TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, S. A1 - Guhl, Svetlana A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wander, L. A1 - Kowarik, S. A1 - Liehr, S. A1 - Maiwald, Michael 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 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 - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Abele, M. A1 - Falkenstein, S. A1 - Friedrich, Y. A1 - Kern, S. A1 - Korth, K. A1 - Maiwald, Michael 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 - 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 - Meyer, Klas A1 - Kipphardt, Heinrich A1 - Maiwald, Michael T1 - Quantitative NMR spectroscopy for gas analysis T2 - 7th International Gas Analysis Symposium T2 - 7th International Gas Analysis Symposium CY - Rotterdam, Netherlands DA - 2013-06-05 PY - 2013 AN - OPUS4-29203 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Zientek, Nicolai A1 - Maiwald, Michael A1 - Kraemer, B. A1 - Esche, E. A1 - Müller, D. A1 - Wozny, G. T1 - Eine robuste Prozessanalytik für die CO2-Abtrennung industrieller Gasströme basierend auf Online-NMR- und Raman-Spektroskopie T2 - ProcessNET Jahrestagung 2014 T2 - ProcessNET Jahrestagung 2014 CY - Aachen DA - 2014-09-30 PY - 2014 AN - OPUS4-31883 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Zientek, Nicolai A1 - Kraemer, B. A1 - Maiwald, Michael T1 - Quantitative Online NMR Spectroscopy of Technical Mixtures and Gases T2 - Agilent NMR-Seminar T2 - Agilent NMR-Seminar CY - Waldbronn DA - 2014-05-20 PY - 2014 AN - OPUS4-31888 LA - deu 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 - Vom Labor zum Prozess- Eine robuste Prozessanalytik für die Reaktivabsorption von CO2 aus in industriellen Gasströmen basierend auf Onlin-NMR- und Raman-Spektroskopie T2 - Anakon 2015 T2 - Anakon 2015 CY - Graz, Östereich DA - 2015-03-23 PY - 2015 AN - OPUS4-33132 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Ruiken, J.-P. A1 - Kraemer, B. A1 - Zientek, Nicolai A1 - Paul, Andrea A1 - Kern, Simon A1 - Müller, D. A1 - Esche, E. A1 - Wozny, G. A1 - Maiwald, Michael T1 - Online NMR spectroscopy as a reference tool for model developments - Successful approaches in process analytical technology N2 - Quantitative Online NMR spectroscopy as a direct ratio method of analysis represents a perfect reference for calibration of further process analytical techniques, e.g., optical spectroscopic techniques. In this work we present a combined approach including Online NMR and Raman spectroscopy on a laboratory setup for development of suitable models for process monitoring. Therefore we investigated the absorption process of carbon dioxide in solutions of monoethanolamine, as well as the homogeneous catalyzed hydroformylation reaction of 1-dodecene taking place in an emulsion stabilized by a technical surfactant. The models for Raman spectroscopy were tested and approved during several days of operational studies of miniplant-scale setups for both mentioned applications. T2 - 4th Annual Practical Applications of NMR in Industry Conference (PANIC) CY - Houston, Texas, USA DA - 15.02.2016 KW - Online-NMR spectroscopy KW - Online-Raman spectroscopy KW - Process Analytical Technology PY - 2016 AN - OPUS4-35423 LA - eng 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 - Repke, J.-U. A1 - Maiwald, Michael T1 - Prozessanalytik für die moderne Verfahrenstechnik – Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie im mizellaren Stoffsystem N2 - Homogen katalysierte Reaktionsschritte sind ein wichtiges Werkzeug in der chemischen Industrie. Durch die milden Reaktionsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck bei gleichzeitig hoher Selektivität bieten diese die Möglichkeit energieeffizienter und ressourcenschonender Produktionsschritte. Eine der wichtigsten industriellen Anwendungen bildet die Hydroformylierung. Hier besteht das Katalysatorsystem meist aus Übergangsmetallkomplexen, vorwiegend Kobalt und Rhodium, die zur Steuerung der Selektivität und Löslichkeit mit mehrzähnigen Liganden koordiniert sind. Diese Komplexe liegen für eine effiziente Katalysator-rückführung in wässriger Lösung vor, was jedoch die Anwendbarkeit auf kurzkettige Edukte mit hinreichender Wasserlöslichkeit beschränkt. Ein möglicher Lösungsansatz für die Verwendung langkettiger Alkene ist die Umsetzung der Reaktion in einer Mikroemulsion. Durch die gesteigerte Phasen-grenzfläche besteht ein effektiver Kontakt von Katalysator und Reaktanden bei gleichzeitiger Möglichkeit der Produktseparation durch Phasentrennung, während der Katalysator dem Reaktionsschritt zurückgeführt wird und das Verfahren damit wirtschaftlich macht.[1] Am Beispiel der Reaktion von 1-Dodecen zu Tridecanal wird der Einsatz von Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie für die Prozessanalytik (sowie Applikation von komplexen Regelungskonzepten) innerhalb eines mizellaren Systems demonstriert. Ein speziell konzipierter Laboraufbau ermöglicht die Durchführung von Experimenten unter Prozessbedingungen für die in Mikroemulsionen äußerst anspruchsvolle Entwicklung und Kalibrierung von multivariaten Modellen für die Raman-Spektroskopie. Diese konnten anschließend im Rahmen einer mehrtägigen Betriebs-studie einer Miniplant am realen technischen System erprobt werden. T2 - ProcessNet-Jahrestagung CY - Aachen, Germany DA - 12.09.2016 KW - Hydroformylierung KW - Prozessanalytik KW - Online-NMR-Spektroskopie KW - Online-Raman-Spektroskopie PY - 2016 N1 - Deutscher Vortrag mit englischsprachigen Folien AN - OPUS4-37385 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -