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The use of benchtop-NMR instruments is constantly increasing during the recent years. Advantages of being affordable, portable and easy-to-operate without the need for trained staff make them especially interesting for industrial applications in quality control. However, applications of NMR spectroscopy as an online PAT tool are still very rare but offer a huge potential for process optimization and control. A key task to exploit this potential is hardware field integration of the lab-instruments in a rough environment of a chemical plant. Additionally, developments in automation and data evaluation are mandatory to ensure a robust unattended operation with low maintenance requirements. Here, we show an approach of a fully automated analyzer enclosure considering explosion safety, field communication, as well as environmental conditions in the field.
Temperature sensitivity is still a limitation of benchtop-NMR instruments in flow applications. Recent developments of manufacturers allow for limited operation at static temperature levels, however, a dynamic system for continuous operation is still not available. Using a prototype system offering a larger bore, active temperature shielding studies with thermostated air were performed evaluating the performance.
Automated data evaluation of NMR spectra using a modular indirect hard modeling (IHM) approach showed good results and flexibility. A second data analysis approach based on artificial neural networks (ANN) was evaluated.Therefore, amount of data was augmented to be sufficient for training. The results show comparable performance, while improving the calculation time tremendously, offering new ways to simultaneously evaluating large numbers of different models.
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.
Compact NMR Spectroscopy in the field: A Versatile PAT Tool for Production of Specialty Chemicals
(2023)
Companies of chemical industry find themselves more often in a rapidly changing environment, e.g., due to variability of raw material quality or energy costs and efficiency. Process optimization and new process concepts become more and more important. For example, flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market for new products. Intensified continuous production plants allow for difficult to produce compounds like exothermic reactions with high heat dissipation.
Highly automated “chemical” process control along with real-time quality control are prerequisites to such concepts and thus should be based on “chemical” information. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the full requirements of an automated chemical production environment such as explosion safety, field communication, and robust evaluation of sensor data. Field studies in modular and conventional production plant setups show promising results gaining process knowledge for further optimization. NMR appeared as preeminent online analytical method and allow using a modular data analysis approach, which can even serve as reliable reference method for further calibration-dependent PAT applications (e.g., NIR or Raman spectroscopy).
Based on experiences from earlier field studies an improved NMR analyzer enclosure setup was developed and built, including the option of a secondary method (e.g., optical spectroscopy). Integrated control systems allow for a flexible implementation based on the available automation infrastructure at the chemical plant or pilot plant setup. In the future, fully integrated and intelligently interconnecting “smart” PAT systems and processes have the potential speed up the setup of production equipment for chemicals and pharmaceuticals and therefore help to reduce the time-to-market.
The application of compact NMR instruments to continuously flowing samples at higher temperatures or exothermically reacting mixtures is limited by the temperature sensitivity of permanent magnets. Typically, such temperature effects directly influence the achievable magnetic field homogeneity and hence measurement quality. The internal-temperature control loop of the magnet and instruments is typically not designed for compensation of such effects. Passive insulation is restricted by the small dimensions within the magnet borehole.
Here, we present a design approach for active heat shielding with the aim of variable temperature control of NMR samples for benchtop NMR instruments using a compressed airstream which is variable in flow and temperature. Based on the system identification and surface temperature measurements using an optical thermo-graphy setup, a model predictive control was set up to minimize any disturbance effect on the permanent magnet from the probe or sample temperature.
This methodology will facilitate the application of variable-temperature shielding and, therefore, potentially extend the application of compact NMR instruments to flowing samples at higher temperature than the permanent magnet.
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.