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Zusammen mit der Genauigkeit von Messungen ist die ihnen zugeordnete Messunsicherheit Ausdruck und Maß von Vergleichbarkeit und Richtigkeit. Die Messunsicherheit spielt ebenso die Schlüsselrolle im Aufbau einer Rückführbarkeitskette, wie in diesem Beitrag beschrieben. Es ist der vierte und letzte Teil einer Artikelserie (siehe Infokasten), die Einblicke gibt in die Arbeit des DIN-Normenausschusses „Gasanalyse und Gasbeschaffenheit“ (DIN NA 062-05-73 AA) sowie der international tätigen Technical Committees 158 und 193 der ISO.
In vielen industriellen High-Tech Verfahren und Prozessen, Forschung und Wissenschaft, Medizin und Umwelttechnik werden Sondergase eingesetzt.
Als Gattungsbegriff umfasst diese Bezeichnung ein ansehnliches Spektrum höchster Qualitäten an Gasen. Dazu gehören u. a. Reinstgase mit besonders hohen Anforderungen an ihre Reinheit, Gasgemische genau definierter Zusammensetzung und Isotopengemische. Wie genau kann man Gaszusammensetzungen heute messen? Wie schafft man es, dass alle dasselbe messen? Welche Techniken kommen dabei zum Einsatz?
Die Wettbewerbsfähigkeit der Chemischen und Pharmazeutischen Industrie basiert auf der Sicherung der geforderten Produktqualität bei einer optimalen Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie [1]. Eine gute Prozessführung unter Einsatz zuverlässiger Prozessanalytik sichert hier den globalen Wettbewerbsvorteil gegenüber Niedriglohnländern, die mit weniger effizienten Verfahren produzieren. Prozessanalytik trägt zur Erhöhung der Prozess- und Anlagensicherheit bei. In Kombination mit geeigneten Informationsmanagementsystemen verbessert dieser Ansatz ständig das Wissen über den Prozess und führt damit zu einer präventiven Sicherstellung der geforderten Qualität.
Die moderne Reaktions- und Trenntechnik in der chemischen Industrie ist eine Hochtechnologie. Die dort eingesetzten Verfahren zur Reaktionsführung und Auftrennung der Produkte sind weitestgehend optimiert. Zu diesem Stand hat die instrumentelle Analytik – speziell die Prozeßanalytik – wesentlich beigetragen. Das Reaktions- und Prozeßmonitoring ist eine wichtige Hilfe zum Verständnis der komplexen Zusammenhänge. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz der NMR-Spektroskopie in verfahrenstechnischen Anwendungen wie dem Reaktions- und Prozeß-Monitoring diskutiert und alle dazu notwendigen Grundlagen erläutert. Solche Anwendungen erfordern häufig Techniken, mit denen hochaufgelöste Spektren zerstörungsfrei aufgenommen werden können, oft bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur. Neben der quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung komplexer reagierender Mischungen besteht gleichzeitig die Möglichkeit zur Identifikation von Nebenprodukten. Dieses gelingt insbesondere durch die Nutzung der NMR-Spektroskopie als Online-Methode, die in der Literatur bislang nur in wenigen Einzelfällen beschrieben und trotz ihrer enormen Möglichkeiten noch nicht konsequent angewendet wird. Durch die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der NMR-Spektroskopie kann eine Online-Anbindung heute durchgehend mit Hilfe kommerziell erhältlicher Komponenten erfolgen – wie die vorliegende Arbeit zeigt. Fallende Kosten in der Beschaffung und dem Betrieb leistungsfähiger NMR-Spektrometer machen die Methode auch im verfahrenstechnischen Umfeld mittlerweile sehr attraktiv. Die Attraktivität der Methode gewinnt neuerdings insbesondere durch die erweiterten Einsatzmöglichkeiten kompakterer NMR-Magneten mit geringen Streufeldern. Obwohl sich in den Ingenieurwissenschaften damit vielfältige Einsatzmöglichkeiten ergeben, wird die NMR-Spektroskopie dort bislang noch leider kaum genutzt. Besondere Herausforderungen stellen sich u. a. dadurch, daß sich weder deuterierten Komponenten einsetzen lassen noch die Probe