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Hydroformylation represents an important homogeneous catalyzed process, which is widely used within chemical industry. Usually applied with simple alkenes like Propene and Butene aldehydes obtained from alkenes >C6 are relevant intermediates in production of plasticizers, surfactants and polymers. Today the active catalyst species is often based on valuable Rhodium complexes in aqueous solution. This implies the problem of limited water solubility of the reactands, which is acceptable for short chain lengths, but states a problem in case of higher alkenes. Along with that efficient separation and recycling of the catalyst becomes more complicated. There are different approaches tackling this problem, e.g., by using of salt formation in the BASF process or downstream distillation within the Shell process
The Collaborative Research Center InPROMPT aims to establish a novel process concept for the hydroformylation of long-chained olefins, using a rhodium complex as catalyst in the presence of syngas. Recently, the hydroformylation in micro-emulsions, which allows for the efficient recycling of the expensive rhodium catalyst, was found to be feasible. However, the temperature and concentration sensitive multi-phase system demands a continuous observation of the reaction to achieve an operational and economically feasible plant operation. For that purpose, we tested the potential of both NMR and Raman spectroscopy for process control assistance. The lab-scale experiments were supported by sampling for off-line GC-analysis as reference analytics. The results of the NMR experiments will be part of another contribution.
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.
Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie – Kombination von PAT-Methoden für mehr Prozessverständnis
(2020)
Die Verbesserung des Prozessverständnisses ist eine notwendige Voraussetzung für die Anwendung von Konzepten wie „Industrial Internet of Things (IIoT)“ oder „Industrie 4.0“. Online-Methoden der Prozessanalytik (PAT) ermöglichen die direkte Verfolgung der ablaufenden Reaktionen innerhalb chemischer und pharmazeutischer Produktionsschritte und können somit einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung von neuen, innovativen Prozessführungsstrategien liefern.
Während die Online-Raman-Spektroskopie bereits erfolgreich im industriellen Umfeld zum Einsatz kommt, ist der Entwicklungsstand für die Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie bislang noch nicht ausreichend für einen routinemäßigen Einsatz innerhalb industrieller Produktionsumgebungen. Der hohe Informationsgehalt der NMR-Daten in Verbindung mit einem geringen Kalibrieraufwand macht die Methode sehr interessant für moderne Konzepte flexibler Produktionsanlagen für die Herstellung vieler unterschiedlicher Produkte in wechselnden Kampagnen. Speziell in modularen Produktionskonzepten kann so die Rüstzeit der Prozessanalytik deutlich verkürzt werden.
Am Beispiel der heterogen katalysierten Hydrogenierung von 2-Butin-1,4-diol wird der Einsatz der Kombination von Online-NMR und -Raman-Spektroskopie demonstriert. Dieser Prozessschritt aus der industriellen Synthese des Lösungsmittels Tetrahydrofuran verläuft über ein Zwischenprodukt, welches konkurrierende Reaktionspfade aufweist. Die Kombination von Informationen aus der PAT, sowie von klassischen Prozessgrößen, wie Druck, Temperatur und Durchfluss in einem hoch automatisierten Aufbau erleichtert die Entwicklung und Erprobung von neuen Konzepten für die Prozessführung.
Hydroformylation of short-chained olefins has been established as a standard industrial process for the production of C2 to C6 aldehydes. Using aqueous solutions of transition metal complexes these processes are carried out homogeneously catalyzed. A biphasic approach allows for highly efficient catalyst recovery. Regarding renewable feedstocks, the hydroformylation of long-chained alkenes (> C10) in a biphasic system, using highly selective rhodium catalysts has yet not been shown. Therefore, the Collaborative Research Center SFB/TR 63 InPROMPT develops new process concepts, involving innovative tuneable solvent systems to enable rather difficult or so far nonviable synthesis paths. One possible concept is the hydroformylation of long-chained alkenes in microemulsions. For this, a modular mixer-settler concept was proposed, combining high reaction rates and efficient catalyst recycling via the application of technical grade surfactants. The feasibility of such a concept is evaluated in a fully automated, modular mini-plant system within which the characteristics of such a multiphase system pose several obstacles for the operation. Maintaining a stable phase separation for efficient product separation and catalyst recycling is complicated by small and highly dynamic operation windows as well as poor measurability of component concentrations in the liquid phases. In this contribution, a model-based strategy is presented to enable concentration tracking and phase state control within dynamic mini-plant experiments. Raman spectroscopy is used as an advanced process analytical tool, which allows for online in-situ tracking of concentrations. Combined with optical and conductivity analysis optimal plant trajectories can be calculated via the solution of dynamic optimization problem under uncertainty. Applying these, a stable reaction yield of 40 % was achieved, combined with an oil phase purity of 99,8 % (total amount of oily components in the oil phase) and catalyst leaching below 0.1 ppm.
