TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - NMR Spectroscopy as a PAT tool: Field integration of a laboratory instrument N2 - Companies of chemical industry find themselves more often in a rapidly changing environment, e.g., due to variability of raw material quality or energy costs and efficiency. Process optimization and new process concepts become more and more important. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market for new products. Intensified continuous production plants allow for difficult to produce compounds like exothermic reactions with high heat dissipation. Highly automated chemical process monitoring along with real-time quality control are prerequisites to such concepts and, thus, should be based on chemical information. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the full requirements of an automated chemical production environment such as explosion safety, field communication, and robust evaluation of sensor data. Field studies in modular and conventional production plant setups show promising results gaining process knowledge for further optimization. NMR spectroscopy appeared as preeminent online analytical method and allows using a modular data analysis approach, which can even serve as reliable reference method for further calibration-dependent PAT applications (e.g., NIR or Raman spectroscopy). Based on experiences from earlier field studies an improved field enclosure setup was developed and built, including the option of a secondary analytical method (e.g., optical spectroscopy). Integrated control systems allow for a flexible implementation based on the available automation infrastructure at the chemical plant or pilot plant setup. In the future, modular interconnecting “smart” PAT systems and process equipment have the potential speed up the setup of production equipment for chemicals and pharmaceuticals and therefore help to reduce the time-to-market. T2 - ANAKON 2025 CY - Leipzig, Germany DA - 10.03.2025 KW - NMR Spectroscopy KW - Process Analytical Technology KW - Field Integration KW - Benchtop-NMR PY - 2025 AN - OPUS4-62744 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Maiwald, Michael A1 - Soruco Aloisio, Ricardo A1 - Meyer, Klas A1 - Klaus, Christian T1 - Auf dem Weg zu einer digitalen Qualitätsinfrastruktur - Eine Labor-Testplattform für die Integration von Sensoren und Messgeräten N2 - Um die internationale Spitzenposition deutscher Unternehmen der Prozessindustrie auch in Zukunft sicher zu stellen, müssen die Unternehmen ihre Prozesse und Geschäftsabläufe digitalisieren und gemeinsam mit der Forschung innovative neue Methoden, Apparate, Anlagen, Sensoren und Automatisierungstechnik sowie Datenkonzepte entwickeln. All dies erfordert den Aufbau neuer Fähigkeiten, Investition in Talente, interdisziplinäre Kommunikation zwischen verschiedenen Personen und Abteilungen und eine Bereitschaft zur Veränderung. KW - QI-Digital KW - Wasserstofftankstelle KW - IT-OT-Testplattform KW - Prozessindustrie PY - 2023 VL - 67 IS - 9 SP - 20 EP - 23 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-58461 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Benchtop NMR spectroscopy in chemical manufacturing: From hardware field integration to data modeling N2 - The use of benchtop-NMR instruments is constantly increasing during the recent years. Advantages of being affordable, portable and easy-to-operate without the need for trained staff make them especially interesting for industrial applications in quality control. However, applications of NMR spectroscopy as an online PAT tool are still very rare but offer a huge potential for process optimization and control. A key task to exploit this potential is hardware field integration of the lab-instruments in a rough environment of a chemical plant. Additionally, developments in automation and data evaluation are mandatory to ensure a robust unattended operation with low maintenance requirements. Here, we show an approach of a fully automated analyzer enclosure considering explosion safety, field communication, as well as environmental conditions in the field. Temperature sensitivity is still a limitation of benchtop-NMR instruments in flow applications. Recent developments of manufacturers allow for limited operation at static temperature levels, however, a dynamic system for continuous operation is still not available. Using a prototype system offering a larger bore, active temperature shielding studies with thermostated air were performed evaluating the performance. Automated data evaluation of NMR spectra using a modular indirect hard modeling (IHM) approach showed good results and flexibility. A second data analysis approach based on artificial neural networks (ANN) was evaluated.Therefore, amount of data was augmented to be sufficient for training. The results show comparable performance, while improving the calculation time tremendously, offering new ways to simultaneously evaluating large numbers of different models. T2 - Quantitative NMR Methods for Reaction and Process Monitoring (NMRPM) CY - Kaiserslautern, Germany