Gelungene Kombination

Die moderne Prozessanalysentechnik liefert eine Reihe von Prozessdaten, die weit über die herkömmlichen Prozessführungsgrößen wie Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand hinausgehen. Unter den spektroskopischen Methoden hat sich, bedingt durch die verhältnismäßig einfache Handhabung, vor allem in den letzten Jahren die NIR-Spektroskopie (Nahinfrarotspektroskopie) durchgesetzt. Bei modernen Spektrometern handelt es sich um FT-Systeme, kombiniert mit Lichtwellenleitern. Solche Systeme sind heute das Arbeitspferd schlechthin für stoffspezifische Messungen geworden. In der chemisch-pharmazeutischen Industrie liegt ihr Anteil bei 90 bis 95 % unter den Spektrometern. Der Einsatz in der pharmazeutischen Industrie wird dabei durch die PAT-Initiative der FDA stark unterstützt. Die Systeme erlauben schnelle und präzise Konzentrationsbestimmungen und erfordern in der Regel weder Probenvorbereitung noch Probentransport, wenn die Messung inline erfolgt. NIR-spektroskopische Messungen sind die Technik der Wahl in organischen Lösemitteln, in Polymerschmelzen und Feststoffen, um chemische Reaktionen und Aufarbeitungen in Echtzeit zu überwachen. Die räumliche Trennung von Auswerteort und Messstelle bietet gleichzeitig ein sicheres Ex-Schutz-Konzept. Nachteil dieser Methode: Im NIR stört Wasser beträchtlich durch seine breiten Banden, die das gesamte Spektrum überlagern.

Die Stärke der MIR-Spektroskopie zeigt sich ganz klar, wenn man einen Blick auf das elektromagnetische Wellenspektrum wirft. Im Gegensatz zum NIR-Bereich absorbieren alle Organika im MIR-Bereich stark. Im MIR-Spektrum finden sich die so genannten Grundschwingungen bzw. Gerüstschwingungen organischer Moleküle. Auch Wasser absorbiert hier sehr stark, allerdings als spezifische und scharfe Bande, so dass das Spektrum weniger beeinflusst wird und die Methode wesentlich wassertoleranter ist. Die Qualität der analytischen Information der Spektren ist in der Regel so gut, dass man eine einfache Bandenhöhe- und Bandenbreite-Auswertung durchführen kann. Chemometrische Methoden erschließen zusätzliche Möglichkeiten der Spektrenauswertung. Typisch für die MIR/IR-Spektroskopie (ca. 2000 bis 12 500 nm) sind kleine Probenschichtdicken, bei Flüssigkeiten üblicherweise weniger als 0,1 mm. Dies erschwert häufig die Messungen sowohl in Transmission als auch in Reflexion, da die Zellen relativ verschmutzungsempfindlich sind. Fenstermaterialien für den Prozesseinsatz dieser Technik sind zum Beispiel Zinkselenid, Barium- oder Calciumfluorid, Silizium oder Diamant. Wegen der starken Eigenabsorption und technologischer Probleme mit den amorphen Ausgangsmaterialien können mit Lichtleitern bei MIR-Anwendungen nur relativ kurze Distanzen bis zu einigen Metern zwischen Sonde und Spektrometer überbrückt werden. Das Spektrometer muss daher meist in unmittelbarer Nähe an der Messstelle installiert werden oder die Probe aufwändig zum Spektrometer geführt werden. Durch die Ex-Fähigkeit des hier vorgestellten Systems ist die Installation direkt im Ex-Bereich am Reaktionskessel gewährleistet. Ein Vorteil der MIR-Spektroskopie, die auf der Analyse charakteristischer Molekül-Grundschwingungen beruht, liegt in der relativ einfachen Bandenauswertung, die häufig angewandt werden kann. Abhängig von der Zusammensetzung der Probe, gestattet das Verfahren auch einen Spurennachweis. Es ist auch für die Messung in flüssigen Medien geeignet, erfordert allerdings aufgrund der geringen Durchstrahlungstiefe ggf. aufwändige Reinigungstechnologie für die Sonde.

Neben Transmissionszellen mit Schichtdicken im Mikrometerbereich werden im MIR-Bereich bevorzugt ATR-Zellen und -Sonden eingesetzt, die entweder direkt über MIR-Lichtleiter oder über so genannte Light Pipes (innen metallverspiegelte Rohre zur Lichtleitung) an ein FT-IR-Spektrometer angeschlossen werden.

Die Einsatzgebiete für die MIR-Spektros-kopie sind breit gefächert. Sie findet ihren Platz in der chemischen Industrie, in der Produktion von pharmazeutischen Produkten, bei der Herstellung von Lebensmitteln und Getränken sowie bei der Herstellung von Lifestyle-Produkten. Als Teilprozesse kommen z. B. die Destillation, Fermentation, das Mischen und Trennen von Stoffen, die chemische Reaktion und die Qualitätskontrolle in Betracht.

Schon früher hat man versucht, die Technik online zu bringen. Die große Schwierigkeit, die es zu lösen galt, bestand darin, dass die Absorptionen von Licht im Mittelinfrarotbereich sehr intensiv sind. Dadurch lassen sich nur sehr geringe Weglängen im µm-Bereich und geringer durchstrahlen. Deshalb verursachen z. B. bei der ATR-Technologie schon geringste Verunreinigungen in Form nur weniger Moleküle auf dem optischen Fenster, die oft mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind, große Veränderungen in den Spektren. Prozessmessungen, basierend auf dieser Technologie, müssen deshalb sehr häufig, oft schon nach wenigen Stunden, gereinigt werden. Deshalb sind bei Bayer beispielsweise bisher weniger als eine Hand voll MIR-Messungen mit der ATR-Technik realisiert.

Die zündende Idee war, das Fenster in einer Wechselsondenarmatur von Endress+Hauser zu integrieren. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, das Fenster automatisch, z. B. mithilfe eines vollautomatischen Reinigungssystems Topcal, regelmäßig zu reinigen und das System damit für eine Prozessmessung absolut geeignet zu gestalten.

Das Know-how von Endress+Hauser bezüglich der Wechselarmaturentechnik erlaubt es, bei laufendem Betrieb Sensoren sicher aus dem Prozess auszufahren, zu reinigen und sicher wieder einzufahren.

Das Spektrometer bildet mit der Wechselarmatur eine kompakte Einheit. Sowohl vom Anschluss an den Messumformer als auch vom Betrieb verhält sich das Spektrometer dann eher wie ein herkömmlicher Prozesssensor als wie ein herkömmliches Spektrometer.

Im Vordergrund steht die Prozesstauglichkeit und die nahtlose Einbindung in vorhandene Reinigungs- und Kalibrierkonzepte, insbesondere in das Topcal-System.

Für die Reinigung des optischen Fensters kann mithilfe dieses Systems jede beliebige Reinigungslösung herangezogen werden.

Die Stabilität der Messung wird durch mehrere Parameter gewährleistet. Zum einen durch das Spektrometersystem mit Lichtquelle, der dispersiven Einheit mit Detektor, und zum anderen durch die Inline-Messung über die ATR-Sonde. In den ATR-Sonden werden geschliffene Diamantoberflächen oder Zink-Selenidkristalle eingesetzt, die sich durch besondere Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit auszeichnen. In der Sonde ist es wichtig, die optischen Eigenschaften über lange Zeit stabil zu halten, d. h. die Einflüsse von Temperatur und Chemie dürfen sie nicht beeinflussen.

Die Verschmutzungsgefahr wurde durch das Reinigungskonzept auf ein Minimum reduziert. Das optische Design der Lichteinkopplung und -auskopplung über spezielle MIR-Lichtleiter am ATR-Kristall ist so konzipiert, dass Temperatureinflüsse minimiert sind. Die Auslegung der Sonde mit Dichtungsringen ermöglicht die optimale Anpassung an die Prozessgegebenheiten, d. h. die Beeinflussung der Optik durch die chemische Quellung der Dichtungen ist sehr klein. Weiterhin ist jede Sonde mit sehr engen Toleranzen gefertigt.

