrechner und einer programmierbaren Steuerung für die automatisierte Daten-aufbereitung (Phasing, Baseline-Korrektur) und Auswertung in ein explosionsgeschütztes Gehäuse integriert. Für die automatisierte Datenanalyse kommt die Methode des Indirect Hard Modelings (IHM) zum Einsatz. Die entwickelten IHM-Modelle werden mittels Online-Hochfeld-NMR-Spektroskopie als Referenzverfahren in einem Versuchsaufbau zur Überwachung kontinuierlicher Reaktionen auf Basis eines mit Spritzenpumpen betriebenen 1/8" Rohrreaktors validiert. 2017 Praktische Probleme der Kernresonanzspektroskopie Erlangen, Germany 16.01.2017 17.01.2017 urn:nbn:de:kobv:b43-389819 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2017-01-23 OPUS4-40969 Vortrag Kern, Simon; Maiwald, Michael Low field NMR spectroscopy for process control - robust automated data preparation and analysis as prerequisites Berichtet wird über die automatisierte und spektral-modellgestützte Datenauswertung quantitativer Online-NMR-Spektren von technischen Systemen, die einen grundlegenden Beitrag zum Thematik Smart Sensors im Sinne kalibrierarmer bzw. kalibrierfreier Verfahren liefern. Die quantitative Online-NMR-Spektroskopie ist besonders reizvoll für diese Thematik: Sie kommt durch den direkten Nachweis der Kernspins ohne Kalibrierung aus und arbeitet auch in Konzentrationsrandbereichen äußerst linear. Als „absolute Vergleichsmethode" (direkte Proportionalität der Signale zu den Stoffmengen innerhalb eines Spektrums) ist die NMR-Spektroskopie für die durchgeführten Grundlagenuntersuchungen im Zusammenhang mit spektralen Modellen prädestiniert. 2017 Seminar des Institut für Mathematik, Universität Rostock Rostock, Germany 12.07.2017 12.07.2017 urn:nbn:de:kobv:b43-409694 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2017-07-13 OPUS4-39233 Vortrag Kern, Simon Low field NMR spectroscopy for sustainable and flexible production of high quality chemical products The main development goal of process industries is to advance the continuous production of high-value products that meet high quality demands in flexible intensified continuous plants by introducing novel online sensing equipment and closed-loop control (CONSENS - integrated control and sensing- is funded from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme). Therefore, we present the field integration of a benchtop NMR instrument into a modular production environment, focussing on suitable equipment for operation in hazardous areas with risk of explosive atmospheres. We investigated a pharmaceutical reaction step in order to describe challenges for the experimental design, the evaluation of complex NMR spectra and demonstrate automated data analysis tools. 2017 5th Panic - Practical Applications of NMR in Industry Conferece Hilton Head Island, SC 29928, USA 20.02.2017 23.02.2017 urn:nbn:de:kobv:b43-392333 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2017-02-24 OPUS4-49825 Vortrag Abele, M.; Kern, Simon Industrielle Anwendungen der Niederfeld-NMR-Spektroskopie für die Prozess- und Qualitätskontrolle von Silanen Trialkoxysilane haben sich in den vergangenen Jahren als vielseitig einsetzbare Organosilane erwiesen. Die Einsatzgebiete erstrecken sich vom Witterungsschutz von Bauwerken über haftvermittelnde Eigenschaften in der Glasfaserindustrie, bei Dicht- und Klebstoffen, in Farben und Lacken bis hin zur Modifizierung von polymeren Werkstoffen. Kommerzielle Benchtop-NMR-Spektrometer haben das Potential auch im Bereich der Silanchemie als Online-Methode zur Reaktionsüberwachung und für die Qualitätskontrolle eingesetzt zu werden. Interessante NMR-Kerne für die oben genanntem Produkte sind 1H und 29Si. In einer gemeinsamen Forschungskooperation zwischen EVONIK und BAM wurde anhand verschiedener Fallstudien die Anwendbarkeit der Niederfeld-NMR-Spektroskopie zur chemischen Analyse von Silanen evaluiert. Im Zuge der Fallstudien wurde gezeigt, wie Niederfeld-NMR-Spektroskopie die Möglichkeiten der Konzentrationsmessung auf neue Anwendungsgebiete erweitert, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können. Fallstudie 1: Oligomerisierung Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit einer geeigneten Online-NMR-Analytik zu beobachten, den Reaktionsfortschritt