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Compact nuclear magnetic resonance (NMR) instruments make NMR spectroscopy and relaxometry accessible in industrial and harsh environments for reaction and process control. An increasing number of applications are reported. Robust field integration of NMR systems have to face explosion protection or integration into process control systems with short set-up times. Tis paves the way for industrial automation in real process environments.
Automated data preparation and analysis are cornerstones for a breakthrough of NMR techniques for process control. Particularly, robust chemometrics as well as automated signal processing methods have to be (further) developed especially for NMR spectroscopy in process control. This becomes even more important for so called “smart sensors” providing the basis for the future project “Industrie 4.0”, and Industrial Internet of Things (IIoT), along with current requirements to process control, model based control, or soft sensing. Data analysis techniques are available but currently mostly used for off-line data analysis to detect the causes of variations in the product quality.
Die NMR-Spektroskopie stellt heutzutage eine der wichtigsten Analysenmethoden in der organischen Chemie dar. Während der Großteil aller Untersuchungen qualitativ mit dem Ziel der Stoffidentifikation und Strukturaufklärung erfolgt, erlangt die quantitative NMR-Spektroskopie (qNMR) zunehmend an Bedeutung in Forschung und Industrie. Der entscheidende Vorteil gegenüber anderen Analysenmethoden liegt in der direkten Proportionalität der Signalfläche zur Anzahl Kernspins im Messvolumen. Dies erlaubt eine kalibrationsfreie Relativquantifizierung. Zur Absolutquantifizierung reicht die Zugabe einer definierten Menge eines vom Analyten unabhängigen NMR-Standards aus.
Trotz dieser Vorteile findet sich die qNMR bislang nur vereinzelt in Normen und Standardverfahren wieder. Zahlreiche Ringversuche in Metrologie und Industrie demonstrieren die Leistungsfähigkeit moderner NMR-Spektrometer und stärken das Vertrauen in die Methode. Die Entwicklung von Validierungskonzepten, sowie die kommerzielle Verfügbarkeit geeigneter zertifizierter Referenzmaterialien erleichtern die Anwendung, insbesondere im zumeist stark regulierten industriellen Umfeld.
Neben etablierten Hochfeld-NMR Spektrometern hat sich in den letzten Jahren ein stark wachsender Markt für kompakte Benchtop-NMR Geräte auf Permanentmagnetbasis entwickelt. Die geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten, sowie die einfache Bedienbarkeit erlaubt es auch kleineren Unternehmen in diese Analysenmethode einzusteigen. Weiterhin besteht die Möglichkeit diese mobilen Systeme näher an die Produktion zu bringen, welches von der klassischen Qualitätskontrolle bis hin zur Online-Prozesskontrolle als vollautomatisierter Analysator reicht. Die geringere Feldstärke der Systeme erfordert hier oft den Einsatz modellbasierter Ansätze zur Spektrenauswertung (z.B. Indirect Hard Modeling).
Dieser Beitrag gibt eine Übersicht über aktuelle Anwendungen und Entwicklungen der qNMR von der universellen, hochgenauen Labormethode bis hin zur robusten Anwendung als Online-Analysator im Feld.
Recent technical developments of NMR instruments such as in acquisition electronics and probe design allow detection limits of components in liquid mixtures in the lower ppm range (approx.. 5–10 ppm amount of substance). The major advantage of quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is that it is a direct ratio method of analysis without the need of calibration. This means that the signal for a specific NMR-active nucleus (e.g., a proton) in an analyte can be compared and quantified by reference to a different nucleus of a separate compound, comparable to a counting of spins in the active volume of the spectrometer.
Technical mixtures can be investigated online directly next to a process setup by using flow probes. This makes it a promising method for process analytical applications, especially during process development in laboratory and pilot plant scale. With the growing market of Benchtop devices based on permanent magnets nowadays an integration of NMR spectroscopy in an industrial environment becomes reasonable.
A special application of qNMR in technical mixtures is the observation in the gas phase, which is rarely applied compared to liquid and solid NMR studies. Because of the low density it results in a reduced sensitivity, which can be improved by applying pressure. Therefore a high-pressure NMR setup was developed based on a commercially available NMR tube made of zirconia. This is currently tested up to 20 MPa, but can be extended up to 100 MPa with regard to pressure rating of its components. This work shows results of gas-phase application on natural-gas like reference gas mixtures produced at BAM, as well as investigations on liquefied gas mixtures with high accuracy provided in piston cylinders.
Besides that amine gas treatment and hydroformylation in a microemulsion represent two other examples of applications in process analytical technology. These show the potential of combination of online NMR spectroscopy with other spectroscopic methods, especially during model development for data evaluation.
Der Vortrag gibt eine Übersicht über aktuelle qNMR-Aktivitäten im Fachbereich 1.4. Dies umfasst beispielsweise die Online-Anwendung zur Prozessüberwachung, aber auch die Reinheitsuntersuchung von Reinstoffkomponenten für die Herstellung von Referenzgasgemischen. Zusätzlich wird ein Ausblick in die aktuelle Strategie hinsichtlich der Rückführung von qNMR-Ergebnissen mittels primärer Referenzmaterialien gegeben.
Homogen katalysierte Reaktionen sind wichtige Werkzeuge der chemischen Industrie. Milde Reaktionsbedingungen und hohe Selektivitäten führen zu einer energie- und ressourcenschonenden Produktion. Ein bedeutender Prozessschritt ist die Hydroformylierung. Hier kommen Kobalt- und Rhodiumkomplexe mit mehrzähnigen Liganden zum Einsatz, die zumeist in wässriger Lösung vorliegen. Die Anwendbarkeit beschränkt sich demnach auf kurzkettige Edukte mit hinreichender Wasserlöslichkeit.