Chemie und Prozesstechnik
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Chemical companies must find new paths to successfully survive in a changing environment. The potential of digital technologies belongs to these. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short down-times between campaigns and reduce time to market for new products. Intensified continuous production plants allow for difficult to produce compounds.
Therefore, fully automated “chemical” process control along with real-time quality control are prerequisites to such concepts and thus should be based on “chemical” information. The advances of a fully automated NMR sensor were exploited, using a given pharmaceutical lithiation reaction as an example process within a modular pilot plant. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the full requirements of an automated chemical production environment such as , e.g., explosion safety, field communication, and robust evaluation of sensor data. It was thereof used for direct loop advanced process control and real-time optimization of the process. NMR appeared as preeminent online analytical tool and allowed using a modular data analysis tool, which even served as reliable reference method for further PAT applications.
In future, such fully integrated and intelligently interconnecting “smart” systems and processes can speed up the high-quality production of specialty chemicals and pharmaceuticals.
Um in einem veränderten Umfeld erfolgreich bestehen zu können, müssen Chemieunternehmen neue Pfade beschreiten. Dazu gehört insbesondere das Potential digitaler Technologien. Mit flexiblen, modularen chemischen Vielzweck-Produktionsanlagen lassen sich häufig wechselnde Produkte mit kürzeren Vorlauf- und Stillstandzeiten zwischen den Kampagnen und dennoch hoher Qualität realisieren. Intensivierte, kontinuierliche Produktionsanlagen erlauben auch den Umgang mit schwierig zu handhabenden Substanzen.
Grundvoraussetzung für solche Konzepte ist eine hochautomatisierte "chemische" Prozesskontrolle zusammen mit Echtzeit-Qualitätskotrolle, die "chemische" Informationen über den Prozess bereitstellt. In einem Anwendungsbeispiel wurde eine pharmazeutische Lithiierungsreaktion aus einer modularen Pilot-Anlage betrachtet und dabei die Vorzüge eines vollautomatischen NMR-Sensors untersucht. Dazu wurde ein kommerziell erhältliches Benchtop-NMR-Spektrometer mit Permanentmagnet auf die industriellen Anforderungen, wie Explosionsschutz, Feldkommunikation und vollautomatischer, robuster Datenauswertung angepasst. Der NMR-Sensor konnte schließlich erfolgreich im vollautomatischen Betrieb nach fortschrittlichen Regelkonzepten und für die Echtzeitoptimierung der Anlage getestet werden. Die NMR-Spektroskopie erwies sich als hervorragende Online-Methode und konnte zusammen mit einer modularen Datenauswertung sehr flexibel genutzt werden. Die Methode konnte überdies als zuverlässige Referenzmethode zur Kalibrierung konventioneller Online-Analytik eingesetzt werden.
Zukünftig werden voll integrierte und intelligent vernetzte "smarte" Sensoren und Prozesse eine kontinuierliche Produktion von Chemikalien und Pharmazeutika mit vertretbaren Qualitätskosten möglich machen.
The development of an automated miniaturized analytical system that allows for the rapid monitoring of carbamazepine (CBZ) levels in serum and wastewater is proposed. Molecular recognition of CBZ was achieved through its selective interaction with microbeads carrying anti-CBZ antibodies. The proposed method combines the advantages of the micro-bead injection spectroscopy and of the flow-based platform lab-on-valve for implementation of automatic immunosorbent renewal, rendering a new recognition surface for each sample. The sequential (or simultaneous) perfusion of CBZ and the horseradish peroxidase-labelled CBZ through the microbeads is followed by real-time on-column Monitoring of substrate (3,30,5,50-tetramethylbenzidine) oxidation by colorimetry. The evaluation of the initial oxidation rate and also the absorbance value at a fixed time point provided a linear response versus the logarithm of the CBZ concentration. Under the selected assay conditions, a single analysis was completed after only 11 min, with a quantification range between 1.0 and 50 µg L⁻¹. Detection of CBZ levels in undiluted wastewater samples was feasible after a simple filtration step while good recoveries were attained for spiked certified human serum, analyzed without sample clean-up.
The TED-GC-MS analysis is a two-step method. A sample is first decomposed in a thermogravimetric analyzer (TGA) and the gaseous decomposition products are then trapped on a solid-phase adsorber. Subsequently, the solid-phase adsorber is analyzed with thermal desorption gas chromatography mass spectrometry (TDU-GC-MS). This method is ideally suited for the analysis of polymers and their degradation processes. Here, a new entirely automated System is introduced which enables high sample throughput and reproducible automated fractioned collection of decomposition products. Strengths and limitations of the system configuration are elaborated via three examples focused on practical challenges in materials analysis and identification: i) separate analysis of the components of a wood-plastic-composite material, ii) quantitative determination of weight concentration of the constituents of a polymer blend and iii) quantitative analysis of model samples of microplastics in suspended particulate matter.