TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Bornemann-Pfeifer, Martin A1 - Thiele, I. A1 - Gutschmann, B. A1 - Riedel, S. L. A1 - Falkenstein, S. A1 - Döring, T. A1 - Abele, M. A1 - Neubauer, M. A1 - Maiwald, Michael T1 - Benchtop-NMR-Spektroskopie – Praktische Probleme in Labor- und Prozessanwendungen N2 - In den letzten Jahren erfreut sich die Benchtop-NMR-Spektroskopie steigender Beliebtheit. Zusätzlich zu Anwendungen im Labor werden die kompakten Geräte auch zunehmend in industriellen Bereichen eingesetzt. Neben geringeren Investitions- und Betriebskosten sind insbesondere die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme entscheidende Faktoren. Ein prozessnaher Einsatz kann sowohl nach Probenahme im Rahmen der Betriebsanalytik erfolgen als auch als Online-Analytik mit direkter Ankopplung an Prozesse. Insbesondere bei der direkten Kopplung mittels Durchflusszellen spielt der Probentransfer eine entscheidende Rolle. Dies zeigt sich auch am Beispiel eines Extraktionsprozesses im Labormaßstab. Das in einem Bioprozess aus tierischen Altfetten hergestellte Copolymer PHB(Co-HHX) wurde in einem Batch-Prozess mit organischen Lösungsmitteln aus gefrier-getrockneten Zellen extrahiert. Unter Variation der Parameter wurde der Prozess direkt in der mehrphasigen Suspension mittels Benchtop-NMR-Spektroskopie verfolgt. Eine große Limitierung für den Einsatz als Online-Methode ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme. Während die Umgebungstemperatur gut kontrollierbar ist, stellt sich die Thematik der Probentemperatur komplexer dar. Bei größeren Abweichungen von der Magnettemperatur kommt es bereits nach kurzer Zeit zu Drift-Effekten, die die Lock-Systeme nur begrenzt kompensieren können. Ein Ansatz ist die Nutzung temperierter Luftströme, ähnlich bekannter VT-Einheiten ergänzt um eine aktive Isolierung zum Magneten. An einem Modellaufbau wurden dazu verschiedene Konstruktionen zunächst mittels Thermographie charakterisiert und anschließend die Anwendbarkeit in einem Prototyp-Gerät überprüft. In der rauen industriellen Umgebung von Produktionsanlagen sind weitere Maßnahmen zum Betrieb eines Laborgerätes nötig (z.B. Temperierung, Witterungsschutz). Zusätzlich bestehen häufig strikte Anforderungen an den Explosionsschutz. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit der Evonik Rheinfelden eine Einhausung entwickelt, die es ermöglicht neben der NMR-Spektroskopie auch eine weitere analytische Methode möglichst flexibel direkt an großtechnische Anlagen anzubinden. T2 - 44. Tagung Praktische Probleme der Kernresonanzspektroskopie 2023 CY - Berlin, Germany DA - 21.03.2023 KW - Benchtop-NMR KW - Prozessanalytik KW - Extraktion PY - 2023 AN - OPUS4-57202 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wolf, Jakob A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, S. A1 - Angelone, D. A1 - Leonov, A. A1 - Cronin, L. A1 - Emmerling, Franziska T1 - Standardization and control of Grignard reactions in a universal chemical synthesis machine using online NMR T1 - Standardisierung und Kontrolle von Grignard-Reaktionen mittels Online-NMR in einer universellen chemischen Syntheseplattform N2 - A big problem with the chemistry literature is that it is not standardized with respect to precise operational parameters, and real time corrections are hard to make without expert knowledge. This lack of context means difficult reproducibility because many steps are ambiguous, and hence depend on tacit knowledge. Here we present the integration of online NMR into an automated chemical synthesis machine (CSM aka. “Chemputer” which is capable of small-molecule synthesis using a universal programming language) to allow automated analysis and adjustment of reactions on the fly. The system was validated and benchmarked by using Grignard reactions which were chosen due to their importance in synthesis. The system was monitored in real time using online-NMR, and spectra were measured continuously during the reactions. This shows that the synthesis being done in the Chemputer can be dynamically controlled in response to feedback optimizing the reaction conditions according to the user requirements. N2 - Ein Problem der chemischen Literatur ist die fehlende Standardisierung bezüglich genauer Bedingungen, auch Echtzeit-Korrekturen sind ohne Expertenwissen nur schwer möglich. Dieser Mangel an Details erschwert