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The future competitiveness of the process industry and their providers depends on its ability to deliver high quality and high value products at competitive prices in a sus-tainable fashion, and to adapt quickly to changing customer needs. The transition of process industry due to the mounting digitalization of technical devices and their pro-vided data used in chemical plants proceeds. Though, the detailed characteristics and consequences for the whole chemical and pharmaceutical industry are still unfore-seeable, new potentials arise as well as questions regarding the implementation. As the digitalization gains pace fundamental subjects like the standardization of device interfaces or organization of automation systems must be answered. Still, process in-dustry lack of sufficient system and development concepts with commercial advantage from this trend.
Compared to traditional batch processes, intensified continuous production allows new and difficult to produce compounds with better product uniformity and reduced consumption of raw materials and energy. Flexible (modular) chemical plants can pro-duce various products using the same equipment with short down-times between campaigns, and quick introduction of new products to the market.
Full automation is a prerequisite to realize such benefits of intensified continuous plants. In continuous flow processes, continuous, automated measurements and closed-loop control of the product quality are required. Consequently, the demand for smart sensors, which can monitor key variables like component concentrations in real-time, is increasing. Low-Field NMR spectroscopy presents itself as such an upcoming smart sensor1,2 (as addressed, e.g., in the CONSENS project3).
Systems utilizing such an online NMR analyzer benefits through short development and set-up times when applied to modular production plants starting from a desired chemical reaction3. As an example for such a modular process unit, we present the design and validation of an integrated NMR micro mixer based on computational mod-elling suited for a desired chemical reaction. This method includes a proper design of a continuous reactor, which is optimized through computational fluid dynamics (CFD) for the demands of the NMR sensor as well as for the given reaction conditions. The system was validated with a chemical reaction process.
References:
[1] M. V. Gomez et al., Beilstein J. Org. Chem. 2017, 13, 285-300
[2] K. Meyer et al., Trends Anal. Chem. 2016, 83, 39-52
[3] S. Kern et al., Anal Bioanal Chem. 2018, 410, 3349-3360
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.