TY - JOUR A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, Simon A1 - Zientek, Nicolai A1 - Guthausen, G. A1 - Maiwald, Michael T1 - Process control with compact NMR N2 - Compact nuclear magnetic resonance (NMR) instruments make NMR spectroscopy and relaxometry accessible in industrial and harsh environments for reaction and process control. An increasing number of applications are reported. To build an interdisciplinary bridge between “process control” and “compact NMR”,we give a short overviewon current developments in the field of process Engineering such as modern process design, integrated processes, intensified processes along with requirements to process control, model based control, or soft sensing. Finally, robust field integration of NMR systems into processes environments, facing explosion protection or Integration into process control systems, are briefly discussed. KW - Prozessanalytik KW - Quantitative NMR-Spektroskopie KW - Industrie 4.0 KW - Reaction monitoring KW - Process control KW - Online NMR spectroscopy KW - Compact NMR PY - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-373562 UR - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165993616300073 SN - 0165-9936 VL - 83 IS - Part A / SI SP - 39 EP - 52 PB - Elsevier AN - OPUS4-37356 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zientek, Nicolai A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, Simon A1 - Maiwald, Michael T1 - Quantitative online NMR spectroscopy in a nutshell N2 - Online NMR spectroscopy is an excellent tool to study complex reacting multicomponent mixtures and gain process insight and understanding. For online studies under process conditions, flow NMR probes can be used in a wide range of temperature and pressure. This paper compiles the most important aspects towards quantitative process NMR spectroscopy in complex multicomponent mixtures and provides examples. After NMR spectroscopy is introduced as an online method and for technical samples without sample preparation in deuterated solvents, influences of the residence time distribution, pre-magnetization, and cell design are discussed. NMR acquisition and processing parameters as well as data preparation methods are presented and the most practical data analysis strategies are introduced. KW - Prozessanalytik KW - Process analytical technology KW - Online NMR spectroscopy KW - Online monitoring PY - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201500120 SN - 0009-286X VL - 88 IS - 6 SP - 698 EP - 709 PB - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA CY - Weinheim, Germany AN - OPUS4-36333 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kern, Simon A1 - Meyer, Klas A1 - Maiwald, Michael T1 - NMR-Spektroskopie im Feld - Eine neue Online-Methode für die Prozesskontrolle N2 - Flexible, modulare Produktionsanlagen auf der Basis von verfahrenstechnischen Teilmodulen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. Der Schwerpunkt des Horizont-2020-Projekts der Europäischen Kommission CONSENS (Integrated Control and Sensing) liegt in der Implementierung von innovativen Sensorkonzepten zur Prozessüberwachung und -regelung innerhalb von containerbasierten modularen Produktionsan lagen. In diesem Artikel wird die Feldintegration eines Online-NMR-Sensors als smartes Modul für die Prozesskontrolle beschrieben. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMRSpektrometer, das zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die spektrale Datenauswertung erstellt. Nachdem die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit des Sensorkonzeptes in Laborexperimente an einer aromatischen Substitutionsreaktion bereits erfolgreich demonstriert wurde, ist die Inbetriebnahme des NMR-Sensormoduls in industrieller Umgebung für 2017 geplant. KW - Prozessanalytik KW - Reaction monitoring KW - Industrie 4.0 KW - Online-NMR-Spektroskopie KW - CONSENS KW - Prozess-Sensoren PY - 2016 SN - 2190-4111 VL - 58 IS - 12 SP - 21 EP - 25 PB - DIV Deutscher Industrieverlag GmbH CY - München AN - OPUS4-38675 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Guhl, Svetlana A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, Simon A1 - Gräßer, Patrick