in einer geeigneten Weise in einer Probenvorbereitung verändert werden kann. Damit kommen hochkonzentrierte Mischungen zur direkten Untersuchung. Dieses hat signifikante Rückwirkungen auf die einzusetzende NMR-Methodik, die im Rahmen der Arbeit umfassend untersucht wurde. In der Regel lassen sich die Probleme bei entsprechender experimenteller Vorgehensweise umgehen. Zur Garantie quantitativer Meßwerte wurden alle eingesetzten Meß- und Auswertungsstrategien ausführlich untersucht und teilweise erweitert. Um quantitativ aussagekräftige Online-NMR-Spektren mit Hilfe der 1H- und 13C-NMRSpektroskopie von technischen Mischungen zu erhalten, wurden folgende Aufgaben gelöst: Entwicklung und Validierung von Vorgehensweisen zur Messung hochkonzentrierter, technischer Mischungen ohne Probenvorbereitung und ohne Zusatz deuterierter Komponenten; Konstruktion geeigneter Apparaturen zur Untersuchung von Reaktionsgleichgewichten und -kinetiken für verschiedene Druck- und Temperaturbereiche, die sich optimal für die Online-NMR-Spektroskopie einsetzen lassen; Ankopplung der NMR-Spektrometers an die unterschiedlichen Apparate mit Hilfe von NMR-Durchflußzellen; Schaffung einer möglichst noninvasiven Untersuchungsmethode hinsichtlich aller Probenparameter (z. B. Druck, Temperatur); Schaffung und Erprobung von Meß- und Auswertungsstrategien im Hinblick auf quantitative Parameter, Erweiterung des zugänglichen Druck- und Temperaturbereiches der Messungen sowie Verkürzung des Zeitfensters für Messungen durch geeignete Peripherie und konstruktiven Veränderungen am NMR-Probenkopf. Als Beispiel werden Messungen an binären und ternären flüssigen Mischungen aus Formaldehyd, Wasser und Methanol diskutiert. In diesen Systemen ist Formaldehyd fast ausschließlich in Poly(oxymethylen)Glykolen und -hemiformalen chemisch gebunden. Die chemischen Reaktionen in formaldehydhaltigen Mischungen bestimmen deren thermodynamisches Verhalten sowie ihre Trennung mit thermischen Verfahren. Die NMR-Spektroskopie ist das zentrale analytische Verfahren, mit dem sich diese Vorgänge aufklären und quantifizieren lassen. Für die hier vorgestellten Untersuchungen zum Prozeßmonitoring kamen u. a. eine Online-NMRKopplung mit einem Dünnschichtverdampfer sowie mit einem Rührreaktor zum Einsatz. In weiteren Anwendungsbeispielen zum Thema Formaldehyd wird aufgezeigt, daß sich die Online-NMR-Spektroskopie auch zum Studium komplexer Reaktionsnetzwerke, zur Messung von Gaslöslichkeiten oder zur Quantifizierung kleinster Produktmengen unter schwierigen, technischen Reaktionsbedingungen eignet. Ferner werden Arbeiten zur Aufklärung und Quantifizierung der chemischen Prozesse bei der Absorption von Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen bei Drücken bis zu 30 bar und reaktionskinetische Untersuchungen von Veresterungen vorgestellt, bei denen auch ein Vergleich mit einer GC-Analytik durchgeführt wurde. Ebenso wird gezeigt, daß sich die Online-NMR-Spektroskopie zur Beobachtung von Reaktionen in Ionischen Flüssigkeiten eignet. Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung fluider Mischungen bei hohen Drücken. Beispielhaft werden Arbeiten zu H-Brückengleichgewichten von Methanol in überkritischem Kohlendioxid vorgestellt, die eine wertvolle, experimentelle Datenbasis zur Überprüfung molekulardynamischer Modelle in der molekularen Simulation liefern. Für die meisten Anwendungsbeispiele werden neue Reaktoren und Meßapparaturen vorgestellt, die sich besonders für den Einsatz in der Durchfluß-NMR-Spektroskopie eignen. Schließlich wird kurz auf die Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Bestimmung physikalisch chemischer Größen eingegangen, wie z. B. zur Bestimmung von Diffusuionskoeffizienten in technischen Mischungen. Erstmals wird der Einsatz der Methode in der Taylor-Dispersionstechnik beschrieben und experimentell belegt.
