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Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
Die NMR-Spektroskopie ist eine der zentralen nicht-invasiven Analysenmethoden in der organischen Chemie und aus dem Laboralltag nicht mehr wegzudenken. Die direkte Proportionalität zwischen der Anzahl der Atomkerne im Messvolumen und der Signalfläche im Spektrum ist vergleichbar mit einem „Zählen der Kernspins“. Der Kalibrieraufwand für die Quantifizierung ist minimal und aus dem NMR-Spektrum sind Informationen zu Struktur und Identität zugänglich.
Online-NMR-Spektroskopie wird unter Zuhilfenahme von speziellen Durchflussproben-köpfen und Messzellen bereits seit Jahrzehnten erforscht und eingesetzt. Durch die hohen Anforderungen an die Aufstellung und den Betrieb von klassischen Hochfeld-NMR-Spektrometern konnte sie allerdings nie den Sprung vom Labor in den Prozess schaffen. Dies hat sich durch die Entwicklungen im Bereich mobil einsetzbarer Benchtop-NMR-Spektrometer grundlegend verändert. Geringere Investitions- und Betriebskosten, sowie die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme sind entscheidende Faktoren. Damit rückt eine Anwendung als Online-PAT-Methode technisch in greifbare Nähe. Designierte Prozess-NMR-Spektrometer sucht man heutzutage allerdings auf dem Markt meist noch vergebens.
Die Reaktionsverfolgung im Labormaßstab konnte an unterschiedlichen Systemen erfolgreich demonstriert werden. Dabei zeigten sich allerdings Limitierungen in Hinblick auf einen möglichen Prozesseinsatz. Insbesondere die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme ist hier zu nennen. Anhand eines Prototyps wurde eine aktive Temperaturisolation mittels temperierter Luftströmungen entwickelt und erprobt.
Eine Feldintegration von Laborsystemen geht sowohl technisch als auch regulatorisch mit zahlreichen Herausforderungen einher. Das raue Umfeld von Produktionsanlagen, sowie die Anforderungen an Explosionsschutz erfordern eine zugelassene Einhausung. Auf Basis von Erfahrungen mit einem ersten Prototyp erfolgte die gemeinsame Entwicklung eines möglichst flexibel einsetzbaren Analysenschranks. Neben der Hardware-Integration sind die automatisierte modellbasierte Auswertung der NMR-Spektren, sowie die Einbindung in die Prozessleittechnik essenziell für einen zuverlässigen Betrieb als PAT-Analysengerät.
Um die internationale Spitzenposition deutscher Unternehmen der Prozessindustrie auch in Zukunft sicher zu stellen, müssen die Unternehmen ihre Prozesse und Geschäftsabläufe digitalisieren und gemeinsam mit der Forschung innovative neue Methoden, Apparate, Anlagen, Sensoren und Automatisierungstechnik sowie Datenkonzepte entwickeln. All dies erfordert den Aufbau neuer Fähigkeiten, Investition in Talente, interdisziplinäre Kommunikation zwischen verschiedenen Personen und Abteilungen und eine Bereitschaft zur Veränderung.
Global demand for pigments is expected to increase to around 13.4 million tons per year by 2030, representing approximately $22 billion – 5% of which will be azo pigments as the main organic pigments. Azo pigments, i.e., especially the azo bridge required for them, are almost exclusively produced in technology by the so-called azo coupling reaction in large-scale approaches on the scale of 50–100 cubic meters. Among other things, one of the reasons why large-scale production itself is still essentially discontinuous is the lack of analytical methods for a continuous azo pigment synthesis.
In an azo coupling process, an aromatic amine is diazotized to form the diazonium compound (diazo compound), which then reacts with a coupling component, i.e., "couples". A slight excess of the coupler is desired for the end of the reaction, which stoichiometrically consumes the remaining (harmful) diazo compound, i.e., below 500 ppm. This is carried out with a manual spotting reaction of a fast-binding coupler.
To carry out continuous azo coupling, care must be taken to ensure that the actual coupling reaction proceeds as rapidly as possible, i.e., preferentially, compared with possible side reactions. Reliable measuring methods are thus a decisive criterion for the useful performance of a continuous azo pigment synthesis. An analytical online procedure is difficult due to several limitations at once: solid dispersions extremely limit the range of reproducible analytical procedures. In addition, the appearance of a signal (e.g., excess of a starting material) in the ppm range must be reliably detected against the matrix background.