DA - 24.05.2023 KW - Field integration KW - Benchtop-NMR KW - Process Analytical Technology PY - 2023 AN - OPUS4-57560 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Bernstein, Michael A1 - Diehl, Bernd W. K. A1 - Holzgrabe, Ulrike A1 - Maiwald, Michael A1 - Meyer, Klas A1 - Monakhova, Yulia A1 - Schönberger, Torsten T1 - qNMR - The handbook N2 - Quantitative NMR (qNMR) has been around for a long time, but also has great potential to solve future problems in any quantitative analysis. As a primary method, it differs fundamentally from chromatographic methods: it is better described as a quantum mechanical balance. Succesful implementation of qNMR requires certain attention to detail. "qNMR - the handbook" is intended to be a guide for analysts to help understand the fundamental principles of NMR and the significant points relating to its implementation for quantitation. Regulatory considerations of qNMR adoption are explained. NMR fundamentals are explained to provide understanding. Together with many useful examples, the book is a compelling addition to the laboratory's reference library, providing all the tools that any practitioner should know to successfully implement qNMR. The authors are qNMR pioneers and come from a variety of backgrounds including business, government and academia. KW - Quantitative NMR spectroscopy KW - NMR spectroscopy KW - Handbook KW - qNMR PY - 2023 SN - 978-3-7568-7891-8 SN - 978-3-7583-8050-1 SP - 1 EP - 302 PB - BoD – Books on Demand CY - Norderstedt AN - OPUS4-59839 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Industrielle Anwendungen der Niederfeld-NMR-Spektroskopie für die Prozess- und Qualitätskontrolle von Silanen N2 - Aus der Kombination verschiedener Silane als Ausgangsstoffe und als Produkt der Hydrolyse durch eine Reihe von Alkoholen oder Wasser ergibt sich eine Palette von hunderten technischen Produkten für verschiedenste Anwendungen. Funktionelle 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 Forschungs-kooperation zwischen EVONIK und BAM wurde anhand verschiedener Fallstudien die Anwendbarkeit der Niederfeld-NMR-Spektroskopie zur chemischen Analyse von Silanen evaluiert. Die Möglichkeiten der Konzentrationsbestimmung erweitern die Anwendungsgebiete, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können. Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit geeigneter 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. 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 automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht. T2 - 10. ProcessNet-Jahrestagung CY - Online meeting DA - 21.09.2020 KW - NMR-Spektroskopie KW - Benchtop-NMR KW - Silane PY - 2020 AN - OPUS4-51350 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Industrial applications of low-field NMR spectroscopy for process and quality control of silanes N2 - The combination of different silanes as starting materials and as a product of hydrolysis by several alcohols or water creates a range of hundreds of technical products for a wide range of applications. In recent years, functional trialkoxysilanes have proven to be multi-purpose organosilanes. Applications range from weather protection of buildings to additives for glass fiber industry, sealants, adhesives, coatings and paints to the modification of polymers. Commercial benchtop NMR spectrometers have the potential to be used in silane chemistry as an online method for reaction monitoring and quality control. NMR nuclei of interest for silane products are 1H and 29Si. In a joint research cooperation between EVONIK and BAM, the applicability of low-field NMR spectroscopy for the chemical analysis of silanes was evaluated. It was shown how it can extend the application range where existing technologies like NIR, Raman, UV/VIS, etc. cannot be used quantitatively due to a lack of reference data. In a first case study the process of hydrolysis and condensation was observed using online NMR analysis. For this purpose, the substituents of a trialkoxysilane are first hydrolyzed by adding water and corresponding silanols are formed, which can then bind to materials via SiOH functions and crosslink to form siloxane units. Another case study was dealing with the kinetics of the cleavage of a cyclic silane compound. Online NMR analysis was used both in the laboratory and in the manufacturing plant. For this purpose, a fully automated containment system was used, which enables the use of a commercial NMR spectrometer in ATEX-environments. In the third case study presented, quantitative 1H-NMR spectra were acquired on product mixtures of a trialkoxysilane and other components such as organic stabilizers, organotin compounds, an aromatic amine and organic peroxides. An automatic evaluation method based on Indirect Hard Modeling (IHM) was developed. T2 - Practical Applications of NMR in Industry Conference (PANIC) CY - Online meeting DA - 19.10.2020 KW - Process Analytical Technology KW - NMR spectroscopy KW - Benchtop-NMR KW - Process-NMR PY - 2020 AN - OPUS4-51465 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas 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 - Meyer, Klas 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 - CONF A1 - Fricke, F. A1 - Meyer, Klas T1 - Artificial Intelligence for Mass Spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy N2 - Mass Spectrometry (MS) and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) are critical components of every industrial chemical process as they provide information on the concentrations of individual compounds and by-products. These processes are carried out manually and by a specialist, which takes a substantial amount of time and prevents their utilization for real-time closed-loop process control. This paper presents recent advances from two projects that use Artificial Neural Networks (ANNs) to address the challenges of automation and performance-efficient realizations of MS and NMR. In the first part, a complete toolchain has been developed to develop simulated spectra and train ANNs to identify compounds in MS. In the second part, a limited number of experimental NMR spectra have been augmented by simulated spectra to train an ANN with better prediction performance and speed than state-of-theart analysis. These results suggest that, in the context of the digital transformation of the process industry, we are now on the threshold of a possible strongly simplified use of MS and MRS and the accompanying data evaluation by machine-supported procedures, and can utilize both methods much wider for reaction and process monitoring or quality control. T2 - 2021 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE) CY - Online meeting DA - 01.02.2021 KW - Industry 4.0 KW - Cyber-Physical Systems KW - Artificial Neural Networks KW - Mass Spectrometry KW - Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy PY - 2021 UR - www.date-conference.com AN - OPUS4-52181 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Industrielle Anwendungen der Niederfeld-NMR-Spektroskopie für die Qualitätskontrolle von Silanen N2 - Aus der Kombination verschiedener Silane als Ausgangsstoffe und als Produkt der Hydrolyse durch eine Reihe von Alkoholen oder Wasser ergibt sich eine Palette von hunderten technischen Produkten für verschiedenste Anwendungen. Funktionelle 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. Die Möglichkeiten der Konzentrationsbestimmung erweitern die Anwendungsgebiete, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können. Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit geeigneter 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. 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 automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht. T2 - Praktische Probleme der Kernresonanzspektroskopie CY - Online meeting DA - 16.03.2021 KW - NMR-Spektroskopie KW - Benchtop-NMR KW - Silane KW - Prozessanalytik PY - 2021 AN - OPUS4-52298 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Industrial Applications of benchtop NMR Spectroscopy for Quality Control of Silanes N2 - The combination of different silanes as starting materials and as a product of hydrolysis by several alcohols or water creates a range of hundreds of technical products for a wide range of applications. In recent years, functional trialkoxysilanes have proven to be multi-purpose organosilanes. Applications range from weather protection of buildings to additives for glass fiber industry, sealants, adhesives, coatings and paints to the modification of polymers. Commercial benchtop NMR spectrometers have the potential to be used in silane chemistry as an online method for reaction monitoring and quality control. NMR nuclei of interest for silane products are 1H and 29Si. In a joint research cooperation between EVONIK and BAM, the applicability of low-field NMR spectroscopy for the chemical analysis of silanes was evaluated. It was shown how it can extend the application range where existing technologies like NIR, Raman, UV/VIS, etc. cannot be used quantitatively due to a lack of reference data. In a first case study the process of hydrolysis and condensation was observed using online NMR analysis. For this purpose, the substituents of a trialkoxysilane are first hydrolyzed by adding water and corresponding silanols are formed, which can then bind to materials via SiOH functions and crosslink to form siloxane units. Another case study was dealing with the kinetics of the cleavage of a cyclic silane compound. Online NMR analysis was used both in the laboratory and in the manufacturing plant. For this purpose, a fully automated containment system was used, which enables the use of a commercial NMR spectrometer in ATEX-environments. In the third case study presented, quantitative 1H-NMR spectra were acquired on product mixtures of a trialkoxysilane and other components such as organic stabilizers, organotin compounds, an aromatic amine and organic peroxides. An automatic evaluation method based on Indirect Hard Modeling (IHM) was developed. T2 - Magritek's Spinsolve NMR Users Meeting 2021 CY - Online meeting DA - 20.04.2021 KW - NMR spectroscopy KW - Silanes KW - Process Analytical Technology KW - Quality Control PY - 2021 AN - OPUS4-52557 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Meyer, Klas T1 - Flexible Prozessanalytik für die pharmazeutische Produktion - Benchtop-NMR-Spektroskopie im industriellen Einsatz N2 - Im Rahmen des EU-Projekts „CONSENS – Integrated Control and Sensing“ wurde ein vollautomatisiertes, gemäß Atmosphère-Explosibles(ATEX)-Regeln zertifiziertes Analysatormodul auf Basis eines kommerziellen Benchtop-Kernspinresonanzspektrometers (Engl. nuclear magnetic resonance, NMR) entwickelt und im Umfeld einer modularen containerbasierten Produktionsanlage validiert. Auf Basis der gewonnenen Daten konnten sowohl eine iterative Optimierung der Prozessparameter erfolgen als auch Referenzdaten für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers gewonnen werden. KW - Prozessanalytik KW - NMR-Spektroskopie KW - Modulare Produktion KW - Kalibriertransfer PY - 2022 VL - 12 IS - 3 SP - 122 EP - 129 PB - Editio Cantor Verlag CY - Aulendorf AN - OPUS4-55402 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Modular process control with compact NMR spectroscopy - From field integration to automated data analysis N2 - Chemical companies must find new paths to stay productive in a rapidly changing environment. One of these is the potential of digital technologies. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market. Process safety is improved due to smaller amounts processed and the abilities of efficient heat-transfer allow for otherwise difficult-to-produce compounds. To exploit these advantages, a fully automated process control along with real-time quality control is mandatory and should be based on “chemical” information. The advances of a fully automated NMR analyzer were demonstrated, using a given pharmaceutical reaction step operated within a modular pilot plant. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the requirements of an automated chemical production environment such as explosion safety, field communication, and robust data evaluation. Obtained results were used for direct loop advanced process control and real-time optimization of the process. NMR spectroscopy appeared as excellent online analytical tool and allowed a modular data analysis approach, which even served as reliable reference method for further PAT applications. Using the available datasets, a second data analysis approach based on artificial neural networks (ANN) was evaluated.Therefore, amount of data was augmented to be sufficient for training. The results show comparable performance, while improving the calculation time tremendously. In future, such fully integrated and interconnecting “smart” systems and processes can increase the efficiency of the production of specialty chemicals and pharmaceuticals. T2 - 5th European Conference on Process Analytics and Control Technology (EuroPACT) CY - Online meeting DA - 15.11.2021 KW - NMR spectroscopy KW - Benchtop-NMR KW - Modular production KW - Process Analytical Technology PY - 2021 AN - OPUS4-53776 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Deconvolution in High-Field- and Benchtop-NMR applications N2 - Numerical "sum integration" is the typical way to extract signal area from NMR spectra for quantitative evaluation, however, in complex situations of peak overlaps or crowded spectra this can be impractical. Deconvolution methods based on linefitting and optimization allow for a more accurate extraction of signal features from the spectrum in these cases. The increasing number of benchtop NMR applications showing lower signal dispersion and therefore more often complex spectral patterns foster the development and application of model-based spectra evaluation methods. This includes techniques like Indirect Hard Modeling (IHM), Quantum-Mechanical Spectra Analysis (QMSA), Chemometric modeling like PLS-R or MCR, as well as Machine-learning approaches using Neural Networks. This presentation gives an overview and introduction into deconvolution methods in the context of high-field and benchtop-NMR applications in complex spectra and process monitoring. T2 - CCQM OAWG/PAWG Advances in qNMR Workshop CY - Sèvres, France DA - 08.04.2025 KW - NMR Spectroscopy KW - Process Analytical Technology KW - Deconvolution KW - Benchtop-NMR PY - 2025 AN - OPUS4-62956 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Process Monitoring with Compact NMR spectroscopy: Applications from Lab to Field N2 - The use of compact NMR instruments based on permanent magnets has been increasing in recent years. Their affordability, portability, and ease of operation without the need for trained staff make them particularly interesting for quality control application in industrial production. Recent developments by instrument manufacturers, such as multi-nuclei options or extended interfacing, have made these systems even more versatile. However, the application of NMR spectroscopy as an online PAT tool remains rare, despite its significant potential for process optimization and control. A key challenge in exploiting this potential is the integration of lab instruments into the harsh environment of a chemical