TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Lademann, J. A1 - Kraume, M. A1 - Maiwald, Michael T1 - Contributions Towards Variable Temperature Shielding for Compact NMR Instruments N2 - The application of compact NMR instruments to continuously flowing samples at higher temperatures or exothermically reacting mixtures is limited by the temperature sensitivity of permanent magnets. Typically, such temperature effects directly influence the achievable magnetic field homogeneity and hence measurement quality. The internal-temperature control loop of the magnet and instruments is typically not designed for compensation of such effects. Passive insulation is restricted by the small dimensions within the magnet borehole. Here, we present a design approach for active heat shielding with the aim of variable temperature control of NMR samples for benchtop NMR instruments using a compressed airstream which is variable in flow and temperature. Based on the system identification and surface temperature measurements using an optical thermo-graphy setup, a model predictive control was set up to minimize any disturbance effect on the permanent magnet from the probe or sample temperature. This methodology will facilitate the application of variable-temperature shielding and, therefore, potentially extend the application of compact NMR instruments to flowing samples at higher temperature than the permanent magnet. T2 - 18. Kolloquium AK Prozessanalytik CY - Krefeld, Germany DA - 27.11.2023 KW - Thermostating KW - Benchtop-NMR KW - NMR spectroscopy KW - Process Analytical Technology PY - 2023 AN - OPUS4-58970 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Abele, M. A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Döring, T. A1 - Falkenstein, S. A1 - Kern, S. A1 - Maiwald, Michael 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 - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, S. A1 - Guhl, Svetlana A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wander, L. A1 - Döring, T. A1 - Friedrich, Y. A1 - Falkenstein, S. A1 - Abele, M. A1 - Maiwald, Michael T1 - Compact NMR Spectroscopy in the field: A Versatile PAT Tool for Production of Specialty Chemicals 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. For example, 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 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 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 appeared as preeminent online analytical method and allow 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 NMR analyzer enclosure setup was developed and built, including the option of a secondary 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, fully integrated and intelligently interconnecting “smart” PAT systems and processes have the potential speed up the setup of production equipment for chemicals and pharmaceuticals and therefore help to reduce the time-to-market. T2 - SMASH Small molecule NMR conference 2023 CY - Baveno, Italy DA - 17.09.2023 KW - Benchtop-NMR KW - Process Analytical Technology KW - Chemical Production KW - NMR spetroscopy PY - 2023 AN - OPUS4-58398 LA - eng 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, Simon A1 - Korth, K. A1 - Maiwald, Michael 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 A1 - Kern, Simon A1 - Guhl, Svetlana A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wander, Lukas A1 - Maiwald, Michael T1 - Compact NMR Spectroscopy: A Versatile Tool for Automated Continuous-Flow Production of Chemicals and Pharmaceuticals 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. The advances of a fully automated NMR sensor were exploited, using a given pharmaceutical lithiation reaction as an example process within a modular pilot plant. 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. NMR appeared as preeminent online analytical tool and allowed using a modular data analysis tool, which even served as reliable reference method for further PAT applications. In future, such fully integrated and intelligently interconnecting “smart” systems and processes can speed up the high-quality production of specialty chemicals and pharmaceuticals. T2 - USP qNMR Emerging Technologies Workshop & Roundtable CY - Online meeting DA - 17.11.2020 KW - Quantitative NMR spectroscopy KW - Benchtop-NMR KW - Process Analytical Technology PY - 2020 AN - OPUS4-51595 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, S. A1 - Guhl, Svetlana A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wander, L. A1 - Maiwald, Michael T1 - Compact NMR Spectroscopy: A Versatile Tool for Automated Continuous-Flow Production of Chemicals and Pharmaceuticals 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. The advances of a fully automated NMR sensor were exploited, using a given pharmaceutical lithiation reaction as an example process within a modular pilot plant. 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. NMR appeared as preeminent online analytical tool and allowed using a modular data analysis tool, which even served as reliable reference method for further PAT applications. In future, such fully integrated and intelligently interconnecting “smart” systems and processes can speed up the high-quality production of specialty chemicals and pharmaceuticals. T2 - ACHEMA Pulse 2021 CY - Online meeting DA - 15.06.2021 KW - Process Analytical Technology KW - NMR spectroscopy KW - Benchtop-NMR PY - 2021 AN - OPUS4-52822 LA - eng 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 - 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 - JOUR A1 - Meyer, Klas T1 - Atomkerne zählen - Quantitative NMR-Spektroskopie als vielseitige Methode in Labor und Prozess JF - GIT-Labor-Fachzeitschrift N2 - Meist präsentieren sich Laboratorien für NMR-Spektroskopie auf den ersten Blick von außen nur wenig einladend. Es lohnt sich aber einen Blick hinein zu riskieren, denn die Methode ist heute unverzichtbar für die analytische Chemie. Die quantitativen Möglichkeiten werden häufig unterschätzt, erfahren allerdings durch den aufstrebenden Markt kompakter Benchtop-NMR-Spektrometer verstärktes Interesse für Anwendungen von der Laborbank bis hin zum Industrieprozess. KW - NMR-Spektroskopie KW - Benchtop-NMR KW - qNMR PY - 2020 UR - https://analyticalscience.wiley.com/do/10.1002/was.000600052 SN - 0016-3538 VL - 64 IS - 10 SP - 28 EP - 30 PB - Wiley-VCH GmbH CY - Weinheim AN - OPUS4-51464 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, Simon A1 - Korth, K. A1 - Maiwald, Michael 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 A1 - Guhl, Svetlana A1 - Maiwald, Michael A1 - Acker, J. 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 -