experimentelle Reproduzierbarkeit, da Schritte oft mehrdeutig sind und daher von implizitem Wissen abhängen. Hier präsentieren wir die Integration von Online-NMR Spektroskopie in eine automatisierte chemische Syntheseplattform (CSM aka. “Chemputer”, unter Verwendung einer universellen Programmiersprache zur Synthese kleiner Moleküle fähig), um eine automatisierte Analyse und Anpassung von Reaktionen im laufenden Betrieb zu ermöglichen. Das System wurde anhand von Grignard-Reaktionen, die aufgrund ihrer Bedeutung für die Synthese ausgewählt wurden, validiert und einem Härtetest unterzogen. Synthesen wurden in Echtzeit mit Online-NMR überwacht, und die Spektren wurden während der Reaktionen kontinuierlich aufgenommen und analysiert. Dies zeigt, dass der Chemputer dynamisch mittels einer Regelung kontrolliert werden kann, um die Reaktionsbedingungen entsprechend den Anforderungen des Benutzers zu optimieren. KW - Grignard reaction KW - NMR spectroscopy KW - Process analytical technology KW - Process control KW - Grignard-Reaktion KW - NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Prozesskontrolle PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-531260 SN - 1521-3773 SN - 1433-7851 N1 - Bibliografische Angaben für die deutsche Version: Angewandte Chemie 2021, Jg. 133, S. 1–7, ISSN 0044-8249, ISSN 1521-3757, https://doi.org/10.1002/ange.202106323 - Bibliographic information for the German version: Angewandte Chemie 2021, vol. 133, p. 1–7, ISSN 0044-8249, ISSN 1521-3757, https://doi.org/10.1002/ange.202106323 VL - 60 IS - 43 SP - 1 EP - 6 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-53126 LA - mul 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 - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Bornemannn-Pfeiffer, Martin A1 - Kern, S. A1 - Abele, M. A1 - Falkenstein, S. A1 - Döring, T. A1 - Friedrich, Y. A1 - Maiwald, Michael T1 - Online-NMR Spektroskopie in der PAT - Entwicklungen zwischen Labor- und Feldeinsatz N2 - Die NMR-Spektroskopie ist eine der zentralen nicht-invasiven Analysenmethoden in der organischen Chemie und aus dem Laboralltag nicht mehr wegzudenken. Die direkte Proportionalität zwischen der Anzahl der Atomkerne im Messvolumen und der Signalfläche im Spektrum ist vergleichbar mit einem „Zählen der Kernspins“. Der Kalibrieraufwand für die Quantifizierung ist minimal und aus dem NMR-Spektrum sind Informationen zu Struktur und Identität zugänglich. Online-NMR-Spektroskopie wird unter Zuhilfenahme von speziellen Durchflussproben-köpfen und Messzellen bereits seit Jahrzehnten erforscht und eingesetzt. Durch die hohen Anforderungen an die Aufstellung und den Betrieb von klassischen Hochfeld-NMR-Spektrometern konnte sie allerdings nie den Sprung vom Labor in den Prozess schaffen. Dies hat sich durch die Entwicklungen im Bereich mobil einsetzbarer Benchtop-NMR-Spektrometer grundlegend verändert. Geringere Investitions- und Betriebskosten, sowie die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme sind entscheidende Faktoren. Damit rückt eine Anwendung als Online-PAT-Methode technisch in greifbare Nähe. Designierte Prozess-NMR-Spektrometer sucht man heutzutage allerdings auf dem Markt meist noch vergebens. Die Reaktionsverfolgung im Labormaßstab konnte an unterschiedlichen Systemen erfolgreich demonstriert werden. Dabei zeigten sich allerdings Limitierungen in Hinblick auf einen möglichen Prozesseinsatz. Insbesondere die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme ist hier zu nennen. Anhand eines Prototyps wurde eine aktive Temperaturisolation mittels temperierter Luftströmungen entwickelt und erprobt. Eine Feldintegration von Laborsystemen geht sowohl technisch als auch regulatorisch mit zahlreichen Herausforderungen einher. Das raue Umfeld von Produktionsanlagen, sowie die Anforderungen an Explosionsschutz erfordern eine zugelassene Einhausung. Auf Basis von Erfahrungen mit einem ersten Prototyp erfolgte die gemeinsame Entwicklung eines möglichst flexibel einsetzbaren Analysenschranks. Neben der Hardware-Integration sind die automatisierte modellbasierte Auswertung der NMR-Spektren, sowie die Einbindung in die Prozessleittechnik essenziell für einen zuverlässigen Betrieb als PAT-Analysengerät. T2 - 18. Kolloquium AK Prozessanalytik CY - Krefeld, Germany DA - 27.11.2023 KW - Prozessanalytik KW - Online-NMR-Spektroskopie KW - NMR-Spektroskopie KW - Benchtop-NMR KW - Feldintegration PY - 2023 AN - OPUS4-58969 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Paul, Andrea A1 - Ruiken, J.