Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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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.
The use of benchtop-NMR instruments is constantly increasing during the recent years. Advantages of being affordable, portable and easy-to-operate without the need for trained staff make them especially interesting for industrial applications in quality control. However, applications of NMR spectroscopy as an online PAT tool are still very rare but offer a huge potential for process optimization and control. A key task to exploit this potential is hardware field integration of the lab-instruments in a rough environment of a chemical plant. Additionally, developments in automation and data evaluation are mandatory to ensure a robust unattended operation with low maintenance requirements. Here, we show an approach of a fully automated analyzer enclosure considering explosion safety, field communication, as well as environmental conditions in the field.
Temperature sensitivity is still a limitation of benchtop-NMR instruments in flow applications. Recent developments of manufacturers allow for limited operation at static temperature levels, however, a dynamic system for continuous operation is still not available. Using a prototype system offering a larger bore, active temperature shielding studies with thermostated air were performed evaluating the performance.
Automated data evaluation of NMR spectra using a modular indirect hard modeling (IHM) approach showed good results and flexibility. A second data analysis approach based on artificial neural networks (ANN) was evaluated.Therefore, amount of data was augmented to be sufficient for training. The results show comparable performance, while improving the calculation time tremendously, offering new ways to simultaneously evaluating large numbers of different models.
In den letzten Jahren erfreut sich die Benchtop-NMR-Spektroskopie steigender Beliebtheit. Zusätzlich zu Anwendungen im Labor werden die kompakten Geräte auch zunehmend in industriellen Bereichen eingesetzt. Neben geringeren Investitions- und Betriebskosten sind insbesondere die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme entscheidende Faktoren. Ein prozessnaher Einsatz kann sowohl nach Probenahme im Rahmen der Betriebsanalytik erfolgen als auch als Online-Analytik mit direkter Ankopplung an Prozesse. Insbesondere bei der direkten Kopplung mittels Durchflusszellen spielt der Probentransfer eine entscheidende Rolle. Dies zeigt sich auch am Beispiel eines Extraktionsprozesses im Labormaßstab. Das in einem Bioprozess aus tierischen Altfetten hergestellte Copolymer PHB(Co-HHX) wurde in einem Batch-Prozess mit organischen Lösungsmitteln aus gefrier-getrockneten Zellen extrahiert. Unter Variation der Parameter wurde der Prozess direkt in der mehrphasigen Suspension mittels Benchtop-NMR-Spektroskopie verfolgt.
Eine große Limitierung für den Einsatz als Online-Methode ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme. Während die Umgebungstemperatur gut kontrollierbar ist, stellt sich die Thematik der Probentemperatur komplexer dar. Bei größeren Abweichungen von der Magnettemperatur kommt es bereits nach kurzer Zeit zu Drift-Effekten, die die Lock-Systeme nur begrenzt kompensieren können. Ein Ansatz ist die Nutzung temperierter Luftströme, ähnlich bekannter VT-Einheiten ergänzt um eine aktive Isolierung zum Magneten. An einem Modellaufbau wurden dazu verschiedene Konstruktionen zunächst mittels Thermographie charakterisiert und anschließend die Anwendbarkeit in einem Prototyp-Gerät überprüft.
In der rauen industriellen Umgebung von Produktionsanlagen sind weitere Maßnahmen zum Betrieb eines Laborgerätes nötig (z.B. Temperierung, Witterungsschutz). Zusätzlich bestehen häufig strikte Anforderungen an den Explosionsschutz. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit der Evonik Rheinfelden eine Einhausung entwickelt, die es ermöglicht neben der NMR-Spektroskopie auch eine weitere analytische Methode möglichst flexibel direkt an großtechnische Anlagen anzubinden.
Chemical companies must find new paths to stay productive in a rapidly changing environment. One of these is the potential of digital technologies. Flexible and modular chemical plants can produce various high-quality products using multi-purpose equipment with short downtimes between campaigns and reduce time to market. Process safety is improved due to smaller amounts processed and the abilities of efficient heat-transfer allow for otherwise difficult-to-produce compounds.
To exploit these advantages, a fully automated process control along with real-time quality control is mandatory and should be based on “chemical” information. The advances of a fully automated NMR analyzer were demonstrated, using a given pharmaceutical reaction step operated within a modular pilot plant. A commercially available benchtop NMR spectrometer was integrated to the requirements of an automated chemical production environment such as explosion safety, field communication, and robust data evaluation. Obtained results were used for direct loop advanced process control and real-time optimization of the process.
NMR spectroscopy appeared as excellent online analytical tool and allowed a modular data analysis approach, which even served as reliable reference method for further PAT applications. Using the available datasets, a second data analysis approach based on artificial neural networks (ANN) was evaluated.Therefore, amount of data was augmented to be sufficient for training. The results show comparable performance, while improving the calculation time tremendously. In future, such fully integrated and interconnecting “smart” systems and processes can increase the efficiency of the production of specialty chemicals and pharmaceuticals.
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.
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 downtimes 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.
The combination of different silanes as starting materials and as a product of hydrolysis by several alcohols or water creates a range of hundreds of technical products for a wide range of applications. In recent years, functional trialkoxysilanes have proven to be multi-purpose organosilanes. Applications range from weather protection of buildings to additives for glass fiber industry, sealants, adhesives, coatings and paints to the modification of polymers.
Commercial benchtop NMR spectrometers have the potential to be used in silane chemistry as an online method for reaction monitoring and quality control. NMR nuclei of interest for silane products are 1H and 29Si. In a joint research cooperation between EVONIK and BAM, the applicability of low-field NMR spectroscopy for the chemical analysis of silanes was evaluated. It was shown how it can extend the application range where existing technologies like NIR, Raman, UV/VIS, etc. cannot be used quantitatively due to a lack of reference data.
In a first case study the process of hydrolysis and condensation was observed using online NMR analysis. For this purpose, the substituents of a trialkoxysilane are first hydrolyzed by adding water and corresponding silanols are formed, which can then bind to materials via SiOH functions and crosslink to form siloxane units. Another case study was dealing with the kinetics of the cleavage of a cyclic silane compound. Online NMR analysis was used both in the laboratory and in the manufacturing plant. For this purpose, a fully automated containment system was used, which enables the use of a commercial NMR spectrometer in ATEX-environments. In the third case study presented, quantitative 1H-NMR spectra were acquired on product mixtures of a trialkoxysilane and other components such as organic stabilizers, organotin compounds, an aromatic amine and organic peroxides. An automatic evaluation method based on Indirect Hard Modeling (IHM) was developed.
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.
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 downtimes 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.
Accreditation of analytical methods, either according to GxP or ISO regulations, requires a comprehensive quality management system. General quality documents are often already in place, which need to be extended by method-specific documentation. In this presentation we like to show an idea of a modular set of standard operating procedures (SOP) specifically developed meeting the requirements for quantitative NMR. The future goal is to collaborate with different accreditated NMR laboratories to compile a universal set of SOP and other quality documents that can be modified and used as a starting point for developing your own quality system for applications of qNMR in a regulated environment.