der Hydrolyse und Kondensation auf dieser Basis besser zu verstehen und zu optimieren. Zu diesem Zweck werden durch Zugabe von Wasser zunächst die Alkoxysubstituenten eines Trialkoxysilans hydrolysiert und entsprechende Silanole gebildet. Diese können dann über eine SiOH-Funktion an den zu modifizierenden Werkstoff anbinden und über weitere Silanolgruppen unter Ausbildung von Siloxaneinheiten vernetzen. Fallstudie 2: Spaltung von cyclischen Silanverbindungen In einer weiteren Fallstudie wurde die Kinetik der Aufspaltungen einer cyclischen Silanverbindung untersucht. Die Online-NMR-Analytik kam hierbei sowohl im Labor als auch in der industriellen Produktionsanlage zum Einsatz. Hierfür wurde eine vollständig automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht. Fallstudie 3: Qualitätskontrolle für Produktmischungen von Trialkoxysilanen Für Produktmischungen eines Trialkoxysilans und weiteren Bestandteilen wie u. a. org. Stabilisatoren, Organozinnverbindungen, eines aromatischen Amins und org. Peroxide wurden quantitative 1H-Spektren akquiriert und eine automatische Auswertungsmethode basierend auf Indirect Hard Modeling (IHM) entwickelt. Für die Nebenkomponenten, deren Stoffmengenanteile bis zu 3 Mol-% betragen, wurden durch die zugrunde gelegte Methode typischerweise korrekte experimentelle Stoffmengenanteile gefunden, die weniger als 0,2 Mol-% vom Referenzwert abweichen. 2019 15. Kolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik Marl, Germany 25.11.2019 27.11.2019 2019-12-02 OPUS4-40282 Vortrag Kern, Simon Design and validation of a compact NMR analyser Monitoring chemical reactions is the key to chemical process control. Today, mainly optical online methods are applied. NMR spectroscopy has a high potential for direct loop process control. Compact NMR instruments based on permanent magnets are robust and relatively inexpensive analysers, which feature advantages like low cost, low maintenance, ease of use, and cryogen-free operation. Instruments for online NMR measurements equipped with a flow-through cell, possessing a good signal-to-noise-ratio, sufficient robustness, and meeting the requirements for integration into industrial plants (i.e., explosion safety and fully automated data analysis) are currently not available off the rack. Intensified continuous processes are in focus of current research. Flexible (modular) chemical plants can produce different products using the same equipment with short down-times between campaigns and quick introduction of new products to the market. In continuous flow processes online sensor data and tight closed-loop control of the product quality are mandatory. If these are not available, there is a huge risk of producing large amounts of out-of-spec (OOS) products. This is addressed in the European Union's Research Project CONSENS (Integrated Control and Sensing) by development and integration of smart sensor modules for process monitoring and control within such modular plant setups. The presented NMR module is provided in an explosion proof housing of 57 x 57 x 85 cm module size and involves a compact 43.5 MHz NMR spectrometer together with an acquisition unit and a programmable logic controller for automated data preparation (phasing, baseline correction) and evaluation. Indirect Hard Modeling (IHM) was selected for data analysis of the low-field NMR spectra. A set-up for monitoring continuous reactions in a thermostated 1/8" tubular reactor using automated syringe pumps was used to validate the IHM models by using high-field NMR spectroscopy as analytical reference method. 2017 EuroPACT 2017 Potsdam, Germany 10.05.2017 12.05.2017 urn:nbn:de:kobv:b43-402822 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2017-05-18 OPUS4-39399 Vortrag Kern, Simon Automated data preparation and spectral modeling For reaction monitoring and process control using NMR instruments, in particular, after acquisition of the FID the data needs to be corrected in real-time for common effects using fast interfaces and automated methods. Conventionally, sensors have to be calibrated in a first step to find a response curve between the sensor signal and physical or chemical properties of the sample. In a second step, a model of the response between these parameters (e.g., concentrations) and the targeted quality specifications is needed. Thanks to the direct proportionality of the molar concentrations and the NMR signal, it could directly be used in the near future to relate the process target quality specification to sensor data - also in combination with multiple other sensor or process information. 2017 qNMR Summit 2017 Berlin, Germany 16.03.2017 17.03.2017 urn:nbn:de:kobv:b43-393998 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de 2017-03-17 OPUS4-44680 Vortrag Kern, Simon Already Analyzing or Still Calibrating? - Demonstration of an online NMR analyzer in pilot scale The departure from the current automation landscape to next generation automation concepts for the process industry has already begun. Smart functions of sensors simplify their use and enable plug-and-play integration, even though they may appear to be more complex at first sight. Monitoring specific information (i.e., "chemical" such as physico-chemical properties, chemical reactions, etc.) is the key to "chemical" process control. Here we introduce our smart online NMR sensor module provided in an explosion proof housing as example. Due to NMR spectroscopy as an "absolute analytical comparison method", independent of the matrix, it runs with extremely short set-up times in combination with "modular" spectral models. Such models can simply be built upon pure component NMR spectra within a few hours (i.e., assignment of the NMR signals to the components) instead of tedious calibrations runs. We present a range of approaches for the automated spectra analysis moving from statistical approach, (i.e., Partial Least Squares Regression) to physically motivated spectral models (i.e., Indirect Hard Modelling and Quantum Mechanical calculations). Based on concentration measurements of reagents and products by the NMR analyzer a continuous production and direct loop process control were successfully realized for several validation runs in a modular industrial pilot plant and compared to conventional analytical methods (HPLC, near infrared spectroscopy). The NMR analyser was developed for an intensified industrial process funded by the EU's Horizon 2020 research and innovation programme ("Integrated CONtrol and SENsing", www.consens-spire.eu). 2018 analytica conference 2018 München, Germany 10.04.2018 13.04.2018 2018-04-12 OPUS4-46377 Vortrag Kern, Simon Advances of Model-Based Data Evaluation Concepts for Quantitative Online NMR Spectroscopy The departure from the current automation landscape to next generation automation concepts for the process industry has already begun. Smart functions of sensors simplify their use and enable plug-and-play integration, even though they may appear to be more complex at first sight. Monitoring specific information (i.e., "chemical" such as physico-chemical properties, chemical reactions, etc.) is the key to "chemical" process control. Here we introduce our smart online NMR sensor module used for process characterisation and optimisation. Due to NMR spectroscopy as an "absolute analytical comparison method", independent of the matrix, it runs with extremely short set-up times in combination with "modular" spectral models. Such models can simply be built upon pure component NMR spectra within a few hours (i.e., assignment of the NMR signals to the components) instead of tedious calibrations runs. We present a range of approaches for the automated spectra analysis moving from statistical approach, (i.e., Partial Least Squares Regression) to physically motivated spectral models (i.e., Indirect Hard Modelling and Quantum Mechanical calculations). Based on concentration measurements of reagents and products by online NMR spectroscopy a continuous production and direct loop process control were successfully realized for several validation runs in a modular industrial pilot plant and compared to conventional analytical methods (HPLC, near infrared spectroscopy). The NMR module was developed for an intensified industrial process funded by the EU's Horizon 2020 research and innovation programme ("Integrated CONtrol and SENsing", www.consens-spire.eu). 2018 SciX 2018 Atlanta, GA, USA 22.10.2018 26.10.2018 2018-10-29