Chemie und Prozesstechnik
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Trialkoxysilane haben sich in den vergangenen Jahren als vielseitig einsetzbare Organosilane erwiesen. Die Einsatzgebiete erstrecken sich vom Witterungsschutz von Bauwerken über haftvermittelnde Eigenschaften in der Glasfaserindustrie, bei Dicht- und Klebstoffen, in Farben und Lacken bis hin zur Modifizierung von polymeren Werkstoffen.
Kommerzielle Benchtop-NMR-Spektrometer haben das Potential auch im Bereich der Silanchemie als Online-Methode zur Reaktionsüberwachung und für die Qualitätskontrolle eingesetzt zu werden. Interessante NMR-Kerne für die oben genanntem Produkte sind 1H und 29Si. In einer gemeinsamen Forschungskooperation zwischen EVONIK und BAM wurde anhand verschiedener Fallstudien die Anwendbarkeit der Niederfeld-NMR-Spektroskopie zur chemischen Analyse von Silanen evaluiert. Im Zuge der Fallstudien wurde gezeigt, wie Niederfeld-NMR-Spektroskopie die Möglichkeiten der Konzentrationsmessung auf neue Anwendungsgebiete erweitert, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können.
Fallstudie 1: Oligomerisierung
Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit einer geeigneten Online-NMR-Analytik zu beobachten, den Reaktionsfortschritt der Hydrolyse und Kondensation auf dieser Basis besser zu verstehen und zu optimieren. Zu diesem Zweck werden durch Zugabe von Wasser zunächst die Alkoxysubstituenten eines Trialkoxysilans hydrolysiert und entsprechende Silanole gebildet. Diese können dann über eine SiOH-Funktion an den zu modifizierenden Werkstoff anbinden und über weitere Silanolgruppen unter Ausbildung von Siloxaneinheiten vernetzen.
Fallstudie 2: Spaltung von cyclischen Silanverbindungen
In einer weiteren Fallstudie wurde die Kinetik der Aufspaltungen einer cyclischen Silanverbindung untersucht. Die Online-NMR-Analytik kam hierbei sowohl im Labor als auch in der industriellen Produktionsanlage zum Einsatz. Hierfür wurde eine vollständig automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht.
Fallstudie 3: Qualitätskontrolle für Produktmischungen von Trialkoxysilanen
Für Produktmischungen eines Trialkoxysilans und weiteren Bestandteilen wie u. a. org. Stabilisatoren, Organozinnverbindungen, eines aromatischen Amins und org. Peroxide wurden quantitative 1H-Spektren akquiriert und eine automatische Auswertungsmethode basierend auf Indirect Hard Modeling (IHM) entwickelt. Für die Nebenkomponenten, deren Stoffmengenanteile bis zu 3 Mol-% betragen, wurden durch die zugrunde gelegte Methode typischerweise korrekte experimentelle Stoffmengenanteile gefunden, die weniger als 0,2 Mol-% vom Referenzwert abweichen.
Modular production involving benchtop NMR Current Application Examples Driven by Digitalization
(2022)
The demand for increasing product diversity in the chemical and pharmaceutical industry calls for new production processes that enable greater flexibility. Therefore, plants are needed which can be adapted to new processes in a fast manner and be scaled up and down easily to volatile market demands. Modular production techniques in combination with advanced process analytical technology (PAT) are considered as a promising solution able to fulfil these requirements.
The success and acceptance of modular concepts in both new and existing plants is dependent of its reliability, easy applicability, and standardization. In recent past, enormous efforts were made to overcome existing barriers in a superordinate level, e.g. DEXPI, ENPRO, or MTP naming just a few. Here, we’d like to present a few, more hands-on, application examples which are shown in Figure 1 aiming to increase process flexibility and applicability.
The demand for increasing product diversity in the chemical process industry calls for new production processes that enable greater flexibility. Therefore, plants are needed that produce significant quantities for market supply that can be scaled up to several tons per year. Compared to traditional batch processes, intensified continuous production enables not only flexibility but also the production of compounds that are difficult to produce. Custom-designed small-scale reactors significantly improve heat and mass transfer through micro mixing and can improve safety, e.g. in the case of high grade exothermic or high-pressure reactions, and might play an important role for customized, modular production facilities.1 Combined with optimally designed flow cells, compact NMR instruments currently present promising analytical tools for use in flow chemistry applications.2,3 In recent process monitoring applications, the flow cell and the mixing unit are usually separated parts leading to a severe time delay between mixing and first data acquisition.
In this work, we present a comprehensive workflow for the design of a flow cell−mixer combination based on CFD simulation and other design principles.4 Due to the increasing opportunities in additive manufacturing of ceramics, it was possible to realize an optimized SMX-type mixer with a fully integrated NMR flow cell (cf. Fig. 1).