An der eigentlichen Spektrometerbaugruppe wurden zwei wesentliche Maßnahmen getroffen, um die Stabilität zu gewährleisten. Erstens wird das System auf gleich bleibender Temperatur gehalten, und so von der Probennahme thermisch entkoppelt, und zweitens wird eine Referenzmessstrecke über eine zweite MIR-Faser aufgebaut, die im oberen Teil der Sonde integriert ist. Sie bekommt alle Temperaturschwankungen des Prozesses mit und gleicht sie im System aus. Durch diese thermische Stabilisierung ist eine stabile Messung der Signale gewährleistet. Die Referenzmessstrecke wird in der Auswertung der Spektren verrechnet und kompensiert so die Alterung der Lichtquelle sowie die restlichen thermischen Einflüsse auf die MIR-Lichtleiter. Um die Wellenlängenstabilität optimal zu gewährleisten, wird zusätzlich zur thermischen Stabilisierung die Position des Verlaufsfilters in der dispersiven Einheit optisch überwacht.

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Bayer Technology Services GmbH (BTS) und Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG haben vereinbart, kundenspezifische Online-Analytiktechnologien für Anlagen der Prozessindustrie künftig gemeinsam zu vermarkten. Die strategische Partnerschaft entspricht dem wachsenden Bedarf der chemischen und pharmazeutischen Industrie, ihre Produktionsprozesse mithilfe von Online-Analytik in punkto Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Kosten und Qualität zu optimieren.

Die beiden Partner werden Projekte zur Analyse von Gas- und Flüssigkeitsströmen gemeinsam akquirieren und abwickeln. Endress+Hauser bietet dabei die hochwertige Hardware der Flüssigkeitsanalyse und den Marktzugang durch einen flächendeckenden Vertrieb, während BTS sein Applikations-Know-how aus der Planung und Betreuung von über 10 000 Messstellen mit mehr als 70 verschiedenen Messmethoden weltweit einbringt.

„Endress+Hauser als exzellenter Entwickler und Anbieter von Automatisierungskomponenten und Bayer Technology Services als erfahrener Solution Provider sind mit dieser Partnerschaft ein hervorragender, innovativer und zuverlässiger Anbieter für online-analytische Lösungen für die Prozessindustrie“, sagte Dr. Norbert Kuschnerus, Leiter BTS Process Management Technology, auf der Achema 2006 in Frankfurt.

Ein erstes gemeinsames Produkt ist das neue MIR-Spektrometer mit Wechselarmaturtechnik. Das MIR-Spektrometer von Endress+Hauser ist eine Ergänzung zum bewährten NIR-Spektrometer SpectroBay von BTS und erweitert in idealer Weise das prozessanalytische Produktportfolio. Die üblichen Verschmutzungen und Ablagerungen auf der Sonde hatten bis dato wegen der sehr geringen Durchstrahlungstiefe der MIR-Spektroskopie eine breite, industrielle Anwendung verhindert. „Mithilfe der robusten Reinigungs- und Kalibrierungstechnologien Topcal und Topclean von Endress+Hauser kann der einzigartige Vorteil einer hohen analytischen Informationsdichte im Mittelinfrarotbereich speziell in wässrigen Systemen prozesstauglich angewendet werden“, erläuterte Michael Ziesemer, Vorstandsmitglied für Vertrieb und Marketing bei Endress+Hauser. Das neue System stellt eine Erweiterung im Portfolio zur Lösung von schwierigen Messaufgaben für die flüssige Matrix dar. Bis Ende 2007 sollen bereits 40 MIR-Spektrometer von Endress+Hauser in den Prozessen der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie die stoffspezifischen Analyseparameter exakt ermitteln, so Michael Ziesemer.

Weitere gemeinsame Produkte sind die Vermarktung von Standardanalysencontainern für Abwasser- und Gasanalytik gemäß 13. und 17. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImschV).

Spektrendatenbank für organische Verbindungen

Grundlagen der ATR-Technologie

Mehr zu Spectrobay

Topclean im Überblick