Im Zuge der Digitalisierung der Prozessindustrie werden zunehmend modellbasiere Echtzeitoptimierungsverfahren eingesetzt, sog. „Advanced Process Control“. Mithilfe der sogenannten Modifier-Adaptation ist eine iterative Betriebspunktoptimierung auch mit ungenauen Modellen möglich, sofern zuverlässige Prozessdaten zur Verfügung stehen. Am Beispiel eines smarten Online-NMR-Sensors, der in einem EU-Projekt von der BAM entwickelt wurde, konnte das Konzept in einer modularen Produktionsanlage zur Herstellung eines pharmazeutischen Wirkstoffs erfolgreich getestet werden.
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. To build an interdisciplinary bridge between “process control” and “compact NMR”,we give a short overviewon current developments in the field of process Engineering such as modern process design, integrated processes, intensified processes along with requirements to process control, model based control, or soft sensing. Finally, robust field integration of NMR systems into processes environments, facing explosion protection or Integration into process control systems, are briefly discussed.
Process monitoring of an intensified continuous production unit with compact NMR spectroscopy
(2016)
Monitoring chemical reactions is the key to chemical process control. 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 analyzers, 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. Recently, promising benchtop NMR instruments with acceptable performance came to market and process integrated sensors developed on basis of such laboratory instruments are on their way.
Intensified continuous processes are in focus of current research. Compared to traditional batch processes, these are giving admittance to new and difficult to produce compounds, leading to better product uniformity, and dras-tically reducing the consumption of raw materials and energy. Flexible (modular) chemical plants can produce different products using the same equipment with short down-times between campaigns, and quick introduction of new products to the market. Typically, such plants have smaller scale than big size facilities for production of basic chemicals but are still capable to produce kilograms to tons of specialty products each day. Such flexible (modular) plants can be provided in the size of 20 ft freight containers and represent a promising approach by their ability of easy transfer to production sites as well as the possibility of increasing production capacity by a simple numbering-up-approach.
However, full automation is a prerequisite to realize such benefits of intensified continuous production. In continu-ous flow processes steady automated measurements and tight closed-loop control of the product quality are mandatory. If these are not available, there is a huge risk of producing large amounts of out-of-spec (OOS) prod-ucts. This is addressed in the European Union’s Research Project CONSENS (Integrated Control and Sensing) by development and integration of smart sensor modules for process monitoring and control within such modular plant setups.
Process monitoring of an intensified continuous production unit with compact NMR spectroscopy
(2017)
Monitoring chemical reactions is the key to chemical process control. 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 inexpensive analysers, which feature advantages like 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, 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.
Intensified continuous processes are in focus of current research. Flexible (modular) chemical plants can produce different products using the same equipment with short down-times between campaigns and quick introduction of new products to the market. In continuous flow processes online sensor data and tight closed-loop control of the product quality are mandatory. Otherwise there is a huge risk of producing large amounts of out-of-spec (OOS) products. This is addressed in the European Union’s Research Project CONSENS by development and integration of smart sensor modules for process monitoring and control within such modular plant setups.
The presented NMR module is provided in an explosion proof housing with a module size of 57 x 57 x 85 cm and involves a compact 43.5 MHz NMR spectrometer together with an acquisition unit and a programmable logic controller for automated data preparation (phasing, baseline correction) and evaluation. Indirect Hard Modeling (IHM) was selected for data analysis of the low-field NMR spectra. A set-up for monitoring continuous reactions in a thermostated 1/8” tubular reactor using automated syringe pumps was used to validate the IHM models by using high-field NMR spectroscopy as analytical reference method.
Process monitoring of an intensified continuous production unit with compact NMR spectroscopy
(2016)
Monitoring chemical reactions is the key to chemical process control. 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 analyzers, 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 cur-rently not available off the rack. Recently, promising benchtop NMR instruments with acceptable performance came to market and process integrated sensors developed on basis of such laboratory instruments are on their way.
Reaction monitoring in disperse systems, such as emulsions, is of significant technical importance in various disciplines like biotechnological engineering, chemical industry, food science, and a growing number other technical fields. These systems pose several challenges when it comes to process analytics, such as heterogeneity of mixtures, changes in optical behavior, and low optical activity. Concerning this, online nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful technique for process monitoring in complex reaction mixtures due to its unique direct comparison abilities, while at the same time being non-invasive and independent of optical properties of the sample. In this study the applicability of online-spectroscopic methods on the homogeneously catalyzed hydroformylation system of 1-dodecene to tridecanal is investigated, which is operated in a mini-plant scale at Technische Universität Berlin. The design of a laboratory setup for process-like calibration experiments is presented, including a 500 MHz online NMR spectrometer, a benchtop NMR device with 43 MHz proton frequency as well as two Raman probes and a flow cell assembly for an ultraviolet and visible light (UV/VIS) spectrometer. Results of high-resolution online NMR spectroscopy are shown and technical as well as process-specific problems observed during the measurements are discussed.
A major industrial reaction based on homogeneous catalysis is hydroformylation for the production of aldehydes from alkenes and syngas. Hydroformylation in microemulsions, which is currently under investigation at Technische Universität Berlin on a mini-plant scale, was identified as a cost efficient approach which also enhances product selectivity. Herein, we present the application of online Raman spectroscopy on the reaction of 1-dodecene to 1-tridecanal within a microemulsion. To achieve a good representation of the operation range in the mini-plant with regard to concentrations of the reactants a design of experiments was used. Based on initial Raman spectra partial least squares regression (PLSR) models were calibrated for the prediction of 1-dodecene and 1-tridecanal. Limits of predictions arise from nonlinear correlations between Raman intensity and mass fractions of compounds in the microemulsion system. Furthermore, the prediction power of PLSR models becomes limited due to unexpected by-product formation. Application of the lab-scale derived calibration spectra and PLSR models on online spectra from a mini-plant operation yielded promising estimations of 1-tridecanal and acceptable predictions of 1-dodecene mass fractions suggesting Raman spectroscopy as a suitable technique for process analytics in microemulsions.
Produzieren Sie schon oder kalibrieren Sie noch? – Online-NMR-Spektrometer als Smarte Feldgeräte
(2018)
Der Vortrag zeigt allgemeine Anforderungen an "smarte Feldgeräte" und deren Entwicklung in den vergangenen Jahren. Am Beispiel eines smarten Online-NMR-Sensors, der in einem EU-Projekt von der BAM entwickelt wurde, wird die Umsetzung der Anforderung aufgezeigt. Schließlich werden weitere Technologieanforderungen und Lösungsansätze vorgestellt.
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.
Homogen katalysierte Reaktionsschritte sind ein wichtiges Werkzeug in der chemischen Industrie. Durch die milden Reaktionsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck bei gleichzeitig hoher Selektivität bieten diese die Möglichkeit energieeffizienter und ressourcenschonender Produktionsschritte. Eine der wichtigsten industriellen Anwendungen bildet die Hydroformylierung. Hier besteht das Katalysatorsystem meist aus Übergangsmetallkomplexen, vorwiegend Kobalt und Rhodium, die zur Steuerung der Selektivität und Löslichkeit mit mehrzähnigen Liganden koordiniert sind. Diese Komplexe liegen für eine effiziente Katalysator-rückführung in wässriger Lösung vor, was jedoch die Anwendbarkeit auf kurzkettige Edukte mit hinreichender Wasserlöslichkeit beschränkt.
Ein möglicher Lösungsansatz für die Verwendung langkettiger Alkene ist die Umsetzung der Reaktion in einer Mikroemulsion. Durch die gesteigerte Phasen-grenzfläche besteht ein effektiver Kontakt von Katalysator und Reaktanden bei gleichzeitiger Möglichkeit der Produktseparation durch Phasentrennung, während der Katalysator dem Reaktionsschritt zurückgeführt wird und das Verfahren damit wirtschaftlich macht.[1]
Am Beispiel der Reaktion von 1-Dodecen zu Tridecanal wird der Einsatz von Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie für die Prozessanalytik (sowie Applikation von komplexen Regelungskonzepten) innerhalb eines mizellaren Systems demonstriert. Ein speziell konzipierter Laboraufbau ermöglicht die Durchführung von Experimenten unter Prozessbedingungen für die in Mikroemulsionen äußerst anspruchsvolle Entwicklung und Kalibrierung von multivariaten Modellen für die Raman-Spektroskopie. Diese konnten anschließend im Rahmen einer mehrtägigen Betriebs-studie einer Miniplant am realen technischen System erprobt werden.
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.
qNMR - The handbook
(2023)
Quantitative NMR (qNMR) has been around for a long time, but also has great potential to solve future problems in any quantitative analysis. As a primary method, it differs fundamentally from chromatographic methods: it is better described as a quantum mechanical balance. Succesful implementation of qNMR requires certain attention to detail. "qNMR - the handbook" is intended to be a guide for analysts to help understand the fundamental principles of NMR and the significant points relating to its implementation for quantitation. Regulatory considerations of qNMR adoption are explained. NMR fundamentals are explained to provide understanding. Together with many useful examples, the book is a compelling addition to the laboratory's reference library, providing all the tools that any practitioner should know to successfully implement qNMR.
The authors are qNMR pioneers and come from a variety of backgrounds including business, government and academia.
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.