Chemie und Prozesstechnik
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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.
Im Rahmen des EU-Projekts „CONSENS – Integrated Control and Sensing“ wurde ein vollautomatisiertes, gemäß Atmosphère-Explosibles(ATEX)-Regeln zertifiziertes Analysatormodul auf Basis eines kommerziellen Benchtop-Kernspinresonanzspektrometers (Engl. nuclear magnetic resonance, NMR) entwickelt und im Umfeld einer modularen containerbasierten Produktionsanlage validiert. Auf Basis der gewonnenen Daten konnten sowohl eine iterative Optimierung der Prozessparameter erfolgen als auch Referenzdaten für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers gewonnen werden.
A big problem with the chemistry literature is that it is not standardized with respect to precise operational parameters, and real time corrections are hard to make without expert knowledge. This lack of context means difficult reproducibility because many steps are ambiguous, and hence depend on tacit knowledge. Here we present the integration of online NMR into an automated chemical synthesis machine (CSM aka. “Chemputer” which is capable of small-molecule synthesis using a universal programming language) to allow automated analysis and adjustment of reactions on the fly. The system was validated and benchmarked by using Grignard reactions which were chosen due to their importance in synthesis. The system was monitored in real time using online-NMR, and spectra were measured continuously during the reactions. This shows that the synthesis being done in the Chemputer can be dynamically controlled in response to feedback optimizing the reaction conditions according to the user requirements.
Industrielle Anwendungen der Niederfeld-NMR-Spektroskopie für die Qualitätskontrolle von Silanen
(2021)
Aus der Kombination verschiedener Silane als Ausgangsstoffe und als Produkt der Hydrolyse durch eine Reihe von Alkoholen oder Wasser ergibt sich eine Palette von hunderten technischen Produkten für verschiedenste Anwendungen. Funktionelle 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. Die Möglichkeiten der Konzentrationsbestimmung erweitern die Anwendungsgebiete, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können.
Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit geeigneter 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. 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 automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht.
Chemische Prozesskontrolle für modulare Produktionskonzepte mit direkten analytischen Methoden
(2020)
Flexible Produktionskonzepte werden oft mit modularen, schnell rekonfigurierbaren Einheiten verbunden. Um die Vorteile dieser flexiblen Produktion tatsächlich nutzen zu können ist neben einer geeigneten Infrastruktur auch eine ebenso anpassungsfähige Qualitätskontrolle unverzichtbar. Analysengeräte und Sensoren werden heutzutage immer kompakter und kostengünstiger in ihrer Anschaffung. Dadurch wird es möglich eine große Anzahl von Messstellen innerhalb einer Anlage zu realisieren. Die erfassten Datenmengen erfordern zuverlässige und robuste Auswerteverfahren, die sich in das Gesamtkonzept der Automatisierung einer derart flexiblen Produktion nahtlos integrieren. Referenzdaten aus direkten Methoden wie der NMR-Spektroskopie können hier einen wertvollen Beitrag zur Generierung von Prozesswissen für die Entwicklung neuer Modelle für kostengünstigere Analysenverfahren leisten.
Atomkerne zählen - Quantitative NMR-Spektroskopie als vielseitige Methode in Labor und Prozess
(2020)
Meist präsentieren sich Laboratorien für NMR-Spektroskopie auf den ersten Blick von außen nur wenig einladend. Es lohnt sich aber einen Blick hinein zu riskieren, denn die Methode ist heute unverzichtbar für die analytische Chemie. Die quantitativen Möglichkeiten werden häufig unterschätzt, erfahren allerdings durch den aufstrebenden Markt kompakter Benchtop-NMR-Spektrometer verstärktes Interesse für Anwendungen von der Laborbank bis hin zum Industrieprozess.
Aus der Kombination verschiedener Silane als Ausgangsstoffe und als Produkt der Hydrolyse durch eine Reihe von Alkoholen oder Wasser ergibt sich eine Palette von hunderten technischen Produkten für verschiedenste Anwendungen. Funktionelle 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 Forschungs-kooperation zwischen EVONIK und BAM wurde anhand verschiedener Fallstudien die Anwendbarkeit der Niederfeld-NMR-Spektroskopie zur chemischen Analyse von Silanen evaluiert. Die Möglichkeiten der Konzentrationsbestimmung erweitern die Anwendungsgebiete, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können.
Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit geeigneter 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. 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 automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht.
Die Geräteentwicklungen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie im vergangenen Jahrzehnt ermöglichen den Einsatz kompakter, portabler Magnete mit geringen Streufeldern in Laborumgebungen und industriellen Produktionsanlagen. Somit werden neue Möglichkeiten für hochauflösende NMR-Experimente zur Reaktionsüberwachung eröffnet. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurden die Möglichkeiten dieser Methode umfassend anhand einer technisch bedeutenden Reaktion (elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen) evaluiert.
