TY - THES A1 - Kern, Simon T1 - Prozessüberwachung mittels Niederfeld-NMR-Spektroskopie als Online-Methode N2 - Die Geräteentwicklungen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie im vergangenen Jahrzehnt ermöglichen den Einsatz kompakter, portabler Magnete mit geringen Streufeldern in Laborumgebungen und industriellen Produktionsanlagen. Somit werden neue Möglichkeiten für hochauflösende NMR-Experimente zur Reaktionsüberwachung eröffnet. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurden die Möglichkeiten dieser Methode umfassend anhand einer technisch bedeutenden Reaktion (elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen) evaluiert. Um die Flexibilität einer kontinuierlichen und modularen Pilotanlage durch Echtzeit- Qualitätskontrolle zu fördern, wurde ein vollständig automatisiertes Online- NMR-Modul entwickelt. Der Einsatz eines kommerziellen Niederfeld-NMR-Geräts im industriellen Umfeld wurde durch die entwickelten Lösungen der automatisierten Datenanlyse sowie durch ein zertifiziertes Sicherheitskonzept für den Betrieb in explosionsgefährdeten Zonen ermöglicht. Neben der Überwachung der Produktqualität wurden Online-NMR-Daten in einem neuen iterativen Optimierungsansatz zur Maximierung des Anlagenertrags eingesetzt und dienten als zuverlässige Referenz für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers. Für die Entwicklung einer robusten Datenauswertung der NMR-Spektren, die dem Anspruch der Flexibilität bei Produktwechseln genügt, wurden zunächst Versuche im Labormaßstab durchgeführt, um eine Datenbasis zu schaffen. In diesen Versuchen wurden die aromatischen Amine Anilin, p-Toluidin und p-Fluoranilin mit o-Fluornitrobenzol gekoppelt. Durch Zugabe einer Organolithium-Verbindung (Li- HMDS) findet ein Protonenaustausch zwischen dem primären Amin und Li-HMDS statt. Dies führt zu einer hohen Reaktionsenthalpie und instabilen Aryllithium-Verbindungen. Die Reaktionen wurden hinsichtlich anfallender Zwischenprodukte mittels Hochfeld-NMR-Spektroskopie analysiert. Nachfolgend wurden die Reaktionen sowohl im Semi-Batch-Verfahren als auch im kontinuierlichen Laborbetrieb mit Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie und Online- Hochfeld-NMR-Spektroskopie untersucht. Da die gemessenen NMR-Spektren besonders im aromatischen Spektralbereich hohe Signalüberlappungen der Reaktanden aufweisen, wurden chemometrische Modelle entwickelt und anhand der Hochfeld-NMR-Methode validiert. Die verwendeten Durchflusszellen für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie wurden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für quantitative Messungen im kontinuierlichen Durchfluss untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Messungen mit einer additiv gefertigten Keramikdurchflusszelle prinzipiell möglich sind. KW - NMR-Spektroskopie KW - Niederfeld-NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Industrie 4.0 KW - Indirect Hard Modeling KW - CONSENS PY - 2019 UR - https://nbn-resolving.org/10.14279/depositonce-9404 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-9404 SP - 1 EP - 112 CY - Berlin AN - OPUS4-50196 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 - Meyer, Klas A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Kern, Simon A1 - Maiwald, Michael T1 - Chemische Prozesskontrolle für modulare Produktionskonzepte mit direkten analytischen Methoden N2 - Flexible Produktionskonzepte werden oft mit modularen, schnell rekonfigurierbaren Einheiten verbunden. Um die Vorteile dieser flexiblen Produktion tatsächlich nutzen zu können ist neben einer geeigneten Infrastruktur auch eine ebenso anpassungsfähige Qualitätskontrolle unverzichtbar. Analysengeräte und Sensoren werden heutzutage immer kompakter und kostengünstiger in ihrer Anschaffung. Dadurch wird es möglich eine große Anzahl von Messstellen innerhalb einer Anlage zu realisieren. Die erfassten Datenmengen erfordern zuverlässige und robuste Auswerteverfahren, die sich in das Gesamtkonzept der Automatisierung einer derart flexiblen Produktion nahtlos integrieren. Referenzdaten aus direkten Methoden wie der NMR-Spektroskopie können hier einen wertvollen Beitrag zur Generierung von Prozesswissen für die Entwicklung neuer Modelle für kostengünstigere Analysenverfahren leisten. T2 - 16. Kolloquium des AK Prozessanalytik CY - Online meeting DA - 23.11.2020 KW - NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Modulare Produktion KW - Chemische Prozesskontrolle PY - 2020 AN - OPUS4-51658 