Analytische Chemie
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Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and
building materials can cause health issues. For an
improvement of indoor air quality low emitting materials
should be used. Quality assurance and –control (QA/QC)
measures require an emission reference material (ERM) with a
predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous
materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and
emit them constantly.
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.
Modular chemical production is a tangible implementation of the digital transformation of the specialty chemicals process industry. In particular, it enables acceleration of process development and thus faster time to market by flexibly interconnecting and orchestrating standardized physical modules and bringing them to life. For this purpose, specific (chemical) sensors of process analytics are needed, preferably without lengthy calibration or spectroscopic model development.
An excellent example of a "direct" analytical method is online nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. NMR spectroscopy meets the requirements of a direct analytical method because of the direct correlation between the signal area in the spectrum ("counting" the nuclear spins) and the analyte amount of substance concentrations. It is also extremely linear over the concentration range.
With the availability of compact benchtop NMR instruments, it is now possible to bring NMR spectroscopy directly into the field, in close proximity to specialized laboratory facilities, pilot plants, and even industrial-scale production facilities. The first systems are in TRL 8 (Qualified System with Proof of Functionality in the Field).
The presentation will discuss the many building blocks of online nuclear magnetic resonance spectroscopy, from flow cells to automated data analysis.
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.
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicherer Ansatz für die Digitalisierung und den Einsatz maschinengestützter Prozesse bei der Herstellung von Spezialchemikalien und Arzneimitteln durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert. Ein aktueller Ansatz und ein Beispiel in diesem Vortrag sind flexible und modulare chemische Produktionseinheiten, die Mehrzweckanlagen nutzen, um verschiedene hochwertige Produkte mit kurzen Stillstandszeiten zwischen den Kampagnen herzustellen und die Markteinführungszeit für neue Produkte zu verkürzen.
Als zweites Beispiel wird kurz die Testplattform Wasserstofftankstelle vorgestellt, die als moderne Anlage der Prozessindustrie betrachtet werden kann, vergleichbar mit einer Anlage aus der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. An ihr lassen sich alle derzeit entlang der Digitalen Transformation diskutierten Konzepte implementieren, um sie zu standardisieren und zu validieren. Dazu gehören Konzepte zur Konnektivität von Sensoren und Aktoren aus der Feldebene in höhere Ebenen der Automatisierung oder zur Einbringung zusätzlicher Sensoren oder Sensornetzwerke, die zunehmend flexibler gestaltet werden soll, die sichere und nachvollziehbare Parametrierung von Automatisierungskomponenten – vielleicht aus einem digitalen Abbild (Verwaltungsschale bzw. „Digitaler Zwilling“) heraus, Konzepte zur vorausschauenden Wartung („Predictive Maintenance“), Konzepte zu digitalen Entscheidungsprozessen, Zertifikaten und Signaturen oder der zunehmende Einsatz von komplexen Auswertungsalgorithmen und Applikationen in der Feldebene („Embedded Computing“) oder der „Kante“ zu Cloudbasierten Systemen der Informationstechnik („Edge-Computing“).
Die beiden Beispiele sollen aktuelle Entwicklungsachsen des industriellen Messwesens im Rahmen der industriellen Automation aufzeigen, in denen Messwerte, deren Messunsicherheiten und Kontextinformationen eine wichtige Rolle einnehmen.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Introduction
NMR spectroscopy is one of the most important analytical methods in organic chemistry. While most analyses are carried out qualitatively with the aim of substance identification and structure elucidation, quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is increasingly gaining importance in research and industry. qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination without need for reference materials of impurities or the calculation of response factors but only exhibiting suitable NMR properties.
Methods
One of the most attractive features of quantitative NMR spectroscopy is that the NMR peak areas can be used directly for concentration quantification without further calibration. Another advantage of NMR spectroscopy is that the method has a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical comparison method that is independent of the matrix. This enables automated robust data evaluation strategies that can be used for online applications of qNMR spectroscopy.
Jancke et al. proposed NMR spectroscopy as a relative primary analytical method because it can be fully described by mathematical equations from which a complete uncertainty budget can be derived, allowing it to be used at the highest metrological level. Weber et al. discussed in detail important aspects of the procedure that enable the realisation of low measurement uncertainties in qNMR measurements. Since certification of CRM requires expanded mea¬sure¬ment uncertainties of less than 0.5 % (relative), the work of Weber et al. demonstrated for the first time that qNMR can fulfil this criterion.
Results
To date, further comparative studies have been carried out in metrology and industry, demonstrating the performance of quantitative NMR spectroscopy and further reducing measurement uncertainties. The development of validation concepts and the commercial availability of suitable certified reference materials facilitate the application, especially in the usually highly regulated industrial environment. Users can thus accelerate the development of analytical methods. The talk will cover a wide range of topics from current metrological activities to new challenges for qNMR spectroscopy and also deals with aspects such as validation and accreditation.
Innovative aspects
• qNMR provides the most universally applicable form of direct purity determination
• Expanded measurement uncertainties lower than 0.15 % (relative) possible
• Benchtop NMR instruments increasingly used for qNMR spectroscopy
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.
The European project MefHySto addresses the need of large-scale energy storage, which is required for a shift to renewable energy supply. The project is funded by the European Metrology Programme on Innovation and Research (EMPIR) and consists of 14 consortium partners from all over Europe (www.mefhysto.eu). It is demonstrated, how MefHySto is contributing to the EMN for Energy Gases aiming at prioritisation of the measurement gaps and challenges interacting with the EMN stakeholders.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. Different VOC combinations may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use materials proven to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability and metrological traceability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable reference materials. The emission test chamber procedure according to EN 16516 comprises several steps from sample preparation to sampling of test chamber air and chromatographic analysis. Quality assurance and quality control (QA/QC) must therefore be ensured. Currently, there is a lack of suitable reference products containing components relevant for the health-related evaluation of building products.
The EU-funded EMPIR project 20NRM04 MetrIAQ (Metrology for the determination of emissions of dangerous substances from building materials into indoor air) aims to develop 1) gaseous primary reference materials (gPRM), which are used for the certification of gaseous (certified) reference materials (gCRM) and 2) emission reference materials (ERM).
Most commercial gas standards of indoor-relevant compounds are not certified due to the lack of primary reference materials to which the project aims to contribute. The gPRM under development is a gas-phase standard containing trace levels of VOCs in nitrogen or air from the check standard according to EN 16516 (n-hexane, methyl isobutyl ketone, toluene, butyl acetate, cyclohexanone, o-xylene, phenol, 1,3,5-trimethylbenzene) with a target uncertainty of 5 %. The gPRM can be sampled into sorbent tubes to obtain transfer standards in the form of gCRM.
The well characterised ERM represents a sample of a test specimen, e.g. building material, that is loaded into the emission test chamber for a period of several days and is used to evaluate the whole emission test chamber procedure. It shall have a reproducible and temporally constant compound release of less than 10 % variability over 14 days. Different approaches for retarded VOC release, such as the encapsulation of pure compounds and the impregnation of porous materials, are being tested to reach this aim. Furthermore, the design of the ERM is accompanied by the development of a numerical model for the prediction of the emissions for each of the target VOCs. The current progress of the work on both materials will be presented.