plant. Additionally, advancements in automation and data evaluation are key tasks to ensure robust, unattended operation with minimal maintenance requirements. In this presentation, we showcase examples of using NMR spectroscopy for process monitoring at the lab scale, the development of open-source software tools for NMR data evaluation (PyIHM, within the Python package KLASSEZ), and a successful example of field integration, running an automated laboratory instrument in the environment of a industrial production plant. T2 - Quantitative NMR Methods for Reaction and Process Monitoring (NMRPM) CY - Kaiserslautern, Germany DA - 31.03.2025 KW - Compact NMR spectroscopy KW - Process Monitoring KW - Downstream processing KW - Indirect Hard Modeling KW - Field integration PY - 2025 AN - OPUS4-62850 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Wander, Lukas A1 - Lommel, Lukas A1 - Braun, Ulrike A1 - Meyer, Klas A1 - Paul, Andrea T1 - Development of a Low-Cost Method for Quantifying Microplastics in Soils and Compost Using Near-Infrared Spectroscopy N2 - Near-infrared (NIR) spectroscopy is a promising candidate for low-cost, nondestructive, and highthroughput mass quantification of microplastics in environmental samples. Widespread application of the technique is currently hampered mainly by the low sensitivity of NIR spectroscopy compared to thermoanalytical approaches commonly used for this type of analysis. This study shows how the application of NIR spectroscopy for mass quantification of microplastics can be extended to smaller analyte levels by combining it with a simple and rapid microplastic enrichment protocol. For this purpose, the widely used flotation of microplastics in a NaCl solution, accelerated by centrifugation, was chosen which allowed to remove up to 99 % of the matrix at recovery rates of 83–104 %. The spectroscopic measurements took place directly on the stainless-steel filters used to collect the extracted particles to reduce sample handling to a minimum. Partial least squares regression (PLSR) models were used to identify and quantify the extracted microplastics in the mass range of 1–10 mg. The simple and fast extraction procedure was systematically optimized to meet the requirements for the quantification of microplastics from common PE-, PP-, and PS-based packaging materials with a particle size < 1 mm found in compost or soils with high natural organic matter content (> 10 % determined by loss on ignition). Microplastics could be detected in model samples at a mass fraction of 1 mg g-1. The detectable microplastic mass fraction is about an order of magnitude lower compared to previous studies using NIR spectroscopy without additional enrichment. To emphasize the cost-effectiveness of the method, it was implemented using some of the cheapest and most compact NIR spectrometers available. KW - Mikroplastik KW - NIR KW - Sensor KW - Kompost KW - Multivariat PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-552605 DO - https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac5e5f VL - 33 IS - 7 SP - 1 EP - 13 PB - IOP Publishing Ltd. CY - Bristol AN - OPUS4-55260 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Compact NMR Spectroscopy in the field: A Versatile Tool for Automated Continuous-Flow Production N2 - Chemical companies must find new paths to successfully survive in a changing environment. The potential of digital technologies belongs to these. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market for new products. Intensified continuous production plants allow for difficult to produce compounds. Therefore, fully automated “chemical” process control along with real-time quality control are prerequisites to such concepts and thus should be based on “chemical” information. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the full requirements of an automated chemical production environment such as, e.g., explosion safety, field communication, and robust evaluation of sensor data. It was thereof used for direct loop advanced process control and real-time optimization of the process. Field studies in modular and conventional production plant setups show promising results gaining process knowledge for further optimization. NMR appeared as preeminent online analytical method and allow using a modular data analysis tool, which even served as reliable reference method for further PAT applications (e.g. NIR spectroscopy). In the future, such fully integrated and intelligently interconnecting “smart” systems and processes can speed up the high-quality production of specialty chemicals and pharmaceuticals. T2 - DECHEMA Workshop "Sensorik für die Digitalisierung chemischer Produktionsanlagen" CY - Frankfurt am Main, Germany DA - 13.06.2022 KW - Compact NMR KW - Process Control KW - Modular Production KW - Process Analytical Technology PY - 2022 AN - OPUS4-55037 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Compact NMR Spectroscopy in the field: A Versatile Tool for Automated Continuous- Flow Production N2 - Chemical companies must find new paths to successfully survive in a changing environment. The potential of digital technologies belongs to these. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market for new products. Intensified continuous production plants allow for difficult to produce compounds. Therefore, fully automated “chemical” process control along with real-time quality control are prerequisites to such concepts and thus should be based on “chemical” information. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the full requirements of an automated chemical production environment such as, e.g., explosion safety, field communication, and robust evaluation of sensor data. It was thereof used for direct loop advanced process control and real-time optimization of the process. Field studies in modular and conventional production plant setups show promising results gaining process knowledge for further optimization. NMR appeared as preeminent online analytical method and allow using a modular data analysis tool, which even served as reliable reference method for further PAT applications (e.g. NIR spectroscopy). In the future, such fully integrated and intelligently interconnecting “smart” systems and processes can speed up the high-quality production of specialty chemicals and pharmaceuticals. T2 - 9th Annual Practical Applications of NMR in Industry Conference (PANIC) CY - Nashville, Tennessee, USA DA - 17.10.2021 KW - Process Analytical Technology KW - Benchtop-NMR KW - NMR spectroscopy PY - 2021 AN - OPUS4-53585 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie – Kombination von PAT-Methoden für mehr Prozessverständnis N2 - Die Verbesserung des Prozessverständnisses ist eine notwendige Voraussetzung für die Anwendung von Konzepten wie „Industrial Internet of Things (IIoT)“ oder „Industrie 4.0“. Online-Methoden der Prozessanalytik (PAT) ermöglichen die direkte Verfolgung der ablaufenden Reaktionen innerhalb chemischer und pharmazeutischer Produktionsschritte und können somit einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung von neuen, innovativen Prozessführungsstrategien liefern. Während die Online-Raman-Spektroskopie bereits erfolgreich im industriellen Umfeld zum Einsatz kommt, ist der Entwicklungsstand für die Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie bislang noch nicht ausreichend für einen routinemäßigen Einsatz innerhalb industrieller Produktionsumgebungen. Der hohe Informationsgehalt der NMR-Daten in Verbindung mit einem geringen Kalibrieraufwand macht die Methode sehr interessant für moderne Konzepte flexibler Produktionsanlagen für die Herstellung vieler unterschiedlicher Produkte in wechselnden Kampagnen. Speziell in modularen Produktionskonzepten kann so die Rüstzeit der Prozessanalytik deutlich verkürzt werden. Am Beispiel der heterogen katalysierten Hydrogenierung von 2-Butin-1,4-diol wird der Einsatz der Kombination von Online-NMR und -Raman-Spektroskopie demonstriert. Dieser Prozessschritt aus der industriellen Synthese des Lösungsmittels Tetrahydrofuran verläuft über ein Zwischenprodukt, welches konkurrierende Reaktionspfade aufweist. Die Kombination von Informationen aus der PAT, sowie von klassischen Prozessgrößen, wie Druck, Temperatur und Durchfluss in einem hoch automatisierten Aufbau erleichtert die Entwicklung und Erprobung von neuen Konzepten für die Prozessführung. T2 - 10. ProcessNet-Jahrestagung CY - Online meeting DA - 21.09.2020 KW - Hydrogenierung KW - Benchtop-NMR KW - Raman-Spektroskopie KW - Prozessanalytik PY - 2020 AN - OPUS4-51363 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas T1 - Industrial Applications of Low-Field NMR Spectroscopy for Process and Quality Control of Silanes N2 - The combination of different silanes as starting materials and as a product of hydrolysis by several alcohols or water creates a range of hundreds of technical products for a wide range of applications. In recent years, functional trialkoxysilanes have proven to be multi-purpose organosilanes. Applications range from weather protection of buildings to bonding-imparting properties in the glass fiber industry, for sealants and adhesives, for coatings and paints to the modification of polymer materials. Commercial benchtop NMR spectrometers have the potential to be used in silane chemistry as an online method for reaction monitoring and quality control [1]. Interesting NMR nuclei for the above-mentioned products are 1H and 29Si. In a joint research cooperation between EVONIK and BAM, the applicability of low-field NMR spectroscopy for the chemical analysis of silanes was evaluated based on various case studies. In the course of the case studies it was shown how low-field NMR spectroscopy extends the application range of chemical analysis to new applications where existing technologies such as NIR, Raman, UV/VIS, etc. cannot be used quantitatively due to lack of reference data. T2 - 5th European Conference on Process Analytics and Control Technology (EuroPACT) CY - Online meeting DA - 15.11.2021 KW - NMR spectroscopy KW - Benchtop-NMR KW - Silanes KW - Quality Control PY - 2021 AN - OPUS4-53777 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -