Prozesskontrolle mittels Niederfeld-NMR-Spektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Online-Medium-Resolution-NMR-Spektroskopie wurde als neue Technik zur Überwachung verfahrenstechnischer Prozesse weiterentwickelt. Entlang der Prozesskette wurden an den verschiedenen Elementen der Online-Spektroskopie gearbeitet. Ein temperierbarer und druckfester Bypass erlaubt, die reagierende Mischung bei Reaktionsbedingungen über eine Pumpe in die NMR-Messzelle zu fördern, für die verschiedene Versionen von temperaturisolierten NMR-Durchflusszellen berechnet, realisiert und mittels MRI hinsichtlich ihrer strömungsdynamischen und NMR-Eigenschaften charakterisiert wurden. Austauschbare Polymerleitungen für robuste, industrielle Anwendungen kamen ebenso zum Einsatz wie maßgeschneiderte Flusszellen zur Reduktion der Verweilzeitverteilung und des Stoffdurchsatzes. Bewertungsverfahren für MR-NMR-Spektrometer und Durchflusszellen auf Basis leicht verfügbarer Flüssigkeiten (wie z. B. Aceton, Ethanol, Wasser) wurden abgeleitet, Mindestspezifikationen für die Anwendbarkeit der MR-NMR im Prozessmonitoring wurden erarbeitet. Auf der Basis des Bypasssystems konnten einige verschiedene chemische Reaktionen im Bereich einiger 10 s zeitaufgelöst gemessen und ihre Kinetik auch im Fall von Nichtgleichgewichtsmagnetisierung und schneller Strömung analysiert werden. Voraussetzung ist eine stabile und automatisierte Datenbearbeitung, die sich nahtlos in den Workflow von der Datenakquisition bis zur Datenanalyse einbindet. Daher war ein weiteres Augenmerk auf die Datenvorbehandlung gelegt. Bekannte Algorithmen wie die automatisierte Phasenkorrektur entlang der „Minimum Entropy“ Methode und der Maximierung des Realteilspektrums wurden zusammen mit neuen Methoden wie dem Softewarelock implementiert und angewandt. Zur Bestimmung der Konzentrationen wurden verschiedene Verfahren wie die direkte Integration, die Spektrenmodellierung mit und ohne Vorkenntnisse sowie statistische Methoden der Chemometrie angewandt und verglichen. Ebenso ließen sich erstmalig quasiparallel akquirierte 1H- und 19F-MR-NMR-Spektren für die Prozesskontrolle mit gutem Ergebnis analysieren. Die erarbeiteten Konzepte und Verfahren sind unabhängig von der Hard- und -Software des MR-NMR Geräts und damit allgemein einsetzbar. Während des Projektverlaufs kamen Benchtop-Laborgeräte von einer wachsenden Zahl an Herstellern auf den Markt, die immer besser den Anforderungen der Spektroskopie gerecht werden. Online-MR-NMR-Spektroskopie erweitert die Prozessanalytik um eine bislang nur im Labor bekannte chemische Sensitivität gegenwärtig mit der Fähigkeit zur Unterscheidung von beispielsweise Aliphaten, Olefinen oder Aromaten (z. B. Hydrierung) oder Strukturänderungen (z. B. Isomerisierung), bei denen klassische Techniken an ihre Grenzen stoßen. Sie stellt nun eine Alternative für die Prozessanalyse dar, insbesondere wenn schnelle, zerstörungsfreie und integral arbeitende Methoden erforderlich sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Macromol. 2010, 43, 5561
M. A. Vargas, M. Cudaj, K. Hailu, K. Sachsenheimer, G. Guthausen
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Macromol. Rapid Comm. 2011, 32, 665
M. Cudaj, G. Guthausen, T. Hofe, M. Wilhelm
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Chem. Eng. Sci. 2012, 75, 318
F. Dalitz, M. Maiwald, G. Guthausen
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Energ. Fuel. 2012, 26, 5274
F. Dalitz, A. Steiwand, K. Raffelt, H. Nirschl, G. Guthausen
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Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 1933
M. Cudaj, G. Guthausen, T. Hofe, M. Wilhelm
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Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectr. 2012, 60, 52
F. Dalitz, M. Cudaj, M. Maiwald, G. Guthausen
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Appl. Magn. Reson. 2014, 45, 411
F. Dalitz, L. Kreckel, M. Maiwald, G. Guthausen
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CIT-Plus 2014, 12, 25
N. Zientek, G. Guthausen, M. Maiwald
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J. Magn. Reson. 2014, 249, 53
N. Zientek, C. Laurain, K. Meyer, M. Kraume, G. Guthausen, M. Maiwald