Validation studies exhibited 1H NMR spectra with a quality comparable to common NMR glass tubes. So far, the mixing performance of the system has been evaluated for different mass flow rates within the intended working range of 5–120 seconds region and compared to ideally mixed samples. Thus, the integrated flow cell−static mixer combination can be used for different purposes such as evaluation of fluid properties, equilibration studies, or reaction monitoring of two instantaneously mixed samples.
The ceramic flow cell was additively manufactured and analyzed through x-ray microtomography revealing surface characteristics due to the manufacturing process (cf. Fig. 2). Furthermore, the working range of the whole system was characterized leading to an operational specification for further applications.
In summary, the role of custom-designed components for modular, chemical production, amongst other essential factors like fast development of reliable evaluation models is discussed.
References
[1] Bornemann-Pfeiffer et al., Chem. Ing. Tech. (2021), 93: 1–10
[2] Kern et al., Anal. Bioanal. Chem. (2018) 410: 3349–3360
[3] Kern et al., Anal. Bioanal. Chem. (2019) 411: 3037–3046
[4] Bornemann et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2019), 58: 19562−19570
Generell ist es Ziel der Prozessführung, Reaktions- und Trennprozesse wirtschaftlich optimal zu betreiben. Hierzu werden in großen Anlagen modellbasiere Echtzeitoptimierungsverfahren (Real-time Optimization, RTO) eingesetzt. Die Qualität der Ergebnisse der Optimierung hängt dabei entscheidend von der Güte des verwendeten Modells ab. Die Entwicklung hochgenauer Modelle ist allerdings aufwändig, was für kleine Produktionsvolumina ein wesentliches Hindernis zur Nutzung solcher Methoden darstellt. Mit Hilfe der sogenannten Modifier-Adaptation ist eine iterative Betriebspunktoptimierung auch mit ungenauen Modellen möglich, wenn Messungen der für die Bewertung relevanten Größen (beispielsweise Produktkonzentrationen im Ausgangsstrom) verfügbar sein. Für eine Lithiierungsreaktion in einem bei INVITE kontinuierlich betriebenen Reaktor wurde im Rahmen des EU-Projekts CONSENS eine solche iterative Optimierung auf der Grundlage einer Messung der Zusammensetzung des Ausgangsstroms des Reaktors mit einem Online-NMR-Spektrometer realisiert. Das Spektrometer wurde an den Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung angepasst. Es konnte gezeigt werden, dass die Messdaten genau genug sind, um darauf eine Optimierung der Produktausbeute aufzubauen. Die iterative Optimierung führt den Prozess ausgehend vom mit dem Modell berechneten Betriebspunkt schrittweise zum wirtschaftlichen Optimum für die reale Anlage. Dabei reagiert die Optimierung auch auf unbekannte Abweichungen im Prozess (wie die Zusammensetzung des Feeds) und fährt iterativ den jeweils optimalen Betriebspunkt an.
Die Arbeiten wurden im Rahmen des EU-SPIRE-Projekts CONSENS, Förderkennzeichen 636942, durchgeführt.
Spatial Heterodyne Spectroscopy (SHS) is a spectrometric technique that combines both dispersive and interferometric features into a customizable instrument. The Basis of SHS is a Michelson interferometer with its mirrors replaced by diffraction gratings and with no moving parts. The output signal from SHS is the interferogram, which is recorded with a 1D or 2D pixel array detector. The spatial periodicity of the fringes on the interferogram is a function of the wavelength of the diffracted light. Using the Fast Fourier Transform, the original optical spectrum that enters SHS is retrieved. The light that is analyzed by SHS can come from a variety of sources. In our work, we used Raman scattering and Laser-Induced Plasma to perform quantitative and qualitative analyses. Figure 1 compares the performance of the SHS with that of high Resolution echelle and portable low-resolution asymmetrically crossed Czerny-Turner spectrometers (OO in Fig.1). The analyzed light came from the plasma induced on a stainless-steel reference material. The SHS exhibits the resolution comparable to that of the echelle spectrometer used, about 8000. Due to a high throughput of the SHS (theoretically, ~200 times higher than that of grating instruments), the number of spectra needed to be accumulated for comparable signal-to-noise ratios is much smaller than in the case of the echelle and comparable to OO spectrometers.
Examples of Raman SHS applied to several pure liquids are given in Fig. 2. Raman SHS was used in three different settings: (i) for classification of six types of oils, (ii) for univariate/multivariate analysis of binary mixture cyclohexane-isopropanol, and (iii) for multivariate analysis of glycerol solution in water. For the last two settings, chemometric analysis of the spectra yielded linear calibration plots over the range 1-90% of concentrations of isopropanol in cyclohexane, and 0.5-10% of glycerol in water.