-P. A1 - Meyer, Klas A1 - Westad, Frank A1 - Illner, M. A1 - Müller, D. A1 - Wozny, G. A1 - Maiwald, Michael T1 - Online spectroscopy in microemulsions – A process analytical approach for hydroformylation miniplant II - Calibration and prediction by Raman spectra N2 - The Collaborative Research Center InPROMPT aims to establish a novel process concept for the hydroformylation of long-chained olefins, using a rhodium complex as catalyst in the presence of syngas. Recently, the hydroformylation in micro-emulsions, which allows for the efficient recycling of the expensive rhodium catalyst, was found to be feasible. However, the temperature and concentration sensitive multi-phase system demands a continuous observation of the reaction to achieve an operational and economically feasible plant operation. For that purpose, we tested the potential of both NMR and Raman spectroscopy for process control assistance. The lab-scale experiments were supported by sampling for off-line GC-analysis as reference analytics. The results of the NMR experiments will be part of another contribution. T2 - 11. Kolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik CY - Wien, Austria DA - 30.11.2015 KW - Prozessanalytik KW - Process analytical technology KW - Prozess-Spektroskopie KW - Emulsions KW - Hydroformylation KW - Reaction monitoring KW - Raman spectroscopy PY - 2015 SP - 66 EP - 67 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-38846 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Kraemer, B. A1 - Zientek, Nicolai A1 - Esche, E. A1 - Müller, D. A1 - Wozny, G. A1 - Maiwald, Michael T1 - Eine robuste Prozessanalytik für die Reaktivabsorption von CO2 aus industriellen Gasströmen basierend auf Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie N2 - Die Abtrennung von CO2 aus industriellen Gasströmen ist eine großtechnisch wichtige Trennaufgabe. Neben der Aufarbeitung von Erdgas werden diese Verfahren zur Verminderung der CO2-Emission durch industrielle Rauchgase, insbesondere für alternativlose Prozesse wie die Stahl- und Zementproduktion diskutiert. T2 - 10. Kolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik CY - Gerlingen, Germany DA - 25.11.2014 KW - Prozessanalytik KW - Quantitative NMR-Spektroskopie KW - Raman spectroscopy KW - CO2-Absorption KW - CCS PY - 2014 UR - http://arbeitskreis-prozessanalytik.de/images/stories/Veranstaltungen/Kolloquien/10_kolloquium_2014/tagungsband_10_kolloquium_ak_prozessanalytik_2014_hq-druck_f.pdf SP - P03, 23 EP - 23 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-38359 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Ruiken, J.-P. A1 - Illner, M. A1 - Müller, D. A1 - Esche, E. A1 - Paul, Andrea A1 - Wozny, G. A1 - Maiwald, Michael T1 - Online spectroscopy in microemulsions – A process analytical approach for hydroformylation miniplant I – Experimental setup and NMR reaction monitoring N2 - Hydroformylation represents an important homogeneous catalyzed process, which is widely used within chemical industry. Usually applied with simple alkenes like Propene and Butene aldehydes obtained from alkenes >C6 are relevant intermediates in production of plasticizers, surfactants and polymers. Today the active catalyst species is often based on valuable Rhodium complexes in aqueous solution. This implies the problem of limited water solubility of the reactands, which is acceptable for short chain lengths, but states a problem in case of higher alkenes. Along with that efficient separation and recycling of the catalyst becomes more complicated. There are different approaches tackling this problem, e.g., by using of salt formation in the BASF process or downstream distillation within the Shell process T2 - 11. Kolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik CY - Wien, Austria DA - 30.11.2015 KW - Prozessanalytik KW - Process analytical technology KW - Emuslions KW - Hydroformylation KW - Online NMR spectroscopy KW - Reaction monitoring PY - 2015 SP - 51 EP - 51 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-38845 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - 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 - 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 - 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 -