The back-titration method and benchtop NMR spectroscopy were used to overcome these problems. We present a feasibility study for a suitable process analysis with benchtop NMR spectroscopy on disperse systems for equimolar dosing of the "diazotization" or "coupling" sub-step in azo coupling, which was carried out in cooperation with a chemical company. This could replace tedious manual spotting
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicherer Ansatz für die Digitalisierung und den Einsatz maschinengestützter Prozesse bei der Herstellung von Spezialchemikalien und Arzneimitteln durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert. Ein aktueller Ansatz und ein Beispiel in diesem Vortrag sind flexible und modulare chemische Produktionseinheiten, die Mehrzweckanlagen nutzen, um verschiedene hochwertige Produkte mit kurzen Stillstandszeiten zwischen den Kampagnen herzustellen und die Markteinführungszeit für neue Produkte zu verkürzen.
Als zweites Beispiel wird kurz die Testplattform Wasserstofftankstelle vorgestellt, die als moderne Anlage der Prozessindustrie betrachtet werden kann, vergleichbar mit einer Anlage aus der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. An ihr lassen sich alle derzeit entlang der Digitalen Transformation diskutierten Konzepte implementieren, um sie zu standardisieren und zu validieren. Dazu gehören Konzepte zur Konnektivität von Sensoren und Aktoren aus der Feldebene in höhere Ebenen der Automatisierung oder zur Einbringung zusätzlicher Sensoren oder Sensornetzwerke, die zunehmend flexibler gestaltet werden soll, die sichere und nachvollziehbare Parametrierung von Automatisierungskomponenten – vielleicht aus einem digitalen Abbild (Verwaltungsschale bzw. „Digitaler Zwilling“) heraus, Konzepte zur vorausschauenden Wartung („Predictive Maintenance“), Konzepte zu digitalen Entscheidungsprozessen, Zertifikaten und Signaturen oder der zunehmende Einsatz von komplexen Auswertungsalgorithmen und Applikationen in der Feldebene („Embedded Computing“) oder der „Kante“ zu Cloudbasierten Systemen der Informationstechnik („Edge-Computing“).
Die beiden Beispiele sollen aktuelle Entwicklungsachsen des industriellen Messwesens im Rahmen der industriellen Automation aufzeigen, in denen Messwerte, deren Messunsicherheiten und Kontextinformationen eine wichtige Rolle einnehmen.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
In den letzten Jahren erfreut sich die Benchtop-NMR-Spektroskopie steigender Beliebtheit. Zusätzlich zu Anwendungen im Labor werden die kompakten Geräte auch zunehmend in industriellen Bereichen eingesetzt. Neben geringeren Investitions- und Betriebskosten sind insbesondere die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme entscheidende Faktoren. Ein prozessnaher Einsatz kann sowohl nach Probenahme im Rahmen der Betriebsanalytik erfolgen als auch als Online-Analytik mit direkter Ankopplung an Prozesse. Insbesondere bei der direkten Kopplung mittels Durchflusszellen spielt der Probentransfer eine entscheidende Rolle. Dies zeigt sich auch am Beispiel eines Extraktionsprozesses im Labormaßstab. Das in einem Bioprozess aus tierischen Altfetten hergestellte Copolymer PHB(Co-HHX) wurde in einem Batch-Prozess mit organischen Lösungsmitteln aus gefrier-getrockneten Zellen extrahiert. Unter Variation der Parameter wurde der Prozess direkt in der mehrphasigen Suspension mittels Benchtop-NMR-Spektroskopie verfolgt.
Eine große Limitierung für den Einsatz als Online-Methode ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme. Während die Umgebungstemperatur gut kontrollierbar ist, stellt sich die Thematik der Probentemperatur komplexer dar. Bei größeren Abweichungen von der Magnettemperatur kommt es bereits nach kurzer Zeit zu Drift-Effekten, die die Lock-Systeme nur begrenzt kompensieren können. Ein Ansatz ist die Nutzung temperierter Luftströme, ähnlich bekannter VT-Einheiten ergänzt um eine aktive Isolierung zum Magneten. An einem Modellaufbau wurden dazu verschiedene Konstruktionen zunächst mittels Thermographie charakterisiert und anschließend die Anwendbarkeit in einem Prototyp-Gerät überprüft.