Eine stets optimale Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie in Verbindung mit einer guten Prozessführung sind die wichtigsten Voraussetzungen für globale Wettbewerbsvorteile der Chemisch Pharmazeutischen Industrie und für die Branchen Energieerzeugung, Petrochemie, Nahrungsmittel, Papier- und Zellstoff oder Wasserversorgung. Überlegene Verfahren erfordern die fortwährende Kontrolle der geforderten Produktqualität, ihre präventive Sicherstellung und eine ständige Verbesserung des Wissens über den Prozess. Sensoren helfen dabei, alle wichtigen Messgrößen an kritischen Stellen transparent zu machen.
Sie sind die 'Sinnesorgane der Prozessleittechnik' für automatisierte Verfahren. Allein aufgrund stetig wachsender Anforderungen an Sensoren ergibt sich für viele Messaufgaben die Notwendigkeit einer ständigen Verbesserung der Sensoren. Für völlig neue Aufgaben müssen jedoch neue Messprinzipien gefunden werden, weil heute noch keine Sensor-Technologie existiert oder die wachsenden Anforderungen nicht mehr allein durch Weiterentwicklung bestehender Technologien erfüllt werden können.
Ende 2009 wurden Anforderungen und Wege für die konsequente Weiterentwicklung und Verbesserung von Prozess-Sensoren aus Anwendersicht aufgeschrieben. Das Projekt wurde von NAMUR und GMA initiiert und gemeinsam mit Industrieanwendern und Geräteherstellern als Technologie-Roadmap 'Prozess-Sensoren 2015+' veröffentlicht.
Was ist aus den Wünschen seither geworden? Wie kann die Umsetzung dieser Entwicklungsziele von den Geräteherstellern wirtschaftlich und marktgängig erfolgen? Wie werden neuartige Forschungsziele mit der angemessenen Forschungsförderung am besten vorangebracht?
The design of sample flow cells, commonly used in on-line analytics and especially for medium resolution NMR spectroscopy (MR-NMR) in low magnetic fields, was experimentally and theoretically investigated by 1H NMR and numerical simulations. The flow pattern was characterised to gain information about the residence time distribution and mixing effects. Both 1H NMR imaging and spectroscopy were used to determine the characteristics of flow cells and their significance for on-line measurements such as reaction monitoring or hyphenated separation spectroscopy. The volume flow rates investigated were in the range from 0.1 to 10 ml/min, typically applied in the above mentioned applications. The special characteristics of flow cells for MR-NMR were revealed by various NMR experiments and compared with CFD simulations and to flow cells commonly used in high-field NMR. The influence of the design of the inlet and outlet on the flow pattern was investigated as well as the effect of the length of the cell. For practical use, a numerical estimation of the inflow length was given. In addition, it was shown how experiments on the polarisation build-up revealed insight into the flow characteristics in MR-NMR.
Der Vortrag stellt einige aktuelle Herausforderungen für die Prozessanalytik und mögliche Antworten vor.
Gepulste Raman-Spektrometer akkumulieren das Raman-Signal mit Hilfe schneller optischer Schalter im Picosekunden-Bereich, bevor langlebigere Fluoreszenzanregung entsteht. Damit lassen sich stark fluoreszierende Materialien untersuchen, die bislang nicht zugänglich sind. Eine weitere interessante Entwicklung ist etwa die Shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) die besonders für biologische Anwendungen interessant ist.
Flexible, modulare Produktionsanlagen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. In einem EU-Projekt wird derzeit die Feldintegration eines Online-NMR-Sensormoduls als smartes Modul für die Prozesskontrolle vorangebracht. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometer, welche zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die spektrale Datenauswertung erstellt.
Eine sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma zu erzeugen. Das dabei erzeugte Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. In einem aktuellen Projekt wird diese Methode neben anderen zur Online-Analyse von Ackerböden für die ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) weiterentwickelt und bewertet.
Für die weitere Entwicklung von der Ist‐Situation zu einer Industrie-4.0-Welt in der Prozessindustrie bestehen recht ähnliche Szenarien. Dazu werden derzeit 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.
Es gibt viele Parallelen zwischen der Laborgerätewelt und der Prozess-Sensor-Welt, die im Rahmen der Digitalisierung immer näher aneinanderrücken.
Nur weit weniger als ein Prozent aller pharmazeutischen Wirkstoffe finden den Weg in die Anwendung. Grund dafür sind in fast allen Fällen die äußerst schlechten biopharmazeutischen Eigenschaften der Wirkstoffe, wie ihre Löslichkeit, Stabilität und – bei festen Darreichungsformen – ihre Kristalleigenschaften, auch wenn die Wirkstoffe eine gute Wirksamkeit oder gute toxikologische Eigenschaften aufweisen. Mit dem Trend zu höheren Molmassen bei chemischen Wirkstoffen nimmt ihre Löslichkeit in wässrigen Systemen rapide ab. Verbesserungen der Löslichkeit und des Auflösungsverhalten stellen heute die zentrale Herausforderung bei der Entwicklung neuer Arzneimittel dar und liegen im Fokus der aktuellen pharmazeutischen Forschung und Entwicklung.
Für eine Verbesserung der physikalisch chemischen Eigenschaften werden verschiedene Verfahren beforscht: Mikronisierung, gezielte Salzbildung bzw. Salzscreening, Solubilisierung mit Cosolventien oder die Nutzung von Polymeren als mögliche Transportwege.
Pharmazeutische Cokristalle bestehen aus einem Wirkstoff und einem sogenannten Cokri-stall-Bildner. Bei letzterem handelt es sich typischerweise um ein organisches Molekül, das ähnliche Struktureigenschaften wie der pharmazeutische Wirkstoff aufweist. Die Synthese und Charakterisierung von pharmazeutischen Cokristallen ist von patentrechtlicher Relevanz und Gegenstand aktueller Forschungen, da die Bildung solcher Cokristalle häufig mit einer Verbesserung der physikochemischen Eigenschaften der enthaltenen Wirkstoffe einhergeht. In den letzten Jahren ist es gelungen, insbesondere das Auflösungsverhalten der pharmazeutischen Wirkstoffe gezielt zu verbessern und dadurch eine optimierte Bioverfügbarkeit zu realisieren.
Um einige Einschränkungen der Methoden UV/VIS-Detektion und HPLC zu umgehen, verfolgen wir das Auflösungsverhalten der Cokristalle mittels Online-NMR-Spektroskopie als ein direktes Verfahren: Die Methode erlaubt zum einen die direkte Beobachtung und Quantifizierung individueller Species, die bei der Auflösung beteiligt sind, d. h. Wirkstoff(e), Cokristallbildner und Lösungsmittel lassen sich getrennt voneinander mit einer hohen zeitlichen Auflösung und spektraler Dispersion beobachten. Ferner kommt diese Me-thode ohne Kalibrierung aus, da die NMR-Spektroskopie eine "absolute Vergleichsmethode" ist. Darüber hinaus kann die absolute Konzentration gemessen werden, wenn gegen Standards gearbeitet wird. Der Einsatz dieses Verfahrens zum Studium des Auflösungsverhaltens ist völlig neu. Perspektivisch reizvoll ist die Weiterentwicklung zu einem mikroanalytischen Verfahren, das mit äußerst geringen Substanzmengen auskommt.
Process analytical techniques are extremely useful tools for chemical production and manufacture and are of particular interest to the pharmaceutical, food and (petro-) chemical industries.
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 analysers, 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.
A major advantage of NMR spectroscopy is that the method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method which is independent of the matrix. This is an important prerequisite for robust data evaluation strategies within a control concept and reduces the need for extensive maintenance of the evaluation model over the time of operation. Additionally, NMR spectroscopy provides orthogonal, but complimentary physical information to conventional, e.g., optical spectroscopy. It increases the accessible information for technical processes, where aromatic-toaliphatic conversions or isomerizations occur and conventional methods fail due to only minor changes in functional groups.
As a technically relevant example, the catalytic hydrogenation of 2-butyne-1,4-diol and further pharmaceutical reactions were studied using an online NMR sensor based on a commercially available low-field NMR spectrometer within the framework of the EU project CONSENS (Integrated Control and Sensing).
The application of Raman spectroscopy as a monitoring technique for bioprocesses is severely limited by a large background signal originating from fluorescing compounds in the culture media. Here, we compare time-gated Raman (TG-Raman)-, continuous wave NIRprocess Raman (NIR-Raman), and continuous wave micro-Raman (micro-Raman) approaches in combination with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) for their potential to overcome this limit. For that purpose, we monitored metabolite concentrations of Escherichia coli bioreactor cultivations in cell-free supernatant samples. We investigated concentration transients of glucose, acetate, AMP, and cAMP at alternating substrate availability, from deficiency to excess. Raman and SERS signals were compared to off-line metabolite analysis of carbohydrates, carboxylic acids, and nucleotides. Results demonstrate that SERS, in almost all cases, led to a higher number of identifiable signals and better resolved spectra. Spectra derived from the TG-Raman were comparable to those of micro-Raman resulting in well-discernable Raman peaks, which allowed for the identification of a higher number of compounds. In contrast, NIR-Raman provided a superior performance for the quantitative evaluation of analytes, both with and without SERS nanoparticles when using multivariate data analysis.
Digitalisierung und Industrie 4.0 verändern komplette Geschäftsmodelle, heben neue Effizienzpotenziale und stärken die Wettbewerbsfähigkeit. Auf dem 57. Tutzing-Symposion vom 15.–18.04.2018 wurde mit Vorträgen und Kreativworkshops erkundet, welche speziellen Anforderungen die Prozessindustrie hat, welche digitalen Innovationen bereits umgesetzt wurden und wo noch Handlungsbedarf besteht. Ein Workshop befasste sich mit den Themenfeldern Datenkonzepte, Datenanalyse, Big Data und künstliche Intelligenz. Es geht nicht um die Digitalisierung von heute. Im Angesicht der wachsenden Digitalisierung unserer Prozesse stellt sich die Frage, ob wir den Prozess wirklich gut kennen. Ob alle Verfahrensschritte detailliert hinterlegt wurden. Nur mit einem heuristischen Ansatz kann das vorhandene Wissen nicht digitalisiert werden.
Sehr schnell werden die Mechanismen eines Massenmarktes mit denen einer Nische verwechselt. Nicht jeder Mechanismus, den wir von großen Suchmaschinen oder Einkaufsportalen kennen, gibt uns einen Hinweis auf Nutzen und Verfügbarkeit für die Prozess- oder pharmazeutische Industrie. Eine gute Analyse der Anforderungen in der Zukunft mit einem Abgleich der derzeitigen technischen Möglichkeiten ist Voraussetzung für eine Verbesserung der derzeitigen digitalen Umsetzung. Dabei ist es sinnvoll unkonventionelle Methoden einzusetzen.