Um die Flexibilität einer kontinuierlichen und modularen Pilotanlage durch Echtzeit- Qualitätskontrolle zu fördern, wurde ein vollständig automatisiertes Online- NMR-Modul entwickelt. Der Einsatz eines kommerziellen Niederfeld-NMR-Geräts im industriellen Umfeld wurde durch die entwickelten Lösungen der automatisierten Datenanlyse sowie durch ein zertifiziertes Sicherheitskonzept für den Betrieb in explosionsgefährdeten Zonen ermöglicht. Neben der Überwachung der Produktqualität wurden Online-NMR-Daten in einem neuen iterativen Optimierungsansatz zur Maximierung des Anlagenertrags eingesetzt und dienten als zuverlässige Referenz für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers.
Für die Entwicklung einer robusten Datenauswertung der NMR-Spektren, die dem Anspruch der Flexibilität bei Produktwechseln genügt, wurden zunächst Versuche im Labormaßstab durchgeführt, um eine Datenbasis zu schaffen. In diesen Versuchen wurden die aromatischen Amine Anilin, p-Toluidin und p-Fluoranilin mit o-Fluornitrobenzol gekoppelt. Durch Zugabe einer Organolithium-Verbindung (Li- HMDS) findet ein Protonenaustausch zwischen dem primären Amin und Li-HMDS statt. Dies führt zu einer hohen Reaktionsenthalpie und instabilen Aryllithium-Verbindungen. Die Reaktionen wurden hinsichtlich anfallender Zwischenprodukte mittels Hochfeld-NMR-Spektroskopie analysiert.
Nachfolgend wurden die Reaktionen sowohl im Semi-Batch-Verfahren als auch im kontinuierlichen Laborbetrieb mit Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie und Online- Hochfeld-NMR-Spektroskopie untersucht. Da die gemessenen NMR-Spektren besonders im aromatischen Spektralbereich hohe Signalüberlappungen der Reaktanden aufweisen, wurden chemometrische Modelle entwickelt und anhand der Hochfeld-NMR-Methode validiert. Die verwendeten Durchflusszellen für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie wurden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für quantitative Messungen im kontinuierlichen Durchfluss untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Messungen mit einer additiv gefertigten Keramikdurchflusszelle prinzipiell möglich sind.
Der Vortrag zeigt aktuelle Entwicklungen und Betätigungsfelder des Fachbereichs Prozessanalytik zum Thema Automation in der Analytik. Dies Umfasst die Laborautomation am Beispiel der Probenpräparation für die Röntgenfluoreszenzanalyse und moderne Synthesekonzepte in der organischen Chemie. Außerdem wird die Rolle der Prozessanalytik in der kontinuierlichen Produktion thematisier. Als Anschauungsgegenstand dienen die Überwachung einer Hydroformylierung mittels Raman- und NMR-Spektroskopie und der Einsatz eines NMR-Sensors in einer modularen Produktionsanlage im Pilotmaßstab.
In der Prozessindustrie findet die optische Spektroskopie (z. B. NIR- und Raman-Spektroskopie) als Online-Analytik zunehmend Anwendung zur Überwachung che-mischer Qualitäts¬attribute in der Produktion. Ihr ganzes Potential entfalten die Methoden aber meist nur in Kombination mit einer aufwendigen, multivariaten Kalibrierung. Diese muss alle relevanten Zustände des Systems abdecken und bedarf einer geeigneten Referenz¬analytik. Moderne instrumentelle Analysengeräte weisen eine hohe Empfind¬lich¬keit und Robustheit auf, sind aber dennoch stark von Fehler und Variabilität der Probennahme beeinflusst, was sich auf die Richtigkeit und Qualität des multivariaten Modells auswirkt.
Diese Probleme lassen sich verringern, indem die Referenzanalytik ebenfalls online erfolgt. Eine mögliche Lösung stellt die hochauflösende NMR-Spektroskopie als quanti¬tative Online-Referenzanalytik dar. Insbesondere kom¬pakte NMR-Spektrometer auf Basis von Permanent¬magneten sind für diesen Zweck geeignet. Ausschlusskriterien für herkömmlicher NMR-Systeme, wie der große Wartungs-aufwand (Kryotechnik) und der Platz¬bedarf, werden damit vermieden.
Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurde die Nutzung einer Online-Referenz¬analytik mit NMR-Spektroskopie am Beispiel einer industriellen Pilotanlage erfolgreich realisiert. Untersuchungsgegenstand war die kontinuierliche Synthese eines Aus¬gangsstoffs für die pharmazeutische Industrie. Die enthaltenen metallorganischen Verbindungen sind für die bisher genutzte HPLC Analytik unzu-gänglich und die Analyse ausgewählter Proben erfolgte nach dem Quenchen der Lösung oft mit einem großen zeitlichen Abstand zur Probennahme. Konzen-trationswerte auf Basis von Online-NMR-Spektren standen hingegen mit einer zeitlichen Auflösung von drei Spektren pro Minute über den gesamten Reaktionsverlauf hinweg zur Verfügung. Außerdem konnten durch die NMR-Spektroskopie intermediär auftretende Spezies erstmal quantitativ bestimmt und diese Daten für die Kalibrierung eines NIR-Spektrometers genutzt werden.