In der rauen industriellen Umgebung von Produktionsanlagen sind weitere Maßnahmen zum Betrieb eines Laborgerätes nötig (z.B. Temperierung, Witterungsschutz). Zusätzlich bestehen häufig strikte Anforderungen an den Explosionsschutz. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit der Evonik Rheinfelden eine Einhausung entwickelt, die es ermöglicht neben der NMR-Spektroskopie auch eine weitere analytische Methode möglichst flexibel direkt an großtechnische Anlagen anzubinden.
Im Rahmen von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufene Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ ist der Fokus auf die Entwicklung von neuen Regelwerken und Zertifizierungsworkflows ausgerichtet. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen, wenn aktuelle Prozess- und Parameterdaten
zuverlässig zur Verfügung gestellt werden sollen. In dem Use Case Wasserstofftankstelle werden digitale Abbilder erprobt, die u.a. der Kalibrierung von Sensoren, dem Nachweis über die Wasserstoffreinheit und der vorausschauenden Wartung dienen sollen.
Großenteils der verfahrenstechnischen Bestandsanlagen, die sogenannten Brownfield-Anlagen, sind nach einem konservativen und hierarchischen Automatisierungskonzept ausgelegt. Hierbei können sämtliche Prozessdaten,
besonders aus der Feldebene, einer oberen informationstechnische Ebene
unzugänglich bleiben. Eine Brückentechnologie nach der NAMUR Open Architecture (NOA) soll möglichst viele Informationen und Daten aus der vorgegebenen Brownfield-Automatisierung sicher und rückwirkungsfrei zur
Verfügung stellen. Zusätzliche Sensorik soll ebenso zu der Datenerweiterung beitragen und letztendlich den digitalen Zwilling, bzw. das digitale Abbild des verfahrenstechnischen Prozesses, ergänzen.
Die Herausforderungen einer solchen Infrastruktur gelten vor allem einer universellen
Kommunikationsschnittstelle und der Sicherheit. Darüber hinaus werden vorgeschlagene Normen und Empfehlungen untersucht und erprobt.
Unternehmen der Prozessindustrie müssen neue Wege finden, um in einem sich wandelnden Umfeld erfolgreich zu überleben, und gleichzeitig flexiblere Wege der Produkt- und Prozessentwicklung finden, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen – insbesondere hochwertige, hochwertige Produkte wie Feinchemikalien oder Arzneimittel. Dies wird zukünftig durch Veränderungen in den Wertschöpfungsketten entlang einer potenziellen Kreislaufwirtschaft erschwert.
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und zum Einsatz maschineller Verfahren in der Produktion von Spezialchemikalien durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert.
Es wird auch auf die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ eingegangen, die Ende 2021 erschienen ist. Im Zentrum dieser Roadmaps stehen Sensoren zur Erfassung von physikalischen und chemischen Messgrößen mittels spezifischer und unspezifischer Messverfahren, die zur Steuerung und dem besseren Verständnis von Prozessen dienen. Die Roadmap fasst die gemeinsame Technologie- und Marktsicht von Anwendern, Herstellern und Forschungs¬einrichtungen im Bereich Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie zusammen. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind übergreifende Kernthemen der künftigen Entwicklung.
Die BAM setzt in ihren analytischen Labors zunehmend Labor-Robotik ein, um gefähliche oder zeitraubende Routineaufgaben zu automatisieren. Durch Automation kann auch die Reproduzierbarkeit solcher Anwendungen erhöht werden.
Im Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus den Analytiklabors diskutiert, wie z. B. die Anwendung für die Herstellung und RFA-Analytik von Gläsern, eine Feinwäge-Robotik für 10-L-Gaszylinder im Rahmen der Herstellung von Primärnormalen oder die Automatisierung von Probenpräsentationen für optische Spektroskopie und chemical Imaging. Auch wird kurz auf den Einsatz von Speicherprogrammierbaren Steuerungen in der modularen Laborautomation und die Virtualisierung von analytischen Laborrechnern eingengangen.