A1 - Maiwald, Michael T1 - Process monitoring of an intensified continuous production unit with compact NMR spectroscopy N2 - 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 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. T2 - Workshop for Process Industry - Tackling the Future of Plant Operation CY - Frankfurt am Main, Germany DA - 25.01.2017 KW - Online NMR spectroscopy KW - Process analytical technology KW - Prozessanalytik KW - Process control KW - CONSENS PY - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-391386 AN - OPUS4-39138 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kern, Simon A1 - Maiwald, Michael T1 - Low field NMR spectroscopy for process control - robust automated data preparation and analysis as prerequisites T1 - Niederfeld NMR-Spektroskopie für die Prozesskontrolle – Robuste und automatisierte Datenvorbehandlung und Datenanalyse als Grundvoraussetzungen N2 - 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. T2 - Seminar des Institut für Mathematik, Universität Rostock CY - Rostock, Germany DA - 12.07.2017 KW - Prozessanalytik KW - Prozess-Sensoren 4.0 KW - Online NMR Spektroskopie KW - Indirect Hard Modeling PY - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-409694 AN - OPUS4-40969 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kern, Simon A1 - Guhl, Svetlana A1 - Meyer, Klas A1 - Paul, Andrea A1 - Wander, Lukas A1 - Gräßer, Patrick A1 - Maiwald, Michael T1 - Design and Validation of a Compact NMR Analyser N2 - 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 Unionʼs 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. T2 - 4th European Conference on Process Analytics and Control Technology (EuroPACT 2017) CY - Potsdam, Germany DA - 10.05.2017 KW - Prozessanalytik KW - Reaction Monitoring KW - Online NMR Spectrsocopy KW - Process Analytical Technology KW - Industrie 4.0 KW - EuroPACT PY - 2017 SP - 72 EP - 73 CY - Frankfurt a. M. AN - OPUS4-40229 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Guhl, Svetlana A1 - Kern, Simon A1 - Meyer, Klas A1 - Wander, Lukas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Maiwald, Michael T1 - Produzieren Sie schon oder kalibrieren Sie noch? – Online-NMR-Spektrometer als Smarte Feldgeräte N2 - Der Vortrag zeigt allgemeine Anforderungen an "smarte Feldgeräte" und deren Entwicklung in den vergangenen Jahren. Am Beispiel eines smarten Online-NMR-Sensors, der in einem EU-Projekt von der BAM entwickelt wurde, wird die Umsetzung der Anforderung aufgezeigt. Schließlich werden weitere Technologieanforderungen und Lösungsansätze vorgestellt. T2 - ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen CY - Aachen, Germany DA - 10.09.2018 KW - Prozessanalytik KW - Prozessindustrie KW - Online-NMR-Spektroskopie KW - Datenkonzepte KW - Datenanalyse KW - CONSENS PY - 2018 UR - https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cite.201855229 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201855229 SN - 0009-286X N1 - Geburtsname von Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. - Birth name of Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. VL - 90 IS - 9 SP - 1236 EP - 1236 PB - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA CY - Weinheim AN - OPUS4-45901 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gottu Mukkula, A. R. A1 - Engell, S. A1 - Kern, Simon A1 - Guhl, Svetlana A1 - Meyer, Klas A1 - Maiwald, Michael T1 - PAT-basierte iterative Optimierung der Fahrweise eines kontinuierlichen organischen Syntheseprozesses N2 - Im Zuge der Digitalisierung der Prozessindustrie werden zunehmend modellbasiere Echtzeitoptimierungsverfahren eingesetzt, sog. „Advanced Process Control“. Mithilfe der sogenannten Modifier-Adaptation ist eine iterative Betriebspunktoptimierung auch mit ungenauen Modellen möglich, sofern zuverlässige Prozessdaten zur Verfügung stehen. Am Beispiel eines smarten Online-NMR-Sensors, der in einem EU-Projekt von der BAM entwickelt wurde, konnte das Konzept in einer modularen Produktionsanlage zur Herstellung eines pharmazeutischen Wirkstoffs erfolgreich getestet werden. T2 - ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen CY - Aachen, Germany DA - 10.09.2018 