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Online NMR spectroscopy for process monitoring in intensified continuous production plants

  • Process analytical techniques are extremely useful tools for chemical production and manufacture and are of particular interest to the pharmaceutical, food and (petro-) chemical industries. 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. A major advantage of NMR spectroscopy is that the method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analyticalProcess analytical techniques are extremely useful tools for chemical production and manufacture and are of particular interest to the pharmaceutical, food and (petro-) chemical industries. 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. A major advantage of NMR spectroscopy is that the method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method which is independent of the matrix. This is an important prerequisite for robust data evaluation strategies within a control concept and reduces the need for extensive maintenance of the evaluation model over the time of operation. Additionally, NMR spectroscopy provides orthogonal, but complimentary physical information to conventional, e.g., optical spectroscopy. It increases the accessible information for technical processes, where aromatic-to-aliphatic conversions or isomerisation’s occur and conventional methods fail due to only minor changes in functional groups. As a technically relevant example, the catalytic hydrogenation of 2-butyne-1,4-diol and further pharmaceutical reactions were studied using an online NMR sensor based on a commercially available low-field NMR spectrometer within the framework of the EU project CONSENS (Integrated Control and Sensing).zeige mehrzeige weniger
  • Die Überwachung chemischer Reaktionen ist der Schlüssel zur chemischen Prozesskontrolle. Die quantitative NMR-Spektroskopie besitzt ein hohes Potential für das kontinuierliche Prozessmonitoring. Sie arbeitet zerstörungsfrei mit geringen Probenmengen, kommt durch den direkten Nachweis der Kernspins ohne Kalibrierung aus und weist auch in Konzentrationsrandbereichen eine sehr hohe Linearität auf. Durch Innovationen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie sind seit kurzem kompakte Benchtop-Laborgeräte von einer wachsenden Zahl an Herstellern kommerziell erhältlich. Neben der Verwendung für Lehre und Forschung im Labor besteht ein potentieller Markt für prozesstaugliche Analysatoren auf Basis dieser Technologie. Für die Integration in eine industrielle Umgebung werden hohe Anforderungen an die Robustheit und Sicherheit entsprechender Systeme gestellt. Dies umfasst neben einem zuverlässigen, vollautomatisierten Betrieb vor allem die Konformität mit ATEX-Richtlinien für denDie Überwachung chemischer Reaktionen ist der Schlüssel zur chemischen Prozesskontrolle. Die quantitative NMR-Spektroskopie besitzt ein hohes Potential für das kontinuierliche Prozessmonitoring. Sie arbeitet zerstörungsfrei mit geringen Probenmengen, kommt durch den direkten Nachweis der Kernspins ohne Kalibrierung aus und weist auch in Konzentrationsrandbereichen eine sehr hohe Linearität auf. Durch Innovationen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie sind seit kurzem kompakte Benchtop-Laborgeräte von einer wachsenden Zahl an Herstellern kommerziell erhältlich. Neben der Verwendung für Lehre und Forschung im Labor besteht ein potentieller Markt für prozesstaugliche Analysatoren auf Basis dieser Technologie. Für die Integration in eine industrielle Umgebung werden hohe Anforderungen an die Robustheit und Sicherheit entsprechender Systeme gestellt. Dies umfasst neben einem zuverlässigen, vollautomatisierten Betrieb vor allem die Konformität mit ATEX-Richtlinien für den Einsatz in den zumeist als explosionsgefährdet geltenden Produktionsbereichen [2]. Insbesondere im Fall kontinuierlicher Prozesse sind Online-Sensoren und eine unmittelbar rückwirkende Regelung (Closed-loop-control) im laufenden Betrieb zur Sicherstellung der Produktqualität zwingend erforderlich. Andernfalls besteht ein hohes Risiko, große Mengen von nicht spezifikationskonformen, sog. Out-of-Spec-Produkten (OOS) zu produzieren, die aufwändig aufbereitet oder schlimmstenfalls verworfen werden müssen. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS (Integrated Control and Sensing) wird ein prozesstauglicher Analysator für den Einsatz in modularen Produktionsanlagen auf Basis eines kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometers entwickelt. Zur Validierung und Verbesserung der Systemintegration dieses Moduls wird eine kontinuierlich betriebene Teilreaktion aus einem pharmazeutischen Produktionsprozess untersucht. Hierbei handelt es sich um die Kopplung der aromatischen Systeme Anilin und o-Fluornitrobenzol unter Verwendung eines Lithiumorganyls. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit dieses Prozessbeispiels erlaubt jedoch keine kinetischen Studien des Reaktionsverlaufs, sodass dies am technisch relevanten Beispiel der katalytischen Hydrierung von 2-Butin-1,4-diol oder weiteren pharmazeutischen Reaktionen demonstriert wird. Im Rahmen dieser Prozessanwendungen ist auch der direkte Vergleich mit etablierten spektroskopischen Verfahren wie UV/VIS-, NIR- und Raman-Spektroskopie geplant.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Svetlana Guhl
Koautoren/innen:Simon Kern, Klas Meyer, Patrick Gräßer, Lukas Wander, Michael Maiwald
Dokumenttyp:Posterpräsentation
Veröffentlichungsform:Präsentation
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2017
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.4 Prozessanalytik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Freie Schlagwörter:Niederfeld-NMR-Spektroskopie; Online NMR Spektroskopie; Zerstörungfreie Analytik
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Analytical Sciences
Analytical Sciences / Zerstörungsfreie Prüfung und Spektroskopie
Veranstaltung:11. Interdisziplinäres Doktorandenseminar
Veranstaltungsort:Berlin, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:12.03.2017
Enddatum der Veranstaltung:14.03.2017
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-394241
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung
Datum der Freischaltung:20.03.2017
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:BAM Präsentationen