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 - Maiwald, Michael A1 - Gräßer, Patrick A1 - Wander, Lukas A1 - Guhl, Svetlana A1 - Bornemann-Pfeiffer, Martin A1 - Paul, Andrea A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, Simon T1 - Already producing or still calibrating? – Online NMR spectroscopy as smart field device N2 - The departure from the current automation landscape to next generation automation concepts for the process industry has already begun. Smart functions of sensors simplify their use and enable plug-and-play integration, even though they may appear to be more complex at first sight. Monitoring specific information (i.e., “chemical” such as physico-chemical properties, chemical reactions, etc.) is the key to “chemical” process control. The talk introduces a smart online NMR sensor module provided in an explosion proof housing as example. This sensor was developed for an intensified industrial process (pharmaceutical lithiation reaction step) funded by the EU’s Horizon 2020 research and innovation programme (www.consens-spire.eu). Due to NMR spectroscopy as an “absolute analytical comparison method”, independent of the matrix, it runs with extremely short set-up times in combination with “modular” spectral models. Such models can simply be built upon pure component NMR spectra within a few hours (i.e., assignment of the NMR signals to the components) instead of tedious calibrations runs. Industry 4.0, IIoT, or Lab 4.0 will enable us to handle more complex processes in shorter time. Intensified production concepts require for adaptive analytical instruments and control technology to realize short set-up times, modular control strategies. They are based on a digitized Laboratory 4.0. T2 - GA-Conference CY - BASF, Ludwigshafen, Germany DA - 16.05.2018 KW - Process Monitoring KW - Online NMR Spectroscopy KW - Industrie 4.0 KW - Indirect Hard Modeling KW - Laboratory 4.0 KW - CONSENS PY - 2018 N1 - Geburtsname von Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. - Birth name of Bornemann-Pfeiffer, Martin: Bornemann, M. AN - OPUS4-44895 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Maiwald, Michael A1 - Gräßer, Patrick A1 - Wander, Lukas A1 - Guhl, Svetlana A1 - Meyer, Klas A1 - Kern, Simon T1 - Sustainable and Flexible Production of High Quality Chemicals and Pharmaceuticals Using Smart Sensors and Modular Production Units N2 - The departure from the current automation landscape to next generation automation concepts for the process industry has already begun. Smart functions of sensors simplify their use and enable plug-and-play integration, even though they may appear to be more complex at first sight. Monitoring specific information (i.e., “chemical” such as physico-chemical properties, chemical reactions, etc.) is the key to “chemical” process control. The talk introduces a smart online NMR sensor module provided in an explosion proof housing as example. This sensor was developed for an intensified industrial process (pharmaceutical lithiation reaction step) funded by the EU’s Horizon 2020 research and innovation programme (www.consens-spire.eu). Due to NMR spectroscopy as an “absolute analytical comparison method”, independent of the matrix, it runs with extremely short set-up times in combination with “modular” spectral models. Such models can simply be built upon pure component NMR spectra within a few hours (i.e., assignment of the NMR signals to the components) instead of tedious calibrations runs. The talk also generally covers current aspects of high-field and low-field online NMR spectroscopy for reaction monitoring and process control and gives also an overview on direct dissolution studies of API cocrystals. T2 - Chemistry Group Seminar Pfizer Inc. CY - La Jolla, California, USA DA - 09.03.2018 KW - Process Monitoring KW - Online NMR Spectroscopy KW - Smart Sensors KW - Indirect Hard Modeling KW - Modular Production KW - CONSENS PY - 2018 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-444382 AN - OPUS4-44438 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kern, Simon A1 - Meyer, Klas A1 - Guhl, Svetlana A1 - Gräßer, Patrick A1 - Paul, Andrea A1 - King, R. A1 - Maiwald, Michael T1 - Online low-field NMR spectroscopy for process control of an industrial lithiation reaction—automated data analysis JF - Analytical and Bioanalytical Chemistry N2 - Monitoring specific chemical properties is the key to chemical process control. Today, mainly optical online methods are applied, which require time- and cost-intensive calibration effort. NMR spectroscopy, with its advantage being a direct comparison method without need for calibration, has a high potential for closed-loop process control while exhibiting short set-up times. Compact NMR instruments make NMR spectroscopy accessible in industrial and rough environments for process monitoring and advanced process control strategies. We present a fully automated data analysis approach which is completely based on physically motivated spectral models as first principles information (Indirect Hard Modelling – IHM) and applied it to a given pharmaceutical lithiation reaction in the framework of the European Union’s Horizon 2020 project CONSENS. Online low-field NMR (LF NMR) data was analysed by IHM with low calibration effort, compared to a multivariate PLS-R (Partial Least Squares Regression) approach, and both validated using online high-field NMR (HF NMR) spectroscopy. KW - Online NMR spectroscopy KW - Process analytical technology KW - Partial Least Squares Regression KW - Indirect Hard Modeling KW - Benchtop NMR Spectroscopy KW - Smart Sensors KW - CONSENS PY - 2018 UR - https://link.springer.com/article/10.1007/s00216-018-1020-z DO - https://doi.org/10.1007/s00216-018-1020-z SN - 1618-2642 SN - 1618-2650 VL - 410 IS - 14 SP - 3349 EP - 3360 PB - Springer CY - Berlin, Heidelberg AN - OPUS4-44847 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -