Prozessanalytik E-Book

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 958

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

In den letzten Jahren hat sich der Trend zu einer höheren Komplexität in der Fertigung industrieller Güter verstärkt. Optische und spektroskopische Methoden zur Prozessanalytik sind sehr schnell, messen berührungslos und damit zerstörungsfrei. Mit geringem Aufwand wird so eine hundertprozentige Kontrolle bei der Qualitätsprüfung möglich. Kernpunkt einer neuen Strategie ist der Einsatz von analytischen Online-Methoden als Qualitätskontrolle sowie die Kombination dieser Techniken mit den Methoden der Datenanalyse zur Steuerung von Produktionsprozessen. Das Buch liefert sowohl einen Überblick über die industriell bedeutenden Analyseverfahren als auch praktische Beispiele zur Einführung der Online-Analytik in den industriellen Alltag. Damit wird die gesamte Prozess- und Fertigungsindustrie angesprochen - von der chemischen, pharmazeutischen, biotechnologischen und verfahrenstechnischen Industrie bis zur Kunststoff-, Automobil- und der klassischen Fertigungsindustrie.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Verzeichnis der Autoren

Strategie und Management

1 Strategien für wissensbasierte Produkte und Verfahren

1.1 Übersicht und Abgrenzung

1.2 Motivation für wissensbasierte Produkte und Verfahren

1.3 Prozessanalytik zur Qualitätskontrolle

1.4 Prozessanalytik zum Produkt-Eigenschafts-Design (Product Functionality Design, PFD)

1.5 Datenanalyse

1.6 Taxonomie von Prozessanalysatoren

1.7 Forschung, Entwicklung und Technologietransfer auf dem Gebiet der Prozessanalytik und des Produkt-Eigenschafts-Designs

1.8 Arbeitsstrukturen für die Systemintegration der wissensbasierten Produktion

Literatur

2 Wirtschaftlichkeitsbeurteilung von Prozessanalytik

2.1 Verfahrensüberblick

2.2 Investitionsumfeld

2.3 Die Investitionsrechnung

2.4 Finanziell quantisierbare Kosten und Nutzen von Analysesystemen

2.5 Fallbeispiel: Analysengerät in einer Raffinerie

2.6 Kombinierte Methoden der Wirtschaftlichkeitsrechnung

2.7 Immaterielle Nutzeffekte von Analysentechnik

2.8 Fallbeispiel: Benzinblending

Literatur

3 Projektmanagement für wissensbasierte Produkte und Verfahren

3.1 Ziele und Abgrenzungen

3.2 Praktische Vorgehensweise in Einzelschritten

3.3 Ausführliches Fallbeispiel

Literatur

4 Ausgewählte Kapitel zur Chemometrie in der Prozessanalytik und Probenahme

4.1 Übersicht

4.2 Charakterisierung analytischer Prozeduren

4.3 Prozessfähigkeit und Qualitätsregelkarten

4.4 Regression, Kalibration und Validierung

4.5 Generierung von Daten: Statistische Versuchsplanung

4.6 Analyse von komplexen Daten: Multivariate Datenanalyse

4.7 Neuronale Netze

4.8 Clusteranalyse

4.9 Probenahme und Probenvorbereitung

Literatur

5 Grundlagen wichtiger prozessanalytischer Methoden

5.1 Elektronenanregung: UV/VIS-und Fluoreszenzspektroskopie

5.2 Schwingungsspektroskopie: NIR-und IR-Spektroskopie

5.3 Schwingungsspektroskopie: Ramanspektroskopie

5.4 Methoden der Totalreflexion und abgeschwächten Totalreflexion

5.5 NMR-Spektroskopie

5.6 Massenspektrometrie

5.7 Partikelanalyse

5.8 Fließ-Injektions-Analyse FIA

Literatur

6 Optische Spektroskopie: Hardware für die Prozessanalytik

6.1 Optische Spektroskopie

6.2 Einzelkomponenten für die optische Spektroskopie

6.3 Lastenheft

6.4 Bestimmung der Spektrometerfunktionalität

Literatur

7 Optische Spektroskopie online und inline I: Festkörper und Oberflächen

7.1 Reflexionsspektroskopie in der Prozessanalytik mit direkter Beleuchtung

7.2 Allgemeine Beschreibung der diffusen Reflexion und diffusen Transmission

7.3 Beschreibung der gerichteten Reflexion

7.4 Sonden für die Reflexionsspektroskopie

7.5 Fallbeispiel diffuse Reflexion: Inline-Untersuchungen von Tabletten

7.6 Fallbeispiel diffuse Reflexion: Inline-Untersuchungen des Mischvorganges (Blending) von Pulvern

7.7 Fallbeispiel gerichtete und diffuse Reflexion auf Metalloberflächen: Inline-Bestimmung der Schichtdicke und Voraussage der Korrosionsneigung

Literatur

8 Optische Spektroskopie online und inline II: Flüssigkeiten und Gase

8.1 Übersicht und Taxonomie der Sonden

8.2 Sondendesign

8.3 Systemintegration

8.4 Untersuchungen in Gasen

8.5 Fallbeispiel: Multispektralinformationssystem für die Analyse chemischer und biochemischer Reaktionen

8.6 Fallbeispiel: Ramanspektroskopische Untersuchungen bei der Kristallisation

8.7 Fallbeispiel: Harzkondensation

8.8 Fallbeispiel: Bestimmung der Oktanzahl

Literatur

9 Bildgebende optische und spektroskopische Verfahren

9.1 Einführung

9.2 Spectral Imaging

9.3 Spektroskopische Techniken für Spectral Imaging

9.4 Hardware für Spectral Imaging

9.5 Datenanalyse

9.6 Fallbeispiele

9.7 Ausblick

Literatur

10 Ultraschall

10.1 Einführung

10.2 Grundlagen der Ultraschallmessung

10.3 Einteilung der Ultraschallsensoren

10.4 Anwendungen in der Prozessmesstechnik

10.5 Anwendungen in der Prozessanalytik – Fallbeispiele

10.6 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

11 Sensoren und Prozessmessgrößen

11.1 Einleitung

11.2 Grundlagen und Taxonomie

11.3 Messung von Prozessgrößen und Integration in die Prozessumgebung

11.4 Kalorische Sensoren

11.5 Massensensitive Sensoren

11.6 Chemische Sensoren – Optoden/Optroden

11.7 Biochemische Sensoren

Literatur

12 Prozess-Gaschromatographie

12.1 Grundlagen und Ziele

12.2 Gerätetechnik

12.3 Trends

12.4 Probenaufbereitung und Systemintegration

12.5 Fallbeispiele

Literatur

13 Prozess-Flüssigchromatographie

13.1 Arten und Ziele der Prozess-Flüssigchromatographie

13.2 Gerätetechnik

13.3 Rund um die Säule

13.4 Detektoren und Kopplungen

13.5 Systemintegration und Trends

13.6 Prozess-LC Anwendungsbeispiele

Literatur

Anwendungsübersichten für den Praktiker

14 Prozessanalytik in der chemischen Industrie

14.1 Einleitung

14.2 Methoden

14.3 Umsetzung in der Polymerindustrie

14.4 Polymerverarbeitung

14.5 Praktische Umsetzung der Technologien

Literatur

15 Prozessanalytik in der pharmazeutischen Industrie

15.1 Der Einzug inprozessanalytischer Methoden in die pharmazeutische Industrie: Das Beispiel NIR-Spektroskopie

15.2 Applikationsbeispiele zur Prozessanalytik in der pharmazeutischen Industrie

15.3 Ausblick

Literatur

16 Prozessanalytik in der Biotechnologie

16.1 Definition der Biotechnologie

16.2 Randbedingungen

16.3 Übersicht über verwendete Methoden

16.4 Beispiele für den Einsatz der Prozessanalytik in der Biotechnologie

16.5 Auswerteverfahren

Literatur

17 Prozessanalytik in der Lebensmittelindustrie

17.1 Veränderungen in der Lebensmittelindustrie und deren Auswirkungen auf die Prozessanalytik

17.2 Fokus auf den Konsumenten

17.3 Anwendung von Prozessanalysatoren – Vorgehensweise und Fallbeispiele

17.4 Zusammenfassung und Aussicht

Literatur

18 Prozessanalytik in der Kunststoffindustrie

18.1 Einleitung und Problemstellung

18.2 Extrusion/Spritzguss

18.3 Kunststoffrecycling

Literatur

19 Prozessanalytik in der Fertigungsindustrie

19.1 Einleitung: Die Branchen im Überblick

19.2 Halbleiterindustrie

19.3 Optische Speichermedien – CD- und DVD-Fertigung

19.4 Automobilindustrie

19.5 Textilindustrie

19.6 Holzindustrie

19.7 Holzwerkstoffe

19.8 Papierfertigung

Literatur

20 Prozessanalytik in der petrochemischen Industrie

20.1 Einleitung

20.2 Grundstruktur einer Mineralölraffinerie

20.3 Standardprozessanalysatoren in der Mineralölindustrie

20.4 Mehr-Parameter-Analysatoren

20.5 Fallbeispiel Blendingprozess

Literatur

21 Prozessanalytik in der Mikroverfahrenstechnik

21.1 Mikroverfahrenstechnik – Chemische Prozesse auf kleinstem Raum

21.2 Anforderungen und Besonderheiten einer Prozessanalytik für die Mikroverfahrenstechnik

21.3 Arbeiten zur Adaption von spektroskopischer Analytik an mikroverfahrenstechnische Prozesse

21.4 Mikrostrukturierte Sensoren für mikroverfahrenstechnische Prozesse

21.5 Fazit

Literatur

Stichwortverzeichnis

Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema

W. Kessler

Multivariate Datenanalyse

Pharma-, Bio- und Prozessanalytik

2006. ISBN 3-527-31262-5

D. Abel, U. Epple, G.-U. Spohr (Hrsg.)

Integration von Advanced Control in der Prozessindustrie

Rapid Control Prototyping

2006. ISBN 3-527-31205-6

L. Puigjaner, G. Heyen (Hrsg.)

Computer Aided Process and Product Engineering

2006. ISBN 3-527-30804-0

K. Sundmacher, A. Kienle, A. Seidel-Morgensterns (Hrsg.)

Integrated Chemical ProcessesSynthesis, Operation, Analysis, and Control

2005. ISBN 3-527-30831-8

Wiley-VCH (Hrsg.)

Ullmann’s Processes and Process Engineering

2004. ISBN 3-527-31096-7

Prof. Dr. Rudolf W. KesslerHochschule ReutlingenAngewandte ChemieAlteburgstraße 15072762 Reutlingen

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Print ISBN 9783527311965

Epdf ISBN 978-3-527-66093-3

Epub ISBN 978-3-527-66031-5

Mobi ISBN 978-3-527-66030-8

Vorwort

Die Prozessanalytik ist ein relativ junger Zweig der Analytischen Chemie. Im Gegensatz zur Prozessmesstechnik, bei der Summenparameter erfasst werden, versucht die Prozessanalytik, den gesamten Prozess ganzheitlich zu betrachten. Dabei werden komplexe Daten erhalten, die sowohl morphologische als auch chemische Informationen enthalten. Mit diesen Informationen lassen sich die Prozesse besser beherrschen und gleichzeitig so steuern, dass die individuellen Kundenwünsche optimal befriedigt werden können.

Die eigenständige Disziplin „Prozessanalytik“ ist außerordentlich vielfältig und interdisziplinär angelegt, ja sogar transdisziplinär. Ein Prozessanalytiker sollte ein exzellenter Analytiker, Spektroskopiker, Chemometriker, Statistiker, Verfahrenstechniker, Messtechniker, Automatisierer, Manager, … sein und nicht zuletzt auch ein Spezialist im Umgang mit den Betriebsleitern und den Behörden.

Mit diesem Buch soll Fachleuten und Entscheidungsträgern ein Nachschlagewerk mit höchst unterschiedlichen Problemlösestrategien angeboten werden. Die einzelnen Kapitel sind so ausgelegt, dass man sie unabhängig voneinander lesen kann und trotzdem die wesentlichen Informationen erfasst. Zusätzlich ermöglichen die Fallbeispiele und die weiterführenden Literaturstellen eine schnelle Einarbeitung auch in schwierige und komplexe Fragestellungen.

Um diesen Anforderungen möglichst gerecht zu werden, haben wir das Buch in drei Abschnitte unterteilt:

Strategie und Management

Grundlagen und Fallbeispiele

Anwendungsübersichten für den Praktiker

Im ersten Teil des Buches soll die Philosophie der modernen Prozesstechnologie und Prozessanalytik dargestellt werden. Ganz pragmatisch wird eine Vorgehensweise beschrieben, wie auch produktionsorientierte Unternehmen die moderne Technik einsetzen können. Nicht zuletzt wird dargestellt, welche ökonomischen Vorteile der Einsatz der Prozessanalytik bietet.

Im zweiten Teil des Buches werden die grundlegenden Techniken der Prozessanalytik erläutert und an Hand von Fallbeispielen deren Potenzial diskutiert. Wichtig war uns dabei zu zeigen, dass häufig erst die Kombination mehrerer Methoden eine Problemlösung bietet. Ein entscheidender Faktor für den Einsatz der Prozessanalytik ist auch, dass erst die Verknüpfung der Prozessanalysentechnik mit der Datenanalyse (typischerweise Prozess-Chemometrie) auch Information erzeugt. Wir haben uns auch ganz bewusst entschieden, die Kapitel mit den spektroskopischen Fallbeispielen nicht nach den unterschiedlichen Technologien wie z. B. UV/VIS Spektroskopie, NIR-Spektroskopie etc. darzustellen. Sondern uns war wichtig zu zeigen, dass die Fragestellung und die Ziele des Projektes die Auswahl der Technologie bestimmen und nicht umgekehrt.

Im dritten Teil des Buches soll dem Praktiker ein Nachschlagewerk an die Hand gegeben werden, das es ihm erlaubt, sich möglichst schnell in Fragestellungen mit ähnlichen Fallbeispielen aus unterschiedlichen Industriezweigen einzuarbeiten.

Bei dieser komplexen Fragestellung war es nur natürlich, dass nicht alle Bereiche der Prozessanalytik erschöpfend behandelt werden konnten.

Der Herausgeber und die Autoren sind dankbar für Hinweise, Kritiken, Anregungen und Vorschläge zu Inhalt und Darstellungen.

Ich möchte mich im Namen der Autoren ganz herzlich bei den Industriefirmen für deren Unterstützung bedanken. Vielen Dank auch dafür, dass wir aktuelle Projektbeispiele und Daten in diesem Buch veröffentlichen durften. Ganz besonderer Dank gilt den zahlreichen Mittelgebern wie EU, BMBF, AiF, DFG, den Hochschulen und weiteren Bundes- und Länderministerien bzw. Institutionen für deren finanzielle Unterstützung bei den Fallstudien.

An dieser Stelle möchte ich mich auch bei allen Autoren und dem Verlag für die hervorragende Kooperation und die Geduld bedanken, die alle aufgebracht haben. Es ist mir ein persönliches Anliegen, den zahlreichen Kollegen und meinen Mitarbeitern zu danken für deren tätige Hilfe bei der Erstellung und Korrektur der Manuskripte. Besonders bedanken möchte ich mich bei meiner Familie, die mir in all den vergangenen Monaten Unterstützung in vielfältiger Hinsicht zu Teil werden ließ.

Reutlingen, März 2006

Rudolf Kessler

Verzeichnis der Autoren

Wolfgang Becker

Fraunhofer Institut für Chemische

Technologie (ICT)

Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7

76327 Pfinztal-Berghausen

Gerd Büttner

Bartec Benke GmbH

Analysengeräte und -systeme

Borsigstraße 10

21465 Reinbek/Hamburg

Alessandro Del Bianco

IPAC Improve Process Analytics

and Control GmbH

Bahnhofstraße 7

9500 Villach

Österreich

Gilbert Fruhwirth

Technische Universität Graz

Institut für Biochemie

Petersgasse 12/II

8010 Graz

Österreich

Peter Hauptmann

Otto-von-Guericke-Universität

Magdeburg

Fakultät für Elektrotechnik

und Informationstechnik

Postfach 4120

39016 Magdeburg

Wolf-Dieter Hergeth

Wacker Polymer Systems

GmbH & Co. KG

Johannes-Hess-Straße 24

84489 Burghausen

Andreas Kandelbauer

Kompetenzzentrum Holz GmbH

„Wood Kplus“

c/o FunderMax GmbH

Klagenfurterstraße 87–89

9300 St. Veit/Glan

Österreich

Rudolf W. Kessler

Hochschule Reutlingen

Angewandte Chemie

Alteburgstraße 150

72762 Reutlingen

Waltraud Kessler

Steinbeis-Transferzentrum

Prozesskontrolle und Datenanalyse

Herderstraße 47

72762 Reutlingen

Manfred Krell

Wacker Chemie AG

Johannes-Hess-Straße 24

84489 Burghausen

Stephan Küppers

Zentralabteilung für Chemische

Analysen

Forschungszentrum Jülich GmbH

52425 Jülich

Andreas Kurzmann

IPAC Improve Process Analytics

and Control GmbH

Bahnhofstraße 7

9500 Villach

Österreich

Ralph Lehnert

Hochschule Reutlingen

Fakultät für Chemie

Bio- und Prozessanalytik

Alteburgstraße 150

72762 Reutlingen

Stefan Löbbecke

Fraunhofer Institut für Chemische

Technologie (ICT)

Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7

76327 Pfinztal-Berghausen

Michael Maiwald

Merck KGaA

Zentrale Forschungsanalytik

Frankfurter Straße 250, A 118/011

64293 Darmstadt

Torsten Maurer

Siemens AG

Automation and Drives

Analytics PI 2 AS

Siemensallee 84

76187 Karlsruhe

Tobias Merz

Institut für Angewandte Forschung

Hochschule Reutlingen

Alteburgstraße 150

72762 Reutlingen

Heinz Müller

Siemens AG

Automation and Drives

Analytics PI 2 AS

Siemensallee 84

76187 Karlsruhe

Marco Oldiges

Institut für Biotechnologie 2

Forschungszentrum Jülich GmbH

52425 Jülich

Alf Püttmer

Siemens AG

Automation and Drives

Process Instrumentation and Analytics

Östliche Rheinbrückenstraße 50

76187 Karlsruhe

Christoph Reh

Nestlé Research Center Lausanne

Nestec Ltd.

Vers-chez-les-Blanc

1000 Lausanne 26

Schweiz

Astrid Rehorek

Fachhochschule Köln

Fakultät für Anlagen-, Energie-

und Maschinensysteme

Institut für Anlagen- und

Verfahrenstechnik

Betzdorfer Straße 2

50679 Köln

Frank Rutzen

ruped systems GmbH

Steinfeldstraße 5

39179 Barleben

Christoph Saal

Opt. and Vibr. Spectroscopy

Process Analysis

Merck KGaA

Frankfurter Straße 250

64293 Darmstadt

Peter Schirg

PS Prozesstechnik GmbH

Novartis Areal, K-970.1

4002 Basel

Schweiz

Thorsten Streibel

GSF Forschungszentrum

für Umwelt und Gesundheit

Institut für Ökologische Chemie

Ingolstädter Landstraße 1

85764 Neuherberg

und

Universität Augsburg

Institut für Physik

Analytische Chemie

Universitätsstraße 1

86135 Augsburg

Harald Trauthwein

Degussa AG

Röhm Methacrylate

Abt. WOR/B202

Rheingewannweg 10

67547 Worms

Ralf Zimmermann

GSF Forschungszentrum

für Umwelt und Gesundheit

Institut für Ökologische Chemie

Ingolstädter Landstraße 1

85764 Neuherberg

und

Universität Augsburg

Institut für Physik

Analytische Chemie

Universitätsstraße 1

86159 Augsburg

und

BIfA – Bayerisches Institut für

Umweltforschung und -technik GmbH

Abteilung Umwelt und Prozesschemie

Am Mittleren Moos 46

86167 Augsburg

Strategie und Management

1

Strategien für wissensbasierte Produkte und Verfahren

Rudolf W. Kessler

1.1 Übersicht und Abgrenzung

In den 1980er Jahren wurde die Prozessführung vom Messen, Regeln und Steuern bestimmt. Erst in den 1990er Jahren tauchten die Begriffe wissensbasierte Systeme, Expertensysteme, regelbasierte Systeme, Smart Systems, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Fuzzy Logik und neuronale Netze auf.

Der Begriff wissensbasierte oder regelbasierte Systeme kommt aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Wissensbasierte Systeme versuchen, sowohl empirisches Wissen, Know-how, induktiv, als auch Kausalwissen, Logik, deduktiv, in eine mit Computern verständliche Sprache zu integrieren, unabhängig davon wie dieses Wissen zustande kam. Durch das Wissen entsteht eine begründete Information, die in der Lage ist, Ereignisse vorherzusagen.

Der im englischen Sprachgebrauch verwendete Begriff „control“ wird nicht als Kontrolle verstanden, sondern eher als Lenkung. Bei wissensbasierten Systemen existiert eine klare Schnittstelle zwischen anwendungsspezifischem Wissen und der allgemeinen Problemlösungsstrategie. Die Komponente der allgemeinen Problemlösungsstrategie wird Inferenzmaschine, auch computergestützte Schlussfolgerung genannt. Der Vorteil dieses Konzepts ist, dass man eine Problemlösungsstrategie für mehrere Anwendungsgebiete verwenden kann. Es muss nur die entsprechende Wissensbasis ausgetauscht werden [1–3].

Historisch gesehen hat sich die Prozessanalytik aus den Konzepten der Qualitätskontrolle durch Prüfung („Quality by Inspection“) in den 1930er Jahren, der Statistischen Prozesskontrolle („Quality by Statistical Process Control“ (SPC)) in den sechziger und 1970er Jahren und der Prozessregelung durch statistische Versuchsplanung z. B. im Rahmen von SixSigma („Quality through Design“ (Taguchi)) in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt [4–6]. Als spezieller Zweig der analytischen Chemie war sie an der Nahtstelle zwischen der Laboranalytik und der Prozesstechnik angesiedelt. Ziel des Quality through Design war es, durch die Qualitätskontrolle nicht nur die Fehler zu beseitigen, sondern durch geeignete Maßnahmen den Prozess so zu gestalten, dass keine Fehler mehr entstehen [7].

Die Prozessanalytik hat insbesondere in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung genommen. Grund hierfür ist die Reduktion der Kosten im Bereich der komplexen Messtechnik durch die Mikrosystemtechnik und in der Informationstechnologie, wo immer größere Rechenkapazitäten bei geringeren Kosten zur Verfügung gestellt wurden. Große Popularität erhält die Prozessanalytik auch durch die Vision „Manufuture for 2020“ der Europäischen Kommission und durch die PAT-Plattform („Process Analytical Technology“) der Amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) im Jahr 2004 [8, 9]. Hier versucht die FDA zum ersten Mal, die Prozessanalytik als eigenständiges Konzept in den betrieblichen und regulatorischen Ablauf zu integrieren.

PAT wird definiert als „System for Designing, Controlling and Analysing Manufacturing“ und ist im Moment auf die pharmazeutische Industrie beschränkt. Gemeinsam mit dem SixSigma-Konzept und vielen weiteren Empfehlungen u. a. GMP („Good Manufacturing Practice“) wird es Auswirkungen auf die gesamte Fertigungsindustrie auch bei Massenkonsumgütern haben.

Univariate, d. h. eindimensionale, Messgrößen wie z. B. Daten aus der Prozessmesstechnik, z.B. pH, Temperatur etc., können alleine nicht den Vorgang eines Herstellungsprozesses beschreiben. Es sind deshalb multivariate, d.h. mehrdimensionale, und komplexe Informationen wie z. B. in der Prozessanalytik notwendig. Dies kann durch die Verknüpfung einer Vielzahl univariater Messgrößen (z. B. Temperaturarray in einem Röhrenreaktor) geschehen oder durch die Messung einer komplexen, überlagerten Information in Form z. B. eines NIR-Spektrums.