TY - JOUR A1 - Kern, Simon A1 - Liehr, Sascha A1 - Wander, Lukas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Müller, S. A1 - Maiwald, Michael A1 - Kowarik, Stefan T1 - Artificial neural networks for quantitative online NMR spectroscopy N2 - Industry 4.0 is all about interconnectivity, sensor-enhanced process control, and data-driven systems. Process analytical technology (PAT) such as online nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is gaining in importance, as it increasingly contributes to automation and digitalization in production. In many cases up to now, however, a classical evaluation of process data and their transformation into knowledge is not possible or not economical due to the insufficiently large datasets available. When developing an automated method applicable in process control, sometimes only the basic data of a limited number of batch tests from typical product and process development campaigns are available. However, these datasets are not large enough for training machine-supported procedures. In this work, to overcome this limitation, a new procedure was developed, which allows physically motivated multiplication of the available reference data in order to obtain a sufficiently large dataset for training machine learning algorithms. The underlying example chemical synthesis was measured and analyzed with both application-relevant low-field NMR and high-field NMR spectroscopy as reference method. Artificial neural networks (ANNs) have the potential to infer valuable process information already from relatively limited input data. However, in order to predict the concentration at complex conditions (many reactants and wide concentration ranges), larger ANNs and, therefore, a larger Training dataset are required. We demonstrate that a moderately complex problem with four reactants can be addressed using ANNs in combination with the presented PAT method (low-field NMR) and with the proposed approach to generate meaningful training data. KW - Online NMR spectroscopy KW - Real-time process monitoring KW - Artificial neural networks KW - Automation KW - Process industry PY - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-507508 SN - 1618-2642 VL - 412 IS - 18 SP - 4447 EP - 4459 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-50750 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kern, Simon A1 - Wander, Lukas A1 - Meyer, Klas A1 - Guhl, Svetlana A1 - Gottu Mukkula, A. R. A1 - Holtkamp, M. A1 - Salge, M. A1 - Fleischer, C. A1 - Weber, N. A1 - Engell, S. A1 - Paul, Andrea A1 - Pereira Remelhe, M. A1 - Maiwald, Michael T1 - Flexible automation with compact NMR spectroscopy for continuous production of pharmaceuticals N2 - Modular plants using intensified continuous processes represent an appealing concept for the production of pharmaceuticals. It can improve quality, safety, sustainability, and profitability compared to batch processes; besides, it enables plug-and-produce reconfiguration for fast product changes. To facilitate this flexibility by real-time quality control, we developed a solution that can be adapted quickly to new processes and is based on a compact nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer. The NMR sensor is a benchtop device enhanced to the requirements of automated chemical production including robust evaluation of sensor data. Beyond monitoring the product quality, online NMR data was used in a new iterative optimization approach to maximize the plant profit and served as a reliable reference for the calibration of a near-infrared (NIR) spectrometer. The overall approach was demonstrated on a commercial-scale pilot plant using a metal-organic reaction with pharmaceutical relevance. KW - NMR Spectroscopy KW - NIR Spectroscopy KW - Real-time process monitoring KW - Real-time quality control KW - Continuous processes KW - CONSENS KW - Data Fusion PY - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-480623 SN - 1618-2642 SN - 1618-2650 VL - 411 IS - 14 SP - 3037 EP - 3046 PB - Springer Nature CY - Heidelberg AN - OPUS4-48062 LA - eng 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 - Wander, Lukas A1 - Kern, Simon A1 - Guhl, Svetlana A1 - Meyer, Klas A1 - Maiwald, Michael T1 - Keramikdurchflusszellen für das industrielle Reaktionsmonitoring mit Niederfeld-NMR-Spektroskopie N2 - Derzeit verfügbare Niederfeld-NMR-Spektrometer sind oft für Laborapplikationen konzipiert. Für den Einsatz im industriellen Prozessmonitoring müssen deshalb Anpassungen vorgenommen werden. Ein wichtiger Aspekt ist die Gestaltung der Messzelle. Sie muss über eine hohe thermische-, chemische und vor allem mechanische Beständigkeit verfügen. Hinzu kommt die Besonderheit des NMR-Experiments, das auf die Durchlässigkeit von Radiofrequenzen angewiesen ist. Keramik ist ein in der Hochfeld-NMR-Spektroskopie bewährtes Material das diese Eigenschaften vereint. Um im Prozessmonitoring die Interessen kleiner Bypass-Volumina, großer Durchflussgeschwindigkeit und großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der nötigen Vormagnetisierungszeit in Einklang zu bringen, ist eine im Messbereich aufgeweitete Zellgeometrie vorteilhaft. Die Fertigung einer Keramikmesszelle für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie für Drücke bis 7 MPa mit dieser besonderen Geometrie wurde mit Hilfe eines modernen additiven Fertigungsverfahrens realisiert. Quantitative NMR-Messungen an konstant durch das Spektrometer strömenden Flüssigkeiten werden durch eine maximale Durchflussgeschwindigkeit limitiert. Diese wird von vielen Einflussgrößen bestimmt und sollte vor jeder quantitativen Messreihe experimentell für das individuelle System ermittelt werden. Zu diesem Zweck wurde eine automatisierte Laboranordnung konzipiert. Der Vergleich der neuen NMR-Keramikzelle mit bestehenden Messzellen u. a. anhand dieses Parameters untermauert ihre Eignung für das industrielle Prozessmonitoring. T2 - 13. Herbstkolloquium Arbeitskreis Prozessanalytik CY - Esslingen, Germany DA - 20.11.2017 KW - Keramikdurchflusszelle KW - Niederfeld-NMR KW - Online-NMR PY - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-430918 AN - OPUS4-43091 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas A1 - Braun, Ulrike A1 - Becker, Roland A1 - Maiwald, Michael A1 - Paul, Andrea T1 - Mikroplastikanalyse: Nahinfrarotspektroskopie und chemometrische Auswertung N2 - Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können. Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt. Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt. NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen. Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt. In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen: 1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein). 2. Identifikation der Polymere in der Probe. Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt. Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird. T2 - GDCh Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft CY - Papenburg, Ems, Germany DA - 07.05.2018 KW - Mikroplastik KW - Nahinfrarotspektroskopie KW - Chemometrie KW - Boden PY - 2018 AN - OPUS4-44887 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas A1 - Kern, Simon A1 - Meyer, Klas A1 - Guhl, Svetlana A1 - Reddy Gottu Mukkula, A. A1 - Holtkamp, M. A1 - Salge, M. A1 - Fleischer, C. A1 - Weber, N. A1 - King, R. A1 - Engell, S. A1 - Paul, Andrea A1 - Pereira Remelhe, M. A1 - Maiwald, Michael T1 - NMR-Spektroskopie als Online-Referenzmethode in der Prozessindustrie N2 - In der Prozessindustrie findet die optische Spektroskopie (z. B. NIR- und Raman-Spektroskopie) als Online-Analytik zunehmend Anwendung zur Überwachung che-mischer Qualitäts¬attribute in der Produktion. Ihr ganzes Potential entfalten die Methoden aber meist nur in Kombination mit einer aufwendigen, multivariaten Kalibrierung. Diese muss alle relevanten Zustände des Systems abdecken und bedarf einer geeigneten Referenz¬analytik. Moderne instrumentelle Analysengeräte weisen eine hohe Empfind¬lich¬keit und Robustheit auf, sind aber dennoch stark von Fehler und Variabilität der Probennahme beeinflusst, was sich auf die Richtigkeit und Qualität des multivariaten Modells auswirkt. Diese Probleme lassen sich verringern, indem die Referenzanalytik ebenfalls online erfolgt. Eine mögliche Lösung stellt die hochauflösende NMR-Spektroskopie als quanti¬tative Online-Referenzanalytik dar. Insbesondere kom¬pakte NMR-Spektrometer auf Basis von Permanent¬magneten sind für diesen Zweck geeignet. Ausschlusskriterien für herkömmlicher NMR-Systeme, wie der große Wartungs-aufwand (Kryotechnik) und der Platz¬bedarf, werden damit vermieden. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurde die Nutzung einer Online-Referenz¬analytik mit NMR-Spektroskopie am Beispiel einer industriellen Pilotanlage erfolgreich realisiert. Untersuchungsgegenstand war die kontinuierliche Synthese eines Aus¬gangsstoffs für die pharmazeutische Industrie. Die enthaltenen metallorganischen Verbindungen sind für die bisher genutzte HPLC Analytik unzu-gänglich und die Analyse ausgewählter Proben erfolgte nach dem Quenchen der Lösung oft mit einem großen zeitlichen Abstand zur Probennahme. Konzen-trationswerte auf Basis von Online-NMR-Spektren standen hingegen mit einer zeitlichen Auflösung von drei Spektren pro Minute über den gesamten Reaktionsverlauf hinweg zur Verfügung. Außerdem konnten durch die NMR-Spektroskopie intermediär auftretende Spezies erstmal quantitativ bestimmt und diese Daten für die Kalibrierung eines NIR-Spektrometers genutzt werden. T2 - ANAKON 2019 CY - Münster, Germany DA - 25.03.2019 KW - NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Online-Referenzmethode PY - 2019 AN - OPUS4-47659 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas A1 - Kern, Simon A1 - Meyer, Klas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Guhl, Svetlana A1 - Paul, Andrea A1 - Maiwald, Michael T1 - Prozess-Spektroskopie: Analytik für die kontinuierliche Produktion N2 - Der Vortrag zeigt aktuelle Entwicklungen und Betätigungsfelder des Fachbereichs Prozessanalytik zum Thema Automation in der Analytik. Dies Umfasst die Laborautomation am Beispiel der Probenpräparation für die Röntgenfluoreszenzanalyse und moderne Synthesekonzepte in der organischen Chemie. Außerdem wird die Rolle der Prozessanalytik in der kontinuierlichen Produktion thematisier. Als Anschauungsgegenstand dienen die Überwachung einer Hydroformylierung mittels Raman- und NMR-Spektroskopie und der Einsatz eines NMR-Sensors in einer modularen Produktionsanlage im Pilotmaßstab. T2 - 4. Analytiktag CY - Duisburg, Germany DA - 07.11.2019 KW - NMR-Spektroskopie KW - Raman-Spektroskopie PY - 2019 N1 - Geburtsname von Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. - Birth name of Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. AN - OPUS4-49579 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Kern, Simon A1 - Liehr, Sascha A1 - Wander, Lukas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Müller, S. A1 - Maiwald, Michael A1 - Kowarik, Stefan T1 - Training data of quantitative online NMR spectroscopy for artificial neural networks N2 - Data set of low-field NMR spectra of continuous synthesis of nitro-4’-methyldiphenylamine (MNDPA). 1H spectra (43 MHz) were recorded as single scans. Two different approaches for the generation of artificial neural networks training data for the prediction of reactant concentrations were used: (i) Training data based on combinations of measured pure component spectra and (ii) Training data based on a spectral model. Synthetic low-field NMR spectra First 4 columns in MAT-files represent component areas of each reactant within the synthetic mixture spectrum. Xi (“pure component spectra dataset”) Xii (“spectral model dataset”) Experimental low-field NMR spectra from MNDPA-Synthesis This data set represents low-field NMR-spectra recorded during continuous synthesis of nitro-4’-methyldiphenylamine (MNDPA). Reference values from high-field NMR results are included. KW - NMR spectroscopy KW - Real-time process monitoring KW - Artificial neural networks KW - Online NMR spectroscopy KW - Automation KW - Process industry PY - 2020 U6 - https://doi.org/10.5281/zenodo.3677139 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-50456 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -