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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.
Ein Weg zur wissensbasierten Produktion führt über die Betrachtung der wesentlichen Apparate-, Prozess- und Freigabedaten aus Betrieben und Labors. Das Potenzial dieser Daten wird heute vielfach noch nicht konsequent für ein umfassendes Verständnis der Produktion genutzt.
Neben Fragen zur Datenerfassung, Datenkonnektivität und Datenintegrität müssen solche Daten für eine ganzheitliche Prozessanalyse zunächst mit Kontextinformationen zusammengebracht werden. Datenquellen enthalten vor allem Zeitwertpaare, die numerisch vorbehandelt und möglichst vollautomatisch ausgewertet werden müssen. Am Beispiel NMR-spektroskopischer Daten wird der Stand der Auswertung mit physikalisch motivierten Modellen, wie z. B. dem IHM erläutert.
Eine der vielen Vorzüge Smarter Sensoren und Aktoren ist Bereitstellung zusätzlicher Informationen, auf die zukünftig neben den Hauptsignalen zugegriffen werden kann. In den Arbeitskreisen 3.6 und 3.7 wird dieses im wechselseitigen Austausch mit Geräte- und Softwareherstellern und Forschungseinrichtungen vorangetrieben.
Wir berichten kurz über den Stand der Diskussionen anhand von Beispielen und möchten in einem Open Space Workshop Meinungen und Ideen aufgreifen.
Um in einem veränderten Umfeld erfolgreich bestehen zu können, müssen Chemieunternehmen neue Pfade beschreiten. Dazu gehört insbesondere das Potential digitaler Technologien. Mit flexiblen, modularen chemischen Vielzweck-Produktionsanlagen lassen sich häufig wechselnde Produkte mit kürzeren Vorlauf- und Stillstandzeiten zwischen den Kampagnen und dennoch hoher Qualität realisieren. Intensivierte, kontinuierliche Produktionsanlagen erlauben auch den Umgang mit schwierig zu handhabenden Substanzen.
Grundvoraussetzung für solche Konzepte ist eine hochautomatisierte "chemische" Prozesskontrolle zusammen mit Echtzeit-Qualitätskotrolle, die "chemische" Informationen über den Prozess bereitstellt. In einem Anwendungsbeispiel wurde eine pharmazeutische Lithiierungsreaktion aus einer modularen Pilot-Anlage betrachtet und dabei die Vorzüge eines vollautomatischen NMR-Sensors untersucht. Dazu wurde ein kommerziell erhältliches Benchtop-NMR-Spektrometer mit Permanentmagnet auf die industriellen Anforderungen, wie Explosionsschutz, Feldkommunikation und vollautomatischer, robuster Datenauswertung angepasst. Der NMR-Sensor konnte schließlich erfolgreich im vollautomatischen Betrieb nach fortschrittlichen Regelkonzepten und für die Echtzeitoptimierung der Anlage getestet werden. Die NMR-Spektroskopie erwies sich als hervorragende Online-Methode und konnte zusammen mit einer modularen Datenauswertung sehr flexibel genutzt werden. Die Methode konnte überdies als zuverlässige Referenzmethode zur Kalibrierung konventioneller Online-Analytik eingesetzt werden.
Zukünftig werden voll integrierte und intelligent vernetzte "smarte" Sensoren und Prozesse eine kontinuierliche Produktion von Chemikalien und Pharmazeutika mit vertretbaren Qualitätskosten möglich machen.
Zusammenfassung
Der Ausgangspunkt für diese Arbeiten ist eine in [1] beschriebene Ultraschall-(US)-Sensorik zur Aushärtungskontrolle. Sie wurde für rieselfähige Formmassen entwickelt [2,3]. Darauf aufbauend ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Voraussetzungen für den Einsatz dieser Sensorik beim Harzinjektionsverfahren zu schaffen und ihre Kalibrierung durch rheologische und DSC-Messungen zu ermöglichen.
Der erste Teil des Beitrages beschäftigt sich mit dem technologischen Ablauf des Harzinjektionsverfahren und den Einsatzmöglichkeiten der US-Sensorik bei dieser Technologie. Ergebnisse von Schallgeschwindigkeits- und Dämpfungsmessungen für EP-Harze werden vorgestellt.
Im zweiten Teil wird auf das Kalibrieren der US-Sensorik für den Verarbeiter eingegangen. Es kann mittels der bisherigen Prozessführung oder durch Vergleich mit den Ergebnissen anderer Mess-Verfahren wie Rheometer- oder Differential-Scanning-Calerometry-(DSC)-Messungen erfolgen.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird zunächst die für die on-line Prozesskontrolle an duroplastischen Formmassen entwickelte Ultraschallmesstechnik vorgestellt. Die Methode basiert auf der Durchschallung des vernetzenden Materials mit Hilfe von in das Werkzeug integrierten druck- und temperaturfesten 4 MHz-Ultraschallsensoren. Die Auswertung von Schalllaufzeit und Signalamplitude erfolgt vollautomatisch und dient der Berechnung von Schallgeschwindigkeit und -dämpfung. Beide Größen repräsentieren die änderung der mechanischen Eigenschaften infolge der Vernetzungsreaktion. Durch Anwendung auf vulkanisierende Materialien sollte die Anwendbarkeit der bewährten Methode erweitert werden. Im Ergebnis wird gezeigt, dass die Größe des Messeffekts von der Menge an Vernetzer (Schwefelkonzentration) abhängt. Bei ausreichend hohem Vernetzungsgrad zeigt die Ultraschallgeschwindigkeit signifikante, gut auswertbare Resultate, die den Ablauf der Vulkanisation on-line zu verfolgen gestatten. Ein Vergleich mit Vulkameterkurven zeigt große ähnlichkeiten und berechtigt zu der Hoffnung, dass die Methode industriellen Einsatz finden kann.