KW - Prozessanalytik KW - Echtzeitoptimierungsverfahren KW - Modifier-Adaptation KW - Prozess-Steuerung KW - Betriebspunktoptimierung KW - CONSENS PY - 2018 UR - https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cite.201855233 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201855233 SN - 0009-286X VL - 90 SP - 1237 EP - 1237 PB - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA CY - Weinheim AN - OPUS4-45902 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kern, Simon T1 - Prozessüberwachung mittels Niederfeld-NMR-Spektroskopie als Online-Methode N2 - Die Geräteentwicklungen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie im vergangenen Jahrzehnt ermöglichen den Einsatz kompakter, portabler Magnete mit geringen Streufeldern in Laborumgebungen und industriellen Produktionsanlagen. Somit werden neue Möglichkeiten für hochauflösende NMR-Experimente zur Reaktionsüberwachung eröffnet. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurden die Möglichkeiten dieser Methode umfassend anhand einer technisch bedeutenden Reaktion (elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen) evaluiert. Um die Flexibilität einer kontinuierlichen und modularen Pilotanlage durch Echtzeit- Qualitätskontrolle zu fördern, wurde ein vollständig automatisiertes Online- NMR-Modul entwickelt. Der Einsatz eines kommerziellen Niederfeld-NMR-Geräts im industriellen Umfeld wurde durch die entwickelten Lösungen der automatisierten Datenanlyse sowie durch ein zertifiziertes Sicherheitskonzept für den Betrieb in explosionsgefährdeten Zonen ermöglicht. Neben der Überwachung der Produktqualität wurden Online-NMR-Daten in einem neuen iterativen Optimierungsansatz zur Maximierung des Anlagenertrags eingesetzt und dienten als zuverlässige Referenz für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers. Für die Entwicklung einer robusten Datenauswertung der NMR-Spektren, die dem Anspruch der Flexibilität bei Produktwechseln genügt, wurden zunächst Versuche im Labormaßstab durchgeführt, um eine Datenbasis zu schaffen. In diesen Versuchen wurden die aromatischen Amine Anilin, p-Toluidin und p-Fluoranilin mit o-Fluornitrobenzol gekoppelt. Durch Zugabe einer Organolithium-Verbindung (Li- HMDS) findet ein Protonenaustausch zwischen dem primären Amin und Li-HMDS statt. Dies führt zu einer hohen Reaktionsenthalpie und instabilen Aryllithium-Verbindungen. Die Reaktionen wurden hinsichtlich anfallender Zwischenprodukte mittels Hochfeld-NMR-Spektroskopie analysiert. Nachfolgend wurden die Reaktionen sowohl im Semi-Batch-Verfahren als auch im kontinuierlichen Laborbetrieb mit Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie und Online- Hochfeld-NMR-Spektroskopie untersucht. Da die gemessenen NMR-Spektren besonders im aromatischen Spektralbereich hohe Signalüberlappungen der Reaktanden aufweisen, wurden chemometrische Modelle entwickelt und anhand der Hochfeld-NMR-Methode validiert. Die verwendeten Durchflusszellen für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie wurden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für quantitative Messungen im kontinuierlichen Durchfluss untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Messungen mit einer additiv gefertigten Keramikdurchflusszelle prinzipiell möglich sind. KW - NMR-Spektroskopie KW - Niederfeld-NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Industrie 4.0 KW - Indirect Hard Modeling KW - CONSENS PY - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?10.14279/depositonce-9404 SP - 1 EP - 112 CY - Berlin AN - OPUS4-50196 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Abele, M. A1 - Kern, Simon A1 - Maiwald, Michael A1 - Falkenstein, S. A1 - Meyer, Klas A1 - Friedrich, Y. A1 - Korth, K. T1 - Industrielle Anwendungen der Niederfeld-NMR-Spektroskopie für die Prozess- und Qualitätskontrolle von Silanen N2 - 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. T2 - 15. Kolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik CY - Marl, Germany DA - 25.11.2019 KW - Prozessanalytik KW - Qualitätskontrolle KW - Silane KW - Online-NMR-Spektroskopie KW - Trialkoxysilane PY - 2019 AN - OPUS4-49825 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -