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Modular plants using intensified continuous processes represent an appealing concept to produce pharmaceuticals. It can improve quality, safety, sustainability, and profitability compared to batch processes, and it enables plug-and-produce reconfiguration for fast product changes. To facilitate this flexibility by real-time quality control, we developed a solution that can be adapted quickly to new processes and includes a compact Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometer for online quality monitoring as well as a new model-based control approach. The NMR sensor is a benchtop device enhanced to the requirements of automated chemical production including ro-bust evaluation of sensor data.
Here, we present alternatives for the quantitative determination of the analytes using modular, physically motivated models. These models can be adapted to new substances solely by the use of their corresponding pure component spectra, which can either be derived from experimental spectra as well as from quantum mechanical models or NMR predictors. Modular means that spec-tral models can simply be exchanged together with alternate reagents and products. Beyond that, we comprehensively calibrated an NIR spectrometer based on online NMR process data for the first time within an industrial plant. The integrated solution was developed for a metal organic reac-tion running on a commercial-scale modular pilot plant and it was tested under industrial conditions.
Im Vortrag werden Anforderungen und Lösungsvorschläge für das Labor der Zukunft diskutiert. Industrie 4.0 bzw. das Labor 4.0 hilft uns, komplexere Prozesse schneller umzusetzen. Entwicklung von Anlagen und Prozessen beginnt im Labor 4.0. Dazu werden offene, nicht proprietäre Schnittstellen und Standards bei Laborgeräten und Feldgeräten dringend benötigt.
Gas adsorption is based on physical properties between gases and solid materials, enriching the surface with packed gas molecules with a higher density than in the bulk phase. For using this mechanism as a gas storage strategy, highly porous materials are necessary since large surfaces in small volumes can provide the storage system with a higher density than the gas phase. In the case of hydrogen gas, the interaction forces with solid surfaces are generally low at room temperature but can increase considerably at low operating temperatures. As a counterpart, the storage pressure is considerably lower than that necessary by traditional gas compression.
Amongst ultra-porous adsorbent materials for hydrogen cryoadsorption, metal-organic frameworks (MOFs) are a group of remarkable solids made from metallic nodes linked by organic molecules exhibiting a wide variety of composition, geometry, porous properties, and chemical functionality. The scientific community focused in the last years on enhancing both the specific area of materials and the interaction energy to extend the storage properties of cryoadsorption to ambient-temperature and use it as hydrogen storage mechanisms in vehicles. However, the found difficulty in achieving ultra-porous structures with high-enough interaction energies decreased this research interest in the last years.
However, for a stationary application like hydrogen refueling stations, where space and weight are not such limits as in vehicles, cryoadsorption can still be considered a feasible candidate for hydrogen storage. Cryoadsorption is the only fast and fully reversible approach to store hydrogen at similar density values as compressed gas. Cryogenic operation is a technological challenge, but first, liquid nitrogen is cheap, and second, it is less energy-demanding than hydrogen liquefaction, which is indeed considered as feasible for transportation and storage. Cryoadsorption involves lower pressure
than compressed gas, increasing safety in the storage facilities, but additional research on the construction materials properties is necessary to better understand their behavior in contact with hydrogen at cryogenic temperatures. However, the knowledge of all these mechanisms is important to identify the improvement opportunities based on, probably, the interphase between different solutions.
To achieve the set project goals, this internal research report describes the work packages realised within the framework of the project.
ISO/IEC 17025 is the worldwide quality standard for testing and calibration laboratories. It is the basis for accreditation by an accreditation body. The current version was published in 2018.
Implementing ISO/IEC 17025 as part of laboratory quality initiatives offers both laboratory and business benefits, such as expanding the potential customer base for testing and/or calibration, increasing the reputation and image of the laboratory at national and international level, continuous improvement of the data quality and the effectiveness of the laboratory or creation of a good basis for most other quality systems in the laboratory sector, such as GxP. The main difference between a proper approach to analysis and a formal accreditation is shown in a targeted documentation, especially on the qualification of the personnel, the test equipment and the validation of the analytical methods.
Using quantitative NMR spectroscopy as an example, it is shown how accreditation can be carried out and what documentation is required. In our case, we have described the procedure in an SOP ("Determination of the quantitative composition of simple mixtures of structurally known compounds with 1H-NMR spectroscopy") and supported it with a modular system of organizational and equipment SOPs. The special feature is that the accredited method is independent for the choice of the analyte and the matrix and therefore it is possible to operate with a single validated method. In our case, we have proposed three quality levels ("leagues") with different levels of analytical effort, which differ in their measurement uncertainty, in order to simplify the workflow and analysis design.
Companies in the chemical industry have to tread new paths in order to survive successfully in a changed environment. This includes, in particular, the potential of digital technologies. The full integration and intelligent networking of systems and processes is making slow progress.
This talk is a tribute to the field level. It wants to encourage a more holistic approach to the digitalisation of the process industry based on smart sensors, actuators and communication and provides information on current technical perspectives, such as the "one-network paradigm", ad-hoc networking, edge computing, FPGAs, virtual machines or blockchain. These give smart sensors, actuators and communication a completely new perspective.
Process analytical technology (PAT) is a cross-sectional technology and thus essential for future smart production. While in the past decades, the focus of process optimization strategies was on increasing efficiency, in the future, the focus will be on the sustainability of a production and its products. In addition, products will be increasingly personalized in order to match the property profile exactly to the intended use. PAT is able to provide context-sensitive information at the molecular level for process control. Spectroscopic sensors can determine inline and simultaneously both the chemical composition and its sub-microscopic morphology. The article will focus on the optical spectroscopy and therefore starts with a brief introduction on the basic concepts of molecular spectroscopy. In addition, the particularities of measuring liquids, surfaces, or particulate systems in PAT applications are described. This should enable the reader to select the appropriate method for the specific problem. Many examples from everyday industrial practice illustrate the applications. The areas covered are the manufacturing industry, process and pharmaceutical industry, food industry, as well as biotechnology and medical technology. Future will show that PAT is especially important for applications in the field of medicine (point of care) circular economy (recycling, water–wastewater, etc.). It is important to emphasize that sustainability in industrial production can only be successful with an inter- and transdisciplinary close exchange between the different disciplines.
The European project MefHySto addresses the need of large-scale energy storage, which is required for a shift to renewable energy supply. The project is funded by the European Metrology Programme on Innovation and Research (EMPIR) and consists of 14 consortium partners from all over Europe (www.mefhysto.eu). It is demonstrated, how MefHySto is contributing to the EMN for Energy Gases aiming at prioritisation of the measurement gaps and challenges interacting with the EMN stakeholders.
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.
Zusätzlich zu Methodenentwicklung, Miniaturisierung und Kopplungsverfahren zeigen sich die Hyperspektroskopie zusammen mit Imaging‐Verfahren, der Einzelmolekülnachweis und der Einsatz von 3‐D‐Druckern als neue Schwerpunkte. Hinzu kommen künstliche Intelligenz bei Sensoren, Bildgebungsverfahren und Prozesssteuerung sowie die Vernetzung von Analyse‐ und Laborgeräten. Trends und Forschungsthemen aus der analytischen Chemie, zusammengestellt von elf Autoren, koordiniert von Günter Gauglitz.
Prozess-Sensoren 4.0 vereinfachen ihre Einbindung über Plug and Play, obwohl sie komplexer werden. Sie bieten Selbstdiagnose, Selbstkalibrierung und erleichterte Parametrierung. Über die Konnektivität ermöglichen die Prozess-Sensoren den Austausch ihrer Informationen als Cyber-physische Systeme mit anderen Prozess-Sensoren und im Netzwerk. Der Aufbruch von der aktuellen Automation zum smarten Sensor hat bereits begonnen. Automatisierungstechnik und Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verschmelzen zunehmend. Wenn die Prozessindustrie dieses nicht definiert, tun es andere.
Für die weitere Entwicklung von der Ist‐Situation zu einer Industrie-4.0-Welt in der Prozessindustrie werden mehrere Szenarien diskutiert. Diese reichen vom erleichterten Abruf sensorbezogener Daten über zusätzliche Kommunikationskanäle zwischen Sensor und mobilen Endgeräten über vollständig bidirektionale Kommunikation bis hin zur Einbindung der Cloud und des Internets in virtualisierte Umgebungen.
Um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren untereinander zu kommen, muss mindestens ein einheitliches Protokoll her, das alle Sensoren sprechen und verstehen. Der derzeit greifbarste offengelegte Standard, der moderne Kommunikationsanforderungen erfüllt, ist OPC Unified Architecture (OPC-UA). Viele halten das Sortieren der Kommunikationsstandards für eines der wesentlichen Errungenschaften von Industrie 4.0.
Eine Topologie für smarte Sensoren, das Zusammenwirken mit daten- und modellbasierte Steuerungen bis hin zur Softsensorik sowie weitere Anforderungen an Sensoren sind jedoch heute noch nicht angemessen beschrieben. Wir müssen jetzt schnell die Weichen für eine smarte und sichere Kommunikationsarchitektur stellen, um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren auf Basis eines einheitlichen Protokolls zu kommen, welches alle Sensoren ausgeben und verstehen.
Aktuelle und zukünftige öffentliche Förderung von Industrie 4.0-Projekten sind eine gute Investition. Wegen der hohen Komplexität und Interdisziplinarität gelingt die Umsetzung nur gemeinsam zwischen Anwendern aus der Prozessindustrie, Software- und Geräteherstellern und Forschungsgruppen. Anwender sind gefragt, diese neue Technologie durch eine beschleunigte Validierung und Akzeptanz umzusetzen. Sie erhalten die einzigartige Chance, ihre Prozesse und Anlagen wettbewerbsfähig zu halten. Kooperativ betriebenen F&E-Zentren und gemeinsam anerkannten Applikationslaboren kommt dafür eine hohe Bedeutung zu.
For absorption processes with fluctuating feed gas compositions it is vital to continuously adjust
the operation point to achieve energy efficiency. In this contribution a Raman-based advanced
process control (APC) is introduced for the absorption of carbon dioxide (CO2) using an aqueous
solution of monoethanolamine (MEA). The APC is based on a Raman spectroscopic analysis of
the composition and CO2 load of the scrubbing liquid and a non-linear model predictive control
(NMPC) to adjust the scrubbing liquid cycle. In addition, an outer real-time optimization loop is
set in place to update the set points for the absorption process depending on the current feed gas composition minimizing the energy consumption of the process. Implementation and testing of the APC have been carried out in a mini-plant at TU Berlin. During a plant operation of more than 160 hours robustness and stability of the APC were shown.
Online monitoring and process control requires fast and noninvasive analytical methods, which are able to monitor the concentration of reactants in multicomponent mixtures with parts-per-million resolution. Online NMR spectros-copy can meet these demands when flow probes are directly coupled to reactors, since this method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical com-parison method being independent on the matrix. Due to improved magnet design and field shimming strategies portable and robust instruments have been introduced to the market by several manufacturers during the last few years. First studies with this technology showed promising results to monitor chemical reaction in the laboratory.
Die Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ ist eine Weiterentwicklung vorgängiger Technologie-Roadmaps. 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 Forschungseinrichtungen im Bereich Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie zusammen. Sie beschreibt die wesentlichen Trends im Bereich Prozess-Sensorik und künftige Handlungsbedarfe für Hersteller, Anwender sowie für Einrichtungen der Forschung und Lehre.
Für die aktuellen und zukünftigen Anforderungen an Prozess-Sensoren werden 19 Thesen formuliert. Die Thesen basieren auf den Thesen der vorangegangenen Roadmaps, wobei die aus heutiger Sicht erforderlichen Anpassungen, Ergänzungen und teilweise auch Streichungen vorgenommen wurden. Die Thesen sind in 5 Themencluster eingeordnet. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind übergreifende Kernthemen der künftigen Entwicklung.
Optimizing the Green Synthesis of ZIF-8 by Reactive Extrusion Using In Situ Raman Spectroscopy
(2023)
We report the scale-up of a batch solid synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) for reactive extrusion. The crystalline product forms in the extruder directly under the mixture of solid 2-methylimidazole and basic zinc carbonate in the presence of a catalytic amount of liquid. The process parameters such as temperature, liquid type, feeding rate, and linker excess were optimized using the setup specifically designed for in situ Raman spectroscopy. Highly crystalline ZIF-8 with a Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area of 1816 m2 g–1 was quantitatively prepared at mild temperature using a catalytic amount of ethanol and a small excess of the linker. Finally, we developed a simple and comprehensive approach to evaluating the environmental friendliness and scalability of metal–organic framework (MOF) syntheses in view of their large-scale production.
Der Wandel von der aktuellen Automation zum smarten Sensor ist im vollen Gange. Automatisierungstechnik, sowie die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verschmelzen zunehmend. Eine Topologie für smarte Sensoren, die das Zusammenwirken mit daten- und modellbasierten Steuerungen bis hin zur Softsensorik beschreibt gibt es bis heute jedoch noch nicht. Um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Komponenten auf Basis eines einheitlichen Protokolls zu kommen sollte die Prozessindustrie die Weichen für eine smarte und sichere Kommunikationsarchitektur stellen. Sie verwehrt stattdessen die Entwicklungen ihrer Zulieferer und wartet lieber ab. Der Beitrag greift die Anforderungen der Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 4.0“ auf und zeigt Möglichkeiten zu ihrer Realisierung am Beispiel eines Online-NMR-Analysators, der im Rahmen eines EU-Projekts entwickelt wurde.
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.
In case study one of the CONSENS project, two aromatic substances were coupled by a lithiation reaction, which is a prominent example in pharmaceutical industry. The two aromatic reactants (Aniline and o-FNB) were mixed with Lithium-base (LiHMDS) in a continuous modular plant to produce the desired product (Li-NDPA) and a salt (LiF). The salt precipitates which leads to the formation of particles. The feed streams were subject to variation to drive the plant to its optimum.
The uploaded data comprises the results from four days during continuous plant operation time. Each day is denoted from day 1-4 and represents the dates 2017-09-26, 2017-09-28, 2017-10-10, 2017-10-17.
In the following the contents of the files are explained.
Introduction
NMR spectroscopy is one of the most important analytical methods in organic chemistry. While most analyses are carried out qualitatively with the aim of substance identification and structure elucidation, quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is increasingly gaining importance in research and industry. qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination without need for reference materials of impurities or the calculation of response factors but only exhibiting suitable NMR properties.
Methods
One of the most attractive features of quantitative NMR spectroscopy is that the NMR peak areas can be used directly for concentration quantification without further calibration. Another advantage of NMR spectroscopy is that the method has a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method that is independent of the matrix. This enables automated robust data evaluation strategies that can be used for online applications of qNMR spectroscopy.
Jancke et al. proposed NMR spectroscopy as a relative primary analytical method because it can be fully described by mathematical equations from which a complete uncertainty budget can be derived, allowing it to be used at the highest metrological level. Weber et al. discussed in detail important aspects of the procedure that enable the realisation of low measurement uncertainties in qNMR measurements. Since certification of CRM requires expanded mea¬sure¬ment uncertainties of less than 0.5 % (relative), the work of Weber et al. demonstrated for the first time that qNMR can fulfil this criterion.
Results
To date, further comparative studies have been carried out in metrology and industry, demonstrating the performance of quantitative NMR spectroscopy and further reducing measurement uncertainties. The development of validation concepts and the commercial availability of suitable certified reference materials facilitate the application, especially in the usually highly regulated industrial environment. Users can thus accelerate the development of analytical methods. The talk will cover a wide range of topics from current metrological activities to new challenges for qNMR spectroscopy and also deals with aspects such as validation and accreditation.
Innovative aspects
• qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination
• Expanded measurement uncertainties lower than 0.15 % (relative) possible
• Benchtop NMR instruments increasingly used for qNMR spectroscopy
Intelligent sensor systems, certified reference materials and instrumental analytical-chemical methods contribute to safety and functionality in hydrogen technologies.
This article gives a brief overview of SensRef activities in the Competence Centre H2Safety@BAM on the issues: Analytical methods for the determination of hydrogen purity, certified reference materials as measurement standards with regard to gas quality (primary calibrators) of BAM, test methods for gas sensor systems to detect hydrogen in air as well as the application of fibre-optic sensor systems to monitor the expansion and ageing behaviour of composite containers in hydrogen technologies.