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 - 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 - 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 - CONF A1 - Meyer, Klas A1 - Maiwald, Michael T1 - qNMR an der BAM - Aktuelle Aktivitäten und Strategie N2 - Der Vortrag gibt eine Übersicht über aktuelle qNMR-Aktivitäten im Fachbereich 1.4. Dies umfasst beispielsweise die Online-Anwendung zur Prozessüberwachung, aber auch die Reinheitsuntersuchung von Reinstoffkomponenten für die Herstellung von Referenzgasgemischen. Zusätzlich wird ein Ausblick in die aktuelle Strategie hinsichtlich der Rückführung von qNMR-Ergebnissen mittels primärer Referenzmaterialien gegeben. T2 - 10. Sitzung der Next-NMR-Arbeitsgruppe CY - Karlsruhe, Germany DA - 11.12.2018 KW - qNMR KW - NMR-Spektroskopie PY - 2018 AN - OPUS4-47131 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 - JOUR A1 - Meyer, Klas T1 - Flexible Prozessanalytik für die pharmazeutische Produktion - Benchtop-NMR-Spektroskopie im industriellen Einsatz JF - TechnoPharm 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 - JOUR A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Wolf, Jakob A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, S. A1 - Angelone, D. A1 - Leonov, A. A1 - Cronin, L. A1 - Emmerling, Franziska T1 - Standardization and control of Grignard reactions in a universal chemical synthesis machine using online NMR T1 - Standardisierung und Kontrolle von Grignard-Reaktionen mittels Online-NMR in einer universellen chemischen Syntheseplattform JF - Angewandte Chemie - International Edition N2 - A big problem with the chemistry literature is that it is not standardized with respect to precise operational parameters, and real time corrections are hard to make without expert knowledge. This lack of context means difficult reproducibility because many steps are ambiguous, and hence depend on tacit knowledge. Here we present the integration of online NMR into an automated chemical synthesis machine (CSM aka. “Chemputer” which is capable of small-molecule synthesis using a universal programming language) to allow automated analysis and adjustment of reactions on the fly. The system was validated and benchmarked by using Grignard reactions which were chosen due to their importance in synthesis. The system was monitored in real time using online-NMR, and spectra were measured continuously during the reactions. This shows that the synthesis being done in the Chemputer can be dynamically controlled in response to feedback optimizing the reaction conditions according to the user requirements. N2 - Ein Problem der chemischen Literatur ist die fehlende Standardisierung bezüglich genauer Bedingungen, auch Echtzeit-Korrekturen sind ohne Expertenwissen nur schwer möglich. Dieser Mangel an Details erschwert experimentelle Reproduzierbarkeit, da Schritte oft mehrdeutig sind und daher von implizitem Wissen abhängen. Hier präsentieren wir die Integration von Online-NMR Spektroskopie in eine automatisierte chemische Syntheseplattform (CSM aka. “Chemputer”, unter Verwendung einer universellen Programmiersprache zur Synthese kleiner Moleküle fähig), um eine automatisierte Analyse und Anpassung von Reaktionen im laufenden Betrieb zu ermöglichen. Das System wurde anhand von Grignard-Reaktionen, die aufgrund ihrer Bedeutung für die Synthese ausgewählt wurden, validiert und einem Härtetest unterzogen. Synthesen wurden in Echtzeit mit Online-NMR überwacht, und die Spektren wurden während der Reaktionen kontinuierlich aufgenommen und analysiert. Dies zeigt, dass der Chemputer dynamisch mittels einer Regelung kontrolliert werden kann, um die Reaktionsbedingungen entsprechend den Anforderungen des Benutzers zu optimieren. KW - Grignard reaction KW - NMR spectroscopy KW - Process analytical technology KW - Process control KW - Grignard-Reaktion KW - NMR-Spektroskopie KW - Prozessanalytik KW - Prozesskontrolle PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-531260 DO - https://doi.org/10.1002/anie.202106323 SN - 1521-3773 SN - 1433-7851 N1 - Bibliografische Angaben für die deutsche Version: Angewandte Chemie 2021, Jg. 133, S. 1–7, ISSN 0044-8249, ISSN 1521-3757, https://doi.org/10.1002/ange.202106323 - Bibliographic information for the German version: Angewandte Chemie 2021, vol. 133, p. 1–7, ISSN 0044-8249, ISSN 1521-3757, https://doi.org/10.1002/ange.202106323 VL - 60 IS - 43 SP - 1 EP - 6 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-53126 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -